發(fā)動機原理B-第三章發(fā)動機的燃料與燃燒-2012

1、發(fā)發(fā) 動動 機機 原原 理理武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院劉志恩2012年6月2021-9-27發(fā)動機原理2 p緒論p第一章 發(fā)動機的性能p第二章 發(fā)動機的換氣過程p第三章 發(fā)動機的燃料與燃燒p第四章 汽油機混合氣的形成和燃燒p第五章 柴油機混合氣的形成和燃燒p第六章 發(fā)動機的特性p第九章 排氣污染與控制 目 錄2021-9-27發(fā)動機原理3第三章第三章 發(fā)動機的發(fā)動機的燃料與燃燒燃料與燃燒第一節(jié) 發(fā)動機的燃料 p發(fā)動機傳統(tǒng)的燃料是汽油與柴油，它們是石油的煉制品。石油的主要成分是碳、氫兩種元素，含量約占97%-98%，其它還有少量的硫、氧、氮等等。p石油產(chǎn)品是以多種碳氫化合物碳氫化合物的混合物的形式

2、出現(xiàn)的，分子式為CnHm，通常稱為烴烴。 p利用沸點不同直接進行分餾利用沸點不同直接進行分餾，依次得到石油氣-汽油-煤油-輕、重柴油-渣油 原油的蒸餾（原油的蒸餾（Distillation）蒸餾塔蒸餾塔瀝青瀝青潤滑油潤滑油柴油柴油煤油煤油汽油汽油石油氣石油氣原油原油2021-9-27發(fā)動機原理5C原子數(shù) 沸點 品種 相對分子質(zhì)量 理化性質(zhì)的變化趨勢 質(zhì)量 揮發(fā)性 粘度 化學(xué)安定性 自燃性 點燃性 C1-C4 常溫 石油氣 16-58 輕 易 小 好 難 易 C4-C12 40-210 汽油 95-120 C11-C19 180-300 煤油 100-180 C16-C23 250-360 輕、

3、重柴油 180-200 C23以上 360以上 渣油 220-280 重 難 大 差 易 難 汽油與柴油組分的差異（歐洲）汽油與柴油組分的差異（歐洲）芳烴芳烴烯烴烯烴甲基叔丁基醚甲基叔丁基醚烷烴烷烴（短鏈）（短鏈）環(huán)烷烴環(huán)烷烴烷烴烷烴（長鏈）（長鏈）烯烯烴烴汽油汽油柴油柴油芳烴芳烴2021-9-27發(fā)動機原理7 p一、汽油汽油是多種烴類的混合物，沒有一定的沸點，汽油是多種烴類的混合物，沒有一定的沸點，它隨著溫度的上升，按照餾分由輕到重逐次沸它隨著溫度的上升，按照餾分由輕到重逐次沸騰。騰。汽油餾出溫度的范圍稱為餾程汽油餾出溫度的范圍稱為餾程，是評價汽油的，是評價汽油的蒸發(fā)性的一項指標。蒸發(fā)性的一

4、項指標。1、蒸發(fā)性：、蒸發(fā)性：餾程曲線餾程曲線p （1）10%餾出溫度：標志起動性,溫度低，冷車啟動性能好；溫度過低，容易在管路中形成氣阻。 (70)p （2）50%餾出溫度：標志平均蒸發(fā)性，它影響著發(fā)動機的暖車時間、加速性以及工作穩(wěn)定性。 (120) p （3）90%餾出溫度：標志著燃料中含有難于揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量。易形成積碳。易形成積碳。(190) 關(guān)鍵性指標：關(guān)鍵性指標：辛烷值、餾程辛烷值、餾程2021-9-27發(fā)動機原理82021-9-27發(fā)動機原理9 2、辛烷值辛烷值 u辛烷值表示汽油抗爆性辛烷值表示汽油抗爆性。汽油的辛烷值高，則抗爆震的能力強。u為了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添

5、加劑四乙鉛Pb(C2H5)4和溴化乙烷（C2H4Br2）組成的混合物，由于四乙鉛有毒，現(xiàn)已禁止使用u現(xiàn)在汽油中加入少量的乙基液來提高汽油的辛烷值。p 國產(chǎn)汽油是以辛烷值（研究法）來標號的 p 美國認為用辛烷值指數(shù)ONI，即（RONMON）2來表征在各種道路行駛（工作情況）時的抗爆性能，并將汽油按ONI分為85、87、89、91、93、95、97共七個等級2021-9-27發(fā)動機原理10p測量燃料的辛烷值測量燃料的辛烷值是在專門的試驗發(fā)動機上進行的。 測定時，用容易爆震的正庚烷測定時，用容易爆震的正庚烷C C7 7H H1616（辛烷值定為（辛烷值定為0和抗爆性好和抗爆性好的異辛烷的異辛烷C C

6、8 8H H1818（其辛烷值定為（其辛烷值定為100）的混合液與被測定的汽油）的混合液與被測定的汽油作比較。作比較。 當混合液與被測汽油在專用的發(fā)動機上的抗爆程度相同時，則當混合液與被測汽油在專用的發(fā)動機上的抗爆程度相同時，則混合液中異辛烷含量的體積百分數(shù)就是被測定汽油的辛烷值混合液中異辛烷含量的體積百分數(shù)就是被測定汽油的辛烷值。CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH異辛烷異辛烷Iso-OctaneC8H18 Octane number 100辛烷值辛烷值100正庚烷正庚烷n-HeptaneC7H16 Octane number 0辛烷值辛烷值0CCCCCHHHHHHHHH3CH3C

7、H3CH測量燃料辛烷值的測量燃料辛烷值的CFR發(fā)動機發(fā)動機測量燃料辛烷值測量燃料辛烷值的的CFR發(fā)動機發(fā)動機p辛烷值的測定方法辛烷值的測定方法，馬達法與研究法馬達法與研究法。p 馬達法規(guī)定的試驗轉(zhuǎn)速及進氣溫度比研究法高，所以用馬達法測定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（RON）低。 2021-9-27發(fā)動機原理13 二、柴油p關(guān)鍵性能指標：凝點、十六烷值、十六烷值、餾程、餾程、粘度。粘度。凝點凝點指指柴油失去流動性而開始凝結(jié)的溫柴油失去流動性而開始凝結(jié)的溫度度，與柴油儲存、運送、使用過程有關(guān)。與柴油儲存、運送、使用過程有關(guān)。按凝點不同分為按凝點不同分為10號、號、0號、號、-10號、號、-20

8、號、號、- -35號、號、-50-50號六級，其凝點分別不號六級，其凝點分別不高于高于10、0、- -10、-20、-35和和-50-50。選用時，按最低環(huán)境溫度高出選用時，按最低環(huán)境溫度高出5 5 以上以上選用。選用。1. 十六烷值 p 十六烷值是評定柴油自燃性好壞的指標十六烷值是評定柴油自燃性好壞的指標。p 自燃性自燃性：可燃混合氣在一定溫度、壓力條件下自行著火燃燒的能力。自燃性差，則柴油機起動性差，工作粗暴。p 十六烷值大，自燃性好，工作會柔和，冷起動性能亦會改善。p 測定柴油的十六烷值，采用由十六烷和由十六烷和甲基萘混合制成甲基萘混合制成的混合液的混合液。十六烷容易自燃，規(guī)定它的十六烷

9、值為100，a甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定為0。十六烷值十六烷值CetaneC16H34HCCHHHH. . . . . . .HCCHHHHCetane numberCN = 100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3Cetane numberCN = 0a a甲基萘甲基萘a a MethylnaphtaleneC11H10十六烷十六烷- -甲基苯甲基苯容易自燃容易自燃最不容易自燃最不容易自燃十六烷值為十六烷值為100十六烷值為十六烷值為0待測柴油待測柴油所配置混合液所配置混合液自燃性自燃性十六烷的體積百分比十六烷的體積百分比十六烷值十六烷值測量燃料十六烷值的測量燃料十六烷值的CFR

10、發(fā)動機發(fā)動機p當被測定柴油的自燃性與所配制的混合液的自燃性相同時，則混合液中十六烷的體積百分數(shù)體積百分數(shù)就定為該種柴油的十六烷值。p國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定在40-50之間測量燃料十六烷值測量燃料十六烷值的的CFR發(fā)動機發(fā)動機the American Cooperative Fuel Research Committee.燃料研究聯(lián)合協(xié)會燃料研究聯(lián)合協(xié)會p在特殊的單缸試驗機上按規(guī)定的條件進行。2021-9-27發(fā)動機原理172. 餾程餾程: 表示柴油的蒸發(fā)性，與燃燒完善程度及起動性能有密切關(guān)系燃料餾出燃料餾出50%50%的溫度的溫度（300300）低，說明這種）低，說明這種燃料輕餾分多、蒸發(fā)快，

11、有利于混合氣形成。燃料輕餾分多、蒸發(fā)快，有利于混合氣形成。90%90%和和95%95%溜出溫度溜出溫度（355355，365365）標志柴油）標志柴油中所含難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如果重餾中所含難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如果重餾分過多，在高速柴油機中來不及蒸發(fā)和形成分過多，在高速柴油機中來不及蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒不容易及時和完全。均勻混合氣，燃燒不容易及時和完全。車用高速柴油機使用輕餾分柴油，但餾分太車用高速柴油機使用輕餾分柴油，但餾分太輕也不好，因為輕質(zhì)燃料容易蒸發(fā)，在著火輕也不好，因為輕質(zhì)燃料容易蒸發(fā)，在著火前形成大量油氣混合氣，一旦著火壓力猛增，前形成大量油氣混合氣，一旦著火壓力猛增

12、，將使柴油機工作粗暴。將使柴油機工作粗暴。 3. 粘度：是燃料流動性的尺度，是表示燃料內(nèi)部摩擦力的物理特性。影響燃料噴射霧化的質(zhì)量。 當其它條件相同時，粘度越大，霧化后油滴的平均直徑當其它條件相同時，粘度越大，霧化后油滴的平均直徑也越大使燃油和空氣混合不均勻，燃燒不及時或不完也越大使燃油和空氣混合不均勻，燃燒不及時或不完全，燃油消耗率增加，排氣帶煙。全，燃油消耗率增加，排氣帶煙。粘度粘度霧化油滴平均直徑霧化油滴平均直徑燃燒不及時或不完全燃燒不及時或不完全燃油消耗率增加，排氣帶煙燃油消耗率增加，排氣帶煙2021-9-27發(fā)動機原理19 p三、汽油、柴油性能差異對發(fā)動機的影響 混合氣形成上的差異

13、著火上的差異 燃燒上的差異汽油機汽油揮發(fā)性強，可能在較低溫度下以較充裕的時間在氣缸外部進氣管中形成均勻的混合氣，控制混合氣的數(shù)量便能調(diào)節(jié)汽油機的功率，是量調(diào)節(jié) 汽油自燃溫度較高，適宜外源點火 防止自燃，促使其有規(guī)律的燃燒，混合氣均勻，著火后，以火焰?zhèn)鞑サ姆绞较蚓鶆虻幕旌蠚庹归_ 柴油機柴油蒸發(fā)性差，但粘性好，適宜用油泵油嘴向氣缸內(nèi)部噴油，靠調(diào)節(jié)供油量來調(diào)節(jié)負荷，吸入的空氣量基本不變，是質(zhì)調(diào)節(jié) 柴油化學(xué)安定性差，易自燃，采用壓燃的方式 柴油噴射及與空氣的混合，既短暫又不均勻，常有隨噴隨燒的現(xiàn)象，燃燒時間延長 2021-9-27發(fā)動機原理20 p歸納（汽油、柴油性能差異對發(fā)動機的影響） 混合氣形成上

14、的差異 著火上的差異 燃燒上的差異汽油機1、外部形成2、均勻混合氣3、 較小4、量調(diào)節(jié)（負荷）1、外源點火2、單火源發(fā)火1、以火焰?zhèn)鞑シ绞綖橹?、接近等容燃燒柴油機1、內(nèi)部形成2、非均勻混合氣3、 較大4、質(zhì)調(diào)節(jié)（負荷）1、自行著火2、多火源著火1、以擴散燃燒方式為主2、接近先等容后等壓燃燒四、醇類燃料p主要是甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)。p醇類燃料的特點： 熱值低，含氧量大，所以熱值低，含氧量大，所以混合氣熱值與汽油差不多；混合氣熱值與汽油差不多； 汽化潛熱數(shù)值大，汽化潛熱數(shù)值大，是汽油的三倍左右是汽油的三倍左右; ; 沸點低，沸點低，產(chǎn)生氣阻的傾向比汽油大；產(chǎn)生氣阻的傾向比汽油

15、大； 有毒性、腐蝕性；有毒性、腐蝕性； 抗爆震性好，潤滑性差；抗爆震性好，潤滑性差； 如以混合燃料方式使用，與汽、柴油的相溶性差。如以混合燃料方式使用，與汽、柴油的相溶性差。需需要加入適量的助溶劑要加入適量的助溶劑2021-9-27發(fā)動機原理221）醇類燃料的熱值低，但醇中含氧量大，所需的）醇類燃料的熱值低，但醇中含氧量大，所需的理論空氣量不到汽油的一半，所以兩者的混合氣理論空氣量不到汽油的一半，所以兩者的混合氣熱值都差不多，從而保證發(fā)動機動力性能不致降熱值都差不多，從而保證發(fā)動機動力性能不致降低。由于熱值低，酒精汽油的燃油消耗率比普通低。由于熱值低，酒精汽油的燃油消耗率比普通汽油高，不過熱效

16、率并不比普通汽油低，而且其汽油高，不過熱效率并不比普通汽油低，而且其混合氣比汽油混合氣還稀。混合氣比汽油混合氣還稀。 2）醇的汽化潛熱是汽油的三倍左右，混合燃料蒸）醇的汽化潛熱是汽油的三倍左右，混合燃料蒸發(fā)汽化，可以促使進氣溫度進一步降低，增加了發(fā)汽化，可以促使進氣溫度進一步降低，增加了充氣量，提高了功率。但困難的是，在使用中需充氣量，提高了功率。但困難的是，在使用中需予以強預(yù)熱。予以強預(yù)熱。 3）醇具有高的抗爆性能，加醇的混合汽油可提）醇具有高的抗爆性能，加醇的混合汽油可提高燃料的辛烷值，這對提高汽油機的壓縮比極為高燃料的辛烷值，這對提高汽油機的壓縮比極為有利。有利。2021-9-27發(fā)動機

17、原理234）醇的沸點低，產(chǎn)生氣阻）醇的沸點低，產(chǎn)生氣阻的傾向比汽油大，要采取相的傾向比汽油大，要采取相應(yīng)的措施。應(yīng)的措施。 5）在常溫下醇難溶于汽油，）在常溫下醇難溶于汽油，混合不勻的燃料使發(fā)動機運混合不勻的燃料使發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。為此，需要加入轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。為此，需要加入適量的助溶劑，以利于醇與適量的助溶劑，以利于醇與汽油相互溶解。汽油相互溶解。 6）甲醇對視神經(jīng)有損傷作）甲醇對視神經(jīng)有損傷作用，其混合燃料有一定的毒用，其混合燃料有一定的毒性，在儲運及使用中要注意性，在儲運及使用中要注意安全。安全。 p醇類燃料的使用方式醇類燃料的使用方式混合燃料方式混合燃料方式雙燃料方式雙燃料方式純?nèi)剂戏绞郊內(nèi)?/p>

18、料方式氧添加劑氧添加劑燃料電池燃料燃料電池燃料p醇類燃料的使用特性與使用方式有關(guān)：醇類燃料的使用特性與使用方式有關(guān)： 對其固有的理化特性及品質(zhì)如：對其固有的理化特性及品質(zhì)如： 熱值、沸點、熱值、沸點、密度、腐蝕性和含水量等應(yīng)該有要求。密度、腐蝕性和含水量等應(yīng)該有要求。 2021-9-27發(fā)動機原理25p五、氣體燃料 氣體燃料可分為氣體燃料可分為天然氣（天然氣（NG）、）、液化石油液化石油氣（氣（LPG）及工業(yè)生產(chǎn)中的氣體燃料。及工業(yè)生產(chǎn)中的氣體燃料。 天然氣天然氣是以自由狀態(tài)或與石油共生于自然界是以自由狀態(tài)或與石油共生于自然界中的可燃氣體，它的主要成分是甲烷中的可燃氣體，它的主要成分是甲烷(C

19、H(CH4)4)。 液化石油氣液化石油氣是在石油煉制過程中產(chǎn)生的石油是在石油煉制過程中產(chǎn)生的石油氣，主要成分是丙烷氣，主要成分是丙烷(C(C3 3H H8 8) )、丙烯、丙烯(C(C3 3H H6 6) )、丁、丁烷烷(C(C4 4H H8 8) )等。等。天然氣用于汽車一般有兩種形式：天然氣用于汽車一般有兩種形式：u一種是壓縮天然氣（CNG）。通常以20MPa壓縮儲存于高壓氣瓶中；u一種是液化天然氣（LNG），將天然氣以-162低溫液化儲存于隔熱的液化氣罐中。 氣體燃料的使用特性氣體燃料的使用特性（1 1）氣體燃料的特點）氣體燃料的特點 熱值低；熱值低； 常溫下為氣態(tài)，攜帶不方便；常溫下為

20、氣態(tài)，攜帶不方便； 形成混合氣容易；形成混合氣容易； 抗爆震性好，潤滑性差；抗爆震性好，潤滑性差； 廢氣排放好。廢氣排放好。（2 2）氣體燃料的使用方式）氣體燃料的使用方式 純?nèi)剂戏绞?；純?nèi)剂戏绞剑?雙燃料方式雙燃料方式； 混合燃料方式；混合燃料方式； 燃料電池。燃料電池。 （3 3）氣體燃料的使用特性與使用方式有關(guān)；）氣體燃料的使用特性與使用方式有關(guān)； 有國家標準，但使用性能指標不全面。有國家標準，但使用性能指標不全面。 2021-9-27發(fā)動機原理27天然氣燃料的優(yōu)點：天然氣燃料的優(yōu)點： u l）天然氣的主要成分是甲烷，CO排放量少，未燃HC成分引起的光化學(xué)反應(yīng)低，燃料中幾乎不含硫的成分，

21、從全球環(huán)保的角度看，比電動汽車的SO2排放量要低。 u 2）辛烷值高達130，可采用高壓縮比，獲得高的熱效率。 u 3）燃燒下限寬，稀燃特性憂越，在廣泛的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，可降低NOx生成，進而也可提高熱效率。u 4）由于是氣體燃料，低溫起動性及低溫運轉(zhuǎn)性能良好，進而在暖機過程中，不需要在使用液體燃料時所必要的額外供油，不完全燃燒成分少。u 5）天然氣燃料運用性好，可采用油氣雙燃料供應(yīng)方式，也可采用電控混合氣或電控天然氣噴射方式工作。它適用于輕型車，也適用于柴油車。u 6）將天然氣應(yīng)用于柴油車，固體微粒的排放率幾乎為0，（微粒排放是當今柴油車排放治理中突出的困難），從而達到低公害車的標準。 2021

22、-9-27發(fā)動機原理28天然氣燃料的缺點：天然氣燃料的缺點：u1）因為在常溫、常壓下是氣體，儲運性能比液體燃料差。一次充氣行駛距離短，長途汽車應(yīng)用有一定困難，但用于城市內(nèi)車輛是可行的，其實它比一次充電的電動機車的行駛距離要長得多。 u2）由于儲氣壓一般達20MPa高壓，使燃料容器加重。 u3）由于呈氣體狀態(tài)吸入，使發(fā)動機體積效率降低，與液體燃料相比（如汽油），單位體積的混合氣熱值小，功率下降近10%。 2021-9-27發(fā)動機原理292021-9-27發(fā)動機原理30第二節(jié) 燃燒熱化學(xué) p不管燃燒過程多么復(fù)雜，在燃燒分析中總需要提供有關(guān)燃料、空氣及其產(chǎn)物的一些基本數(shù)量關(guān)系。p對于已知的燃料，各元

23、素的含量是可以測得的，而空氣中氧化氮的比例又是一定的，按照完全燃燒的化學(xué)當量關(guān)系，很容易求出一些基本量，為發(fā)動機經(jīng)驗設(shè)計及調(diào)試提供依據(jù) 。2021-9-27發(fā)動機原理31一、燃油完全燃燒的化學(xué)反應(yīng) 用gc、gh、go分別表示每千克燃油中C、H、O的千克數(shù)，則： g gc c g gh h g go o 汽油汽油 0.855 0.145 0.0 0.855 0.145 0.0柴油柴油 0.870 0.870 0.126 0.004 0.126 0.004對對 C C：C+OC+O2 2=CO=CO2 2 g gc ckg(C)+8/3gkg(C)+8/3gc ckg(Okg(O2 2)=11/3

24、g)=11/3gc ckg(COkg(CO2 2) )對對 H H：H H2 2+1/2O+1/2O2 2=H=H2 2O O g gh hkg(Hkg(H2 2)+8g)+8gh hkg(Okg(O2 2)=9g)=9gh hkg(Hkg(H2 2O)O)2021-9-27發(fā)動機原理32二、理論空氣量二、理論空氣量 定義：1kg燃油完全燃燒所需的空氣量，稱為理論空氣量，用LO表示。單位為kg/kg。 在每千克燃油中，含有g(shù)okg 的氧，所以每千克燃油完全燃燒時需要供應(yīng)的氧為： 8/3gc +8gh -go kg所以：LO=1/0.23（8/3gc+8gh-go） kg/kg 汽油的理論空氣量

25、為14.8kg/kg，柴油的理論空氣量為14.5kg/kg。2021-9-27發(fā)動機原理33三、過量空氣系數(shù)三、過量空氣系數(shù)定義：發(fā)動機工作過程中，發(fā)動機工作過程中，1 1kgkg燃油實際供給的空氣燃油實際供給的空氣數(shù)量數(shù)量L L與理論空氣量與理論空氣量L L0 0 之比值之比值, ,稱為稱為過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)。 用表示： =L/ L=L/ L0 0 =1時為理論混合氣,1時為稀混合氣。 =0.9=0.9，功率混合氣；功率混合氣；=1.1=1.1，經(jīng)濟混合氣。經(jīng)濟混合氣。= 0.4= 0.4，火焰?zhèn)鞑ド舷蓿ㄅ艢夤芊排冢┗鹧鎮(zhèn)鞑ド舷蓿ㄅ艢夤芊排冢? 1.4= 1.4，火焰?zhèn)鞑ハ孪蓿ㄟM氣管回

26、火）火焰?zhèn)鞑ハ孪蓿ㄟM氣管回火）2021-9-27發(fā)動機原理34 除了過量空氣系數(shù)除了過量空氣系數(shù)a a 外，還常用燃燒時空氣質(zhì)量與燃外，還常用燃燒時空氣質(zhì)量與燃料質(zhì)量的比例即空燃比（料質(zhì)量的比例即空燃比（ A / F ）表示混合氣濃度：）表示混合氣濃度：四、空燃比四、空燃比 當當a a = 1 = 1 ，即按理論空氣量燃燒時，該空燃比稱即按理論空氣量燃燒時，該空燃比稱為理論空燃比。為理論空燃比。汽油汽油和和柴油柴油的理論空燃比分別為的理論空燃比分別為14.8和和14.5 ?；旌蠚獾目杖急却笥诶碚摽杖急葧r為稀混合氣，混合氣的空燃比大于理論空燃比時為稀混合氣，小于理論空燃比時為濃混合氣。小于理論空

27、燃比時為濃混合氣。2021-9-27發(fā)動機原理36四、燃油和可燃混合氣的熱值四、燃油和可燃混合氣的熱值1 1燃油的熱值：燃油的熱值：p在標準狀態(tài)下，1kg燃料完全燃燒所放出的熱量，稱為燃料的熱值。用用H Hu u表示表示,KJ/kgKJ/kg。p在高溫的燃燒產(chǎn)物中，水以蒸氣狀態(tài)存在，水的汽化潛熱不能利用。在高溫下的，則為低熱值QL 。p待溫度降低以后，水的汽化潛熱才能釋放出來。因此，水凝結(jié)以后計入水的汽化潛熱的熱值，稱為高熱值QH ；p發(fā)動機排氣溫度較高，水的汽化潛熱不能利用，因此應(yīng)用低熱值。p汽油的低熱值為44000kJ/kg,柴油機的低熱值為42500kJ/kg 2021-9-27發(fā)動機原

28、理372 2混合氣的熱值：混合氣的熱值：p 當發(fā)動機氣缸進氣量一定（即氣缸工作容積和充氣效率都氣缸進氣量一定（即氣缸工作容積和充氣效率都確定），則發(fā)動機工作循環(huán)吸收的熱量完全取決于確定），則發(fā)動機工作循環(huán)吸收的熱量完全取決于燃料熱燃料熱值值和和可燃混合氣濃度可燃混合氣濃度。p 燃料熱值和可燃混合氣濃度的綜合影響以燃料熱值和可燃混合氣濃度的綜合影響以可燃混合氣熱值可燃混合氣熱值來體現(xiàn)。來體現(xiàn)。p 混合氣熱值是指單位體積或單位摩爾數(shù)或每單位質(zhì)量的混混合氣熱值是指單位體積或單位摩爾數(shù)或每單位質(zhì)量的混合氣在完全燃燒放出的熱量合氣在完全燃燒放出的熱量，其計量單位為，其計量單位為kJ/mkJ/m3 3（標

29、）或（標）或kJ/kJ/kmolkmol 或或kJ/kgkJ/kgp 每千克混合氣完全燃燒放出的熱量每千克混合氣完全燃燒放出的熱量, ,可用可用H Hm m表示表示,kJ/kgkJ/kg。 H Hm m=H=Hu u/ /（1+L1+LO O ）p =1 =1 的混合氣熱值稱為理論混合氣熱值。一般混合氣的熱的混合氣熱值稱為理論混合氣熱值。一般混合氣的熱值均指理論混合氣的熱值。值均指理論混合氣的熱值。混合氣熱值與過量空氣系數(shù)的關(guān)系混合氣熱值與過量空氣系數(shù)的關(guān)系0100020003000400050000,511,522,533,54 a aHum resp. Hum kJ/m3HumHumIgn

30、ition limit conv. gasoline engine(gasoline operation)p = 1,013 barT = 273K2021-9-27發(fā)動機原理39第三節(jié) 發(fā)動機混合氣的著火與燃燒 發(fā)動機混合氣的燃燒，本質(zhì)上是燃油激烈的氧化反應(yīng)。根據(jù)氧化反應(yīng)進行的激烈程度不同，燃燒分為兩個階段：著火與燃燒。 著火是燃燒的物理和化學(xué)準備階段。物理準備：燃料的霧化、蒸發(fā)、與空氣形成可燃混合氣等化學(xué)準備：焰前的緩慢氧化反應(yīng)。速度很低，壓力和溫度 無明顯升高。此過程逐漸積累熱量或形成活化 中心。活化中心在壓縮終了高溫作用下，燃油分子分裂成大量 自由原子或自由基（如H、O、CH、OH等）

31、，它 們具有很強的反應(yīng)能力。 2021-9-27發(fā)動機原理40p 燃燒是氧化反應(yīng)加速至激化的結(jié)果，并伴有流動、燃燒是氧化反應(yīng)加速至激化的結(jié)果，并伴有流動、傳熱、傳質(zhì)等物理現(xiàn)象（光和熱）。傳熱、傳質(zhì)等物理現(xiàn)象（光和熱）。p 進入燃燒有兩種方法：進入燃燒有兩種方法： 點燃利用點火系向可燃混合氣增加能量。 自燃利用自身積累的熱量或活化中心著火。 點燃是在局部混合氣內(nèi)進行的，自燃是在全部混合氣內(nèi)同時發(fā)生的。p 發(fā)動機內(nèi)的燃燒過程經(jīng)歷三個基本步驟：發(fā)動機內(nèi)的燃燒過程經(jīng)歷三個基本步驟： 1）燃油與空氣形成可燃混合氣 2）點燃可燃混合氣，或可燃混合氣發(fā)生自燃。 3）火源擴大到整個可燃混合氣，形成全面燃燒p燃

32、燒的分類：燃燒的分類：固相燃燒固相燃燒：固體燃料沒有揮發(fā)而在表面與空氣(氧氣) 燃燒。氣相燃燒氣相燃燒：燃料以氣體狀態(tài)與空氣混合燃燒。u 預(yù)混燃燒：預(yù)混燃燒：著火前燃料氣體或燃料蒸氣與空氣已按一定比例形成混合氣的燃燒。u 擴散燃燒擴散燃燒：著火前燃料與空氣是相互分開的，著火后燃料邊蒸發(fā)邊與空氣混合的燃燒。p發(fā)動機中所有燃燒為預(yù)混燃燒和擴散燃燒中的某一種或兩種燃燒的組合。預(yù)混火焰與擴散火焰擴散火焰半預(yù)混火焰全預(yù)混火焰1：一次空氣系數(shù)，即燃燒前同氣體燃料混合的空氣量與理論空氣量之比Different flame types of Bunsen Burnerdepending on air flow

33、 through the valve.1. valve closed2. valve semi-opened3. valve nearly fully opened4. valve fully opened2021-9-27發(fā)動機原理43按化學(xué)動力學(xué)的觀點分：熱自燃和鏈鎖自燃機理（一）熱自燃（或熱爆）p定義：若化學(xué)反應(yīng)所釋放的熱量大于散失的熱量，混合氣的溫度升高，進而促進混合氣的反應(yīng)速率和放熱速率增大，這種相互促進，最終導(dǎo)致極快的反應(yīng)速率而著火。p氣體分子要進行化學(xué)反應(yīng)需要相互碰撞，碰撞分子所具備一定大小的能量，稱為反應(yīng)活化能。p活化分子能量超過活化能的分子一、著火機理一、著火機理2021-9

34、-27發(fā)動機原理44能保證著火的缸內(nèi)最低能保證著火的缸內(nèi)最低溫度、壓力稱為溫度、壓力稱為著火臨界著火臨界溫度溫度和和著火臨界壓力。著火臨界壓力。著火臨界線著火臨界線在一定在一定P0下，如果外界下，如果外界溫度低于溫度低于T0，混合氣不會，混合氣不會發(fā)生熱爆；發(fā)生熱爆；在一定在一定T0下，如果壓力下，如果壓力低于低于P0，也不會發(fā)生熱爆。，也不會發(fā)生熱爆。圖圖4-2 著火臨界線著火臨界線著火臨界溫度和著火臨界壓力著火臨界溫度和著火臨界壓力發(fā)動機能否著火，取決于著火階段有無熱量積累，發(fā)動機能否著火，取決于著火階段有無熱量積累，氧化反應(yīng)能否自動加速。氧化反應(yīng)能否自動加速。2021-9-27發(fā)動機原理

35、45（二）鏈鎖自燃（二）鏈鎖自燃( (鏈爆炸鏈爆炸 )p通過鏈鎖反應(yīng)逐漸積累活化中心的方法使反應(yīng)自動加速，直至著火的過程。p鏈鎖反應(yīng)：其中一個活化作用能引起很多基本反應(yīng)，即反應(yīng)鏈。p鏈鎖反應(yīng)的過程：鏈引發(fā)鏈傳播鏈中斷2021-9-27發(fā)動機原理46鏈引發(fā)鏈引發(fā)：反應(yīng)物分子分解為自由原子或自由基，反應(yīng)物分子分解為自由原子或自由基， 形成活化中心。形成活化中心。鏈傳播：鏈傳播：反應(yīng)進一步推進，生成新的自由原子或反應(yīng)進一步推進，生成新的自由原子或 自由基。自由基。 直鏈反應(yīng)直鏈反應(yīng)由由一個活化中心與反應(yīng)物作用一個活化中心與反應(yīng)物作用 產(chǎn)生一個新的活化中心，反應(yīng)以恒速進行。產(chǎn)生一個新的活化中心，反應(yīng)以

36、恒速進行。 支鏈反應(yīng)支鏈反應(yīng)有有一個活化中心引起的反應(yīng)，同時一個活化中心引起的反應(yīng)，同時 生成兩個以上的活化中心，反應(yīng)速度急劇增長。生成兩個以上的活化中心，反應(yīng)速度急劇增長。鏈中斷鏈中斷: 具有反應(yīng)能力的自由原子或自由基與冷的具有反應(yīng)能力的自由原子或自由基與冷的 壁面或惰性氣體碰撞，使反應(yīng)能力減小。壁面或惰性氣體碰撞，使反應(yīng)能力減小。2021-9-27發(fā)動機原理47例如：氫的燃燒化學(xué)方程：例如：氫的燃燒化學(xué)方程：2H2+O22H2O實際過程是：實際過程是：鏈引發(fā)：鏈引發(fā)：H2 2H鏈傳播鏈傳播(鏈爆炸鏈爆炸)：H+O2 OH+O O+H2OH+H 2OH+H2 2H2O+2H鏈中斷：鏈中斷：H

37、+H+M H2+M（M是惰性氣體分子）是惰性氣體分子） H+OH+M H2O+M H+O+M OH+Mp 混合氣的著火往往不是單一機理進行，二者機理同時存混合氣的著火往往不是單一機理進行，二者機理同時存在相互促進。在相互促進。p 一般說，在高溫下以熱爆炸為主，在低溫下以鏈爆炸為一般說，在高溫下以熱爆炸為主，在低溫下以鏈爆炸為主。主。2021-9-27發(fā)動機原理48二、發(fā)動機混合氣的著火二、發(fā)動機混合氣的著火1 1、柴油機、柴油機圖圖4-1 低溫多級著火過程低溫多級著火過程柴油機的著火柴油機的著火為壓燃式的低為壓燃式的低溫多級著火溫多級著火2021-9-27發(fā)動機原理49 柴油機著火過程：柴油機

38、著火過程： 噴油噴油t1+冷焰冷焰t2+藍焰藍焰t3熱焰熱焰 噴油噴油進行物理化學(xué)準備，溫度較高處開始緩慢氧化，壓力沒有明進行物理化學(xué)準備，溫度較高處開始緩慢氧化，壓力沒有明顯變化。噴油時缸內(nèi)溫度為顯變化。噴油時缸內(nèi)溫度為500700，不能裂解出鏈反應(yīng)所需的，不能裂解出鏈反應(yīng)所需的自由原子或自由基。經(jīng)歷時間為自由原子或自由基。經(jīng)歷時間為t1。 冷焰冷焰熱量有初步積累但較慢，反應(yīng)開始加劇，產(chǎn)生熱量有初步積累但較慢，反應(yīng)開始加劇，產(chǎn)生醛類和有機化醛類和有機化合物合物等中間產(chǎn)物。當剛達到臨界溫度時，出現(xiàn)淡青色火焰，其熱量等中間產(chǎn)物。當剛達到臨界溫度時，出現(xiàn)淡青色火焰，其熱量不多。經(jīng)歷時間為不多。經(jīng)歷

39、時間為t2，此時的反應(yīng)為一級反應(yīng)。，此時的反應(yīng)為一級反應(yīng)。 藍焰藍焰熱量積累較多，鏈節(jié)活化中心較多，出現(xiàn)藍色火焰。缸內(nèi)溫熱量積累較多，鏈節(jié)活化中心較多，出現(xiàn)藍色火焰。缸內(nèi)溫度和壓力明顯升高。經(jīng)歷時間為度和壓力明顯升高。經(jīng)歷時間為t3，此時的反應(yīng)為二級反應(yīng)。，此時的反應(yīng)為二級反應(yīng)。t1+t2+t3為著火延遲期為著火延遲期 熱焰熱焰熱量和活化中心同時大量積累，反應(yīng)將激烈進行，在極短的熱量和活化中心同時大量積累，反應(yīng)將激烈進行，在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生熱爆炸，出現(xiàn)桔時間內(nèi)產(chǎn)生熱爆炸，出現(xiàn)桔黃色黃色熱火焰，即產(chǎn)生自燃。熱火焰的出熱火焰，即產(chǎn)生自燃。熱火焰的出現(xiàn)稱為三級反應(yīng)?，F(xiàn)稱為三級反應(yīng)。2021-9-27

40、發(fā)動機原理502 2、汽油機、汽油機汽油機需要借助于火花塞點火來實現(xiàn)著火。汽油機需要借助于火花塞點火來實現(xiàn)著火。2021-9-27發(fā)動機原理51汽油機在壓縮過程已進行一定的化學(xué)汽油機在壓縮過程已進行一定的化學(xué)反應(yīng)，火花塞跳火，其電極附近混合氣反應(yīng)，火花塞跳火，其電極附近混合氣溫度急劇上升，同時馬上出現(xiàn)好多活化溫度急劇上升，同時馬上出現(xiàn)好多活化中心（中心（OH、CH），并迅速開展自行加），并迅速開展自行加速的鏈反應(yīng)，在很短時間內(nèi)出現(xiàn)桔黃色速的鏈反應(yīng)，在很短時間內(nèi)出現(xiàn)桔黃色火焰（熱焰）?；鹧妫嵫妫Ｔ诔霈F(xiàn)熱火焰之前，看不到明顯的幾在出現(xiàn)熱火焰之前，看不到明顯的幾個不同級的化學(xué)反應(yīng)。個不同級的化學(xué)反應(yīng)。汽油機的著火為點燃式的高溫單級著火過程。汽油機的著火為點燃式的高溫單級著火過程。三、油滴