發(fā)動(dòng)機(jī)原理課件3

第3章

燃料與燃燒學(xué)習(xí)目標(biāo)重點(diǎn)掌握汽油及柴油牌號的劃分標(biāo)準(zhǔn)及其如何被選用；過量空氣系數(shù)與空燃比的概念。理解汽油及柴油的基本性能及其對汽車產(chǎn)生的影響；柴油機(jī)低溫多級著火和汽油機(jī)高溫單級著火過程的原因。了解HC化合物燃燒的著火特征；及內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式。3.1常用燃料3.1.1燃料成分及使用性能汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的燃料主要是汽油和柴油兩種液體燃料，他們是石油的煉制產(chǎn)品。石油的主要化學(xué)元素是碳和氫兩種元素，含量占約96%~98%。石油產(chǎn)品即復(fù)雜的碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮肿邮綖镃nHm，統(tǒng)稱為烴。烴分子中碳原子的數(shù)目的不同直接導(dǎo)致了不同相對分子量和不同沸點(diǎn)的物質(zhì)。在碳?xì)浠衔锓肿又?，碳、氫原子的?shù)目和排列位置對燃料的性能影響很大，燃料中H的質(zhì)量大，燃燒污染低；H的質(zhì)量小，燃燒污染高，當(dāng)m近似為零時(shí)，便成為煤炭。烴分子分類烷烴：CnH2n+2烯烴：CnH2n炔烴：CnH2n－2環(huán)烷烴：CnH2n芳香烴：CnH2n－6分類

分子式分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)烷烴

CnH2n+21.直鏈（碳原子為直鏈排列，又稱正構(gòu)烷烴）HHHHHHHㄧ

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ㄧㄧH—CCCCCCC—Hㄧ

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HHHHHHH正庚烷C7H16飽和結(jié)構(gòu)；隨著碳原子數(shù)目的增多，生成過氧化物的傾向增加，因此易于著火，爆震，不是點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的理想燃料；由于其自發(fā)火的滯燃期短，因此是壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的理想燃料成分。2.支鏈（碳原子帶有側(cè)鏈分支，又稱異構(gòu)烷烴）HㄧHH—C—HHHHㄧ

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ㄧH—C—C—C—C—C—Hㄧ

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ㄧHH—C—HHH—C—HH

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HH異辛烷C8H18飽和結(jié)構(gòu)；分子結(jié)構(gòu)緊湊，高溫下性能穩(wěn)定，有較高的抗爆性能，是點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)理想的燃料成分。分類

分子式分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)烯烴CnH2n乙烯C2H4

已烯C6H12鏈狀結(jié)構(gòu)不飽和烴；具有不飽和雙鍵；高溫下形成過氧化物的傾向小；著火性差，因此抗爆性好。是點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的理想燃料成分；常溫下化學(xué)穩(wěn)定性差，易于生成膠質(zhì)；多產(chǎn)生于裂化石油。炔烴CnH2n-2乙炔C2H2丁炔C4H6非飽和開鏈結(jié)構(gòu)；有一個(gè)三價(jià)鏈；為熱裂化產(chǎn)物；化學(xué)穩(wěn)定性十分差，常溫下易氧化，分解形成膠質(zhì)；不宜作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料成分。分類

分子式分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)環(huán)烷烴CnH2n環(huán)戊烷C5H10環(huán)己烷C6H12飽和的C6H6環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)；較直鏈烴不易分解；形成過氧化物傾向?。恢鹦院涂贡越橛谡龢?gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴之間，適于作點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料成分。芳香烴CnH2n-6苯C6H6

α-甲基萘C11H10雙鍵環(huán)狀不飽和烴；苯是其最基本的成分；分子結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，熱穩(wěn)定性高于脂肪烴和環(huán)烷烴，難于產(chǎn)生過氧化物；高溫下分子不易破裂，故不易著火，抗爆性能極強(qiáng)，是優(yōu)異的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料成分（防爆劑），但其對臭氧的形成影響較大，燃料中含量應(yīng)加以限制。3.1.2燃料的使用性能及其選用3.1.2.1汽油的使用性能及選用汽油對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有重要影響的特性有：揮發(fā)性、抗爆性、燃燒熱值、化學(xué)穩(wěn)定性和安全性。（1）揮發(fā)性汽油的揮發(fā)性常用蒸餾曲線相對地評定。在汽油規(guī)格中，以10%，50%，90%等餾分的餾出溫度作為汽油揮發(fā)性的主要指標(biāo)。10%蒸發(fā)溫度標(biāo)志燃油的起動(dòng)性發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)，不僅轉(zhuǎn)速低，燃燒室壁面溫度低，燃料的氣化條件不好，因此要求一定比例的汽油氣化，從而接近最佳的混合比，保證著火啟動(dòng)。一般我們用10%的餾出溫度來標(biāo)志汽車的起動(dòng)性。10%蒸發(fā)溫度低，則起動(dòng)性好，為了保證起動(dòng)，所必需的發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度也越低。但是太過低了的話，容易引起“氣阻”，使發(fā)動(dòng)機(jī)斷火。影響它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。50%餾出溫度標(biāo)志汽油的平均揮發(fā)性發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，其溫度逐步上升到正常運(yùn)轉(zhuǎn)溫度的時(shí)間稱為暖車時(shí)間。一般以汽油的50%餾出溫度標(biāo)志汽油的平均揮發(fā)性。它影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的暖車時(shí)間、加速性以及工作穩(wěn)定性。若此溫度低，則說明這種汽油的平均揮發(fā)性好，在較低溫度下可以有較多的汽油揮發(fā)，容易保證必要的混合氣濃度。這樣可以縮短暖車時(shí)間；其溫度越低，則當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)由較低負(fù)荷向較大負(fù)荷過渡時(shí)，能夠及時(shí)供給所需濃度的混合氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性能良好。90%的餾出溫度標(biāo)志著燃料中含有難于揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量燃料本身導(dǎo)致燃燒不完全和機(jī)油稀釋的相對傾向，都與90%餾出溫度有關(guān)。此溫度越低，表明燃料中重質(zhì)成分少，揮發(fā)性好，有利于完全燃燒。如若此溫度越高，則燃料中含有較多的重質(zhì)成分，從而燃燒不充分，附著在氣缸壁上，燃燒容易形成積炭或者排氣冒煙；凝在氣缸壁上的汽油滴還會流入曲軸箱，稀釋潤滑油，破壞發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的潤滑，加速發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損。由此可見，90%餾出溫度也是一個(gè)重要指標(biāo)。汽油的揮發(fā)性總結(jié)汽油機(jī)的最低起動(dòng)溫度、氣阻和蒸發(fā)損耗等方面的相對性能可根據(jù)10%餾出溫度來預(yù)測；平均揮發(fā)性、暖車時(shí)間、加速性以及工作穩(wěn)定性可根據(jù)汽油的50%餾出溫度評估；燃料中重質(zhì)成分的數(shù)量、燃燒冒煙、對機(jī)油的稀釋程度可根據(jù)90%的餾出溫度來評估。（2）抗爆性爆震燃燒是汽油機(jī)的一種不正常燃燒現(xiàn)象。引起爆燃的因素很多。但是在一定的結(jié)構(gòu)和使用工況下，燃料的抗爆性能是最主要的因素。燃料的抗爆性是指燃料對于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆燃的抵抗能力。燃料的抗爆性好，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。汽油的抗爆性指標(biāo)汽油的抗爆性能取決于其化學(xué)組成。對于組成汽油的各種烴來說，烷烴抗爆性最差，烯烴次之，環(huán)烷烴較好，芳香烴最好；在同一種烴內(nèi)比較，輕餾分優(yōu)于重餾分，異構(gòu)物優(yōu)于正構(gòu)物。因此，我們通過試驗(yàn)，采用與標(biāo)準(zhǔn)燃料比較的辦法來確定燃料的抗爆性。評定汽油的抗爆性指標(biāo)是辛烷值。辛烷值高，則抗爆震能力強(qiáng)。國產(chǎn)汽油就是用研究法辛烷值來標(biāo)號的，分為89、92和95三個(gè)牌號。辛烷值的測定方法標(biāo)準(zhǔn)燃料是由異辛烷和正庚烷按不同容積比例混合配成。兩者的密度和沸點(diǎn)相差不多，但抗爆性相差懸殊。異辛烷用作抗爆性優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)，其辛烷值定為100。正庚烷作為抗爆性低劣的標(biāo)準(zhǔn)，其辛烷值定為0。將這兩種燃料按照不同比例混合，就可以得到不同抗爆等級的標(biāo)準(zhǔn)燃料。標(biāo)準(zhǔn)燃料的辛烷值為其異辛烷的百分?jǐn)?shù)。測定時(shí)，先用待測燃料工作，逐漸增加壓縮比，直到爆震儀指示出標(biāo)準(zhǔn)的爆燃強(qiáng)度為止。然后，在相同的壓縮比下，用不同辛烷值的標(biāo)準(zhǔn)燃料進(jìn)行對比試驗(yàn)，直到產(chǎn)生相同的爆燃為止。這時(shí)所用標(biāo)準(zhǔn)燃料的辛烷值即為所測燃料的辛烷值。爆燃爆燃是燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的自燃現(xiàn)象，它不僅與燃料本身的化學(xué)性能有關(guān)，也要受到發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)情況（燃燒室設(shè)計(jì)、壓縮比、轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火提前角、氣門定時(shí)、化油器結(jié)構(gòu)等）的影響。因此該將燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合起來評定“燃料——發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性”。同理，測試辛烷值的試驗(yàn)方法也就不是唯一的，所得到的數(shù)值也不是唯一的。通常采用的有兩種方法，馬達(dá)法（MON）與研究法(ROM)。由于研究法的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速及進(jìn)氣溫度比馬達(dá)法低，所以用馬達(dá)法測定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（ROM）低。兩者的差值反映出燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的敏感性?？贡笖?shù)量是指車用汽油研究法辛烷值及馬達(dá)法辛烷值之和的二分之一。汽油的選用在選用時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比來選擇其相應(yīng)使用的汽油：89號的汽油適用于壓縮比小于9.0的發(fā)動(dòng)機(jī)；92號汽油適用于壓縮比9.0～10.0的發(fā)動(dòng)機(jī)；95號汽油則適用于壓縮比高于10.0發(fā)動(dòng)機(jī)。3.1.2.2柴油的使用性能及選用輕柴油用于高速柴油機(jī)重柴油用于中、低速柴油機(jī)柴油的使用性能及選用（1）低溫流動(dòng)性溫度降低時(shí)，柴油開始析出固態(tài)石蠟而呈混濁狀態(tài)的溫度稱為濁點(diǎn)。溫度繼續(xù)下降，柴油失去流動(dòng)性能的溫度稱為凝點(diǎn)。柴油達(dá)到濁點(diǎn)時(shí)，雖然仍具有流動(dòng)性，但石蠟結(jié)晶顆粒容易阻塞濾清器和油路。從流動(dòng)性考慮，希望柴油的凝點(diǎn)低，凝點(diǎn)與濁點(diǎn)的溫差小。選用柴油時(shí)，一般要求凝點(diǎn)比最低工作溫度低3~5℃，濁點(diǎn)不得高出凝點(diǎn)7℃。我國的柴油規(guī)格就是以凝點(diǎn)編號的。例如：國產(chǎn)0號柴油，它的凝固點(diǎn)為0℃，適合于夏季使用。-20號柴油凝固點(diǎn)為-20℃，適合于冬季或寒冷地區(qū)使用。柴油的使用性能及選用(2)揮發(fā)性柴油的揮發(fā)性決定了混合氣形成的質(zhì)量和速度。因此，要求柴油有較好的霧化和揮發(fā)性。但是，如果霧化性和揮發(fā)性過強(qiáng)的話，不僅貯存和運(yùn)輸中損失大，而且安全性差。評定柴油霧化性和揮發(fā)性的主要指標(biāo)是運(yùn)動(dòng)粘度、餾程、閃點(diǎn)和密度。柴油的使用性能及選用(3)自燃性柴油機(jī)是依靠燃料自燃發(fā)火而燃燒的。它要求燃料有好的自燃性。一般十六烷值是評定柴油自燃性好壞的指標(biāo)。它與發(fā)動(dòng)機(jī)的粗暴及起動(dòng)性均有密切關(guān)系。十六烷值用柴油標(biāo)準(zhǔn)樣品（正十六烷（100）和α-甲基萘（0）配成的混合液）在標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)中進(jìn)行比較得到。柴油的使用性能及選用(3)自燃性十六烷值高的柴油，其著火延遲期短，氣缸中形成的混合氣少，燃燒所釋放的熱量也少，發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)；同時(shí)冷起動(dòng)性亦能隨之改善。反之，發(fā)動(dòng)機(jī)將工作粗暴，起動(dòng)性能也變差。但十六烷值過高，柴油的低溫流動(dòng)性、霧化與蒸發(fā)性均受影響，會使著火延遲期太短，在未形成均勻混合氣、空氣不足的情況下產(chǎn)生早燃，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、油耗升高及排氣冒黑煙。因此，在選用柴油時(shí)不應(yīng)單純地追求高十六烷值,通常要求柴油的十六烷值應(yīng)在45～60之間。柴油的分類及選用輕柴油按質(zhì)量分為優(yōu)等品、一等品和合格品。每個(gè)等級柴油按凝點(diǎn)不同分為10號、0號、-10號、-20號、-35號、-50號六種牌號，其凝點(diǎn)分別不高于10℃、0℃、-10℃、-20℃和-35℃、-50℃。選用柴油時(shí)，應(yīng)按最低環(huán)境溫度來選用。10號輕柴油——適合于有預(yù)熱設(shè)備的高速柴油機(jī)上使用；0號輕柴油——適合于最低氣溫在4℃以上的地區(qū)使用；-10號輕柴油——適合于最低氣溫在-5℃以上的地區(qū)使用；-20號輕柴油——適合于最低氣溫在-14℃以上的地區(qū)使用；-35號輕柴油——適合于最低氣溫在-29℃以上的地區(qū)使用；-50號輕柴油——適合于最低氣溫在-44℃以上的地區(qū)使用。3.2燃料的燃燒3.2.1燃燒化學(xué)反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料的燃燒，是燃料中的碳、氫等元素和空氣中的氧之間的劇烈氧化反應(yīng)，并伴隨有發(fā)光和發(fā)熱的現(xiàn)象。燃料中的碳和氫氧化以后分別生成CO2和H2O的，稱為完全燃燒。理論空氣量就是指1kg燃料完全燃燒所必需的最低空氣量。1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量通過化學(xué)方程式可求出1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量

kg/kg燃料4.2.2過量空氣系數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)中，實(shí)際提供的空氣量往往并不等于理論空氣量。燃燒1kg燃料實(shí)際提供的空氣量L與理論上所需的空氣量L0之比，稱為過量空氣系數(shù)α過量空氣系數(shù)α與發(fā)動(dòng)機(jī)的類型，混合氣形成的方法、燃料的種類、工況（負(fù)荷與轉(zhuǎn)速）。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，α略有變化。空燃比與α理念相似，也有將燃燒時(shí)空氣量與燃料的比例值是用空燃比A/F表示。3.2.3內(nèi)燃機(jī)混合氣的著火燃燒理論認(rèn)為：一切燃燒過程都是由著火和燃燒本身兩個(gè)階段組成的。著火階段是燃燒的準(zhǔn)備階段。在這一階段內(nèi)燃料受到混合氣中氧氣的氧化作用，進(jìn)行明顯燃燒以前的化學(xué)準(zhǔn)備。氧化反應(yīng)的速度很低，氣體的壓力和溫度均無明顯的升高。緩慢氧化過程中，有熱產(chǎn)生并逐漸積累起來，自身加