内燃机原理第3章讲解

第三章内燃机燃料与燃烧第一节内燃机燃料的一般知识第二节汽油的使用性能第三节柴油的使用性能第四节燃烧化学第五节燃烧理论概述第一节内燃机燃料的一般知识一、石油燃料1、组成与性质内燃机传统燃料，汽油与柴油，石油产品，主要成份有碳、氢两种，占97—98%，还含少量的硫、氧、氮等，微量砷、钠、钾、钙等。石油产品以多种碳氢化合物的混合物形式出现，分子式为CnHm，称为烃。第一节内燃机燃料的一般知识（1）碳原子数对燃料性质的影响从石油气、汽油、煤油、轻重柴油到渣油，随碳原子数的增大，沸点逐渐升高，相对分子量逐渐增大，质量变重，挥发性变差，粘度增大，化学稳定性变差，自燃性变好，点燃性变差。第一节内燃机燃料的一般知识（2）分子的化学结构对燃料性能的影响1）烷烃CnH2n+2正构物，饱和的开式链状结构。常温下化学性质稳定，不易变质，高温下易分解（着火），而且碳链越长越易着火，是柴油的组成部分。异构物，比正构物分子结构紧凑，高温下不易氧化（不易着火），汽油中的组成部分。2）烯烃CnH2n不饱和开链结构，有一个双键，常温下化学不稳定，保存期长，易产生胶质。高温下，不易着火，比烷烃抗爆性好，热裂汽油中含成份较多。3）环烷烃CnH2n饱和的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和发火温度比直链烃高，适于作汽油机燃料，不宜作柴油燃料。4）芳香烃CnH2n-6基本化合物是苯，所有芳香烃都有苯基成分，分子结构坚固，热稳定性比其它烃都高，高温下不易发火，是良好的抗爆剂，直馏汽油中含量较少。第一节内燃机燃料的一般知识2、石油燃料的炼制1）直馏法：石油→蒸馏与凝结→40—205℃馏出汽油占石油的25—40%130—300℃煤油250—350℃柴油350—500℃润滑油500以上℃重油2）热裂法：重油→加温、加压、400℃以上→高分子量成份裂解成低分子量的成分，因大分子的重烃含氢少，分裂后产生的轻分子烃中，含有不饱合烃。3）催化裂化法：重油→加温、加压、催化剂→催化剂使加温较低，气态含量较少，可使烷烃脱氢、环化形成芳香烃，品质高。此外，还有加氢、异构化、迭合、芳构化等石油加工工艺，生产高级汽油。第一节内燃机燃料的一般知识二、气体燃料1、天然气（CNG）2、液化石油气（LPG）三、代用燃料1、醇类燃料2、植物油燃料第二节汽油的使用性能一、馏程10%馏出温度—标志起动性起动时车速低、雾化不好壁面温度低、汽油挥发少一般关闭阴风门，这时供给浓混合气，只有10%左右汽油蒸发就能顺利起动。10%馏出温度，越低越易起动，但太低易形成气阻。50%馏出温度—表明平均蒸发性，与暖车、加速、稳定性、分配均匀性等有关。90%馏出温度—表明难挥发的重成分的数量。90%馏出温度越高，重馏分多，易冒烟、积碳、沿缸壁流入曲轴箱稀释机油，故不能太高。第二节汽油的使用性能二、抗爆性—用辛烷值评价辛烷值在CFR单缸机上测定，被测燃料—改变压缩比—产生爆震。异辛烷（辛烷值为100）+正庚烷（辛烷值为0）。标准燃料—同样的压缩比—产生同样程度的爆震，则标准燃料中含异辛烷的体积百分数即为被测燃料的辛烷值。为提高辛烷值，用抗爆剂：四乙铅与溴乙烷的混合物。但由于该添加剂含铅量高，对人体及环境危害较大，同时还会使排气催化转换器中的催化剂严重中毒而导致失效，因而逐渐被淘汰。目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先进的炼制工艺及使用高辛烷值的调和剂，如加入甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚或醇类燃料等。第三节柴油的使用性能一、低温流动性：用凝点评价凝点：温度再下降，失去流动性，凝固。我国的柴油用凝点编号。二、雾化性：用粘度评价粘度：燃料流动性的尺度，表示燃料内部摩擦力的物理特性，影响柴油的喷雾质量。粘度大，不易雾化粘度小，易雾化三、蒸发性50%馏出温度：平均蒸发性，低→蒸发性好，喷入后能迅速蒸发、混合，有助于燃烧；90%和95%馏出温度：表示柴油难于蒸发的重馏分的数量，高→不易蒸发，与空气混合不均匀，冒烟。一般情况下：涡流室、予燃室可以燃用较重馏分的柴油，并且馏程可宽直喷式柴油机希望燃用轻馏分柴油，馏程窄第三节柴油的使用性能四、发火性：用十六烷值评价柴油机要求燃料发火性好，着火落后期短，而汽油机则要求着火落后期长。评定柴油发火性用CFR单缸试验机。标准燃料正十六烷—易着火，十六烷值为100α—甲基萘—不易着火，十六烷值为0不同比例混合便得到十六烷值从0到100的各种标准混合燃料。当所测柴油与配制的标准燃料发火性相同时，则标准燃料中含16烷的容积百分数即为该燃料的十六烷值。十六烷值高的柴油，着火温度低，着火落后期短，适合高速柴油机，但增大十六烷值，将带来燃料分子量加大，使燃油的蒸发性变差、粘度增加，导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降。第四节燃烧化学一、理论空气量—1kg燃料完全燃烧时必须的最低空气量。1kg燃料中含有gckgC，ghkgH，gokgO：gc+gh+go=1kgC+O2→CO21kmol1kmol1kmol1komlC=12kgC，则：1kg1kmol/121kmol/12gckgCgckgC+gckmolO2/12=gckmolCO2/12H2+1O2/2→CO21kmol1kmol/21kmol1komlH2=2kgH2，则：1kg1kmol/41kmol/2ghkgHghkgH+ghkmolO2/4=ghkmolH2O/2则1kg燃料完全燃烧需要O2为：gc/12+gh/4-go/32kmol空气按体积计，O2占21%，N2占79%，按质量计，O2占23%，N2占77%，需要空气：第四节燃烧化学燃料，同样：燃料)32412(21.010OHCgggL)838(23.010OHCggglkgkmol/kgkg/第四节燃烧化学二、燃烧前后工质摩尔数变化及理论分子变化系数1、φa＞1，完全燃烧（1）燃烧前摩尔数M1=φaL0kmol/kg燃料，柴油机M1=φaL0+1/MrTkmol/kg燃料，汽油机MrT—燃料相对分子质量第四节燃烧化学（2）燃烧后摩尔数（kmol)kmol22222NOOHCOMMMMM0079.0)1(21.0212LLggaaHC0021.0212LLggaHC)32412(2120OHCaHCgggLgg0324LggaOH第四节燃烧化学（3）燃烧前后工质摩尔数的增量柴油机：kmol/kg12MMM324OHgg第四节燃烧化学汽油机：kmol/kgrTOHMgg132412MMM第四节燃烧化学（4）理论分子变化系数—可燃混合气燃烧后的摩尔数与燃烧前摩尔数之比。柴油机汽油机11201MMMM03241LggaOHrTarTOHMLMgg1132410第四节燃烧化学2、φa＜1，完全燃烧（1）燃烧后摩尔数（kmol)φa＜1只在汽油机上存在，一般认为H2完全生成H2O，C部分生成CO2，另一部分生成CO。设1kg的C中xgc生成CO2，（1-x)生成CO。x—称为完全燃烧百分比。C+1/2O2→CO1kmolkmol1/21kmol1komlC=12kgC，则：1kg1kmol/241kmol/12(1-xgc)kgC(1-x)gckgC+(1-x)gckmolO2/24=(1-x)gckmolCO2/12第四节燃烧化学2222NOHCOCOMMMMM079.0212)1(12LggxxgaHCC079.0212LggaHC079.0324)32412(LgggggaOHOHC32421.021.0000OHaaggLLL324)1(21.000OHaaggLL第四节燃烧化学rTOHaMggLMMM1324)1(21.0012第四节燃烧化学（2）理论分子变化系数rTarTOHaMLMggLMM11324)1(21.0110010第四节燃烧化学三、实际分子变更系数燃烧前气缸中工质总量为：M1′=M1+Mr燃烧后气缸中工质总量为：M2′=M2+Mr式中：Mr—残余废气质量则实际分子变更系数：第四节燃烧化学式中：φr—残余废气系数rrrrrrMMMMMMMMMMMMMM1011111212'1'2rr10第四节燃烧化学四、燃料与混合气热值1.燃料热值：1燃料完全燃烧所放出的热量。分高热值与低热值，内燃机中为低热值。第四节燃烧化学2.混合气热值kJ/kmolΦa=时，称为理论混合气热值。rTauuMLHMH101第五节燃烧理论概述燃烧过程：着火、燃烧1.汽油机的高温单阶段着火汽油机的着火是以链锁反应开始，热发火结束。自由原子，自由基或过氧化物具有较高的活化能，形成了活性核心。当可燃混合气开始链锁反应之后，由于活性核心的再生，可以使反应自动加速，放热速率大于散热速率，热量得以积累。局部反应气体温度将逐渐升高，使反应加速到热爆炸的产生。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。热爆炸仅是形成了火焰核心，只有当它本身的反应放热量大于它向周围混合气的散热量时，它才能靠热传导和活性粒子的扩散向外扩展，形成稳定的火源，到此才算着火完成。以后的燃烧是由火焰核心向邻近的均匀混合气进行火焰传播。即火焰由已燃部分向未燃部分逐渐推进，使燃烧过程持续和扩展。第五节燃烧理论概述2.柴油机的低温多阶段自燃在t1阶段，反应不明显，气缸压力无明显变化。在t2阶段，反应加剧，出现冷焰。此期氧化反应主要产物是甲醛，以及其它中间产物。甲醛产生淡青色火焰，因为放热量不多，故称为冷焰。同时气缸内压力稍有变化。在t3阶段，由于气缸内温度、压力升高，甲醛继续反应生成的CO逐渐增加，出现蓝色火焰。此阶段压力有明显升高，反应生成物主要有CO、O、H、OH等活性核心。当温度足够高，活性核心的浓度足够时，则产生热爆炸，出现热火焰，即燃油的自燃。一氧化化碳燃烧生成最终产物二氧化碳。这种发火过程也是以链反应开始，热积累达到爆炸发火。第五节燃烧理论概述2.柴油机的低温多阶段自燃在柴油机中，喷油时气缸内温度约为600℃，在这种温度下，烃的键不能直接断裂，不能得到链反应开始时所需的自由原子和自由基。必须经过自动氧化，积累过氧化物，形成冷焰、蓝焰等阶段，最后发生热爆炸。故柴油机着火属于低温多阶段自燃。谢谢！