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第四章第四章 汽油机的燃料及特性汽油机的燃料及特性主要内容主要内容l第一节 摩托车用汽油机的燃料l第二节 代用燃料及其应用l第三节 燃烧化学l第四节 燃烧的基本理论l作业及思考题第一节第一节 发动机的燃料发动机的燃料l石油燃料石油燃料（汽油、柴油）炼制炼制方法方法（补（补）直接蒸馏法直接蒸馏法直接蒸馏法直接蒸馏法：将原油在专用的炼油塔(分馏塔)中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的25一40；。裂解法裂解法裂解法裂解法：将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成分。其中，通过加温加压的方法进行裂解的称为热裂解法热裂解法热裂解法热裂解法，使用催化剂(触媒)进行裂解的称为催化裂解法催化裂解法催化裂解法催化裂解法代用燃料代用燃料一、汽油一、汽油 汽油的主要性能有：抗爆性抗爆性、蒸发性蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性、氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。及清洁性。1、汽油的抗爆性、汽油的抗爆性l汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力时抵抗爆燃的能力。l汽油的抗爆性是以辛烷值辛烷值来表示的。根据试验规范的不同，所得的辛院值分别称为马达马达法法MONMON或研究法或研究法RONRON辛烷值辛烷值。我国生产的汽油是按研究法辛烷值RON分级的。l汽油的辛烷值越高，其抗爆性越好。l汽油的牌号以辛烷值辛烷值划分。辛烷值 l辛烷值表示汽油抗爆性。汽油的辛烷值高，则抗爆震的能力强。国产汽油是以辛烷值（研究法）来标号的 l为了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加剂，它是由四乙铅Pb(C2H5)4和溴化乙烷（C2H4Br2）组成的混合物。在汽油中加入少量的乙基液可明显地提高汽油的辛烷值。四乙铅有毒，常限制使用。含有四乙铅的汽油都用加色标明，以引起使用者的注意 l测定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（辛烷值定为0和抗爆性好的异辛烷（2、2、4三甲基戊烷）（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抗爆程度相同时，则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值。l评定车用汽油的抗爆性，可采用两种试验工况，分别称为马达法与研究法。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（ROM）低。l美国认为用辛烷值指数ONI，即（RONMON）2来表征在各种道路行驶（工作情况）时的抗爆性能更合理，并将汽油按ONI分为85、87、89、91、93、95、97共七个等级。2 2、汽油的蒸发性、汽油的蒸发性l液态汽油汽化的难易程度称为汽油的液态汽油汽化的难易程度称为汽油的蒸发性蒸发性。l汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有求汽油必须具有良好的蒸发性良好的蒸发性。但蒸发性也不能太强，否则易形成供油系“气阻”，甚至发生供油中断现象。l一、汽油汽油是多种烃类的混合物，没有一定的沸点，它随着温度的上升，按照馏分由轻到重逐次沸腾。汽油馏出温度的范围称为馏程 1、蒸发性：馏程曲线l（1）10%馏出温度：标志起动性；注意气阻 l（2）50%馏出温度：标志平均蒸发性，它影响着发动机的暖车时间、加速性以及工作稳定性 l（3）90%馏出温度：标志着燃料中含有难于挥发的重质成分的数量 l（3）98%馏出温度：干点，第二节第二节 代用燃料及其应用代用燃料及其应用代代用用燃燃料料按按物物态态气体代用燃料：天然气、液化石天然气、液化石油油气、气、氢气、煤气、沼气氢气、煤气、沼气等液体代用燃料：甲醇甲醇、乙醇、乙醇、植物油植物油 燃料燃料等等按化按化学成学成分分烃燃料含氧燃料一、天然气一、天然气 天然气主要成分为甲烷CH4(容积比可达8399以上)，另外还包括乙烷C2H6以及丙烷C3H8等。天然气的热值和辛烷值均较高天然气的热值和辛烷值均较高，在用作点点燃式发动机燃式发动机的燃料时，通过适当的技术措施，如提高发动机的压缩比等，可以接近原发动机的动力性能。同时，天然气又是一种比较洁净的能源，排污低排污低，使用比较方便，特别是压缩压缩天然气天然气(CNGCompressed Natural Gas)，便于储存，配合相应的基础设施如加气站的建设，在城市车辆如公共汽车、出租车中具有广阔的应用前景。二、液化石油气二、液化石油气 液化石油气(LPG-Liquefied Petroleum Gas）主要成分是丙丙烷C3H8、丁烷丁烷C4H10、丙丙烯烯C3H6、丁烯丁烯C4H8及其异构物及其异构物，在常温下加压，可以变成液体燃料，其单位容积热值高于天然气，可以作为汽油机的燃料，还可以获得较好的排放性能。三、醇类燃料三、醇类燃料l醇类燃料主要是甲醇甲醇CH3OH和乙醇乙醇C2H5OH。l l甲醇甲醇可以从天然气、煤、生物质等原料中提取；乙醇乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。l醇类燃料是液体燃料，可以沿用传统的石油燃料的运输、贮存系统，相关的基础设施建设投入少，而发动机的动力性与经济性可以接近或超过原有汽油机或柴油机，排气有害成分少，是一种很有发展前景的代用燃料。乙醇汽油是一种由粮食及各种植物乙醇汽油是一种由粮食及各种植物纤维加加工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成替代能源成替代能源。按照我国的国家标准，乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。乙醇它以 玉米、薯类、糖蜜等为原料，经发酵、蒸馏制成。试点检测结果表明，使用车用乙醇汽油不影响汽车的行驶性能。其排放的尾气中一氧化碳下降超过30、碳氢化合物下降10，苯系物明显减少，氮氧化合物基本不变。汽车使用乙醇汽油已被视为改善城市空气质量的重要手段。对目前中国推广乙醇汽油试点工作，有专家强调认为，必须妥善解决好以下三个关关键问题：一一是乙醇汽油百公里耗油量高于同牌号的汽油消耗量；二二是由于中国乙醇汽油的推广刚刚起步，究竟乙醇汽油对加油机、汽车等零部件是否有影响及影响程度均不是很清楚；三三是由于乙醇汽油不宜长期储存的特性，乙醇汽油的调配和销售同普通汽油相比具有更大的质量风险。第三节第三节 燃烧热化学燃烧热化学一、燃料燃烧的热值热值 kg燃料完全燃烧所放出的热量称为燃料燃料完全燃烧所放出的热量称为燃料的热值。热值。l待温度降低以后，水的汽化潜热才能释放出来。因此，水凝结以后计入水的汽化潜热的热值，称为高热值；l内燃机排气温度较高，水的汽化潜热不能利用，因此应用低热值。(完全燃烧是指某化合物被所在氧气全部氧化，其中C生成CO2、H生成H2O，其它元素生成高级氧化物。在高温的燃烧产物中，水以蒸气状态存在，水的汽化潜热不能利用。在高温下的，则为低热值。)2.混合气热值 l当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工质的热量取决于单位体积可燃混合气的热值，而不是决定于燃料的热值。l可燃混合气的热值以kJkmol或kJm3（标准）计。1kg燃料形成可燃混合气的数量为M1，它所产生的热量是燃料的低热值h。因此，单位数量可燃混合气的热值（kJ/kmol）是 lM1随过量空气系数而变，当=1时，燃料与空气所形成的可燃混合气热值称为理论混合气热值。汽油:44100 kJ/kg；完全燃烧时，生成的水为气态时的热值为低位发热值低位发热值 。完全燃烧时，生成的水为液态时的热值为高位发热值高位发热值 。二、燃料完全燃烧的化学反应二、燃料完全燃烧的化学反应1.碳燃烧：碳燃烧：2.氢燃烧：氢燃烧：3.硫燃烧：硫燃烧：4.一氧化碳燃烧：一氧化碳燃烧：5.碳氢化合物：碳氢化合物：l不管燃烧过程多么复杂，在燃烧分析中总需要提供有关燃料、空气及其产物的一些基本数量关系l对于已知的燃料，各元素的含量是可以测得的，而空气中氧化氮的比例又是一定的，按照完全燃烧的化学当量关系，很容易求出一些基本量，为发动机经验设计及调试提供依据 三、燃料燃烧所需的空三、燃料燃烧所需的空 气量气量l1 kg燃料完全燃烧所需要的空气量称理论空理论空气量气量。l已知条件:1 kg燃料中所含 kg 碳，kg 氢气，kg氧气汽油:kg/kg，kg/kg，kg/kg 化学反应方程式 需要总的 量 1Kg燃料中所含的 量 kg =kmol 所需空气中的 量=总的 量燃料中所含的 量或（2）kg 空气中氧气成分约占23%（3）1 kmol 空气=22.4 空气，所需空气量 （1）kmol：空气中氧气成分约占21%，所以 kmol/kg 将平均质量成分代入式可得四、过量空气系数和空燃比四、过量空气系数和空燃比1 过量空气系数 表示混合气的浓稀程度。1 混合气稀,稀混合气;1 混合气浓,浓混合气;=1 标准混合气 一般，柴油机一般，柴油机:1:1；汽油机；汽油机:1:1 1 1。过量空气系数是反映混合气形成和完善程度及整机性能的一个重要标志，在保证完全燃烧的前提下，应力求使过量空气系数小。l一、空燃比（美、日、欧）理论空燃比：1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量l汽油：14.9（14.7）l轻柴油：14.5lNG：17.4lLPG：15.8l甲醇：6.52l乙醇：9.05l二、过量空气系数a（中、苏）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l常用a=0.8-1.2，功率混合气a=0.85-0.95，经济混合气a=1.05-1.15la=0.4，火焰传播上限（排气管放炮）la=1.4，火焰传播下限（进气管回火）2 空燃比、燃空比汽油理论上完全燃烧时的空燃比约为14.9。应用空燃比空燃比直观方便，其数值即为每千克燃料燃烧时实际供给空气量的千克数。14.9为浓混合气，为浓混合气，14.9的为稀混合气的为稀混合气。第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论l一切燃烧过程都由着火着火和燃烧燃烧两个阶段组成。l着火着火阶段是物质燃烧的准备阶段，是着火前的物理和化学的准备过程。l燃烧燃烧的第二阶段，有两种方法。一是强迫着火或点燃。另一种是自然着火。l发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个基本步骤：基本步骤：(1)形成燃油与空气的可燃混合气；(2)点燃可燃混合气，或可燃混合气在混度和浓度适当的地区发生自燃，在一处或同时在数处着火 着火过程；(3)火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧。一、着火机理：一、着火机理：l按化学动力学的观点，着火机理可分为热自热自燃燃机理和链锁自燃链锁自燃机理两类。(一一)热自燃热自燃在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过程，放出热量。放热的同时，由于温差的原因，会对周围介质散热。若化学反应所释放出的热量大于所敬失的热量，混合气的温度升高，进而促使混合气的反应速率和放热速率增大。这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。这就是热自燃，或称热爆。(二二)链锁反应链锁反应 所谓链锁反应是这样的化学反应，其中一个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。整个反应过程分为：引导反应(锁的引发)一反应链(链的继续反应或链的传递)一断链反应(链的中断即活化中心的死亡)。二、发动机混合气的着火二、发动机混合气的着火 内燃机中碳氢化合物的自燃，均属于链一热自燃，但由于发火的条件不同，有高温单阶段着火高温单阶段着火和低温多阶段着火低温多阶段着火。汽油机（一）汽油机高温单级着火汽油机高温单级着火1 压缩的是燃料与空气的混合气体,在此过程中,已经进行了一些化学反应。2 火花点火,局部温度高达20000以上,该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基,迅速反应出现热火焰,瞬间扩大到整个燃烧室内。所以,汽油机着火过程：压缩混合气压缩混合气 点火（经短暂着火延迟期）点火（经短暂着火延迟期）热火焰热火焰 高温单级点燃高温单级点燃三、发动机的燃烧方式三、发动机的燃烧方式（一）同时爆炸燃烧同时爆炸燃烧 取某一部分为系统,着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。为单相单相系,均匀系。汽油机上,由于火焰有传播速度（虽然很快,但相对同时爆炸燃烧却很小）,传播逐次进行,故显然不是同时爆炸燃烧。但火花塞间隙火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下,可实现同时爆同时爆炸燃烧炸燃烧，从而形成火焰中心火焰中心。（二）逐渐爆炸燃烧逐渐爆炸燃烧（预混合（预混合燃烧燃烧）汽油机火焰传播。两相系混合气相混合气相（未（未燃区），燃烧产物相燃区），燃烧产物相（已燃区）。（已燃区）。加热从火花塞开始，紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热,使氧化或活性中心增多,发生燃烧。燃烧又加热下一层,一层一层传播。燃烧主要在火焰前锋面内进行。火焰前锋面前方的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧。汽油机的点火燃烧 预混合燃烧作业l什么叫低热值？l简述燃料的燃烧基理。l什么叫过量空气系数？l什么叫汽油的抗爆性及柴油的发火性？分别用什么来衡量？l发动机内的燃烧过程一般说来，要经历哪几个基本步骤？
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