第3章 发动机燃料与燃烧(2003版)

的质量与该区域中已汽化的燃油质量之比。

对汽油机的化油器或电喷系统，柴油机的喷油 系统，能控制的只是表观空燃比。

对燃烧有实际影响的是有效空燃比或局部空燃 比。

有效空燃比与表观空燃比的差别与喷雾质量、 温度以及燃油特性有关。

局部空燃比与有效空燃比的差别与混合气的均 匀性有关。
3.4 燃烧的基础知识 3.4.1 着火与燃烧
润滑性能好。


良好的安全性：闪点高，可溶解，污染小。
可再生和废物利用。

能与石油柴油以任何比例相溶，柴油机不需改
动即可与柴油混烧或纯烧。
3.3
燃烧热化学
3.3.1 1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量
燃油中C和H完全燃烧，化学反应方程式分别为： C+O2=CO2 H2+1/2O2=H2O 按照化学反应的当量关系，1 kg燃料完全燃烧所需 的理论空气量为 ： 1 gc gH g0 L0 kmol / kg燃料 （3.1） 0.21 12 4 32

雾化与蒸发性
馏程、运动黏度、密度、闪点都是与雾
化和蒸发相关的油品指标。
馏程中 50%蒸发温度：低，轻质馏分越多，发动机容 易启动 90%蒸发温度：低 ，柴油中重质馏分少，可提 高发动机动力性能 黏度：表示柴油稀稠程度及流动性的指标。 影响到燃油喷雾质量、过滤性、油道中的流 动性。 闪点：柴油加热后蒸汽与外界混合形成混合 气。混合气与火焰接触发生闪火的最低温度 称为闪点。 闪点高，储存、运输和使用中不易着火，安全

3)抗氧化安定性
汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质不 发生长久性变化的能力称为抗氧化安定性。 4）清净性
汽油喷射式汽车最常发生的问题是在进气系 统和喷油器上产生沉淀，为了保持进气系统 的清洁，向汽油中加入汽油清洁剂。
2. 柴油

柴油 柴油是沸点170～370℃的烃类混合物， 通常从原油中分馏出来之后，即可直接使 用。
它们都是分子量较小的物质，燃烧产物
中基本没有碳烟，NOx的排放浓度也很 低，是一种低污染性燃料。

甲醇汽油或汽醇
甲醇(或乙醇)与汽油的混合燃料称为甲
醇(或乙醇)汽油或称汽醇。按照醇在燃料中所 占的体积分数，甲醇汽油习惯上称为Mx (x为 甲醇的体积分数)，如M5(指甲醇5%)、M10(含 甲醇10%)、M85(含甲醇85%)等，乙醇汽油习 惯上称为Ex(x为乙醇的体积分数)，如E10(含 乙醇10%)、E20(含乙醇20) %等。
①
负荷调节方式的差异 汽油机：控制混合气的进气量，负荷的 量调节
②
柴油机：靠改变喷油量改变混合气浓度
调节负荷，负荷质的调节
负荷调节方式的差异
汽油机：量调节
柴油机：质调节
汽油机、柴油机工作模式
的差别，既与燃料特性有
关，也取决于当时科技发
展水平，不是绝对不变。
汽油、柴油机φa随负荷的变化曲线
图3.1
焰传播的标志。
3.3 .4 发动机的燃烧模式
1.预混燃烧 预混气体：着火前将燃料和空气以一定比例预先 混合好的气体。 汽油机的燃烧过程就是预混燃烧或称逐渐爆炸燃 烧。 火焰传播分为层流火焰传播和紊流火焰传播。
1）层流火焰传播
电火花点燃静止或流速低的混合气而局部着
火后，火焰形成球状火焰面（火焰前锋）。火焰

抗爆性、蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清 净性等。 1)抗爆性：指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗 爆燃的能力，用辛烷值表示。

马达法辛烷值（MON）
是以较高的混合气温度（一般加热至 149℃）和较高的发动机转速（一般达 900r/min）的苛刻条件为其特征的实验室标 准发动机测得的辛烷值。它表示汽油在发动
汽油 轻柴油 甲醇 (CH3OH ) 乙醇 (C2H5O H)
0.70~0.7 0.855 0.145 5 0.82~0.8 8 0.78 0.87 0.126
114 170 32
44000 14.9 11.54 42500 14.5 11.22 20260 6.46 5
0.375 0.125 0.50
3.2 发动机代用燃料
代用燃料能否在汽车上得到应用，受到其 理化特性、安全与环保特性、价格、供给等 因素的影响。

天然气：
可以用压缩天然气（CNG）、液化天然 气(LNG)和吸附天然气技术(ANG)或水合物的 方式在汽车发动机中加以利用，其中压缩天 然气的利用方式采用的最多。
3.2.1 气体燃料 1.天然气
第3章
3.1 3.2 3.4
发动机燃料与燃烧
发动机的传统燃料
发动机代用燃料 燃烧的基础知识 燃料电池
▼
▼
▼
3.5
▼
3.1 发动机的传统燃料
汽油 发动机燃料
柴油
醇类燃料
甲醇 乙醇 液化石油气 天然气 二甲醚
代用燃料
气体燃料
3.1.2 汽油和柴油的使用特性
1. 汽油

汽油主要由5～11个碳原子的烷烃、环烷烃和 烯烃组成，其沸点都在205℃以下。 汽油的主要性能:
辛烷值的测定 是在专门设计的可变压缩比的单缸 试验机中进行。标准燃料由异辛烷和正 庚烷的混合物组成。异辛烷用作抗爆性 优良的标准，辛烷值定为100；正庚烷用 作抗爆性低劣的标准，辛烷值为0。将这 两种烃按不同体积比例混合，可配制成 辛烷值由0到100的标准燃料 。

现在常用的抗爆添加剂有甲基叔丁基醚 (methyl-t-butyl ether，MTBE)、乙基叔丁基 醚 (ethyl-t-butyl ether，ETBE )、甲醇、乙醇 等。 2) 蒸发性 用汽油蒸发量为10％、50％、90％和 100％时所对应的温度来评定。分别称为10 ％馏出温度、50％馏出温度、90％馏出温度 和干点。
面前面是未燃的预混气，后面是温度很高的已燃
气体，在这稀薄的一层火焰面上进行强烈的燃烧
化学反应。
层流火焰传播速度慢；
图3.6：火焰结构、浓度与温度关系
图3.7层流火焰传播速度与过量空气系数Φa的关系
2）紊流火焰传播 汽油机中气流的紊流加快火焰传播速度。 图3.9 紊流火焰传播速度与过量空气系数关系
机常用工况下高速运转时的抗爆能力。
研究法辛烷值（RON） 是以较低的混合气温度（一般不加 热）和较低的发动机转速（一般在 600r/min ）的中等苛刻条件为其特征的 实验室标准发动机测得的辛烷值。它表 示汽油在发动机重负荷条件下低速运转 时的抗爆能力。 抗爆指数＝（MON+RON）/2。
辛烷值定义
0.80
0.522 0.130
0.34 8
46
27200
9.0
6.95
0.310
3.3.2 过量空气系数Фa ＞1时完全燃烧产物的数量
空燃比α定义：

表观空燃比—混合气中空气总质量与燃油总质
量之比。

有效空燃比—混合气中空气总质量与已经汽化
的燃油总质量之比。

局部空燃比—正在燃烧的局部区域中所含空气
天然气的研究法辛烷值为130，十六烷值为 零，只能点燃不能压燃。 燃料分子中的碳原子数少，单位发热量的 CO2排出量比较少，这对减少地球温室效应 很有帮助。 由于排放物中的未燃HC是甲烷，所以产生 光化学烟雾的可能性小。但排放物中的甲 醛含量比汽油、柴油都要高。

天然气燃料特点：

a) 天然气的体积低热值和质量低热值略高 于汽油，但理论混合气热值比汽油低。
L0
1 8 g c 8 g H g 0 kg / kg燃料 0.23 3
（3.2）
表3-8
几种主要液体燃料的成分、热值及理论空气量
质量成分kg 分子 量
名 称
密度 gC gH gO — 0.00 4
低热 值
kJ/kg
理论空气量 kg/k kmol/k m3/kg g g 0.515 0.50 0.223
燃烧是一种放热的氧化反应，分为着火和
燃烧两个阶段。
着火阶段：可燃混合物在发生明显的光和火焰之
前的准备阶段。
着火有两种：自燃与点燃。
燃烧阶段：混合气反应加速，温度上升，空间某 位置在某时刻有火焰出现。
3.4.3 自燃与点燃
1.自燃
具有适当温度、压力的可燃混合气，在没
有外部能量引入的情况下，依靠混合气自身的
轻柴油：用于高速柴油机、汽车用高速柴油 机 重柴油：用于中、低速柴油机
重油：用于大型低速柴油机
1）自燃性
自燃点：燃油在没有外界火源的情况
下自行着火的最低温度称为自燃点。 柴油的自燃点愈低，自燃性愈好。 低温时易于启动，柴油机工作时较柔和。

十六烷值：
就是表示柴油在柴油机中燃烧时的自
燃性指标。常以纯正十六烷的自燃性好，

b) 抗爆性能高。天然气的主要成分是甲烷，
甲烷的研究法辛烷值为130。

c) 混合气发火界限宽。天然气与空气混合
气有很宽的着火界限，其过量空气系数的
变化范围为0.6-1.8，

d) 天然气比汽油的着火温度高，传播速度 慢，因此需要较高的点火能量。
3.2.2 液体燃料
1. 醇类燃料 主要是指甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)，
2. 二甲醚
二甲醚是重要的化工原料，化学分子式为
CH3-O-CH3。它与甲醇(CH3OH)和乙醇 (C2H5OH)一样是含氧燃料，即分子结构中 含有氧原子。含氧燃料燃烧时需要的空气 少，易充分燃烧，基本不产生碳烟。

二甲醚性质
二甲醚的十六烷值为55～60，一般柴油的 只有40～55，二甲醚的着火温度为235℃ ， 低于柴油的250℃，着火性能优于柴油。
是低温多阶段着火的结果。
2. 点燃
利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心而引 起火焰传播的过程。靠火花提供的能量使局部混 合气温度升高，引起火花附近混合气电离，形成
活性中心，促使化学反应加速。

放电能量必须大于某个点火的最小能量，燃料种
类、浓度、氧的浓度、压力、温度、气流运动等

火焰核心是在高温热着火后能量积累到可进行火
二甲醚不发生化学反应，对人体无毒。 二甲醚是一种可再生燃料，不仅可以从石 油中提取合成，还可以从煤、植物、生活 垃圾中提起合成。

生物柴油
由动物脂肪或植物油通过酯化反应而得到
的长链脂肪酸甲（乙）酯组Βιβλιοθήκη Baidu的燃料。
特点：

环保性：含硫量低，不含芳香烃，不增加大气
中CO2排放。

良好的燃料性能：十六烷值高，燃烧性能好，

硫含量
硫天然地存在于原油中，柴油中的硫明显地增 加排气中的微粒物。各国标准中对硫含量提出了严 格的要求。
安全性：柴油在运输、储存、使用过程中应 保持其外观颜色、组成和使用性能不变的能 力。 低温流动性： 柴油失去流动性而开始凝固的温度称为 凝点。 柴油接近凝点流动性很差，雾化恶化， 无法供油，柴油机无法工作。
10%馏出温度：评价汽油的启动品质，此 温度越低，汽油的启动品质越好。 90%馏出温度：此温度高，表明汽油中不 易蒸发的重质含量多，附着在进气管和 汽缸壁上，增加油耗，稀释汽缸壁的润 滑油，加大汽缸壁磨损。 50%馏出温度：此温度低，说明汽油的中 间馏分容易蒸发，有利于汽油机的加速 和由冷的状态很快转入工作状态。


柴油型号
我国用于汽车的轻质柴油按凝点分为
10、0、 -10、-20、-35、-50号共6个牌号。
如10号柴油，其凝点不高于10℃。
3.1.3 燃料特性引起的发动机工作模式 上的差异

混合气形成方式的差异
汽油机：缸外与空气形成预制 均匀混合气
柴油机：缸内高压燃油喷射、与空气雾化
混合

着火、燃烧模式的差别 汽油机：点燃式 柴油机：压燃式
反应自动加速，并自发地引起火焰的过程。
着火条件：

着火温度与混合气着火区域理化性质有关、环境温
度、压力、容器形状及散热情况有关。


临界温度与压力明显影响着火区域。
存在一个可燃混合物着火浓度上限（富油极限）与
下限（贫油极限）

柴油机的自燃具有低温多阶段着火的特点。

汽油机中有一种不应有的自燃着火形式（爆燃），也
当点燃式内燃机使用纯醇类燃料时，需进行 一系列设计修改： a)混合气的形成装置须与醇类燃料热值较低、
所需的空气量较少相适应；
b)醇类燃料的辛烷值高，应采用高压缩比；
c)选择合适的火花塞和火花塞间隙；
d)采取措施解决冷起动不良，如：辅助喷射； 电加热；火焰起动装置；热分解燃油；催 化分解燃油；增加点火能量；促使燃油雾 化；在燃油中添加低沸点添加剂等。
十六烷值定为100。纯α-甲基萘最不易燃烧， 其十六烷值定为零，以不同的比例混合起 来，可以得到十六烷值0至100的不同抗爆性 等级的标准燃料，并在一定结构的单缸试 验机上与待测柴油做对比。
柴油的自燃性常用十六烷值来评定。
柴油的自燃性是与一种标准燃料进行比较 来加以评定的。一般高速柴油机采用十六 烷值为40~50 的柴油。