发动机原理第四章 内燃机的燃料与燃烧

第四章 内燃机的燃料与燃烧
§4-1 内燃机燃料及其提炼 §4-2 传统燃料的现状及使用特性 §4-3 燃烧热化学 §4-4 燃烧的基本知识 §4-5 内燃机燃料及燃烧方式的发展趋势
§4-1 内燃机燃料及其提炼
燃料是内燃机产生动力的来源，直接影响内燃
机的发展、结构特点以及对环境的污染。
第
四 一、石油中烃的分类及性质
章
燃 ➢ 传统燃料：汽油、柴油石油中提炼
料
与 ➢ 石油：碳氢化合物
燃
烧 主要成分：C，H；少量的S，O，N
河 分子式：CnHm——烃类
南
理 工
➢ 代用燃料：CNG、LPG、 DME、 H2和 醇类
大
学
1. 碳原子数的影响
➢ 由烃分子C原子数的不同，其分子量、沸点不同
构成不同性质的燃料
第 四
➢ 燃料根据不同沸点分馏：
标准燃料：正庚烷—易爆燃，辛烷值为0
与
异辛烷—抗爆性好，辛烷值为100
燃
烧 试验方法不同：研究法和马达法——n和温度T不同
河 定义：被测汽油的抗爆程度与标准燃料相同时，标准燃
南 理
料中异辛烷含量的体积百分数为被测汽油的辛烷值。
工
大
学
二、汽油
汽油辛烷值：取决于汽油组成、炼制方法、添加剂
辛烷值的高低：烷烃<烯烃<环烷烃<芳烃
第 四
馏程：指汽油馏出的温度范围，评价蒸发性
燃料蒸馏曲线
章 试验方法：
轻柴油
燃
料
煤油
与 燃
初馏点：第一滴
烧 凝结的燃料流入
车用汽油
河 量筒时的温度。
航空汽油
南
理
工
大
学
二、汽油
➢ 10%馏出温度T10：评价低温蒸发性，影响起动性
T10低，低温蒸发性好，易于起动
第
四 过低，易产生“气阻”现象
大 学
❖ C23以上：360 ℃以上，渣油，220~280
1. 碳原子数的影响
烃分子中碳原子数对烃性质的影响
第 C 原子数 沸点℃ 品种 相对分子量
四 C1—C4 章
常温 石油气 16—58
燃 料
C5—C11
50—200
汽油
95—120
与
燃 C11—C19 180—300 煤油 烧
100—180
河 C16—C23 250—360 轻柴油 180—200
章
燃
直链
C
料
与 直链特点：饱和开链式，含C越高结构越不紧凑，
燃
烧
常温下化学性质稳定，但热稳定性差，
河
高温易分解，自然性好—柴油的好成分
南
理 烯烃： 分子式：CnH2n
工
大
化学结构：-C=C-; -C=C-C-C-
学
2. 分子的化学结构对性能的影响
特点：非饱和开链式，自发火性差，汽油的成分；
常温下化学稳定性差，易氧化胶质；不易储存
82/
0
8
5
0.54
0.78
0.80
0.70—0.75
15.8
6.52
9.05
14.9
504
500
420
220—250
46390
20260
27000
44000
3490
3557
3660
3750
89—96
92
80
81—89
轻柴油 0.87/0.126/0.00
4 0.82—0.88
14.5 — 42500 3750 —
南
理 C23 以上 360 以上 重油 工
220—280
大
学
理化性质变化趋势
化
轻 质
易粘 挥度 发增
学 稳 定
大性
变
好
易易 自点 燃燃
2. 分子的化学结构对性能的影响
碳、氢原子数和排列位置对燃料性质影响很大：
烷烃：分子式：CnH2n+2
第
C 支链(热稳定)
四
化学结构： -C-C-C-C-； -C-C-C-C-
章 燃
石油气汽油煤油柴油渣油
料 与
❖ C1~C4：气态——石油气，相对分子质量16~58
燃 ❖ C5~C23：液态
烧
C5~C11：50~200℃，汽油， 95~120
河 南
C11~C19：180~300 ℃，煤油， 100~180
理 工
C16~C23: 250~360 ℃ ， 轻、重柴油，180~200
第
四 ➢ 直链烷烃类：分子量、C数增加时十六烷值增加;
章
燃 所以，十六烷值高，便于起动，着火落后期缩短;
料
与 但是分子量增加，蒸发性变差，粘度增加，冒黑
燃 烧
烟，经济性恶化。
河 ➢ 一般，十六烷值：45~65，不要过大
南 理
过大：冒烟
工 大
过小：不易着火
学
一、柴油
燃料的不同分子结构对十六烷值和自燃性的影响
章 燃
理论空气
料 量 Kg/kg
与 自燃温度
燃 （℃）
烧 燃料低热
河 值（kJ/kg） 南 混合气热
理 值 kJ/ m3 工 辛烷值 大 学 MON
0.42 17.4 632 50050 3230 120—130
表 4-4 常用液体和气体燃料的理化性质
LPG
甲醇
乙醇
汽油
0.818/0.1 0.375/0.125/0.5 0.522/0.130/0.34 0.855/0.14
河
南柴
理
工油
大 学
在 50—70 含有 20%—30%的芳香烃具 有较高的十六烷值
含有大量不饱和烃，十六烷值较低， 一般用作中低速柴油机燃料
RON 可达 90 以上 性能较好，可作高品质柴油使 用，用于高速柴油机中
➢ 热裂解：工艺简单
但燃油的稳定性差，辛烷值低
第
四 ➢ 催化重整：使正构烷烃或环烷烃异构物烃和
章 汽车上的应用：
燃 料
压缩天然气(CNG)，20MPa 存于高压气瓶中；
与 燃
液化天然气(LNG)，-162℃低温液化储存，密
烧 度为常态下气体密度的600倍，行驶距离长，但成本
河 高。
南 理
➢
LPG:
天然石油气或石油炼制中产生的液化石油气
工 大
主要成分：丙烷/丙烯/丁烷/丁烯及其异构物
学
三、代用燃料及其特性
第 四 章 燃 料 与 燃 烧
河 南 理 工 大 学
一、柴油
馏程：评价柴油的蒸发性
第 用馏出某一百分比的温度范围表示
四 章
➢ 馏出50%的温度T50：表示平均蒸发性
燃 料
T50低 轻馏分多，蒸发快，有利于混合
与 燃
主要影响暖机性能、加速性、工作稳定性
烧 ➢ 馏出90%或95%温度T90或T95：表明柴油中难以
油
第 四
料
章汽
燃
料油
与
燃
烧
直馏法
稳定性好，含 90%—95%的 烷烃与环烷烃，芳香烃不超 过 5%—9%，不含不饱和链 状烃，其 MON 辛烷值大致
热裂法
含有较多的不饱和烃，储存 中易产生胶质，抗爆性比直 馏汽油好，其 MON 辛烷值 约为 58—68 范围内
催化裂化法
芳香烃的体积分数约 32%—40%，烷烃为 50%—60%， 环烷烃为 8%—10%，品质高， 抗爆性好，辛烷值可达 77—84，
烧
度降低，增加充气量，但冷起动困难需要预热
河➢
南 理➢
工 大
➢
学
辛烷值高，抗爆性能好，可提高压缩比 沸点低，产生气阻的倾向大 甲醇对视神经有损伤作用，有毒性，储运及使用中注意安 全；甲醇对金属有一定腐蚀作用，需防腐蚀措施
燃料 项目
天然气
gc /gH/ go 0.75/0.25/
第 液态密度
四 （kg/L）
河 气可行驶距离短。
南 ➢ 储气压达20MPa，燃料容器加重。
理
工 ➢ 因气态吸入气缸，充气效率降低；单位体积的混合气热值
大 学
低，功率降低近10%
三、代用燃料及其特性
用于汽车的三种形式：
CNG—以20MPa压缩储存
第
液化天然气 LNG — -162℃以下储存
四 章
吸附天然气 ANG—吸附材料
燃
天然气汽车
天然气燃料的优点：
主要成分是甲烷，CO、HC排放少，燃料中不含硫的成分，
第 SO2排放量低于电动汽车。
四 辛烷值高达13Hale Waihona Puke Baidu，可提高压缩比热效率。
章 燃
燃料着火界限宽，稀燃优越，运转范围内可降低NOx。
料 气体燃料，低温起动及低温运转性能良好。
与
燃 天然气燃料的缺点：
烧 ➢ 气体燃料，常温常压下储运性能差，能量密度低，一次充
三、代用燃料及其特性
醇类燃料：主要指甲醇和乙醇
甲醇：从天然气、煤、生物质等原料中提取
第 乙醇：从含淀粉和糖的农作物中制取
四 章
特点：相对汽油
原料来源广泛， 可再生，有较好 的燃料特性
燃 ➢ 热值低，但醇中含氧量大，所需理论空气量比汽油少，所
料 与
以两者混合气热值相近，保证发动机动力性能不降低
燃 ➢ 醇的汽化潜热为汽油的三倍；燃料蒸发汽化可促使进气温
料
与
燃 烧
压缩天然气汽车 CNG
液化天然气汽车 LNG
吸附天然气汽车 ANG
河
南
天然气专用汽车： 两用燃料汽车：
双燃料汽车：
混合动力汽车：
理
以压缩天然气为单 两种燃料哪一种
两种燃料混合使
天然气发动机和
工
一燃料
多能行驶的汽车
用的汽车
电机等组合的汽
大
以汽油机改进型 天然气/汽油、LPG
天然气+柴油
车
学
和柴油机改进型
料 测定方法：单缸试验机，压缩比可调
与 燃
标准燃料：十六烷与 -甲基萘不同比例制成的混
烧
合液
河 规定自燃性：十六烷：100； -甲基萘：0
南 定义：被测柴油的自燃性与标准燃料相同时，标准燃料
理
工
中十六烷的体积百分数为该柴油的十六烷值。
大
学
一、柴油
十六烷值：与燃料的分子结构有关，可通过原油种
类、炼制方法、添加剂来控制
三、代用燃料及其特性
生物柴油
由动物脂肪或植物油通过酯化反应得到的长链脂肪酸甲
第 四 章
(乙)酯组成的新型燃料，具有与柴油相近的性能。 光合作用自
特点：
然循环
燃 料➢
环保性优良。含S低，不含芳香烃，保持CO2平衡。
与 燃
➢
十六烷值高，燃烧性能好，润滑性能好。
烧 ➢ 闪点高，可溶解，对土地和水的污染小，可大大减轻意外
第 ➢ 直馏法：将原油在炼油塔中进行加热蒸馏
四 章
不同分馏温度得到不同成分的燃油
燃 料
这一部分燃料油约占原油的25%~40%
与 燃
➢裂解法：通过加温加压方法进行裂解
烧 ➢催化重整：使用催化剂进行裂解
河 南
➢加氢精制：
理
工
大
学
将蒸馏后的重油等一些高 分子成分用不同手段裂解 为分子量较轻的成分。
表 4-3 不同炼制方法对油料性质的影响
2. 分子的化学结构对性能的影响
芳香烃：CnH2n-6
第
基本化合物是苯：C6H6;
四 章
石油中含量少，分子结构坚固；
燃
热稳定性高，
料
与
高温下不易破裂；
燃
烧
汽油的良好的抗爆剂；
河
石油炼制中产生
南 理
其中，-甲基萘：C11H10的抗
工 大
爆性认为100%
学
二、燃料的提炼方法及对燃料性能的影响
从石油中炼制燃料的典型工艺流程：
§4-2 传统燃料的现状及使用特性
一、柴油
第 二、汽油
四 章
三、汽油、柴油性能的差异对发动机性能的影响
燃
料
与
燃
烧
河 南 理 工 大 学
一、柴油
高速柴油机：轻柴油；中低速柴油机：重柴油
柴油性能的评价指标：
第 十六烷值：评价柴油的自燃性
四
与发动机的粗暴性和起动性密切相关
章 燃
十六烷值高：着火延迟期短，工作柔和，起动性好
河 凝点：表示柴油失去流动性开始凝固的温度，评
南 定柴油的低温流动性。柴油牌号用凝点表示。
理
工 大
如：RC10，RC0，RC-10，RC-20，RC-35等。
学
二、汽油
汽油性能的评价指标：
辛烷值：评价汽油的抗爆性
第 爆燃：点火后，末端气体的自燃现象
四
章 测定方法：专用试验台，压缩比可变
燃 料
章 燃
沸点，℃
188—343
182—238
266—222
料 与
十六烷值
40—55
>48
13—17
燃 烧
当量空燃比 kg/kg
15.0
13.8
14.5
低热值，MJ/kg
河
南 理
比重@15.6℃
工 大
密度，g/mL
学
43.05 0.86 0.848
38.39 0.880 0.878
43.05 0.750 0.747
章 燃
芳香烃
料 与
副产品氢气可作为加氢工艺的氢气来源
燃 ➢ 加氢精制：可使烯烃变成饱和烃，还可以脱碳，
烧
脱氮，脱氧以及脱金属等，满足油品的更高
河 南
要求。
理 工
为获得高品质燃料，常采用加氢精制或催化重
大 学
整工艺
三、代用燃料及其特性
气体燃料
➢ NG：自由态或与石油共存的天然气，主要成分是
第 四
甲烷CH4，成为第三大支柱能源。
河
南➢ 理
工➢ 大
学
泄漏时对环境的污染安全性好。 可再生。资源不会枯竭。 能与石油柴油以任何比例相溶，与柴油混烧或纯烧生物柴 油，可直接应用现有的柴油机及供油系统和加油站系统。
三、代用燃料及其特性
表 4-5 生物柴油与柴油、汽油主要性质参数的对比
性质
D2 柴油
生物柴油
汽油
第 四
分子式
C10—C21 随油类与脂类而异 C4—C9
河
蒸发的重质成分含量
南
理 工
主要影响燃烧完全 经济性
大
学
一、柴油
黏度：表示燃料分子间的内聚力 抵抗分子间相
对运动的能力；评定柴油的稀稠度，影响燃料的
第
四 流动性和喷雾质量
章
燃
温度高，黏度小，流动性强；反之相反。
料
与 热值：1kg燃料完全燃烧所释放的热量。柴油
燃 烧
hu=42700kJ/kg
第
四 炔烃：分子式：CnH2n-2 ；化学结构：—CC—
章
燃 特点：非饱和开链，热裂化产物，不存在原油中；
料
与
很不稳定，常温下易分解；不易作燃料
燃 烧
环烷烃：分子式：CnH2n;
河
化学结构：
-C—C-C—C-
环丁环
南 理
特点：饱和环状，不易分裂，热稳定性强，
工
大
汽油机的燃料，石油的重要组成部分
学