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1、第四章第四章 燃料与燃烧化学燃料与燃烧化学主要内容主要内容第一节第一节 发动机的燃料发动机的燃料第二节第二节 代用燃料及其应用（自学）代用燃料及其应用（自学）第三节第三节 燃烧化学燃烧化学第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论第一节第一节 发动机的燃料发动机的燃料 内燃机燃料工质影响热效率、输出动力、内燃机燃料工质影响热效率、输出动力、混合气的形成方式、燃烧模式、负荷调节方混合气的形成方式、燃烧模式、负荷调节方式、有害排放等。式、有害排放等。内燃机的燃料内燃机的燃料 ENGINE FUELSENGINE FUELS1 1、石油基液体燃料、石油基液体燃料汽油和柴油汽油和柴油2 2、内燃机的替
2、代燃料、内燃机的替代燃料汽油与柴油汽油与柴油 Gasoline and DieselGasoline and Diesel柴油：柴油：轻轻柴柴油油的的碳碳原原子子数数在在1022之之间间，平均相对分子量在平均相对分子量在170左右。左右。汽油：汽油：汽油中烃类的碳原子数一般在汽油中烃类的碳原子数一般在512之间，之间，平均相对分子量在平均相对分子量在110左右左右 n汽油汽油n柴油柴油汽油与柴油的燃料特性汽油与柴油的燃料特性 Fuel PropertiesFuel Properties挥发性挥发性抗爆性抗爆性自燃性自燃性低温流动性低温流动性 汽油的主要性能有：汽油的主要性能有：抗爆性、抗爆性、
3、蒸发性蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。一、汽油一、汽油1、抗爆性、抗爆性汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力。时抵抗爆燃的能力。汽油的抗爆性用汽油的抗爆性用辛烷值辛烷值来表示。辛烷值越高，来表示。辛烷值越高，其抗爆性越好。其抗爆性越好。汽油的辛烷值汽油的辛烷值 在规定条件下在规定条件下,被测定汽油和标准燃料（异被测定汽油和标准燃料（异辛烷和正庚烷）进行比较，辛烷和正庚烷）进行比较，异辛烷的辛烷值异辛烷的辛烷值为为100100，正庚烷的辛烷值为，正庚烷的辛烷值为0 0。当被测定汽油。当被测定汽油的爆燃强度
4、同异辛烷与正庚烷的混合液的爆的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度相同时，标准混合液中所含异辛烷的燃强度相同时，标准混合液中所含异辛烷的体积百分比，即为所试油料的辛烷值。体积百分比，即为所试油料的辛烷值。汽油抗爆性评定汽油抗爆性评定 Octane Number RatingOctane Number Rating研究法辛烷值研究法辛烷值(RON)(RON)在单缸试验机下测定。进气温度在单缸试验机下测定。进气温度51.751.7 C C，冷却水温度，冷却水温度100100 C C，转速，转速600 r/min600 r/min，混合气不预热，点火提前角为，混合气不预热，点火提前角为1313
5、 CACA，试验时调整到爆燃最强。，试验时调整到爆燃最强。在单缸试验机下测定。马达法的试验工况规定为：转速在单缸试验机下测定。马达法的试验工况规定为：转速900 r/min900 r/min，冷却水温度，冷却水温度100100 C C，混合气温度，混合气温度149149 C C，点火，点火提前角为提前角为1414 2626 CACA，试验时调整到爆燃最强。试验时调整到爆燃最强。马达法规定的实验转速及混合气温度比研究法的高，所马达法规定的实验转速及混合气温度比研究法的高，所以马达法测出的辛烷值比研究法测出的辛烷值低。实际中以马达法测出的辛烷值比研究法测出的辛烷值低。实际中常用常用RON值作为汽油
6、的标号。值作为汽油的标号。马达法辛烷值马达法辛烷值(MON)(MON)测定汽油的辛烷值测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用的为马达法有不同的试验方法，常用的为马达法（MON）与研究法）与研究法（RON）。燃料的灵敏度燃料的灵敏度=RON-MON 抗爆指数抗爆指数=(RONMON)/2 抗暴指数也是评价燃料抗爆性的一种指标。抗暴指数也是评价燃料抗爆性的一种指标。表示对工况的敏感性和适应能力，即燃料对发动表示对工况的敏感性和适应能力，即燃料对发动机运转工况强化（点火提前角加大，进气温度提高机运转工况强化（点火提前角加大，进气温度提高等）后出现爆燃的相对敏感程度。灵敏度为正时，等）后出现爆燃的相对
7、敏感程度。灵敏度为正时，被测试燃料比参比燃料更敏感；为负则反之。被测试燃料比参比燃料更敏感；为负则反之。道路辛烷值道路辛烷值 Road Octane NumberRoad Octane Number有时，人们也采用道路辛烷值来评价抗爆性。它是在实有时，人们也采用道路辛烷值来评价抗爆性。它是在实际发动机上标定，用不同辛烷值的标准燃料与待测汽油，际发动机上标定，用不同辛烷值的标准燃料与待测汽油，在汽车行驶过程中进行抗爆性的对比试验。在汽车行驶过程中进行抗爆性的对比试验。抗爆添加剂抗爆添加剂 Octane Number Improver Octane Number Improver 四乙基铅（乙基液
8、）四乙基铅（乙基液）甲基叔丁基醚（甲基叔丁基醚（MTBEMTBE）、乙基叔丁基醚（）、乙基叔丁基醚（ETBEETBE）、）、叔丁醇、甲醇、乙醇等叔丁醇、甲醇、乙醇等 MTBEMTBE有一定毒性。有一定毒性。美国已禁止使用，亚洲和欧洲目美国已禁止使用，亚洲和欧洲目前仍在使用，我国目前车用无铅汽油辛烷值改进剂主前仍在使用，我国目前车用无铅汽油辛烷值改进剂主要使用要使用MTBEMTBE。石油炼制方法不同，辛烷值也有差别石油炼制方法不同，辛烷值也有差别2 2、蒸发性、蒸发性液态汽油汽化的难易程度称为汽油的液态汽油汽化的难易程度称为汽油的蒸发性蒸发性。汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具汽油的蒸
9、发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有有良好的蒸发性良好的蒸发性。但蒸发性也不能太强，否则易形。但蒸发性也不能太强，否则易形成供油系成供油系“气阻气阻”，甚至发生供油中断现象。，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。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
10、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。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汽油的蒸发性用汽油蒸发量为10、50、90和和100时所对应的温度来评定。时所对应的温度来评定。用用10馏出温度低，汽油的起动品质越好。馏出温度低，汽油的起动品质越好。50馏出温度低，说明汽油的中间馏分容易馏出温度低，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。快转入工作状态。90馏出温度高，表明汽油中不易蒸发的重馏出温度高，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质含量多。汽
11、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。的润滑油和加大气缸磨损。3 3、氧化安定性氧化安定性 汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质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不发生长久性变化的能力称为氧化安定性氧化安定性。汽油氧化安定性直接影响汽油的储存、运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，生成油，易发生氧化、缩
12、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，统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良，增大爆燃倾向。增大爆燃倾向。4 4、清净性、清净性 汽油中的不稳定化合物，例如不饱和烯烃汽油中的不稳定化合物，例如不饱和烯烃和二烯烃，以及添加剂带入的低分子量化和二烯烃，以及添加剂带入的低分子量化合物等，容易在喷嘴和进气门上积炭。合物等，容易在喷嘴和进气门上积炭。解决办法是加入汽油清净剂，发挥其抗氧解决办法是加入汽油清净剂，发挥其抗氧化和表面活性作用，这也是机内净化的手化和表面活性作用，这也是机内净化的手段。段。5 5、汽油规格汽油规
13、格 我国目前有两种规格，一种是车用汽油的我国目前有两种规格，一种是车用汽油的国家标准（国家标准（GB 1793-1999），一种是无铅），一种是无铅汽油的行业标准。汽油的行业标准。我国的无铅车用汽油国家标准见表我国的无铅车用汽油国家标准见表4-1。未来的规范是依据排放要求来制定。未来的规范是依据排放要求来制定。二、柴油二、柴油汽车用柴油为轻柴油。汽车用柴油为轻柴油。1、柴油的自燃性、柴油的自燃性柴油的自燃性柴油的自燃性:柴油在没有外界火源的情况柴油在没有外界火源的情况下能自行着火的能力。下能自行着火的能力。自燃点：自燃点：自行着火的最低温度。自行着火的最低温度。柴油的自燃性好，着火延迟期短，在
14、着火延柴油的自燃性好，着火延迟期短，在着火延迟期内气缸中形成的可燃混合气量少，着火迟期内气缸中形成的可燃混合气量少，着火后缸内压力升高率低，柴油机工作较柔和，后缸内压力升高率低，柴油机工作较柔和，在低温时易于起动。在低温时易于起动。十六烷值十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。是评定柴油自燃性好坏的指标。柴柴油油的的十十六六烷烷值值：标标准准燃燃料料是是正正十十六六烷烷和和一一甲甲基基萘萘的的混混合合物物。正正十十六六烷烷自自燃燃性性最最好好，作作为为自自燃燃性性好好的的标标准准，其其十十六六烷烷值值定定为为100。一一甲甲基基萘萘最最不不易易自自燃燃，作作为为自自燃燃性性差差的的标标准准，定定
15、其其十十六六烷烷值值为为0。柴柴油油的的自自燃燃性性通通常常介介于于正正十十六六烷烷与与一一甲甲基基萘萘之之间间。将将上上述述两两种种成成分分按按不不同同比比例例混混合合，可可得得出出不不同同十十六六烷烷值值的的标标准准燃燃料料，其其十十六六烷烷值值为为该该混混合合物物中中正正十十六六烷烷所所占占的的体体积积百百分分数数。如如果果某某种种柴柴油油与与某某种种标标准准燃燃料料的的自自燃燃性性相相同同，则则该该标标准准燃燃料料的的十十六六烷烷值值即即为为该该柴柴油油的十六烷值。的十六烷值。十十六六烷烷值值过过高高或或过过低低的的柴柴油油，都都对对柴柴油油机机的的性性能能或或工工作作不不利利。十十六
16、六烷烷值值过过低低，不不易易着着火火，柴柴油油机机工工作作不不稳稳定定、粗粗暴暴，起起动动困困难难。十十六六烷烷值值过过高高，喷喷入入燃燃烧烧室室的的柴柴油油来来不不及及与与空空气气混混合合就就着着火火，燃燃烧烧不不完完全全，冒黑烟，经济性降低。冒黑烟，经济性降低。国产柴油的十六烷值规定为国产柴油的十六烷值规定为4065之间。之间。十十六六烷烷值值与与辛辛烷烷值值是是相相逆逆的的评评价价指指标标，十十六六烷烷值值是是表表征征自自燃燃性性，辛辛烷烷值值是是表表征征抗抗自自燃燃性性。两两者者的的大大致致关系：辛烷值关系：辛烷值=120-2十六烷值十六烷值2、柴油的、柴油的蒸发性蒸发性柴柴油油的的蒸
17、蒸发发性性影影响响滞滞燃燃期期内内柴柴油油的的蒸蒸发发量量及及燃烧的完全程度，用燃烧的完全程度，用馏程馏程表示。表示。馏馏程程指指柴柴油油蒸蒸馏馏过过程程中中馏馏出出一一定定百百分分数数所所处处的的温温度度，通通常常以以馏馏出出50的的温温度度来来评评定定。馏馏程程低低，说说明明这这种种燃燃料料轻轻馏馏分分多多，蒸蒸发发性性好好，有有利利于于混混合合气气形形成成，改改善善了了燃燃烧烧过过程程。但但是是，馏馏程程过过低低，燃燃料料蒸蒸发发过过快快，则则在在着着火火延延迟迟期期内内形形成成的的混混合合气气量量过过多多，柴柴油油机机工工作作粗粗暴暴。车用柴油机的柴油馏程为车用柴油机的柴油馏程为200
18、300。如如果果柴柴油油中中的的难难以以蒸蒸发发的的重重馏馏分分（重重质质成成分分）（用用90%90%或或95%95%馏馏出出温温度度表表示示）过过多多，直直接接导导致致燃燃料料不不能能及及时时和和完完全全燃燃烧烧，且易排气冒烟。且易排气冒烟。因此，要求柴油的因此，要求柴油的50%50%馏出温度适宜，馏出温度适宜，90%90%馏出温度和馏出温度和95%95%馏出温度应比较低。馏出温度应比较低。3、柴油的、柴油的粘度粘度粘度表示燃料分子的内聚力，表现为抵粘度表示燃料分子的内聚力，表现为抵抗分子间相对运动的能力，柴油的粘度抗分子间相对运动的能力，柴油的粘度决定柴油的流动性。决定柴油的流动性。粘度低
19、，流动性增强，雾化性好；过粘度低，流动性增强，雾化性好；过低，容易泄漏进入气缸；过高，滤清困低，容易泄漏进入气缸；过高，滤清困难，喷雾不良，流动阻力增大。难，喷雾不良，流动阻力增大。u凝点：指柴油冷却到开始失去流动性的温度，凝点：指柴油冷却到开始失去流动性的温度，是评价柴油低温流动性的指标。是评价柴油低温流动性的指标。u国产轻柴油的牌号以凝点大小编号。如国产轻柴油的牌号以凝点大小编号。如10号号轻柴油的凝点为轻柴油的凝点为10。好的柴油凝点低。好的柴油凝点低。u选用柴油时，其凝点要比最低环境温度低选用柴油时，其凝点要比最低环境温度低3 5。见表见表4 4、柴油的、柴油的凝点凝点轻柴油的选用轻柴
20、油的选用牌号牌号适用范围适用范围10号号有预热设备的柴油机有预热设备的柴油机5号号气温在气温在8 OC以上地区以上地区0号号气温在气温在4 OC以上地区以上地区10号号气温在气温在5 OC以上地区以上地区20号号气温在气温在14 OC以上地区以上地区35号号气温在气温在29 OC以上地区以上地区50号号气温在气温在44OC以上地区以上地区燃料特性燃料特性汽油汽油柴油柴油化学计量空燃比化学计量空燃比14.814.814.314.3低热值，低热值，kJ/kgkJ/kg43960439604250042500混合气热值混合气热值,kJ/Nm,kJ/Nm3 33810381037893789液体密度，
21、液体密度，kg/mkg/m3 3750750860860沸点，沸点，K K305305483483453453603603凝固点，凝固点，K K216216272.5272.5粘度粘度(cP293K)(cP293K)3.43.44040汽化潜热，汽化潜热，kJ/kgkJ/kg314314301301辛烷值辛烷值8080979720203030十六烷值十六烷值1010151540405555着火界限着火界限(空气中容积比，空气中容积比，%)%)1.41.47.67.61.51.57.67.6自燃温度，自燃温度，K K49349353333473473493493汽柴油的理化特性汽柴油的理化特性
22、Fuel Properties Comparison Fuel Properties Comparison 第二节第二节 代用燃料及其应用代用燃料及其应用代代用用燃燃料料按按物物态态气体代用燃料：天然气、液化石油气、天然气、液化石油气、氢气、煤气、煤层气、氢气、煤气、煤层气、沼气沼气等液体代用燃料：甲醇甲醇、乙醇、二甲醚、乙醇、二甲醚、动植物油、合成油等动植物油、合成油等按化按化学成学成分分烃燃料含氧燃料 醇类燃料醇类燃料 二甲醚二甲醚生物柴油生物柴油煤气煤气内燃机的发展方向内燃机的发展方向一类是从结构上改进发动机，提高发动一类是从结构上改进发动机，提高发动机效率。目前发动机效率仅为机效率。目
23、前发动机效率仅为38%左右，左右，应用电喷、三元催化等技术可提高其效应用电喷、三元催化等技术可提高其效率，节约燃料，改善废气排放。率，节约燃料，改善废气排放。另一类研究是改变发动机燃料，如使用液化另一类研究是改变发动机燃料，如使用液化石油气（石油气（LPGLPG）、天然气（）、天然气（CNGCNG）、二甲醚）、二甲醚（DMEDME）以及氢燃料等，其中使用氢（或氢与）以及氢燃料等，其中使用氢（或氢与其他燃料混合）作为发动机燃料的技术近期其他燃料混合）作为发动机燃料的技术近期发展很快，受到专业人士的普遍重视。这是发展很快，受到专业人士的普遍重视。这是因为氢在地球上取之不尽，能从多种植物、因为氢在地
24、球上取之不尽，能从多种植物、矿物、有机液体及水中提取氢。氢的热值比矿物、有机液体及水中提取氢。氢的热值比较高，可以再生，而且氢燃烧后的大部分生较高，可以再生，而且氢燃烧后的大部分生成物是水蒸气，产生的有害废气很少，属于成物是水蒸气，产生的有害废气很少，属于“绿色绿色”能源。（氢的利用目前有三种途径）能源。（氢的利用目前有三种途径）资源是否丰富、稳定，最好能够再生；资源是否丰富、稳定，最好能够再生；生产工艺简单，原始投资不大，燃料成生产工艺简单，原始投资不大，燃料成本低廉；本低廉；与现有内燃机技术体系和基础设施的兼与现有内燃机技术体系和基础设施的兼容性好；容性好；生产过程对环境友好；生产过程对环
25、境友好；可显著改善内燃机的尾气排放；可显著改善内燃机的尾气排放；对内燃机的动力性和经济性影响不大，对内燃机的动力性和经济性影响不大，能有所改进更好。能有所改进更好。选择原则选择原则 替代燃料的含氧量、自燃温度、辛烷值、十替代燃料的含氧量、自燃温度、辛烷值、十六烷值、与汽油或柴油的互溶性与稳定性；六烷值、与汽油或柴油的互溶性与稳定性；低热值，化学计量空燃比；低热值，化学计量空燃比；燃料的粘度与润滑性；燃料的粘度与润滑性；与弹性密封材料的兼容性；与弹性密封材料的兼容性；燃料本身及燃烧排放物的毒性；燃料本身及燃烧排放物的毒性；燃料本身的生物降解性。燃料本身的生物降解性。选用燃料的重要参数选用燃料的重
26、要参数燃烧热化学简介燃烧热化学简介 内燃机工质是成分和比例不断变化的混内燃机工质是成分和比例不断变化的混合物。在进气和压缩过程中，基本上为燃料、合物。在进气和压缩过程中，基本上为燃料、空气与残余废气的混合物（汽油机），或空空气与残余废气的混合物（汽油机），或空气与残余废气的混合物（柴油机），此时由气与残余废气的混合物（柴油机），此时由于缸内压力与温度都不高，可以忽略工质间于缸内压力与温度都不高，可以忽略工质间的化学作用，而认为工质成分是的化学作用，而认为工质成分是“冻结冻结”不不变的，从点火或喷油开始的燃烧、膨胀和排变的，从点火或喷油开始的燃烧、膨胀和排气过程中，由于燃烧及高温热反应的作用，气
27、过程中，由于燃烧及高温热反应的作用，工质混合物的成分和比例在不断变化中。除工质混合物的成分和比例在不断变化中。除了燃烧最终产物了燃烧最终产物H H2 2O O和和COCO2 2以及空气中不参加以及空气中不参加反应的反应的N N2 2等成分之外，还有各种有害排放物等成分之外，还有各种有害排放物和燃烧过程中的各种中间产物。因此涉及到和燃烧过程中的各种中间产物。因此涉及到化学动平衡与化学动力学两种分析方法。化学动平衡与化学动力学两种分析方法。发动机缸内工质燃烧后与燃烧前分子总数之比发动机缸内工质燃烧后与燃烧前分子总数之比称为分子变化系数称为分子变化系数。汽。汽/柴油机的柴油机的值都大值都大于于1 1
28、（汽油机（汽油机值更大，柴油机空气多，且含值更大，柴油机空气多，且含氢量少），表明燃烧后总分子数增多，这一因氢量少），表明燃烧后总分子数增多，这一因素对工质作功有利，会提高循环热效率。但一素对工质作功有利，会提高循环热效率。但一般情况下，对发动机的性能影响不大。而在混般情况下，对发动机的性能影响不大。而在混合气较浓、燃烧不完全产生合气较浓、燃烧不完全产生COCO时，时，值加大，值加大，性能分析时就需考虑这一因素（主要是汽油机）性能分析时就需考虑这一因素（主要是汽油机）。气体燃料发动机由于燃料分子要计入燃烧前分气体燃料发动机由于燃料分子要计入燃烧前分子总数，而燃料分子在燃烧后不复存在，所以子总数
29、，而燃料分子在燃烧后不复存在，所以值可能小于值可能小于1 1，这是它的不利的一个方面。，这是它的不利的一个方面。第三节第三节 燃烧化学燃烧化学一、燃料燃烧的热值一、燃料燃烧的热值 单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。完全燃烧完全燃烧是指当燃料在空气中燃烧时，是指当燃料在空气中燃烧时，一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃料一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃料完全燃烧，即将碳氢燃料中所有的碳、氢完完全燃烧，即将碳氢燃料中所有的碳、氢完全氧化成二氧化碳和水（全氧化成二氧化碳和水（C C生成生成COCO2 2、H H生成生成H H2 2O O），而空气中的氮并不参
30、与反应，其它），而空气中的氮并不参与反应，其它元素生成高级氧化物。元素生成高级氧化物。为为方方便便计计算算，简简单单地地认认为为空空气气中中除除氧氧气气外外，其其余余均均为为 氮氮 气气，因因 此此 空空 气气 中中 1 1摩摩 尔尔 的的 氧氧 气气，就就 对对 应应 有有（1 1 0.20950.2095）/0.2095=3.773/0.2095=3.773摩尔的氮气。摩尔的氮气。gas vol.%molar wt.gas vol.%molar wt.O O2 2 20.95 31.998 20.95 31.998 N N2 2 78.09 28.012 78.09 28.012 Ar 0
31、.93 38.948 Ar 0.93 38.948 CO CO2 2 0.03 44.009 0.03 44.009 Air 100.00 28.962 Air 100.00 28.962空气的成分空气的成分汽油汽油:44000 kJ/kg:44000 kJ/kg；柴油柴油:42500 kJ/kg:42500 kJ/kg；w 单位质量燃烧产物中水的含量，单位质量燃烧产物中水的含量，%。完全燃烧时，生成的水为气态时的热完全燃烧时，生成的水为气态时的热值为值为低位发热值低位发热值 主要应用主要应用 完全燃烧时，生成的水为液态时的热完全燃烧时，生成的水为液态时的热值为值为高位发热值高位发热值 高位热
32、值比低位热值高位热值比低位热值大（书上错误）大（书上错误），其差值为水蒸气的汽化潜热其差值为水蒸气的汽化潜热 r。在内燃机实际工作状态下，缸内气体温度在内燃机实际工作状态下，缸内气体温度高，水蒸汽的汽化潜热是不可能被利用的，高，水蒸汽的汽化潜热是不可能被利用的，因此一般所说的燃料热值指的是燃料的低热因此一般所说的燃料热值指的是燃料的低热值。值。二、燃料完全燃烧的化学反应二、燃料完全燃烧的化学反应1.碳燃烧：碳燃烧：2.氢燃烧：氢燃烧：3.硫燃烧：硫燃烧：4.一氧化碳燃烧：一氧化碳燃烧：5.碳氢化合物：碳氢化合物：三、燃料燃烧所需的空三、燃料燃烧所需的空 气量气量1 kg燃料完全燃烧所需要的空气
33、量称燃料完全燃烧所需要的空气量称理理论空气量论空气量。汽油汽油的理论空气量为的理论空气量为14.9（kg/kg）柴油柴油的理论空气量为的理论空气量为14.5（kg/kg）四、过量空气系数和空燃比四、过量空气系数和空燃比1.1.过量空气系数过量空气系数 表示混合气的浓稀程度。表示混合气的浓稀程度。1 1 混合气稀混合气稀,称为稀混合气称为稀混合气;1 1 混合气浓混合气浓,称为浓混合气称为浓混合气;=1 =1 标准（理论标准（理论/化学计量比）化学计量比）混合气混合气 一般，柴油机一般，柴油机:1:1；汽油机；汽油机:1:1 或或 1 1。过量空气系数是反映混合气形成和完善程度及整过量空气系数是
34、反映混合气形成和完善程度及整机性能的一个重要标志，在保证完全燃烧的前提下，机性能的一个重要标志，在保证完全燃烧的前提下，应力求使过量空气系数小。应力求使过量空气系数小。2 2 空燃比、燃空比空燃比、燃空比汽油理论上完全燃烧时的空燃比约为汽油理论上完全燃烧时的空燃比约为14.914.9。应用空燃比直观方便，其数值即为每千克燃料燃应用空燃比直观方便，其数值即为每千克燃料燃烧时实际供给空气量的千克数。烧时实际供给空气量的千克数。对于汽油机：对于汽油机：14.9为浓混合气为浓混合气 14.914.9为稀混合气为稀混合气汽油机汽油机 =14.9=14.9 柴油机柴油机 =14.5=14.53 3 可燃混
35、合气质量热值可燃混合气质量热值燃烧时的缸内工质是燃料与空气组成的混燃烧时的缸内工质是燃料与空气组成的混合气，所以影响循环燃烧放热量的应该是合气，所以影响循环燃烧放热量的应该是可燃混合气的热值。可燃混合气的热值。可燃混合气质量热值定义为单位质量混合可燃混合气质量热值定义为单位质量混合气在标准状态下完全燃烧所释放的热量。气在标准状态下完全燃烧所释放的热量。汽柴油几个热值参数汽柴油几个热值参数 所谓所谓燃烧燃烧，是指燃料与氧化剂进行剧烈，是指燃料与氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程，伴有复杂的传热、放热的氧化反应过程，伴有复杂的传热、传质、化学反应和流动现象。传质、化学反应和流动现象。一切燃烧过程都由
36、一切燃烧过程都由着火着火和和燃烧燃烧两个阶两个阶段组成。段组成。所谓着火，是指可燃混合气在一定的压所谓着火，是指可燃混合气在一定的压力、温度、浓度条件下，其氧化反应速度力、温度、浓度条件下，其氧化反应速度突然加速，以致出现火焰的现象，这一阶突然加速，以致出现火焰的现象，这一阶段称为滞燃期，以后就进入燃烧阶段。段称为滞燃期，以后就进入燃烧阶段。第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论 内燃机的燃烧过程内燃机的燃烧过程中，工质的形成和燃烧中，工质的形成和燃烧的进行同时发生又互相影响；燃烧过程是间的进行同时发生又互相影响；燃烧过程是间断的（周期性的非稳定燃烧过程，随时间和断的（周期性的非稳定燃烧过
37、程，随时间和空间的变化极大，周而复始地进行混合气的空间的变化极大，周而复始地进行混合气的形成、着火燃烧、熄火、换气等阶段，因而形成、着火燃烧、熄火、换气等阶段，因而着火往往对整个燃烧过程影响极大）着火往往对整个燃烧过程影响极大），且，且时间很短（高速燃烧，一般燃烧持续期小于时间很短（高速燃烧，一般燃烧持续期小于6060CA,CA,对应对应100010005000r/min5000r/min的四冲程发动的四冲程发动机大约小于机大约小于10102ms2ms）。）。所以所以燃烧机理更加复燃烧机理更加复杂。杂。所有燃料的燃烧分为气相燃烧和固相燃烧。所有燃料的燃烧分为气相燃烧和固相燃烧。内燃机中汽油和柴
38、油虽然都是液体燃料，但都内燃机中汽油和柴油虽然都是液体燃料，但都是以气相燃烧方式进行，即燃料以气体状态与是以气相燃烧方式进行，即燃料以气体状态与空气混合所进行的燃烧。空气混合所进行的燃烧。着火阶段着火阶段 是物质燃烧的准备阶段，是着火前是物质燃烧的准备阶段，是着火前的物理和化学的准备过程。的物理和化学的准备过程。雾化、蒸发、混合雾化、蒸发、混合气、焰前氧化（缓慢）、积累热量或活化中心气、焰前氧化（缓慢）、积累热量或活化中心。燃烧阶段燃烧阶段 是可燃混合气进入燃烧的第二阶是可燃混合气进入燃烧的第二阶段，有两种方法：一是强迫着火或点燃。另一段，有两种方法：一是强迫着火或点燃。另一种是自然着火。火焰
39、出现后，就为燃烧阶段。种是自然着火。火焰出现后，就为燃烧阶段。气相燃烧可分为预混合燃烧和扩散燃烧。气相燃烧可分为预混合燃烧和扩散燃烧。预混合燃烧预混合燃烧火前燃料气体或燃料蒸气与火前燃料气体或燃料蒸气与氧化剂（空气）已按一定比例形成混合气。氧化剂（空气）已按一定比例形成混合气。扩散燃烧扩散燃烧火前燃料与氧化剂（空气）是火前燃料与氧化剂（空气）是相互分开的，着火后燃料边蒸发边与空气相互分开的，着火后燃料边蒸发边与空气混合边燃烧。混合边燃烧。内燃机中所有燃烧（气体或液体）都属内燃机中所有燃烧（气体或液体）都属于这两类燃烧中的某一类或这两类燃烧的于这两类燃烧中的某一类或这两类燃烧的组合。化油器式汽油
40、机和气体燃料发动机组合。化油器式汽油机和气体燃料发动机属于预混合燃烧方式；柴油机基本属于扩属于预混合燃烧方式；柴油机基本属于扩散燃烧方式，但其燃烧初期有不同程度的散燃烧方式，但其燃烧初期有不同程度的预混合燃烧。预混合燃烧。两种燃烧方式是导致汽油机和柴油机在两种燃烧方式是导致汽油机和柴油机在燃烧特性、排放污染物生成及控制机理、燃烧特性、排放污染物生成及控制机理、动力经济性及噪声振动等多方面不同的根动力经济性及噪声振动等多方面不同的根本原因。本原因。预混合燃烧与扩散燃烧的主要特点比较预混合燃烧与扩散燃烧的主要特点比较1 1、扩散燃烧速度主要取决于混合速度；预混、扩散燃烧速度主要取决于混合速度；预混
41、合燃烧主要取决于化学反应速度（合燃烧主要取决于化学反应速度（T T和和a a)。2 2、为保证完全燃烧，扩散燃烧的、为保证完全燃烧，扩散燃烧的a a1.21.2（稀（稀燃）；预混合燃烧燃）；预混合燃烧a a=0.8=0.81.21.2，可燃混合，可燃混合气浓度范围小，难以稀燃。气浓度范围小，难以稀燃。3 3、扩散燃烧的混合气浓度和燃烧温度分布不、扩散燃烧的混合气浓度和燃烧温度分布不均匀，易产生局部高温缺氧，生成炭烟。均匀，易产生局部高温缺氧，生成炭烟。4 4、扩散燃烧时因存在炭烟，燃烧时会发出强、扩散燃烧时因存在炭烟，燃烧时会发出强烈辐射光，烈辐射光，“有焰燃烧有焰燃烧”；预混合燃烧火焰；预混
42、合燃烧火焰呈透明蓝色，呈透明蓝色，“无焰燃烧无焰燃烧”。5 5、预混合燃烧有回火危险。、预混合燃烧有回火危险。发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个基本步骤：基本步骤：(1)形成燃油与空气的可燃混合气；形成燃油与空气的可燃混合气；(2)点燃可燃混合气，或可燃混合气在温度和点燃可燃混合气，或可燃混合气在温度和浓度适当的地区发生自燃，在一处或同时在浓度适当的地区发生自燃，在一处或同时在数处着火数处着火 着火过程着火过程；(3)火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧。烧。一、着火机理：一、着火机理：着火尽管是一个瞬间现象，却是
43、一个极为复着火尽管是一个瞬间现象，却是一个极为复杂的过程，至今仍有许多问题不清楚。按化杂的过程，至今仍有许多问题不清楚。按化学动力学的观点，着火机理可分为学动力学的观点，着火机理可分为热自燃热自燃（热力着火）（热力着火）机理和机理和链锁自燃（链式着火）链锁自燃（链式着火）机理两类。机理两类。(一一)热自燃热自燃 在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过程，放出热量。放热的同时，由于温差的原程，放出热量。放热的同时，由于温差的原因，会对周围介质散热。若化学反应所释放因，会对周围介质散热。若化学反应所释放出的热量大于所散失的热量，混合气的温度出的热量大于所散失的热量
44、，混合气的温度升高，进而促使混合气的反应速率和放热速升高，进而促使混合气的反应速率和放热速率增大。这种相互促进，最终导致极快的反率增大。这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。这就是热自燃，或称热爆。应速率而着火。这就是热自燃，或称热爆。影响着火的因素影响着火的因素 着火临界温度着火临界温度T Tc c将受到系统的初始压力将受到系统的初始压力p pc c、过量空气系数、过量空气系数a a、燃料理化性能的影响。、燃料理化性能的影响。1 1、p pc c：随压力的增高，临界温度下降。：随压力的增高，临界温度下降。2 2、a a：因为具有化学剂量比的混合气的化：因为具有化学剂量比的混合气的化学反
45、应速度最快，所以任何条件下都是在学反应速度最快，所以任何条件下都是在a a=1=1时出现时出现T Tc c的最低值。对于某一温度或的最低值。对于某一温度或某一压力都存在一个混合气着火的浓度上某一压力都存在一个混合气着火的浓度上限（稀限）和下限（浓限），达到一定温限（稀限）和下限（浓限），达到一定温度或压力后，这个浓度上下限基本不变化，度或压力后，这个浓度上下限基本不变化，这就是贫油极限和富油极限。所以压力这就是贫油极限和富油极限。所以压力p pc c-温度温度T Tc c曲线实质就对应曲线实质就对应a a=1=13 3、燃料特性、燃料特性:燃料的化学稳定性越差，着火燃料的化学稳定性越差，着火越
46、容易，越容易，T Tc c愈小。愈小。(二二)链锁自燃链锁自燃 链锁反应的化学反应过程是：其中一个链锁反应的化学反应过程是：其中一个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。活化作用能引起很多基本反应，即反应链。链锁着火：不依靠积累热量，通过链锁链锁着火：不依靠积累热量，通过链锁反应积累活化中心使反应自动加速，直至反应积累活化中心使反应自动加速，直至着火，即链爆，在相对较低温度（与热爆着火，即链爆，在相对较低温度（与热爆比较）时也能实现。比较）时也能实现。整个反应过程分为：整个反应过程分为：引导反应引导反应(链的引发链的引发)反应链反应链(链链的继续反应或链的传递的继续反应或链的传递)断链反应断链
47、反应(链的链的中断即活化中心的死亡中断即活化中心的死亡)。只要以某种方式（如辐射、电离）激发出活性中只要以某种方式（如辐射、电离）激发出活性中心就能引起着火，反应物分子受激首先产生活性中心就能引起着火，反应物分子受激首先产生活性中心，然后通过链式反应产生着火。心，然后通过链式反应产生着火。链式反应的分类：链式反应的分类：1 1、直链反应、直链反应 一个活性中心进行一次反应只产生一一个活性中心进行一次反应只产生一个新的活性中心，即整个反应以恒定速度进行。个新的活性中心，即整个反应以恒定速度进行。2 2、支链反应、支链反应 一个活性中心进行一次反应产生两个一个活性中心进行一次反应产生两个或两个以上
48、的活性中心，这样链反应就发生了分支，或两个以上的活性中心，这样链反应就发生了分支，即反应可加速进行。快速燃烧和爆炸可看作是支链即反应可加速进行。快速燃烧和爆炸可看作是支链反应的结果。反应的结果。3 3、退化支链反应、退化支链反应 一个活性中心先通过直链反应产一个活性中心先通过直链反应产生一个新的活性中心和过氧化物或醛，当过氧化物生一个新的活性中心和过氧化物或醛，当过氧化物或醛发生分解时，则引起新的支链反应。因此它的或醛发生分解时，则引起新的支链反应。因此它的总反应速度比支链反应慢。但仍有自动加速的特点。总反应速度比支链反应慢。但仍有自动加速的特点。4 4、断链反应、断链反应 当活性中心与容器壁
49、面或惰性气体分当活性中心与容器壁面或惰性气体分子碰撞时，其活性能被吸收，导致反应中断。子碰撞时，其活性能被吸收，导致反应中断。在热爆和链爆之前，都需要一个反应量在热爆和链爆之前，都需要一个反应量逐渐积累的过程，这个阶段称为诱导期或逐渐积累的过程，这个阶段称为诱导期或着火落后期（柴油机中称为滞燃期）。着火落后期（柴油机中称为滞燃期）。实际燃烧过程中，不可能有纯粹的热爆实际燃烧过程中，不可能有纯粹的热爆自燃和链爆自燃，二者是同时存在并相互自燃和链爆自燃，二者是同时存在并相互促进，也即积累热量与积累活化中心互为促进，也即积累热量与积累活化中心互为支持。一般，高温时以热爆为主；低温时支持。一般，高温时
50、以热爆为主；低温时以链爆为主（这就引出了另一种着火理论以链爆为主（这就引出了另一种着火理论链式热力着火链式热力着火开始是链反应，当热量开始是链反应，当热量积累到一定程度后，按热力着火过程进行）。积累到一定程度后，按热力着火过程进行）。二、发动机混合气的着火二、发动机混合气的着火有高温单阶段着火高温单阶段着火和低温多阶段着火低温多阶段着火。汽油机汽油机柴油机柴油机对于内燃机的具体着火现象而言，柴油对于内燃机的具体着火现象而言，柴油机的压缩着火和汽油机的爆燃具有低温机的压缩着火和汽油机的爆燃具有低温多阶段着火的特点；而汽油机的火花点多阶段着火的特点；而汽油机的火花点燃和柴油机着火后缸内燃料的着火具