內(nèi)燃機(jī) 第三章

第三章內(nèi)燃機(jī)燃料與燃燒*/2第三章內(nèi)燃機(jī)燃料與燃燒

內(nèi)燃機(jī)的燃料及其提煉方法燃料的使用性能燃料的熱化學(xué)燃燒的基本理論常規(guī)燃料——汽油和柴油替代燃料——除汽油、柴油以外的烴類/醇類/醚類/酯類/氫氣等燃料1)按物態(tài)分類：液體：甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、生物柴油、GTL/CTL/BTL氣體：LPG、CNG、氫氣、沼氣、煤氣2)按成份(是否含氧)分類：烴燃料(除汽油、柴油外)和含氧燃料*/3趨勢：汽車燃料多元化(Diversification)一、燃料及其分類*/4二、燃料的化學(xué)結(jié)構(gòu)AlkanesorParaffins-CnH2n+2AlkenesorOlefins-CnH2n烷烴甲烷乙烷異辛烷C-C單健飽和烴，氧化穩(wěn)定性好；異構(gòu)體結(jié)構(gòu)緊湊,不易斷鏈,不易自燃烯烴乙烯丙烯丁二烯C＝C雙健*/5二、燃料的化學(xué)結(jié)構(gòu)AlkynesorAcetylenes-CnH2n-2炔烴

乙炔C≡C三健多鍵非飽和烴結(jié)合牢固，不易斷鏈，不易自燃但不飽和烴穩(wěn)定性差，長期存放容易氧化變質(zhì)芳香烴

benzene苯toluene甲苯naphthalene萘環(huán)狀結(jié)構(gòu)緊湊,不易斷鏈,不易自燃Aromatics-CnH2n-6*/6二、燃料的化學(xué)結(jié)構(gòu)環(huán)烷烴NapthenesC-C單健CnH2n環(huán)烷烴屬飽和烴，性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易斷鏈，不易氧化變質(zhì)Alcohols-containoneormoreOHgroups醇

乙醇燃料含氧促進(jìn)燃燒甲醇三、化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分對理化特性的影響1)烴燃料結(jié)構(gòu)對理化特性的影響

鏈與環(huán)—環(huán)化學(xué)穩(wěn)定性好，不易自燃

直鏈與支鏈(或正烷與異烷)—支鏈(異烷)的化學(xué)穩(wěn)定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18的辛烷值分別為0和100)

單鍵和多鍵—多鍵非飽和烴不易斷鏈，不易自燃，但穩(wěn)定性差，貯存中易氧化結(jié)膠(如烯烴)燃料抗爆性比較：1)環(huán)烷烴正烷烴2)烯烴正烷烴3)異烷烴正烷烴4)芳香烴烷烴/烯烴燃料自燃性比較：1)環(huán)烷烴<正烷烴2)烯烴<正烷烴3)芳香烴<烷烴/烯烴4)1-甲基奈－壓不著三、化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分對理化特性的影響1)烴燃料結(jié)構(gòu)對理化特性的影響

鏈與環(huán)—環(huán)化學(xué)穩(wěn)定性好，不易自燃

直鏈與支鏈(或正烷與異烷)—支鏈(異烷)的化學(xué)穩(wěn)定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18的辛烷值分別為0和100)

單鍵和多鍵—多鍵非飽和烴不易斷鏈，不易自燃，但穩(wěn)定性差，貯存中易氧化結(jié)膠(如烯烴)2)烴燃料成分對理化特性的影響

C原子數(shù)(直鏈)：C越多，化學(xué)穩(wěn)定性差，著火溫度低，易自燃；物理穩(wěn)定性好，不易氣化

H/C比

燃料熱值由H/C比決定,由于H比C的熱值高(約3.7:1)，柴油H/C<汽油H/C→柴油Hu(42500kJ/kg)<汽油Hu(44000kJ/kg)；H/C大，則排放特性好：

C—CO、CO2

有害

H—H2O無害CNG、LPG的H含量高(0.25和0.182)，所以其CO、黑煙、微粒、CO2低于汽、柴油→H/C越大，燃料越清潔三、化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分對理化特性的影響四、石油的煉制直接蒸餾法（分離過程）：將原油在專用的煉油塔(分餾塔)中進(jìn)行加熱蒸餾，不同的分餾溫度，得到不同成分的燃油，最終獲得的燃料約占原油的25％一40％。*/10四、石油的煉制裂解法（轉(zhuǎn)化過程）：將蒸餾后的重油等一些高分子成分通過不同的技術(shù)手段裂解為分子量較輕的成分。熱裂解法：通過加溫加壓進(jìn)行裂解催化裂解法：使用催化劑(觸媒)進(jìn)行裂解*/11燃油直餾法熱裂解法催化裂解法汽油穩(wěn)定性好，體積分?jǐn)?shù)為90%~95%的烷烴與環(huán)烷烴，芳香烴體積分?jǐn)?shù)不超過5%~9%，不含不飽和鏈烴，其馬達(dá)法辛烷值在50~70含有較多不飽和烴，存儲中易產(chǎn)生膠質(zhì)，抗爆性比直餾汽油略好，其馬達(dá)法辛烷值在58~68芳香烴體積分?jǐn)?shù)約為32%~40%，烷烴為50%~60%，環(huán)烷烴為8%~10%?？贡院?，馬達(dá)法辛烷值可達(dá)77~84柴油含有體積分?jǐn)?shù)為20%~35%的芳香烴，具有較高的十六烷值含有大量不飽和烴，十六烷值較低，一般用做中速柴油機(jī)燃料性能較好，可作為高品質(zhì)柴油使用，用于高速*/12第三章內(nèi)燃機(jī)燃料與燃燒內(nèi)燃機(jī)的燃料及其提煉方法

燃料的使用性能燃料的熱化學(xué)燃燒的基本理論一、汽油的使用性能*/131.蒸發(fā)性(1)飽和蒸氣壓：在規(guī)定條件下燃油和燃油蒸氣達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，燃油蒸氣的壓力

蒸氣壓高，說明燃油中輕質(zhì)組分多，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能好，混合氣形成速度快，有利于燃燒蒸氣壓過高，在儲存和運(yùn)輸過程中易產(chǎn)生蒸發(fā)損失，著火的危險(xiǎn)性大；也容易在燃油供給系統(tǒng)中形成“氣阻Choking”10個(gè)碳原子以上烴類的飽和蒸氣壓接近于0→柴油的蒸氣壓接近0(2)餾程：汽油餾出的溫度范圍

初餾點(diǎn)—燃料中含有的最輕餾分的沸點(diǎn)，但不能判斷輕餾分的含量餾出10％的溫度(T10)—反映汽油機(jī)的冷起動(dòng)性餾出50％的溫度(T50)—燃料的平均蒸發(fā)性能，反映汽油機(jī)的工作穩(wěn)定性餾出90％的溫度(T90)—燃料中的重質(zhì)餾分含量，反映汽油機(jī)燃燒完全性干點(diǎn)（終餾點(diǎn)）—燃料中含有的最重餾分的沸點(diǎn)一、汽油的使用性能2.抗爆性：燃料不發(fā)生爆燃(Knocking)的能力抗爆性對汽油來說非常重要，希望自燃性差，抗爆性好辛烷值是評價(jià)汽油抗爆性好壞的指標(biāo)異辛烷Iso-OctaneC8H18

OctaneNumber100ON＝100正庚烷n-HeptaneC7H16

OctaneNumber0ON＝0CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCCHHHHHHHHH一、汽油的使用性能RON>MON燃料敏感性Sa＝RON－MON抗爆指數(shù)Ai=(RON+MON)/2馬達(dá)法和研究法辛烷值的測量：一、汽油的使用性能1.自燃性：可燃混合氣在一定溫度、壓力條件下自行著火燃燒的能力自燃性對柴油尤其重要，自燃性差，則起動(dòng)性差，工作粗暴十六烷值是評價(jià)柴油自燃性好壞的指標(biāo)十六烷值CetaneC16H34CetaneNumberCN=100CetaneNumberCN=0－甲基萘－MethylnaphthaleneC11H10二、柴油的使用性能HCCHHHH.......HCCHHHHCCCCCCCCCCHHHHHHHCH3燃油十六烷值的測量：二、柴油的使用性能2.蒸發(fā)性——餾程：燃油餾出某百分比的溫度范圍

50％餾出溫度表征平均蒸發(fā)性，低蒸發(fā)性好，說明輕餾分多、蒸發(fā)快，有利于混合氣形成。

90％和95％餾出溫度標(biāo)志難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如重餾分過多，不易蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒亦不及時(shí)和完全。3.霧化性——粘度：表示燃料分子間內(nèi)聚力的大小粘度越大，霧化后油滴的平均直徑也越大，使燃油和空氣混合不均勻，燃燒不及時(shí)或不完全，燃油消耗率增加，碳煙排放增加。噴油泵柱塞、噴油器的噴針都是靠燃油潤滑，所以柴油應(yīng)具有一定的粘度。一般輕柴油的運(yùn)動(dòng)粘度在20oC時(shí)為（2.5～8）10-6m2/s。二、柴油的使用性能1)混合氣形成方式不同◎汽油—易氣化，缸外低壓噴射蒸發(fā)，與空氣形成預(yù)制均質(zhì)混合氣◎柴油—難氣化，缸內(nèi)高壓噴霧成細(xì)小液滴，與空氣形成非均質(zhì)(分層)混合氣2)著火及燃燒方式不同◎汽油—難自燃，易點(diǎn)燃(SI)，用高壓電火花點(diǎn)燃

預(yù)混燃燒，火焰?zhèn)鞑?。可在a

=1的條件下完全燃燒◎柴油—難點(diǎn)燃，易壓燃(CI)

擴(kuò)散燃燒，即邊噴-邊混-邊燃，為了完全燃燒，必須a>1.03)負(fù)荷調(diào)節(jié)方式不同◎汽油機(jī)—預(yù)混合，混合氣數(shù)量改變，濃度基本保持不變，量調(diào)節(jié)◎柴油機(jī)—分層混合，噴油量改變，空氣量基本不變，質(zhì)調(diào)節(jié)汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式的差異homogeneousmixturestratifiedmixtureMixtureHomogeneous均質(zhì)混合氣SparkIgnition火花點(diǎn)火MixtureStratified分層混合氣CompressionIgnition壓縮著火SI常規(guī)汽油機(jī)HCCIGDICI柴油機(jī)內(nèi)燃機(jī)混合氣形成和燃燒模式組合GasolineDirectInjection汽油缸內(nèi)直噴HomogeneousChargeCompressionIgnition均質(zhì)充量壓燃*/22第三章內(nèi)燃機(jī)燃料與燃燒內(nèi)燃機(jī)的燃料及其提煉方法燃料的使用性能燃料的熱化學(xué)燃燒的基本理論一、理論空氣量（化學(xué)計(jì)量空燃比）化學(xué)計(jì)量空燃比：1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量設(shè)1kg燃料中C、H、O的質(zhì)量分別為wC、wH、wO，則(1)1kg燃料完全燃燒需要O2為：O2在空氣中的質(zhì)量百分比為23%，即需空氣量為（實(shí)際中是測量空氣流量）：也稱之為“質(zhì)量化學(xué)計(jì)量比”（massstoichiometricratio）(2)1kg燃料完全燃燒需要O2摩爾(mol)為：而O2在空氣中的摩爾百分比為21.0%，即需空氣量為：也稱之為“摩爾化學(xué)計(jì)量比”（molestoichiometricratio）1kg燃料完全燃燒需要O2體積(m3)為：一、理論空氣量（化學(xué)計(jì)量空燃比）汽油的平均質(zhì)量成分：柴油的平均質(zhì)量成分：汽油：柴油：二、過量空氣系數(shù)α定義：燃燒1kg燃料提供的空氣量L與理論上所需空氣量L0之比，表示混合氣的濃度汽油機(jī)：混合氣均勻，α=0.8～1.2，柴油機(jī)：混合氣不均勻，α=1.2～1.6，增壓柴油機(jī)：α=1.8～2.2空燃比（A/F）和燃空比（F/A）：三、α>1時(shí)完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量燃燒前混合氣的數(shù)量(1kg燃料)汽油機(jī)：（kmol/kg燃料）

MT為燃料的分子質(zhì)量柴油機(jī)：液態(tài)燃料可忽略即為純空氣（kmol/kg燃料）燃燒產(chǎn)物的數(shù)量三、α>1時(shí)完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量燃燒后產(chǎn)物的增量汽油機(jī)：

柴油機(jī)：四、燃料熱值和混合氣熱值1.燃料熱值：1kg燃料完全燃燒所放出的熱量高熱值：包括水蒸汽凝結(jié)后放出的汽化潛熱低熱值：不包括水蒸汽凝結(jié)后放出的汽化潛熱Hu（內(nèi)燃機(jī)）2.可燃混合氣熱值：單位質(zhì)量或單位體積可燃混合氣完全燃燒發(fā)出的熱量(kJ/kg或kJ/kmol)α=1時(shí)，理論混合氣熱值*/29第三章內(nèi)燃機(jī)燃料與燃燒內(nèi)燃機(jī)的燃料及其提煉方法燃料的使用性能燃料的熱化學(xué)燃燒的基本理論1.預(yù)混合燃燒：著火前燃料與空氣已經(jīng)按一定的比例預(yù)先混合形成了均勻的可燃混合氣，在著火后，預(yù)混合氣的燃燒自動(dòng)進(jìn)行，稱為火焰?zhèn)鞑ミ^程（1）層流火焰?zhèn)鞑ピ陟o止或流速極低的預(yù)混合氣中，著火之后，火焰核心迅速發(fā)展為近似球形火焰二、內(nèi)燃機(jī)中的燃燒方式火焰前鋒面火花氣缸未燃?xì)怏w已燃?xì)怏w火焰前鋒面以近似圓球的形狀向整個(gè)混合氣空間擴(kuò)展推進(jìn)火焰鋒面之前是未燃的預(yù)混合氣，火焰鋒面之后是已燃的、具有很高溫度的燃燒產(chǎn)物?；鹧驿h面厚度d分為混合氣預(yù)熱區(qū)厚度dp

和反應(yīng)區(qū)厚度dc

兩個(gè)部分，預(yù)熱區(qū)厚度dp大，化學(xué)反應(yīng)速度低，反應(yīng)區(qū)厚度dc小，化學(xué)反應(yīng)速度高；火焰鋒面厚度d

很小，溫度和濃度變化極大，引起強(qiáng)烈的傳熱和傳質(zhì)，引起鄰近混合氣化學(xué)反應(yīng)，即火焰?zhèn)鞑ィ换旌蠚鉂舛葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扔绊懽畲?，在略小于理論空燃比時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度最快，火焰