汽车第3章 发动机的燃料与燃烧

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对于已知的燃料,各元素的含量易于测得,而空气中氧和 氮的比例又是固定的,因此,按照完全燃烧的化学反应式, 可以求出燃料燃烧的基本关系。
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一、燃料完全燃烧所需的理论空气量
组成发动机燃料的主要元素是碳(C)、氢(H)、氧 (O),其它元素含量很少,计算时可略去不计。
设1kg燃料中各元素的质量组成为:
蒸馏温度( C)
350
300
1
250 2
200
3 150
4
100
50
0 20 40 60 80 100 相对蒸发量(%)
图3-2 燃料蒸馏曲线 1-轻柴油; 2-煤油; 3-车用汽油; 4-航空汽油
一、汽油的性能 1.辛烷值 在汽油机燃烧过程中,由于压缩比及气缸内气体温度的
升高,可能出现一种不正常的燃烧现象,称为爆燃。影响 汽油机爆燃的关键因素之一是燃料的品质。 辛烷值是用来表征汽油抗爆性的一项指标。汽油的辛烷值 越高,抗爆震能力越强。国产汽油就是用辛烷值来标号的。
第一节 发动机的燃料
并非所有燃料都可以被用作汽车发动机燃料,汽车发动机 燃料必须满足以下条件: ➢ 1)储量丰富,供应充足而且价格适当; ➢ 2)燃料理化性能适应发动机燃烧及车辆行驶的综合性能 的要求; ➢ 3)燃料本身对人体健康影响小,有害排放物及噪声通过 一定措施能达到有关法规要求; ➢ 4)能量密度高,能满足较长距离行驶的要求,燃料储运、 使用及管网设置安全、方便; ➢ 5)燃料对发动机寿命及可靠性无不良影响,供给及燃烧 装置不能过于昂贵。
(1)10%的馏出温度 (≤70℃) 汽油馏出10%的温度标志着它的起动性。 馏出10%的温 度低,说明发动机使用这种燃料时,容易冷车起动。但是 此温度过低,就会使管路输送中的汽油,受到发动机温度 较高部位的加热而变成蒸气,在管路中形成“气阻”,从 而使发动机断火,影响正常运转。
(2)50%的馏出温度 (≤120℃) 汽油馏出50%的温度标志着它的平均蒸发性。此温度高低 直接影响着发动机的暖车时间、加速性以及工作稳定性。 此温度较低,说明这种汽油的挥发性较好,在较低温度下 可以有大量的燃料挥发而与空气混合,这样可以缩短暖车 时间,而且从较低负荷向较高负荷过渡时,能够及时供应 所需的混合气。
测定柴油的十六烷值,采用由十六烷和α甲基萘混合制 成的混合液。十六烷容易自燃,规定它的十六烷值为100, a甲基萘最不容易自燃,其十六烷值定为0。
十六烷值 Cetane C16H34
HH
HH
Cetane number
H C C ....... C C H
CN = 100
HH
HH
H
a-甲基萘 a Methylnaphtalene C11H10
二、柴油的性能 柴油分为轻柴油和重柴油。高速柴油机中使用轻柴油,中、 低速柴油机中使用重柴油。车用柴油机中主要使用轻柴油。 凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度。
轻柴油的牌号按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20 号、-35号、—50号六级,其凝点分别不高于10℃、0℃、 -10℃、-20℃、-35℃、-50℃。
研究法的数值比马达法要高出8-10单位 用下面这个公式可以换算: 马达法辛烷值=研究法辛烷值×0.8+10
美国认为用辛烷值指数[ONI,即(RON+MON)/2]来 表征在各种道路行驶(工作情况)时的抗爆性能,并将汽 油按ONI分为85、87、89、91、93、95、97共七个等级
2.馏程
汽油馏出温度的范围称为馏程。 馏程是用来评价汽油蒸发性 的一项指标。 为了评价汽油的挥发性,常 以10%、50%和90%的馏出 温度作为几个有代表意义的 点。
标准状况下以体积表示的理论空气量为:
可得:汽油的理论空气量为14.8(kg/kg), 柴油的理论空气量为14.5(kg/kg)。
二、过量空气系数φa
发动机工作过程中,燃烧1kg燃料实际提供的空气量L与理
论上所需空气量L0之比,称为过量空气系数Φa。
a
L L0
选用柴油时,应按最低环境温度高出凝点5℃以上,即- 20号柴油适用于最低环境温度为-15℃的场合。
对于车用轻柴油,影响柴油机性能的关键性指标主要有以 下一些: 1.十六烷值 十六烷值就是评定柴油自燃性好坏的一项指标。它与发动 机的粗暴性及起动性均有密切关系。 对于自燃性好的燃料,着火延迟期短,在着火延迟期内, 气缸中形成的混合气少,着火后压力升高速度低,工作柔 和,冷起动性能亦随之改善。
Octane number 0 辛烷值=0
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辛烷值的测定方法:马达法与研究法。
马达法规定的试验转速及进气温度比研究法高,所以用马达法测定的 辛烷值(MON)比研究法辛烷值(RON)低。
测量燃料辛烷值 的CFR发动机
国产汽油是以辛烷值(研究法)来标号的
市面上常见的汽油标号:90、93、97 92 95 98 北京2012年5月,实行了新的汽油标号 京V标准将硫含量指标限值由50mg/kg降低为10mg/kg,将车用汽油 的锰含量指标限值由0.006g/L降低为0.002g/L。同时根据汽油辛烷值 的变化,京V标准汽油牌号由90号、93号、97号分别调整为89号、92 号、95号。
率,是量调节
防止自燃,促使其有规律的 汽油自燃温度较高,燃烧,混合气均匀,着火后,
适宜外源点火 以火焰传播的方式向均匀的 混合气展开
柴油机
柴油蒸发性差,但粘性好,适宜 用油泵油嘴向气缸内部喷油,靠 调节供油量来调节负荷,吸入的
空气量基本不变,是质调节
柴油化学安定性差, 易自燃,采用压燃
的方式
柴油喷射及与空气的混合, 既短暂又不均匀,常有随喷 随烧的现象,燃烧时间延长
gC+gH+gO=1 式中:gC、gH、gO分别为1kg燃料的C、H、O的质量。 空气中的主要元素是氧(O)和氮(N)。按体积计(即 按物质的量计),O2约占21%,N2约占79%;按质量计, O2约占23%,N2约占77%。 燃油中的C、H完全燃烧,其化学反应方程式分别是:
按照化学反应的当量关系,可求出1kg燃料完全燃烧所需 的理论空气量
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第三章 燃料与燃烧
在发动机的工作过程中,气缸内的工作物质是成分和比例 不断变化的混合气体:空气、燃料蒸气及燃料燃烧后的混 合物(气体、固体、燃料液滴等)。
发动机的燃料占有重要的地位,它是发动机动力的来源。 发动机的存在与发展,不同类型的发动机在结构与性能上 的差异,发动机排放物对环境造成的污染等等,都与发动 机燃料的种类和品质有着密切的关系。
(3)90%的馏出温度 (≤190℃) 汽油馏出90%的温度标志着它的含有难于挥发的重质成分 的数量。此温度低,燃料中所含的重质成分少,进入气缸 中能够完全挥发,有利于燃烧过程的进行。此温度过高, 燃料中含有较多的重质成分,在气缸中不易挥发而附着在 气缸壁上,燃烧容易形成积炭;或者沿着气缸壁流入油底 壳,稀释机油,破坏轴承部位的润滑。
发动机传统的燃料是汽油与柴油,它们是石油的炼制品。 石油的主要成分是碳、氢两种元素,含量约占97%-98%, 其它还有少量的硫、氧、氮等等。
石油产品是以多种碳氢化合物的混合物的形式出现的,分 子式为CnHm,通常称为烃。
利用沸点不同直接进行分馏,依次得到石油气-汽油-煤油轻、重柴油-渣油
原油的蒸馏(Distillation)
自燃性
所配置混合液
待测柴油
十六烷的体积百分比
十六烷值
测量燃料十六烷值的 CFR发动机
2、馏程
表示柴油的蒸发性,用燃油馏出某一百分比的温度范 围来表示,与燃烧完善程度及起动性能有密切关系
燃料馏出50%的温度(≤300℃) 此温度低,说明这种燃料轻馏分多、蒸发快,有利于 混合气形成。
90%和95%馏出温度(≤355℃, ≤ 365℃) 标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏 分过多,在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合 气,燃烧不容易及时和完全。
为了提高汽油的辛烷值,常使用抗爆添加剂-四乙铅 [Pb(C2H5)4]和溴化乙烷(C2H4Br2)组成的混合物,由于 四乙铅有毒,现已禁止使用
测量燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的。
测定时,用容易爆震的正庚烷C7H16(辛烷值定为0)和抗爆 性好的异辛烷C8H18(其辛烷值定为100)的混合液与被测定 的汽油作比较。当混合液与被测汽油在专用的发动机上的
车用高速柴油机使用轻馏分柴油,但馏分太轻也不好, 因为轻质燃料容易蒸发,在着火前形成大量油气混合 气,一旦着火压力猛增,将使柴油机工作粗暴。
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3、 粘度
是燃料流动性的尺度,是表示燃料内部摩擦力的物理特性。 影响燃料喷射雾化的质量。
当其它条件相同时,粘度越大,雾化后油滴的平均直径也 越大.使燃油和空气混合不均匀,燃烧不及时或不完全, 燃油消耗率增加,排气带烟。

理化性质的变化趋势
挥发性
粘度
化学
自燃性 点燃性
安定性










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第二节 燃料的使用特性
汽油、柴油不是单一成分和结构的 物质,都是由几百种有机物组成的 混合物。最初使用的汽油、柴油是 原油直馏时不同分馏段的产物。
近代汽油、柴油中,直馏成分已占 到很少的比例。为了提高燃料的使 用特性,汽油、柴油中都加入了大 量的热裂解、催化裂解和加氢裂解 的产物。同时,还有改善各种性能 的添加剂。可见,近代汽油、柴油 是工艺复杂的高技术产品。
抗爆程度相同时,则混合液中异辛烷含量的体积百分数就
ຫໍສະໝຸດ Baidu
是被测定汽油的辛烷值。
异辛烷 Iso-Octane C8H18
H CH3 H CH3 H HCCCC CH
H CH3 H H H
Octane number 100 辛烷值=100
正庚烷 n-Heptane C7H16
HHH HCCC
HHH
HHHH CCCCH HHHH
汽车发动机原理
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目录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章
发动机的性能 发动机的换气过程 燃料与燃烧 汽油机混合气的形成和燃烧 柴油机混合气的形成和燃烧 汽车发动机特性 车用发动机废气涡轮增压 发动机排气污染与噪声控制 新型汽车动力装置 发动机动力学
1、自行着火 2、多火源着火
1、以火焰传播方式为主 2、接近等容燃烧
1、以扩散燃烧方式为主 2、接近先等容后等压燃烧
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第三节 燃烧热化学
内燃机的燃烧过程是一个复杂的过程,为了给车用发动机 经验设计及调试提供依据,需要进行燃烧热化学的分析。 燃料的燃烧,本质上是燃料中的碳、氢元素与空气中的氧 气进行氧化反应的放热过程。
粘度
雾化油滴平均直径
燃烧不及时或不完全
燃油消耗率增加,排气带烟 喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑,所以柴油应具有一定的粘度。 一般轻柴油的运动粘度在20℃时为(2.5~8)×10-6m2/s。
三、汽油、柴油性能差异对发动机的影响
混合气形成上的差异 着火上的差异
燃烧上的差异
汽油机
汽油挥发性强,能在较低温度下 以较充裕的时间在气缸外部进气 管中形成均匀的混合气,控制混 合气的数量便能调节汽油机的功
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归纳(汽油、柴油性能差异对发动机的影响)
混合气形成上的差异
着火上的差异
燃烧上的差异
汽油机
1、外部形成 2、均匀混合气 3、 过量空气系数比较小 4、量调节(负荷)
1、外源点火 2、单火源发火
柴油机
1、内部形成 2、非均匀混合气 3、过量空气系数比较大 4、质调节(负荷)
CH3
CC
HC
C
CH
HC
C
CH
C
C
H
H
Cetane number CN = 0
当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时, 则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷 值。
国产柴油的十六烷值规定在40-50之间
十六烷 ┼ α-甲基苯
容易自燃
最不容易自燃
十六烷值为100
十六烷值为0
蒸馏塔
原油
石油气 汽油
煤油 柴油 润滑油
沥青
C原子数 沸点
品种
相对分 子质量
质量
C1-C4
常温 石油气 16-58

C4-C12
40210℃
汽油
95-120
C11-C19
180300℃
煤油 100-180
C16-C23
250360℃
轻、重 柴油
180-200
C23以上
360℃ 以上
渣油 220-280
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