发动机原理资料

燃料与燃烧第4章燃料与燃烧学习目标•重点掌握汽油及柴油牌号的划分标准及其如何被选用；过量空气系数与空燃比的概念。•理解汽油及柴油的基本性能及其对汽车产生的影响；柴油机低温多级着火和汽油机高温单级着火过程的原因。•了解HC化合物燃烧的着火特征；及内燃机的燃烧方式。第4章燃料与燃烧1常用燃料1.1燃料成分及使用性能汽车发动机所使用的燃料主要是汽油和柴油两种液体燃料，他们是石油的炼制产品。石油的主要化学元素是碳和氢两种元素，含量占约96%~98%。石油产品即复杂的碳氢化合物的混合物，分子式为CnHm，统称为烃。烃分子中碳原子的数目的不同直接导致了不同相对分子量和不同沸点的物质。在碳氢化合物分子中，碳、氢原子的数目和排列位置对燃料的性能影响很大，燃料中H的质量大，燃烧污染低；H的质量小，燃烧污染高，当m近似为零时，便成为煤炭。第4章燃料与燃烧烃分子分类•烷烃：CnH2n+2•烯烃：CnH2n•炔烃：CnH2n－2•环烷烃：CnH2n•芳香烃：CnH2n－6分类分子式分子结构性质烷烃CnH2n+21.直链（碳原子为直链排列，又称正构烷烃）HHHHHHHㄧㄧㄧㄧㄧㄧㄧH—CCCCCCC—HㄧㄧㄧㄧㄧㄧㄧHHHHHHH正庚烷C7H16饱和结构；随着碳原子数目的增多，生成过氧化物的倾向增加，因此易于着火，爆震，不是点燃式发动机的理想燃料；由于其自发火的滞燃期短，因此是压燃式发动机的理想燃料成分。2.支链（碳原子带有侧链分支，又称异构烷烃）HㄧHH—C—HHHHㄧㄧㄧㄧㄧH—C—C—C—C—C—HㄧㄧㄧㄧㄧHH—C—HHH—C—HHㄧㄧHH异辛烷C8H18饱和结构；分子结构紧凑，高温下性能稳定，有较高的抗爆性能，是点燃式发动机理想的燃料成分。分类分子式分子结构性质烯烃CnH2n乙烯C2H4已烯C6H12链状结构不饱和烃；具有不饱和双键；高温下形成过氧化物的倾向小；着火性差，因此抗爆性好。是点燃式发动机的理想燃料成分；常温下化学稳定性差，易于生成胶质；多产生于裂化石油。炔烃CnH2n-2乙炔C2H2丁炔C4H6非饱和开链结构；有一个三价链；为热裂化产物；化学稳定性十分差，常温下易氧化，分解形成胶质；不宜作为发动机的燃料成分。分类分子式分子结构性质环烷烃CnH2n环戊烷C5H10环己烷C6H12饱和的C6H6环状分子结构；较直链烃不易分解；形成过氧化物倾向小；着火性和抗爆性介于正构烷烃和异构烷烃之间，适于作点燃式发动机燃料成分。芳香烃CnH2n-6苯C6H6α-甲基萘C11H10双键环状不饱和烃；苯是其最基本的成分；分子结构坚固，热稳定性高于脂肪烃和环烷烃，难于产生过氧化物；高温下分子不易破裂，故不易着火，抗爆性能极强，是优异的点燃式发动机燃料成分（防爆剂），但其对臭氧的形成影响较大，燃料中含量应加以限制。第4章燃料与燃烧1.2燃料的使用性能及其选用1.2.1汽油的使用性能及选用•汽油对发动机性能有重要影响的特性有：挥发性、抗爆性、燃烧热值、化学稳定性和安全性。（1）挥发性•汽油的挥发性常用蒸馏曲线相对地评定。在汽油规格中，以10%，50%，90%等馏分的馏出温度作为汽油挥发性的主要指标。第4章燃料与燃烧10%蒸发温度标志燃油的起动性•发动机冷启动时，不仅转速低，燃烧室壁面温度低，燃料的气化条件不好，因此要求一定比例的汽油气化，从而接近最佳的混合比，保证着火启动。•一般我们用10%的馏出温度来标志汽车的起动性。10%蒸发温度低，则起动性好，为了保证起动，所必需的发动机的温度也越低。但是太过低了的话，容易引起“气阻”，使发动机断火。影响它的正常运转。第4章燃料与燃烧50%馏出温度标志汽油的平均挥发性•发动机起动后，其温度逐步上升到正常运转温度的时间称为暖车时间。一般以汽油的50%馏出温度标志汽油的平均挥发性。•它影响着发动机的暖车时间、加速性以及工作稳定性。若此温度低，则说明这种汽油的平均挥发性好，在较低温度下可以有较多的汽油挥发，容易保证必要的混合气浓度。这样可以缩短暖车时间；其温度越低，则当发动机由较低负荷向较大负荷过渡时，能够及时供给所需浓度的混合气，使发动机的加速性能良好。第4章燃料与燃烧90%的馏出温度标志着燃料中含有难于挥发的重质成分的数量•燃料本身导致燃烧不完全和机油稀释的相对倾向，都与90%馏出温度有关。•此温度越低，表明燃料中重质成分少，挥发性好，有利于完全燃烧。•如若此温度越高，则燃料中含有较多的重质成分，从而燃烧不充分，附着在气缸壁上，燃烧容易形成积炭或者排气冒烟；凝在气缸壁上的汽油滴还会流入曲轴箱，稀释润滑油，破坏发动机零部件的润滑，加速发动机的磨损。•由此可见，90%馏出温度也是一个重要指标。第4章燃料与燃烧汽油的挥发性总结•汽油机的最低起动温度、气阻和蒸发损耗等方面的相对性能可根据10%馏出温度来预测；•平均挥发性、暖车时间、加速性以及工作稳定性可根据汽油的50%馏出温度评估；•燃料中重质成分的数量、燃烧冒烟、对机油的稀释程度可根据90%的馏出温度来评估。第4章燃料与燃烧（2）抗爆性•爆震燃烧是汽油机的一种不正常燃烧现象。引起爆燃的因素很多。但是在一定的结构和使用工况下，燃料的抗爆性能是最主要的因素。•燃料的抗爆性是指燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力。燃料的抗爆性好，有利于提高发动机的压缩比，改善发动机的经济性。第4章燃料与燃烧汽油的抗爆性指标•汽油的抗爆性能取决于其化学组成。对于组成汽油的各种烃来说，烷烃抗爆性最差，烯烃次之，环烷烃较好，芳香烃最好；在同一种烃内比较，轻馏分优于重馏分，异构物优于正构物。因此，我们通过试验，采用与标准燃料比较的办法来确定燃料的抗爆性。•评定汽油的抗爆性指标是辛烷值。辛烷值高，则抗爆震能力强。国产汽油就是用研究法辛烷值来标号的，分为90、93和97三个牌号。第4章燃料与燃烧辛烷值的测定方法•标准燃料是由异辛烷和正庚烷按不同容积比例混合配成。两者的密度和沸点相差不多，但抗爆性相差悬殊。异辛烷用作抗爆性优良的标准，其辛烷值定为100。正庚烷作为抗爆性低劣的标准，其辛烷值定为0。将这两种燃料按照不同比例混合，就可以得到不同抗爆等级的标准燃料。标准燃料的辛烷值为其异辛烷的百分数。•测定时，先用待测燃料工作，逐渐增加压缩比，直到爆震仪指示出标准的爆燃强度为止。然后，在相同的压缩比下，用不同辛烷值的标准燃料进行对比试验，直到产生相同的爆燃为止。这时所用标准燃料的辛烷值即为所测燃料的辛烷值。第4章燃料与燃烧爆燃•爆燃是燃料在发动机中的自燃现象，它不仅与燃料本身的化学性能有关，也要受到发动机结构和运转情况（燃烧室设计、压缩比、转速、点火提前角、气门定时、化油器结构等）的影响。因此该将燃料和发动机联合起来评定“燃料——发动机的抗爆性”。•同理，测试辛烷值的试验方法也就不是唯一的，所得到的数值也不是唯一的。通常采用的有两种方法，马达法（MON）与研究法(ROM)。由于研究法的试验转速及进气温度比马达法低，所以用马达法测定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（ROM）低。•两者的差值反映出燃料对发动机强化程度的敏感性。抗爆指数量是指车用汽油研究法辛烷值及马达法辛烷值之和的二分之一。第4章燃料与燃烧汽油的选用•在选用时，根据发动机的压缩比来选择其相应使用的汽油：90号的汽油适用于压缩比小于9.0的发动机；93号汽油适用于压缩比9.0～10.0的发动机；97号汽油则适用于压缩比高于10.0发动机。第4章燃料与燃烧1.2.2柴油的使用性能及选用•轻柴油（密度相对较轻，质量要求较严，十六烷值较高）用于高速柴油机•重柴油用于中、低速柴油机第4章燃料与燃烧柴油的使用性能及选用（1）低温流动性•温度降低时，柴油开始析出固态石蜡而呈混浊状态的温度称为浊点。•温度继续下降，柴油失去流动性能的温度称为凝点。•柴油达到浊点时，虽然仍具有流动性，但石蜡结晶颗粒容易阻塞滤清器和油路。从流动性考虑，希望柴油的凝点低，凝点与浊点的温差小。•选用柴油时，一般要求凝点比最低工作温度低3~5℃，浊点不得高出凝点7℃。•我国的柴油规格就是以凝点编号的。例如：国产0号柴油，它的凝固点为0℃，适合于夏季使用。-20号柴油凝固点为-20℃，适合于冬季或寒冷地区使用。第4章燃料与燃烧柴油的使用性能及选用(2)挥发性•柴油的挥发性决定了混合气形成的质量和速度。因此，要求柴油有较好的雾化和挥发性。但是，如果雾化性和挥发性过强的话，不仅贮存和运输中损失大，而且安全性差。•评定柴油雾化性和挥发性的主要指标是运动粘度、馏程、闪点和密度。第4章燃料与燃烧柴油的使用性能及选用(3)自燃性•柴油机是依靠燃料自燃发火而燃烧的。它要求燃料有好的自燃性。•一般十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。它与发动机的粗暴及起动性均有密切关系。•十六烷值用柴油标准样品（正十六烷（100）和α-甲基萘（0）配成的混合液）在标准柴油机中进行比较得到。第4章燃料与燃烧柴油的使用性能及选用(3)自燃性•十六烷值高的柴油，其着火延迟期短，气缸中形成的混合气少，燃烧所释放的热量也少，发动机工作平稳；同时冷起动性亦能随之改善。反之，发动机将工作粗暴，起动性能也变差。•但十六烷值过高，柴油的低温流动性、雾化与蒸发性均受影响，会使着火延迟期太短，在未形成均匀混合气、空气不足的情况下产生早燃，导致发动机功率下降、油耗升高及排气冒黑烟。•因此，在选用柴油时不应单纯地追求高十六烷值,通常要求柴油的十六烷值应在45～60之间。第4章燃料与燃烧柴油的分类及选用•轻柴油按质量分为优等品、一等品和合格品。•每个等级柴油按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20号、-35号、-50号六种牌号，其凝点分别不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃和-35℃、-50℃。•选用柴油时，应按最低环境温度来选用。10号轻柴油——适合于有预热设备的高速柴油机上使用；0号轻柴油——适合于最低气温在4℃以上的地区使用；-10号轻柴油——适合于最低气温在-5℃以上的地区使用；-20号轻柴油——适合于最低气温在-14℃以上的地区使用；-35号轻柴油——适合于最低气温在-29℃以上的地区使用；-50号轻柴油——适合于最低气温在-44℃以上的地区使用。第4章燃料与燃烧2燃料的燃烧2.1燃烧化学反应•发动机中燃料的燃烧，是燃料中的碳、氢等元素和空气中的氧之间的剧烈氧化反应，并伴随有发光和发热的现象。•燃料中的碳和氢氧化以后分别生成CO2和H2O的，称为完全燃烧。•理论空气量就是指1kg燃料完全燃烧所必需的最低空气量。第4章燃料与燃烧1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量•通过化学方程式可求出1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量kg/kg燃料)838(23.010oHcgggL第4章燃料与燃烧2.2过量空气系数•在发动机中，实际提供的空气量往往并不等于理论空气量。•燃烧1kg燃料实际提供的空气量L与理论上所需的空气量L0之比，称为过量空气系数α•过量空气系数α与发动机的类型，混合气形成的方法、燃料的种类、工况（负荷与转速）。当负载变化时，α略有变化。0LL第4章燃料与燃烧空燃比•与α理念相似，也有将燃烧时空气量与燃料的比例值是用空燃比A/F表示。kgkgFA11燃料质量量燃料实际供给的空气质燃烧燃料量空气量第4章燃料与燃烧2.3内燃机混合气的着火•燃烧理论认为：一切燃烧过程都是由着火和燃烧本身两个阶段组成的。•着火阶段是燃烧的准备阶段。在这一阶段内燃料受到混合气中氧气的氧化作用，进行明显燃烧以前的化学准备。氧化反应的速度很低，气体的压力和温度均无明显的升高。缓慢氧化过程中，有热产生并逐渐积累起来，自身加速了反应进行速度，最后出现火焰，使过程转入第二阶段，即燃烧。第4章燃料与燃烧汽油机的高温单阶段着火•汽油机的着火是以链锁反映开始，热发火结束。•由于电火花的电离和高温加热作用，自由原子形成了活性核心，开始链锁反映，活性核心的再生，可以使反应自动加速，热量得以积累，局部反映气体温度将逐渐升高。使反应加速到热爆炸产生。•因为由链反应所引起的起始反应的自动加速，到由热积累所引起的自动加温，划分不出两者的界限，故称为高温单阶段发火。