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1、Chapter4 燃料与燃烧化学燃料与燃烧化学4-1 发动发动机燃料机燃料4-2 代用燃料及代用燃料及应应用用4-3 燃燃烧烧化学化学4-4 燃燃烧烧基本理基本理论论4-1 发动机燃料发动机燃料 汽油机使用的燃料是汽油，汽油是从石油中提炼出来的碳氢化合物。按辛烷值不同分为几个牌号。以RQ打头，后跟汽油的辛烷值。汽油的辛烷值通常有两种测定方法，即研究法（RON）和马达法（MON），其换算关系为（RON）=（MON）+10。例如代号为RQ-90，R是燃的汉语拼音字头，Q是汽的汉语拼音字头，代表燃汽油-90是辛烷值（表示研究法辛烷值为90），压缩比大的汽油机应选用较高牌号的汽油。由于环保的要求，我国
2、在2000年7月1日推广使用无铅汽油，含铅量小于2.5mg/L为无铅汽油。一、汽油一、汽油汽油的主要性能指标有：抗爆性、蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清净性。二、柴油二、柴油 柴油和汽油一样都是石油制品。在石油蒸馏过程中，温度在200350之间的馏分即为柴油。柴柴油分为轻柴油和重柴油油分为轻柴油和重柴油。轻柴油用于高速柴油机，重柴油用于中、低速柴油机。汽车柴油机均为高速柴油机，所以使用轻柴油。轻柴油特性：自燃性、雾化和蒸发性、硫含量、安定性、低温流动性。4-2 代用燃料及应用代用燃料及应用（一）气体燃料：内燃机可用的气体燃料主要有氢、天然气、液化石油气、沼气、发生炉煤气、高炉煤气和人造煤气等。
3、（二）代用燃料非石油燃料 1、醇类燃料 2、植物油燃料 添加剂：添加剂：在燃料中加入化学添加剂的目的：一是改变和优化燃料原有的特性；二是添加某些性能。通常添加量在1%以下。1、抗爆剂：通过添加铅化物和芳香烃以提高辛烷值。2、着火加速剂：着火性能提高，着火温度降低，反应速度增加。3、残渣转换剂：除去汽油机燃烧室内的残渣。4、抗氧化剂：避免燃料在氧气的影响下改变性质。5、金属钝化剂：避免燃料的聚合和沉积。6、抗腐蚀剂：主要是长链、高分子的结合剂将水、膜分化，建立保护膜。7、抑制结冰剂8、化油器清洁剂9、提高过滤性添加剂4-3 燃烧化学燃烧化学1、完全燃烧 考虑一种通用的碳氢化合物，其平均分子组成为
4、CcHhOo,空气可按氧占20.95%，其余为氮。因此，对应于1mol的氧，有3.773mol的氮，于是根据原子数平衡关系式，可以写出碳氢燃料在空气中完全燃烧时的化学反应式：1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量（质量）称为化学计量空燃比：一般而言，内燃机所用的燃料均为各种碳氢化合物的混合物，难于准确地确定其中C、H、O三种元素的原子数c、h和o，另一方面，这三种主要元素的质量比可以通过化学分析方法得到，分别记为gc、gH、go，根据定义式有：这样，化学计量燃比的计算式可以写成：若以体积关系式来计算化学计量空燃比(kmol/），其计算式为：据统计：国产汽油中C、H、O三种元素的分数分别为：0.85
5、5、0.145、0。柴油为0.870、0.126、0.004。代入公式：对汽油：柴油：化学计量燃空比：F/A 2、不完全燃烧：过量空气系数：理论混合气 ：浓混合气 ：稀混合气一般汽油机：车用高速柴油机：增压柴油机：混合气的浓度对燃烧过程具有特别重要的意义，它直接影响燃烧的完善程度，进而影响指示热效、燃油消耗率和排气污染等重要性能指标。是内燃机工作过程中的重要参数之一。3、理论分子变更系数：不考虑气缸中残留废气的情况下，研究燃烧前、后工质摩尔数的变化。1的情况柴油机燃烧前吸入的空气量：汽油机吸入的充量应计入燃料蒸汽的摩尔数，故 其中mT为汽油的分子量。1kg燃料完全燃烧时，将生成 的CO2和 的
6、H2O，消耗的氧气为0.21L0，燃烧后剩下的氧和氮为 ，故燃烧后工质的摩尔数为：将L0的表达式代入上式，得：燃烧前后工质的摩尔数增加量：柴油机：汽油机 燃烧后工质的摩尔数M2与燃烧前工质的摩尔数M1之比称为理论分子变更系数，以u0表示。柴油机：以 代入上式得：汽油机：以 代入，得：则，的情况：的情况仅在汽油机上出现，在此情况下燃料不能完全燃烧。燃烧产物中除CO2和 外，还将产生CO、H2、HC和C烟，在此情况下燃烧产物的总量为：燃烧后工质摩尔数的增量为：理论分子变更系数：4、实际分子变更系数（考虑残余废气）设1kg燃料燃烧后在气缸中的残余废气为Mr，则燃烧前气缸中的工质总量为：燃烧后气缸中工
7、质总量为：气缸中残余废气量与新鲜充量M1之比称为残余废气系数：考虑了残余废气后，燃烧后的工质摩尔数 与燃烧前工质摩尔数 之比称为实际分子变更系数：4-4 4-4 燃烧基本理论燃烧基本理论一、连锁反应的机理及燃烧放热规律一、连锁反应的机理及燃烧放热规律 1、连锁反应的基本概念：一般连锁化学反应过程的发展顺序为：链引发链传播链终止 2、有效反就概念和连锁化学反应普遍方程式 所谓有效反应指能获得最终产物及活化中心的反应。x：表示ot时间内参加反应的原始物质的百分数。n：为比例系数。：有效反就中心的相对密度。m：燃烧品质指数（它是反应燃烧过程中有效反应中心相对密度随时间变化的特性参数，同时也是确燃烧过
8、程特性的参数。）一般柴油机m=0.11.0，汽油机m=1.03.0，K：比例系数。3、内燃机燃烧速度的半径验方程式：维别导出的内燃机燃烧速度半径验方程式：tZ：燃烧延续时间；Z：对应的曲轴转角；O：着火提前角。MZO直接喷射、高速0.151.250150-120直接喷射、中速0.52.050120-120分隔式、高速非增压0.40.660100-120各类柴油机的m、O、Z值的统计资料如下：三、燃烧方式（一）（一）同时爆炸燃烧同时爆炸燃烧 取某一部分为系统取某一部分为系统,着火前后整个系统各个部分的相完全着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。即相只随均匀一致。即相只随 t（时间）座标变化（
9、时间）座标变化,而不随而不随 x（位移）（位移）座标变化座标变化,为单相系为单相系,均匀系。均匀系。柴油机上柴油机上,由于混合气分配不是十分均匀由于混合气分配不是十分均匀,总有某一部分总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）,取这一部分为系统取这一部分为系统,则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。汽油机上汽油机上,由于火焰有传播速度（虽然很快由于火焰有传播速度（虽然很快,但相对同时但相对同时爆炸燃烧却很小）爆炸燃烧却很小）,传播逐次进行传播逐次进行,故显然不是同时爆炸燃故显然不是同时爆炸燃烧。但火花塞间隙处的少量混合气在电火花作
10、用下烧。但火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下,可实现可实现同时爆炸燃烧，从而形成火焰中心。同时爆炸燃烧，从而形成火焰中心。（二）（二）逐渐爆炸燃烧逐渐爆炸燃烧 汽油机火焰传播。两相系混合气相汽油机火焰传播。两相系混合气相（未燃区），（未燃区），燃烧产物相燃烧产物相（已燃区）。（已燃区）。加热从火花塞开始，加热从火花塞开始，紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热热,使氧化或活性中心增多使氧化或活性中心增多,发生燃烧。燃烧又加热下一层发生燃烧。燃烧又加热下一层,一层一层传播。燃烧主要在火焰前锋面内进行。火焰一层一层传播。燃烧主要在火焰前锋面内进行。火焰前锋面前方
11、的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区前锋面前方的未燃区中是混合气，火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧。继续燃烧。（三）（三）扩散燃烧扩散燃烧 柴油机的燃烧方式柴油机的燃烧方式,三相燃料相三相燃料相,空气相空气相,燃烧产物相。燃烧产物相。柴油燃点比汽油低柴油燃点比汽油低,但在日常生活中汽油却比柴油易燃但在日常生活中汽油却比柴油易燃,原因就在于汽油的挥发性好原因就在于汽油的挥发性好,油与空气形成混合气较快油与空气形成混合气较快,物物理准备过程已经就绪理准备过程已经就绪,一点即燃。柴油机中燃烧的
12、快慢却主一点即燃。柴油机中燃烧的快慢却主要取决于物理准备过程进行的快慢。油滴遇热蒸发形成燃要取决于物理准备过程进行的快慢。油滴遇热蒸发形成燃料蒸汽料蒸汽,然后才能燃烧然后才能燃烧,并非油滴与空气接触就可燃烧。为并非油滴与空气接触就可燃烧。为防止燃烧产物将油滴与空气隔开防止燃烧产物将油滴与空气隔开,将组织空气相对于油滴的将组织空气相对于油滴的气流运动气流运动,将燃烧产物抛在后面。将燃烧产物抛在后面。预混合气体中的火焰传播 1、火焰中心的形成 2、火焰的传播 =0.850.95，火焰的传播速度最大。汽油机用这种浓度混合气工作燃烧速度最快，功率也最大，故称功率混合比。=1.031.1时，火焰传播速度
13、降低不多，又有足够的氧气使燃烧完善，经济性最好，称经济混合比。1.31.4，火焰核心难以形成，称着火下限。0.40.5，严重缺氧，火焰核心难以形成，称着火上限。汽油机的值应在0.61.2范围内。A/F=918。燃油喷雾与扩散燃烧燃油喷雾与扩散燃烧 柴油机中的燃烧属于喷雾双相燃烧，即有预混合气的均相气相燃烧，又有微油滴群的油滴扩散燃烧。4-5 4-5 实际循环的近似计算实际循环的近似计算 热计算热计算 实际循环的近似计算是一种半经验估算，称为活塞式内热机的经典热计算，是俄国学者格里涅维茨基于1907年提出的，是长期以来内燃机设计制造单位习惯采用的一种常规计算方法。该方法以理论的等容加热或混合加热
14、循环作为出发点，并假定其中的几个过程始终点是上、下止点，然后求出各特征点的状态参数，绘制出示功图并用丰满系数加以修止的计算方法。该算法的实质是应用较简单的关系式和利用一些经验数据来处理实际上的复杂过程。经典热计算方法既可用于对方案设计阶段确定的指标、尺寸、结构参数进行校核计算，又可为动力计算和强度计算提供原始数据。一、燃烧热化学计算一、燃烧热化学计算 按照本章前面几节所列公式，并根据给定或选定的燃料成分，过量空气系数和残余废气系数r计算下列各值：1kg燃料所需的理论空气量LO；新鲜充量的摩尔数M1；燃烧产物的摩尔数M2；残余废气的摩尔数Mr；理论分子变更系数u0；实际分子变更系数u。二、换气过
15、程参数的确定二、换气过程参数的确定 1、进气终点的压力Pa Pa是影响充气效率的主要因素，对泵气损失也有影响，一般情况下，进气终点的气缸内压力Pa低于进气系统的压力，其差值取决于吸气过程中的压力降Pa。Pa=Po-Pa Pa=Pk-Pa Pa主要是发生在最小流动截面进气门处：可见，转速愈高，进气门开启截面愈小，则Pa 愈大。初步估算可取下列统计数据初步估算可取下列统计数据：四冲程非增压柴油机、汽油机 Pa=（0.850.95）P0 四冲程增压柴油机：Pa=（0.900.95）Pk2、残余废气系数r 设VrVc，则：(影响因数：、Pr、Tr、v)对于具有强制燃烧室扫气作用的增压柴油机，r降低甚至
16、等于零。Pr=Po+Pr 或Pr=PT+Pr （增压）统计数据：统计数据：高速四冲程增压柴油机、汽油机：Pr=（1.051.15）Po 废气涡轮增压柴油机：Pr=（0.751.0）PT Tr的大小与内燃机的负荷、转速、等都有关系。负荷增加，Tr上升；n提高，也使Tr上升；大，则膨胀比大，Tr下降。3、进气终点温度Ta Ta的大小受制进气温度Ts、残余废气的热含量，高温零件对新鲜充量的加热和充量动能转化为热能等因素的影响。Tr(k)r四冲程非增压柴油机7009000.030.06四冲程增压柴油机800100000.03四冲程汽油机90011000.060.16Tr和r的一般范围是：设 ，则：T(
17、k)Ta(k)四冲程非增压柴油机1020300400四冲程增压柴油机510310380四冲程汽油机040340380T T和和Ta的一般范围是：的一般范围是：进气终点的热平衡方程式：4、充气效率：v （充量系数）内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量M1与以进气管状态充满气缸的工作容积的理论充量Msh之比，定义为充量系数：进气终点气缸充量的摩尔数可表示为：以 ，和Va=Vc+Vs代入上式，得：v v的统计范围：的统计范围：四冲程非增压柴油机v=0.750.90四冲程增压柴油机大至接近于1.0四冲程汽油机 顶置气门v=0.750.85 侧置气门v=0.700.75三、压缩过程三、压缩过程 实际过程与
18、理论相比存在很大区别，主要因素是热交换和比热变化。用一平均多变压缩指数n1来取代变指数，只要取代后的过程曲线的起点a和终点c与实际过程相符就行。据试验测定n1的大改变化范围是：高速柴油机（活塞不冷却）n1=1.381.42低中速柴油机（活塞冷却）n1=1.321.37增压柴油机n1=1.351.37汽油机n1=1.321.38 平均多变压缩指数n1值接近k1，但偏低。这说明在压缩过程中存在热量损失，使实际压缩终点压力Pc低于绝热压缩压力。n1的大小主要决定于工质与气缸壁的传热情况，受下列因素影响：1、转速n n、n1（热交换时间缩短，向气缸壁的传热量与泄漏量都减少）2、负荷 负荷增加后，气缸壁
19、的平均温度增高，使工质在压缩初期从缸壁接受的热量较多，而在后期放热量减少，于是n1增大。3、气缸尺寸 气缸尺寸愈小，传热损失愈小，因而n1也就愈大。4、气缸壁各部分的冷却强度 冷却强度提高则n1下降。5、压缩比 增大，则工质在压缩后期传出的热量多，泄气量也增加，n1下降。6、进气终了温度Ta Ta愈高，工质在压缩过程中传出的热量愈大，n1下降。根据内燃机实验或统计数据，并考虑到上述因素的影响而选定n1值后，则：Pc、Tc的大致范围：Pc（kPa)Tc（K）汽 油 机：8002000 600750 柴 油 机：30005000 7501000 增压柴油机：50008000 9001100四、燃烧
20、过程计算四、燃烧过程计算 设Hu为1kg燃料的低热值，取Q1=Hu，x为燃烧放热系数，燃烧过程中任一时刻放出的热量xHu中有一部分Qw作为传热损失传热气缸壁，而另一部分Hu则用于完成机械功和增加工质的内能，即：该时刻内的热量利用系数。Z点的热量利用系数Z Z大致范围：大型固定式柴油机：0.80.88 机车及船用柴油机:0.780.85 汽车拖拉机用柴油机：0.650.80 汽 油 机：0.850.95 Z Z是一个用以反映实际燃烧过程完善程度、通道节流、高温分解和传热损失程度的一个重要参数。n 后燃增加 Z 增压 高温分解减少 Z 分隔式燃烧室 Z 燃烧过程的计算关键在于确定燃烧阶段的最高温度
21、Tz，而Tz可根据Z点的能量守恒方程式来求解。式中：Uz和Uc工质在Z点和C点的内能 Wcz工质在等容、等压过程中所作的机械功 为燃烧产物平均等容摩尔比热和新鲜充量与残余废气混合气的平均等容摩尔比热KJ/（kmol）应该说明：在Z点，燃烧产物尚未达到最后成分，但差别不大，在计算时当作燃烧终了对待。对比热和下面提到的分子变更系数均与此同。将Uz，Uc，Wcz三式代入能量守恒方程式，得：以 ，等代入得柴油机的燃烧方程式：燃烧产物的平均等压摩尔比热容汽油机应按等容循环计算，所以：故汽油机的燃烧方程式为：汽油机在1的工况下，燃油中有一部分热量 未释放出来，在这种情况下应以 代入上式：式中：，式中的 和
22、 可根据tc和值从有关图表查出的 和 计算得到。Pz:柴油机根据结构强度和寿命要求凭经验选定，汽油机直接从热计算中求出。现有非增内燃机pz和的大致范围：Pz(102kPa)直接喷射柴油机 60901.72.2预热式柴油机 45601.41.6涡流式柴油机 50701.51.7汽油机 30802.04.0其中，柴油机的较高值属于高速柴油机，增压柴油机可达1200015000kPa。这样，燃烧方程式左边的值均已知，即方程右边的 或 的乘积确定。欲求tz则须先确定 或 ，但后者须在已知tz的前提下方能从图表中查出，于是出现了数据求解矛盾，此矛盾可采取逐步试算法解决。柴油机的Tz的大致范围是：Tz=1
23、8002000K汽油机：Tz=22002700K初期膨胀比可从气体状态方程求出。由此得：一般=1.11.11.7，大的值对应小的值。五、膨胀过程 复杂多变过程，实际计算中，用同一个平均多变指数n2来代替，只要终点的状态同即可。高速柴油机（活塞不冷却）N2=1.151.25中、低速柴油机（活塞冷却）N2=1.201.30汽 油 机N2=1.201.28n2的一般范围：n2的影响因素：1、转速n 转速增加，后燃加剧，同时膨时间缩短，减少了传热损失和漏气，n2减小。2、负荷 负荷增大，后燃增加，n2减小。3、气缸尺寸的影响 气缸容积增大，相对传热面积和相对漏气缝隙减小，因而n2下降。4、燃烧速度和z
24、 的影响 急速燃烧速度降低，导致z的减小和后燃的加强，n2下降。选定n2值后，膨胀终点的压力和温度：（kPa）（k）b点的压力和温度一般为：Pb(102KPa)Tb(k)高速柴油机3610001200低速柴油机2.53.59001000汽油机3612001400六、平均指示压力和指示热效率的计算六、平均指示压力和指示热效率的计算 在计算平均指示压力Pi前应先绘出PV示功图。计算示功图上的作功面积时，进排气过程的换气功不算在内，它们将在机械损失中考虑。其中Wi=Wcz+Wzb-Wac则：实际循环近似示功图是经过修圆的，其有效面积比有棱角的示功图面积小，于是用一个小于是的示功图丰满系数i来对Wi或
25、Pi进行修正，即可得平均指示压力Pi。即：Pi=i Pi 实际上丰满系数i是把实际循环中的时间损失，后燃损失和部分换气损失计入其中，对于四冲程柴油机，在有利的配气定时和喷油提前角条件下，i一般在0.920.97范围内。转速较高的内燃机由于排气提前和供油提前角均较大，i就取胜低值。又又Q1=Hu 七、实际循环热计算举例七、实际循环热计算举例 试对6135G柴油机标定工况进行实际循环热计算。已知条件为：缸径 D=135mm 行程 S=140mm 缸数 i=6 12h功率 Ne=88.5kW 转速 n=1500r/min 压缩比 =16.5每缸工作容积 Vh=2L曲柄半径与连杆长度比 R/L=1/4
26、大气状态 Po=100kPa,To=288K燃料平均质量成分 C=0.87,H=0.126,O=0.004燃料低热值 Hu=42500kJ/kg-F燃烧室形式 形分开式1、参数选择 根据类似柴油机的实验数据和统计资料，结合本柴油机的具体情况，可选定：过量空气系数 a=1.75最高燃烧压力 Pz=7500kPa热量利用系数 z=0.75残余废气系数 r=0.04排气终点温度 Tr=800K示功图丰满系数 i=0.96机械效率 m=0.82、燃料热化学计算1）理论所需空气量Lo2)新鲜空气量M13）理论上完全燃烧（a=1）时的燃烧产物Mo4）当a=1.75时的多余空气量5）燃烧产物总量M26）理论
27、分子变更系数o7）实际分子变更3、换气过程参数计算 1）取Pa=0.9Po，则进气终点压力为Pa=90kPa 2）取进气加热温升T=20，则进气终点Ta为：3）充气效率v4、压缩过程计算 1）选取平均多变压缩指数n1=1.368 2）压缩过程中任意点x的压力Pcx（kPa）式中：Vcxx点的气缸容积，它等于 其中，x为x点从上止点算起的曲轴转角，。可以取若干个x点，求出若干对Pcx和Vcx值，以便绘制示功图上的压缩线ac。3）压缩终点压力Pc和温度Tct tc c=645=645 4）压力升高比5、燃烧过程计算 1）压缩终点的空气平均等压比热cp可从图上查出。在tc=645 时，2)压缩终点的
28、残余废气平均等压比热cp也可从图上查出。在a=1.75，tc=645时，4）燃烧终点的Tz可由式算出3)压缩终点的混合气平均等容比热cv 将已知数值代入得 ，再利用来确定tz值。先假定一tz值并按此假定值查得一cp值，视其乘积 与 是否相符，如相符则假定的tz值即为所求值。如不相符，则视其差值勤的大小和符号的正负，再另选一tz值，如此逐步试算，直到求得一tz值和其相应查得的cp乘积等于 为止。由此得tz=1680 Tz=1680+273=1953K 5)初期膨胀比：6、膨胀过程的计算1）后期膨胀比：2）选取平均多变指数n2=1.253)膨胀过程中任意点x的压力pbx4)膨胀终点的压力pb和温度Tb7、平均指示压力pi8、指示效率i9、指示油耗gi10、有效效率e和有效油耗ge11、平均有效压力pe和有效功率Ne12、按计算结果绘制pV示功图八、作业八、作业 试对一台车用汽油机标定工况进行实际循环热计算。已知条件为：缸径 D=74mm 行程 S=76mm 缸数 i=4 额定功率 Ne=60kW 转速 n=6000r/min 压缩比 =9.5曲柄半径与连杆长度比 R/L=1/3.5大气状态 Po=100kPa,To=288K燃料平均质量成分 C=0.855,H=0.145,O=0.0燃料低热值 Hu=43960kJ/kg-F燃烧室形式 楔形燃烧室