汽车发动机原理-第四章-燃料与燃烧化学课件

第四章第四章 燃料与燃烧化学燃料与燃烧化学主要内容主要内容第一节第一节 发动机燃料发动机燃料第二节第二节 代用燃料及其应用（自学）代用燃料及其应用（自学）第三节第三节 燃烧化学燃烧化学第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论作业及思考题作业及思考题第一节第一节 发动机燃料发动机燃料石油燃料石油燃料（汽油、柴油）代用燃料代用燃料 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、抗腐蚀性及清洁性。氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。一、汽油一、汽油1、抗爆性、抗爆性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。汽油的抗爆性用汽油的抗爆性用辛烷值辛烷值来表示。辛烷值越高，来表示。辛烷值越高，其抗爆性越好。其抗爆性越好。辛烷值辛烷值:在规定条件下在规定条件下,被测定汽油和标准燃被测定汽油和标准燃料进行比较，标准燃料中所含异辛烷的百分料进行比较，标准燃料中所含异辛烷的百分数是被测定汽油的数是被测定汽油的辛烷值辛烷值。测定汽油的辛烷值测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用有不同的试验方法，常用的为马达法与研究法。的为马达法与研究法。马达法辛烷值（马达法辛烷值（MON）是以较高的混合气温度）是以较高的混合气温度（一（一 般加热至般加热至149）和较高的发动机转速（一般达）和较高的发动机转速（一般达900转转/分）的苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测分）的苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷值。它表示汽油在发动机常用工况下低速得的辛烷值。它表示汽油在发动机常用工况下低速运转时的抗爆能力。运转时的抗爆能力。研究法辛烷值（研究法辛烷值（RON）是以较低的混合气温度）是以较低的混合气温度（一（一 般不加热）和较低的发动机转速（一般在般不加热）和较低的发动机转速（一般在600转转/分）分）的中等苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得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高速的辛烷值。它表示汽油在发动机重负荷条件下高速运转时的抗爆能力。运转时的抗爆能力。马达法辛烷值（马达法辛烷值（MON）低于研究法辛烷（）低于研究法辛烷（RON）。）。一般采用研究法辛烷值来确定汽油的抗爆性。如要比一般采用研究法辛烷值来确定汽油的抗爆性。如要比较全面表示抗爆性时，同时标出较全面表示抗爆性时，同时标出RON和和MON值。值。2 2、蒸发性、蒸发性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。汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有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。但蒸发性也不能太强，否则易形成供油系成供油系“气阻气阻”，甚至发生供油中断现象。，甚至发生供油中断现象。蒸发性很弱的汽油，难以形成良好的混合气，这样蒸发性很弱的汽油，难以形成良好的混合气，这样不仅会造成发动机起动困难、加速缓慢，而且未气不仅会造成发动机起动困难、加速缓慢，而且未气化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳定，油耗上升。化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳定，油耗上升。如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还会破坏润滑如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还会破坏润滑油膜，甚至窜入曲轴箱稀释润滑油，从而使发动机油膜，甚至窜入曲轴箱稀释润滑油，从而使发动机润滑遭破坏，造成机件磨损增大。润滑遭破坏，造成机件磨损增大。汽油的蒸发性用汽油蒸发量为汽油的蒸发性用汽油蒸发量为10、50、90和和100时所对应的温度来评定。时所对应的温度来评定。10馏出温度低，汽油的起动品质越好。馏出温度低，汽油的起动品质越好。50馏出温度低，说明汽油的中间馏分容易馏出温度低，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。快转入工作状态。90馏出温度高，表明汽油中不易蒸发的重馏出温度高，表明汽油中不易蒸发的重质含量多。汽油中这些重质成分在混合气形质含量多。汽油中这些重质成分在混合气形成的过程中很难蒸发，它们附着在进气管和成的过程中很难蒸发，它们附着在进气管和气缸壁上，将增加燃油消耗、稀释气缸壁上气缸壁上，将增加燃油消耗、稀释气缸壁上的润滑油和加大气缸磨损。的润滑油和加大气缸磨损。3 3、氧化安定性氧化安定性 汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质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不发生长久性变化的能力称为氧化安定性氧化安定性。汽油氧化安定性直接影响汽油的储存、运汽油氧化安定性直接影响汽油的储存、运输和在发动机上的应用。安定性不好的汽输和在发动机上的应用。安定性不好的汽油，易发生氧化、缩合和聚合反应，生成油，易发生氧化、缩合和聚合反应，生成酸性物质和胶状物质，将导致燃料供应系酸性物质和胶状物质，将导致燃料供应系统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良，统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良，增大爆燃倾向。增大爆燃倾向。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，其主要原因是汽油中的不稳定化合物，例如不饱和烯烃和二烯烃，以及添加剂带入的低分子量化合物等。添加汽油清净剂。5 5、汽油规格汽油规格 我国目前有两种规格，一种是车用汽油的我国目前有两种规格，一种是车用汽油的国家标准（国家标准（GB 1793-1999），一种是无铅），一种是无铅汽油的行业标准。汽油的行业标准。我国的无铅车用汽油国家标准见表我国的无铅车用汽油国家标准见表4-1。二、柴油二、柴油 柴柴油油主主要要用用于于压压燃燃式式发发动动机机（柴柴油油机机），其其中中轻轻柴柴油油用用于于高高速速柴柴油油机机，重重柴柴油油用用于于中中、低低速速柴柴油油机机，重重油油用用于于大大型型低低速柴油机。汽车用柴油机都是高速机，必须用轻柴油。速柴油机。汽车用柴油机都是高速机，必须用轻柴油。1、柴油的自燃性、柴油的自燃性柴油的自燃性柴油的自燃性:柴油在没有外界火源的情况下能自行着火的柴油在没有外界火源的情况下能自行着火的能力。能力。柴油的自燃性好，柴油机工作较柔和，在低温时易于起动。柴油的自燃性好，柴油机工作较柔和，在低温时易于起动。十六烷值十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。是评定柴油自燃性好坏的指标。柴柴油油的的十十六六烷烷值值：标标准准燃燃料料是是正正十十六六烷烷和和-甲甲基基萘萘的的混混合合物物。正正十十六六烷烷自自燃燃性性最最好好，作作为为自自燃燃性性好好的的标标准准，其其十十六六烷烷值值定定为为100。-甲甲基基萘萘最最不不易易自自燃燃，作作为为自自燃燃性性差差的的标标准准，定定其其十十六六烷烷值值为为0。柴柴油油的的自自燃燃性性通通常常介介于于正正十十六六烷烷与与-甲甲基基萘萘之之间间。将将上上述述两两种种成成分分按按不不同同比比例例混混合合，可可得得出出不不同同十十六六烷烷值值的的标标准准燃燃料料，其其十十六六烷烷值值为为该该混混合合物物中中正正十十六六烷烷所所占占的的体体积积百百分分数数。如如果果某某种种柴柴油油与与某某种种标标准准燃燃料料的的自自燃燃性性相相同同，则则该该标标准准燃燃料料的的十十六六烷烷值即为该柴油的十六烷值。值即为该柴油的十六烷值。十十六六烷烷值值过过高高或或过过低低的的柴柴油油，都都对对柴柴油油机机的的性性能能或或工工作作不不利利。十十六六烷烷值值越越高高，着着火火性性越越好。十六烷值过高，燃烧不完全。好。十六烷值过高，燃烧不完全。一般高速柴油机采用十六烷值为一般高速柴油机采用十六烷值为4065的柴油。的柴油。2、柴油的、柴油的蒸发性蒸发性柴柴油油的的蒸蒸发发性性影影响响滞滞燃燃期期内内柴柴油油的的蒸蒸发发量量及及燃烧的完全程度，用燃烧的完全程度，用馏程馏程表示。表示。馏馏程程指指柴柴油油蒸蒸馏馏过过程程中中馏馏出出一一定定百百分分数数所所处处的的温温度度，通通常常以以馏馏出出50的的温温度度来来评评定定。馏馏程程低低，说说明明柴柴油油中中轻轻馏馏分分多多，蒸蒸发发性性好好，有有利利于于混混合合气气形形成成，改改善善了了燃燃烧烧过过程程。但但是是，馏馏程程过过低低，燃燃料料蒸蒸发发过过快快，则则在在着着火火延延迟迟期期内内形形成成的的混混合合气气量量过过多多，柴柴油油机机工工作作粗粗暴暴。车用柴油机的柴油馏程为车用柴油机的柴油馏程为200300。3、柴油的粘度粘度柴油的粘度决定柴油的流动性。柴油的粘度决定柴油的流动性。粘度流动性雾化性好，泄漏，润滑性降低；粘度过滤清困难，喷雾不良，流动阻力增大。4、硫含量燃烧后形成二氧化硫，与水形成亚硫酸，腐蚀零件，形成酸雨5、柴油的凝点凝点柴油的凝点指柴油冷却到失去流动性的温度凝点指柴油冷却到失去流动性的温度。第二节第二节 代用燃料及其应用代用燃料及其应用(自学自学)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、醇类燃料醇类燃料主要是甲醇甲醇CH3OH和乙醇乙醇C2H5OH。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。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。乙醇它以乙醇它以 玉米玉米、薯、薯类、糖蜜等、糖蜜等为原料，原料，经发酵、蒸酵、蒸馏制成。制成。试点点检测结果表明，使用果表明，使用车用乙醇汽油不影响汽用乙醇汽油不影响汽车的行的行驶性能。其排放的尾气中一氧化碳下降超性能。其排放的尾气中一氧化碳下降超过30、碳、碳氢化合物下降化合物下降10，苯系物明，苯系物明显减少，氮氧化减少，氮氧化合物基本不合物基本不变。汽。汽车使用乙醇汽油已被使用乙醇汽油已被视为改善城市改善城市空气空气质量的重要手段。量的重要手段。推广乙醇汽油推广乙醇汽油试点工作必点工作必须妥善解决好以妥善解决好以下三个关下三个关键问题：一一是乙醇汽油百公里耗油量是乙醇汽油百公里耗油量高于同牌号的汽油消耗量；高于同牌号的汽油消耗量；二二是乙醇汽油是乙醇汽油对加加油机、汽油机、汽车等零部件是否有影响及影响程度均等零部件是否有影响及影响程度均不是很清楚；不是很清楚；三三是由于乙醇汽油不宜是由于乙醇汽油不宜长期期储存存的特性，乙醇汽油的的特性，乙醇汽油的调配和配和销售同普通汽油相售同普通汽油相比具有更大的比具有更大的质量量风险。第三节第三节 燃烧化学燃烧化学一、燃料燃烧的热值一、燃料燃烧的热值 单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。完全燃烧完全燃烧是指某化合物被氧气全部是指某化合物被氧气全部 氧化，其中氧化，其中C生成生成CO2、H生成生成H2O，其，其 它元素生成高级氧化物。它元素生成高级氧化物。汽油:44100 kJ/kg；柴油:42500 kJ/kg 完全燃烧时，生成的水为气态时的热完全燃烧时，生成的水为气态时的热值为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完全燃烧时，生成的水为液态时的热值为值为高位发热值高位发热值。高位热值比低位热值大，其差值为水高位热值比低位热值大，其差值为水蒸气的汽化潜热。蒸气的汽化潜热。W是是单位位质量燃量燃烧产物中水的含量（物中水的含量（%），），r是水是水蒸气的气化潜蒸气的气化潜热（KJ/Kg）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：三、燃料燃烧所需的空三、燃料燃烧所需的空 气量气量1 kg燃料完全燃烧所需要的空气量称燃料完全燃烧所需要的空气量称理论空理论空气量气量。1 kg燃料中所含燃料中所含 kg 碳，碳，kg 氢，氢，kg氧氧汽油汽油:kg/kg，kg/kg，kg/kg 柴油柴油:kg/kg，kg/kg，kg/kg 汽油的理论空气量为汽油的理论空气量为14.9（kg/kg），柴），柴油的理论空气量为油的理论空气量为14.5（kg/kg）。）。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。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一切燃烧过程都由着火着火和燃烧燃烧两个阶段组成。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。使可燃混合物进入燃烧使可燃混合物进入燃烧的第二阶段，有两种方法。一是强迫着火或点燃。另一种是自然着火。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，或可燃混合气在温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：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散失的热量，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)-反应链(链的继续反应或链的传递)-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。汽油机柴油机（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（二）柴油机低温多级着火（二）柴油机低温多级着火1、阶段混合阶段 在压缩过程终了时，燃料喷入汽缸内形成可燃混合气。燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。混合阶段，为着火做准备。2 阶段一阶段一阶段反应反应 燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。经过一段时间后，反应加剧，出现淡青色火焰，缸内压力超过压缩压力。在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。要求混合气较浓，=0.40.5。3 阶段二阶段二阶段反应反应 温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心，出现蓝火焰。混合气稀得多，略小于1。4 时间后三时间后三阶段反应反应 活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现橘黄色热火焰。混合气更稀，1。着火延迟期着火延迟期三、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。柴油机上,由于混合气分配不是十分均匀,总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）,取这一部分为系统,则系统内实现的就是同时爆炸燃烧同时爆炸燃烧。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。（三）（三）扩散燃烧扩散燃烧柴油机的燃烧方式,三相燃料相三相燃料相,空气相空气相,燃烧产物相。燃烧产物相。柴油燃点比汽油低,但在日常生活中汽油却比柴油易燃,原因就在于汽油的挥发性好,油与空气形成混合气较快,物理准备过程已经就绪,一点即燃。柴油机中燃烧的快慢却主要取决于物理准备过程进行的快慢。油滴遇热蒸发形成燃料蒸汽,然后才能燃烧,并非油滴与空气接触就可燃烧。为防止燃烧产物将油滴与空气隔开,将组织空气相对于油滴的气流运动,将燃烧产物抛在后面。汽油机的点火燃烧 预混合燃烧柴油机的点火燃烧初始燃烧 预混合燃烧燃烧后期 扩散燃烧