发动机原理第四章燃料与燃烧化学

第一节发动机燃料第二节代用燃料及其应用第三节燃烧化学第四节燃烧的基本理论第四章燃料与燃烧化学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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，分子质量100~180；C16~C23:250~360，轻重柴油，分子质量180~200C23以上：360℃以上，渣油，分子质量220~280表4-1烃分子中碳原子数对烃性质的影响C原子数沸点℃品种相对分子量理化性质变化趋势C1—C4C5—C11C11—C19C16—C23C23以上常温50—200180—300250—360360以上石油气汽油煤油轻柴油重油16—5895—120100—180180—200220—280轻质易挥发粘度增大化学稳定性变好易自燃易点燃碳、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，自燃性好—柴油的好成分；-C-C-C-C-；-C-C-C-C-CC支链(热稳定)直链2.分子结构对化学性能的影响2）烯烃：分子式：CnH2n；化学结构：-C=C-;-C=C-C-C-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：乙炔—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。-C—C--C—C-环丁环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%原油的蒸馏(Distillation)蒸馏塔沥青润滑油柴油煤油汽油石油气原油第一节发动机燃料基本燃料（汽油、柴油）•代用燃料：醇类燃料（甲醇、乙醇）、气体燃料（液化石油气、天然气、氢气）汽油的主要性能有：抗爆性、蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。一、汽油1.抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力。•汽油的抗爆性用辛烷值来表示。辛烷值越高，其抗爆性越好。•辛烷值:在规定条件下,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数是被测定汽油的辛烷值。•测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用的为马达法与研究法。马达法辛烷值（MON）是以较高的混合气温度（一般加热至149℃）和较高的发动机转速（一般达900r/min）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运转时的抗爆能力。•研究法辛烷值（RON）是以较低的混合气温度（一般不加热）和较低的发动机转速（一般在）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运转时的抗爆能力。•马达法辛烷值（MON）低于研究法辛烷值（RON）。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RON和MON值。2.蒸发性液态汽油汽化的难易程度称为汽油的蒸发性。•汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有良好的蒸发性。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。•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。汽油的蒸发性用汽油蒸发量为10％、50％、90％和100％时所对应的温度来评定。•50％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快转入工作状态。•90％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、稀释气缸壁上的润滑油和加大气缸磨损。•用10％馏出温度低，汽油的起动品质越好。3.氧化安定性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氧化安定性。•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，将导致燃料供应系统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良，增大爆燃倾向。4.清净性采用喷射式汽油发动机的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不稳定的化合物。为了经常保持进气系统的清洁，充分发挥汽油喷射的优点，可向汽油中加入汽油清净剂。一般是聚烯胺和聚醚胺化合物。•汽油清净剂作为机内净化的手段，在发达国家早已普遍采用。5.汽油规格我国目前有两种规格，一种是车用汽油的国家标准（GB1793-1999），一种是无铅汽油的行业标准。•我国的无铅车用汽油国家标准见表4-1。二、柴油1.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。•十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。柴油的十六烷值：标准燃料是正十六烷和一甲基萘的混合物。正十六烷自燃性最好，作为自燃性好的标准，其十六烷值定为100。一甲基萘最不易自燃，作为自燃性差的标准，定其十六烷值为0。柴油的自燃性通常介于正十六烷与一甲基萘之间。十六烷值过高或过低的柴油，都对柴油机的性能或工作不利。十六烷值越高，着火性越好。十六烷值过高，燃烧不完全。国产柴油的十六烷值规定为40~65之间，不必要过分增大。2.雾化和蒸发性馏程、运动黏度、密度、闪点都是与雾化和蒸发性有关的油品指标。柴油的蒸发性影响滞燃期内柴油的蒸发量及燃烧的完全程度，用馏程表示。通常以馏出50﹪的温度来评定。馏程低，说明这种燃轻馏分多，蒸发性好，有利于混合气形成，改善了燃烧过程。但是，馏程过低，燃料蒸发过快，则在着火延迟期内形成的混合气量过多，柴油机工作粗暴。车用柴油机的柴油馏程为200℃~300℃。•柴油的粘度决定柴油的流动性。粘度流动性物化性好，过低，润滑性降低；粘度过滤清困难，喷雾不良，流动阻力增大。3.硫含量1）对于装有催化转化器的汽车，硫使转化器的寿命降低；2）腐蚀零件，危害环境；3）硫还会增加柴油机的磨损。4.安定性安定性是指柴油在运输、储存和使用过程中应保持其外观颜色、组成和使用性能不变的能力。影响安定性的因素有：柴油中所含的不安定组分（二烯烃、烯烃和环烷芳香烃）标准要求，选用轻柴油牌号应遵循以下原则：1）10号轻柴油适用于有预热设备的柴油机；2）5号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在8℃以上的地区；3）0号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在4℃以上的地区；4）﹣10号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在﹣5℃以上的地区；5）﹣20号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在﹣14℃以上的地区；6）﹣35号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在﹣29℃以上的地区；7）﹣50号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在﹣44℃以上的地区；5.低温流动性石油会枯竭吗？2015没有石油内燃机还能转吗？一次能源Crudeoil石油Naturalgas天然气Coal煤炭Biomass生物能源Nuclearenergy核能Solarenergy太阳能二次能源(能源载体)Diesel柴油Gasoline汽油LPG液化石油气CNG压缩天然气Methanol甲醇Ethanol乙醇RME菜籽油甲脂（生物柴油）Hydrogen氢气FossilEnergy化石能源AlternativeFuels替代燃料内燃机将高效、清洁地转下去！CTL/GTL/BTL合成柴油第二节代用燃料及其应用代用燃料按物态气体代用燃料：天然气、液化石油气、氢气、煤气、沼气等液体代用燃料：甲醇、乙醇、植物油燃料等按化学成分烃燃料含氧燃料一、代用燃料分类二、天然气天然气主要成分为甲烷CH4(容积比可达83～99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，在用作点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，使用比较方便，特别是压缩(CNG——CompressedNaturalGas)，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。世界CNG埋蔵量（2002年1月単位：兆m3)来源:•油田气体•气田气体•海底气体•海底储存状态•油田气体•气田气体三、液化石油气液化石油气(LPG-LiquefiedPetroleumGas）主要成分是丙烷C3H8、丁烷C4H10、丙烯C3H6、丁烯C4H8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、液化石油气天然气和液化石油燃料相比具有以下特点：1）天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，液化石油则介于汽油和天然气之间；2）抗爆性能高；3）混合气着火界限宽；4）天然气和液化石油气比汽油的着火温度高，传播速度慢，因此需要较高的点火能量。5）天然气和液化石油气比汽油和柴油燃烧更“清洁”。四、醇类燃料醇类燃料主要是甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。甲醇可以从天然气、煤、生物质等原料中提取；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。四、醇类燃料1.甲醇（或乙醇）作为发动机燃料须考虑的因素（1）化学成分及燃烧产物（2）沸点及凝点（3）热值（4）汽化潜热（5）辛烷值（6）十六烷值（7）着火极限（8）着火延迟期（9）火焰传播速度2.醇类燃料在汽车发动机上的应用河南，使用车用乙醇汽油甲醇（或乙醇）与汽油的混合燃料称为甲醇（或乙醇）汽油或称汽醇。点燃式内燃机掺烧醇类燃料，与燃烧纯汽油相比:1）提高辛烷值，在无铅汽油中加入醇类燃料，可达到含铅汽油所具备的抗爆能力；2）可扩大混合气着火界限，燃用稀混合气，提高燃油经济性；3）可提高压缩比，提高动力性和经济性；4）减少燃烧室表面的燃烧沉积物；5）改善排放性能。3.醇类燃料在应用中的主要问题（1）对金属腐蚀性防止醇类燃料腐蚀的基本途径：1）改变发动机金属材料2）在燃料中加防腐蚀添加剂（有效的）（2）对其他材料的影响（对橡胶、塑料的腐蚀）（3）发动机磨损五、二甲醚1）二甲醚是最简单的醚类化合物2）二甲醚着火性能优于柴油3）无毒4）可再生燃料5）二甲醚的低热值只有柴油的64.7%6）二甲醚在常温、常压下的饱和蒸气压为0.5MPa1.二甲醚的性质五、二甲醚2.二甲醚在柴油机上的应用DME在柴油机上的应用主要有以DME和柴油机掺烧与直接燃用纯液态DME两种方式。利用燃油喷射装置直接向气缸内喷射液态DME，靠发动机的活塞压燃着的方式是最常见的DME在发动机上的应用方法。五、二甲醚3.二甲醚实用化应解决的问题1）供油系统成本高，且需专门的加油站2）二甲醚的黏度低，润滑性差，容易造成油泵柱塞和喷油器针阀等精密偶件磨损、卡死和泄露3）喷油量难以保证4）长时间接触会使橡胶制品老