第四章_内燃机的燃料与燃烧

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第四章 内燃机的燃料与燃烧

§4-1 发动机的燃料 §4-2 燃料的使用性能 §4-3 燃烧热化学

§4-4 燃烧的基本知识 幻灯片2

§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。 一、石油中烃的分类及性质

传统燃料：汽油、柴油 石油中提炼； 石油：碳氢化合物

主要成分：C，H；少量的S，O2，N2 分子式：CnHm——烃类

代用燃料：CNG、LPG、 DME、 H2、 醇类等

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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。 燃料根据不同沸点分馏依次得到：

石油气 汽油 煤油 柴油 渣油（重油） C1~C4：气态——石油气，相对分子质量16~58； C5~C23：液态，其中：

C5~C11：50~200℃，汽油， 分子质量95~120； C11~C19：180~300 ℃，煤油， 100~180； C16~C23: 250~360， 轻、重柴油，180~200 C23以上：360 ℃以上，渣油，220~280

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表4-1 烃分子中碳原子数对烃性质的影响

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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很大： 1）烷烃：分子式：CnH2n+2 ；

化学结构：

直链特点：饱和开链式，含C越高结构越不紧凑，

常温下化学性质稳定，但热稳定性差， 高温易分解，自然性好—柴油的好成分； 2）烯烃： 分子式：CnH2n ；

化学结构：-C=C-; -C=C-C-C-

C

-C-C-C-C-

-C-C-C-C-；

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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 3

）炔烃：分子式：

CnH2n-2

；化学结构：—C

C—

特点：非饱和开链，热裂化产物，不存在原油中； 很不稳定，常温下易分解；不易作燃料。 4）环烷烃：分子式：CnH2n;

化学结构： 特点：饱和环状，不易分裂，热稳定性强，

汽油机的燃料，石油的重要组成部分。 -CC- -C—C-

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5）芳香烃：CnH2n-6；

基本化合物是苯：C6H6;

石油中含量少，分子结构坚固； 热稳定性高，

高温下不易破裂；

汽油的良好的抗爆剂； 石油炼制中产生。

其中， -甲基萘：C11H10， 其抗爆性认为100%

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二、燃料的提炼方法及对燃料性能的影响 从石油原油中炼制燃料的典型工艺流程： 直馏法：将原油在炼油塔中进行加热蒸馏；

不同分馏温度得到不同成分的燃油 这一部分燃料油约占原油的25%~40% 裂解法：通过加温加压方法进行裂解； 催化重整：使用催化剂进行裂解； 加氢精制：

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表4-3不同炼制方法对油料性质的影响

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热裂解：工艺简单；

但燃油的稳定性差，辛烷值低。 催化重整：使正构烷烃或环烷烃 异构物烃和 芳香烃；

副产品氢气可作为加氢工艺的氢气来源。

加氢精制：可使烯烃变成饱和烃，还可以脱碳，脱氮，脱氧以及脱金属等作用，满足

油品的更高要求。

为获得高品质燃料，常采用加氢精制或催化重整工艺。

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三、代用燃料及其特性 1、气体燃料

NG：自由态或与石油共存的天然气，主要成分是 甲烷,CH4; 成为第三大支柱能源。

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汽车上的应用：

压缩天然气(CNG)，20MPa 存于高压气瓶中； 液化天然气(LNG)，-162℃低温液化储存； 其密度为常态下气体密度的600倍； 行驶距离长；但成本高。

LPG: 天然石油气或石油炼制中产生的液化石油气

主要成分：丙烷/丙烯/丁烷/丁烯及其异构物。

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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，SO2排放量低于电动汽车。 辛烷值高达130，可提高压缩比 热效率 。 燃烧下限宽，稀燃优越，运转范围内可降低NOx。 气体燃料，低温起动及低温运转性能良好。 天然气燃料的缺点：

气体燃料，常温常压下储运性能差，能流密度低，一次充气可行驶距离短。 储气压达20MP，燃料容器加重。

因气态吸入气缸，充气效率降低；单位体积的混合气热值低，功率降低近10%

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用于汽车的三种形式：

CNG—以20MPa压缩储存；

液化天然气 LNG — -162℃以下储存； 吸附天然气 ANG—吸附材料

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2. 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。 乙醇：从含淀粉和糖的农作物中制取。 特点：相对汽油

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热值低，但醇中含氧量大，所需理论空气量比汽油少，所以两者混合气热值相近，保

证发动机动力性能不降低

醇的汽化潜热为汽油的三倍；燃料蒸发汽化可促使进气温度降低，增加充气量，但冷

起动困难需要预热。

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。

原料来源广泛，可再生，有较好的燃料特性

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3. 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(乙)酯组成的新型燃料。具有

与柴油相近的性能。

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特点：

环保性优良。含S低，不含芳香烃，保持CO2平衡。 十六烷值高，燃烧性能好，润滑性能好。

闪点高，可溶解，对土地和水的污染小，可大大减轻意外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。

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表4-5 生物柴油与柴油、汽油主要性质参数的对比

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§4-2 传统燃料的使用特性 一、柴油

高速柴油机：轻柴油；中低速柴油机：重柴油 1. 柴油性能的评价指标：

1）十六烷值：评价柴油的自燃性。

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与发动机的粗暴性、起动性密切相关 十六烷值高：着火延迟期短，工作柔和，起动性好 测定方法：单缸试验机，压缩比可调；

标准燃料：十六烷与 -甲基萘不同比例制成的混 合液；

规定自燃性：十六烷：100%； -甲基萘：0% 定义：被测柴油的自燃性与标准燃料相同时，标准燃料 中十六烷的体积百分数为该柴油的十六烷值。 幻灯片19

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; 直链烷烃类、分子量、C数增加时十六烷值增加; 所以，十六烷值高，便于起动，着火落后期缩短;

但，分子量增加，蒸发性变差，粘度增加，冒黑烟，经济性恶化。 一般，十六烷值：45~65，不要过大 过大：冒烟 过小：不易着火

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燃料中不同成分对化学安全性的影响

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2）馏程：评价柴油的蒸发性。

用馏出某一百分比的温度范围表示。如： 馏出50%的温度T50：表示平均蒸发性；

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T50低， 轻馏分多，蒸发快，有利于混合； 主要影响暖机性能、加速性、工作稳定性。 馏出90%或95%温度T90或T95：表明柴油中难以 蒸发的重质成分含量；

主要影响燃烧完全 经济性。

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3）粘度：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，影响燃料的流动性和喷雾质量;

温度高，粘度小，流动性强；反之相反。

4） 热值：1kg燃料完全燃烧所释放的热量。柴油hu=42700kJ/kg

5）凝点：表示柴油失去流动性，开始凝固的温度，评定柴油的低温流动性。柴油牌号用凝点表示。

如：RC10，RC0，RC-10，RC-20，RC-30等。 幻灯片23 二、汽油

1. 汽油性能的评价指标： 1）辛烷值：评价汽油的抗爆性

爆震现象：点火后，末端气体的自燃现象。 测定方法：专用试验台，压缩比可变

标准燃料：正庚烷—易爆震，辛烷值为0%；

异辛烷—抗爆性好，辛烷值为100% 按不同比列混合而成。

试验方法不同：研究法和马达法——n和温度Tb不同

定义：被测汽油的抗爆程度与标准燃料相同时，标准燃

料中异辛烷含量的体积百分数为被测汽油的辛烷值。 幻灯片24

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

2）馏程：指汽油馏出的温度范围，评价蒸发性。 试验方法：

加热器，量筒， 冷凝器，温度计

初馏点：第一滴

凝结的燃料流入 量筒时的温度。

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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； 过低，易产生“气阻”现象 50%馏出温度T50：评价平均蒸发性， 影响暖车、加速性，工作稳定性。

90%馏出温度T90：评价难以挥发的重质成分数量 影响燃烧完全程度、积碳等。

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汽油的牌号：表示其辛烷值大小。

根据压缩比选用牌号

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三、汽油、柴油性能差异对发动机性能的影响 1. 混合气形成和负荷调整上的差异

汽油挥发性强：低温度下，充分蒸发；

在缸外形成混合气，时间充足 均匀混合气； 用混合气充量，控制发动机功率——量调。 柴油蒸发性差： 200℃开始馏出，350 ℃结束 粘性大，不能低温下形成混合气；

故 用喷嘴强制雾化，在缸内形成混合气； 进气量不变，喷油量调节功率——质调

40℃馏出， 200 ℃蒸发完

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2. 着火和燃烧上的差异：自燃、点燃温度不同 汽油自燃点高，点燃温度低：

采用外部能源点燃的方式——点火系； 点火后，混合气均匀，火焰传播方式燃烧； 为防自燃，压缩比不宜高 柴油自燃点低，点燃温度高： 采用压缩自燃方式；

为促进自燃，压缩比不宜过低；

混合气不均匀， 预混合燃烧和扩散燃烧。

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§4-3 燃烧热化学

了解燃烧过程，燃料、空气及产物及其数量关系 一、1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量

设燃料主要成分：C、H、O；各元素的质量成分

空气成份：O2（21%）、N2（79%）；

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则 完全燃烧时的化学反应方程方式：

wC wH wO 1[kg]

C O2 CO2

引入kmol：以kg为单位的某元素数量等于其分子量 幻灯片29

1kg燃料（wC+wH+wO）完全燃烧时所需氧的kmol数：

1

H2 O2 H2O

2

所需要的理论空气量：

wCwC

wC[kg]C [kmol]O2 [kmol]CO2

1212wHwH

wH[kg]H2 [kmol]O2 [kmol]H2O

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1 wCwHwO LO ] [kmol/kg

0.21 12432 1 8 LO wC 8wH wO [kg/kg]0.23 3

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二、过量空气系数：评价混合气的性质 定义：

另：空然比=A/F； 当量比=(A/F)0/(A/F)=1/ a a =1或A/F=14.9——理论混合气 a <1或A/F<14.9——浓混合气 a >1或A/F>14.9——稀混合气

L a

LO

a 与发动机类型、混合气形成方法、工况及功率调节方法等有关。

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汽油机： a=0.8~1.2 电控+三效催化装置后： 控制在 a=1 附近 柴油机： am=1.2~1.6 增压柴油机：

am=1.8~2.2

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三、 a>1时完全燃烧的产物 1）燃烧前混合气量 汽油机：

柴油机：

2）燃烧后的产物: 因 a>1 ;

产物为CO2和H2O，以及未燃的N2、剩余O2 所以，

1

M

1 aL0

MrT

喷入缸内的燃料体积<空气的1/10000

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M1 aL0

ggO

M2 aL0

432

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3）燃烧后工质摩尔数的增量：由燃烧前后产物

gHgO

32 4

M M2 M1

gg1OH

32mT 4

4）理论分子变更系数 0：

柴油机汽油机

gHgO

1

aL0

M2M1 M M 0 1 gHgO1

M1M1M1

432mT

1＋

1 a

L0

mT

柴油机

汽油机

0 1.03~1.06

0 1.04~1.12

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四、燃料的热值、混合气热值 1）燃料的热值：

定义： 1kg燃料完全燃烧所放出的热量。 低热值：产物中H2O以水蒸气状态存在； 高热值：产物中H2O以液体状态存在。 2）混合气热值：单位混合气完全燃烧所放出的热量 设1kg燃料形成的混合气量为M1，燃料低热值h ; 则，

气化潜热

Qmix

hμM1

hμ

1

aL0

MrT

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§4-4 燃烧的基本知识

燃烧过程：着火阶段 燃烧准备过程

燃烧阶段 放热过程 一、着火理论

着火过程：指混合气自动加速反应，产生升温，最终某一时刻某一位置出现火焰的过

程。

特点：有明显的光和火焰效应 着火理论(方式)： 着火热理论

链锁反应理论 点燃

自燃理论

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1、着火的热理论

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加热一充满空气和燃料混合气的容器

受热燃料分子和氧分子动能 而相撞

活化分子相撞能量

>反应活化能E时，打破化学键而引起化学反应

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设：容器中总分子数n；

超过活化能E的活化分子数n*； 则 按照能量分配定律：

n* en

E RT

可见，T 时，活化分子所占比例 ，化学反应加速

反应速度v：单位时间单位体积中出现的氧化产物的分子数，与n*/n成比例，即

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又 燃料氧化反应放热速率与氧化反应速度成比例：

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dq1

C2

edt

E RT

反应时单位时间内向容器壁的传热量为：

dq2

A T T0 dt

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反应压力的影响：

容器不变， 压力，混合气密度 ，虽n*/n不变， 但混合气中n*的绝对数 ； 反应速度 ； 氧化反应放热量 ； dq1/dt>dq2/dt； 热量积累 着火。

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幻灯片40 结论：

TC与混合气的物理化学性质、环境温度、压力、容器形状及散热情况有关； 同一种燃料，因条件不同， 着火温度不同。

临界Tc与压力pc明显影响

着火域； pc低时需要 Tc。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tqi1.html