发动机原理教程1

发动机原理第三章燃料与燃烧第三章燃料与燃烧§3-1燃料组成及特征燃料的主要分类石油类（烃类）：液态，汽油、（煤油：用于航空发动机）、轻柴油、重柴油气态，CNG、LNG、LPG含氧燃料：甲醇、乙醇、醚类（二甲基乙醚DME）生物油类：大豆油、菜籽油等，可再生资源，太稠、混合气形成困难、结焦。去除甘油后就可以变稀。氢：好处多多，但主要问题集中在能量密度（贮存：压缩法、液化法、吸附法）、零部件的脆化和来源。第三章燃料与燃烧§3-1燃料组成及特征石油类燃料特征组成：主要成分：碳、氢，占97~98%；少量元素：硫、氧、氮，其中O元素可以降低燃烧过程微粒物，烟度下降；S可以使N多催化剂中毒，尽量减少。微量元素：K，As，Na，Ca通式：多种碳氢化合物的混合物，通式可表达为CnHm，通常称为烃。碳原子数对燃料性能的影响随C原子数的增加燃料：依次分为天然气、液化石油气、汽油、煤油（航空用）、轻重柴油、渣油（锅炉用）、沥青（马路用）。C↑→相对分子量↑→密度↑→沸点↑→挥发性↓＋粘度↑→高温稳定性↓＋点燃性↓＋自燃性↑→用于压燃式燃烧（柴油机）第三章燃料与燃烧§3-1燃料组成及特征碳原子数对燃料性能的影响C原子数沸点品种分子量理论物质的变化趋势C1常温天然气16C↑→分子量↑→粘度，自燃性↑C↓→分子量↓→点燃性↑C2~C4常温液化石油气16~58C5~C1150~200汽油95~120C11~C19180~300煤油100~180C16~C23250~360轻重柴油180~200C23360以上渣油220以上第三章燃料与燃烧§3-1燃料组成及特征分子结构对燃料性能影响A烷属烃CnH2n+2①直链（正己烷）呈饱和的开链式结构，常温下化学性质比较稳定，在高温下易氧化，C结构越不稳定，滞燃期较短，是柴油燃料的良好成分。②支链（异辛烷）支链式，结构紧凑，在高温下不易自燃，适合汽油燃料。B、烯烃CnH2n非饱和开链式结构，有一个二价键，它比烷烃难于自行发火，抗爆性好，但常温下化学安定性差，在长期储存中易于氧化生成胶质（裂解法炼油中存在）。第三章燃料与燃烧§3-1燃料组成及特征分子结构对燃料性能影响C、炔烃CnH2n-2非饱和开链式结构，有一个三价链。炔烃不存在于原油中，系热裂化生产的中间产物。由于氢不饱和，所以很不稳定。在常温下易分解，储存中因氧化而结胶。含炔烃多的产品不宜作为发动机燃料D、环烷烃CnH2n饱和的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和自发火的温度均比直链烷烃为高。环烷烃多的燃油适宜作为汽油机燃料，不适宜作柴油机燃料，环烷烃与烷烃都是石油的重要组成部分。E、芳香烃CnH2n-6基本化合物是苯，所有芳香烃都含有苯基的成分。在石油中含量较少，分子结构坚固，热稳定性比环烷烃高，在高温下分子不易破裂，化学安定性较前者为高，是良好的防爆剂。石油炼制中常使产品的芳香烃增多。α-甲基萘是十六烷值为0的标准燃料。第三章燃料与燃烧§3-2燃料的使用特性一、汽油的使用性能影响汽油机性能的关键性指标主要是（蒸发性（馏程）和抗爆性（辛烷值）等。1、馏程：蒸发性馏程：用馏出某一百分比燃油质量的温度范围来表示。为了评价燃料的挥发性（形成混合气的难易程度），以10％、50％和90％的馏出温度作为几个有代表意义的点。（1）10％馏出温度(75℃)标志着它的起动性。T10↓→燃料容易冷车起动。但T10过低，在管路中输送时受发动机温度较高部位的加热而变成蒸气，在管路中形成“气阻”，使发动机断火，影响它的正常运转。第三章燃料与燃烧§3-2燃料的使用特性（2）馏出50％的温度(145℃)标志着汽油的平均蒸发性。T50↓→（从较低负荷向较高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合气）↓→暖车时间↓+加速性改善+工作稳定性提高。（3）馏出90％的温度(195℃)T90标志着燃料中难挥发的重质成分的数量。当T90↓→重质成分↓→易挥发，利于燃烧。当T90过高→重质成分↑→不易挥发燃烧而附着在气缸壁上→形成积碳或流入油底壳→稀释机油破坏润滑。第三章燃料与燃烧§3-2燃料的使用特性2．辛烷值：辛烷值是表示汽油抗爆性的指标。爆震：在汽油机燃烧中，在火焰前锋面未传播到的情况下由于缸内温度（或局部温度）过高而引起的末端混合气自燃（瞬间同时燃烧），从而引起缸内温度、压力急剧上升并伴随特定敲缸声（压力波在缸内的不断反射）的不正常燃烧状态。轻微爆震时由于燃烧迅速定容性提高，热效率提高、动力性提高。爆震过强时缸内温度、压力急剧上升发动机的热负荷、机械负荷增加，润滑系统、冷却系统破坏从而引起可预见的重大破坏。现代汽油机中增设爆震传感器，使发动机在临界爆震状态燃烧。第三章燃料与燃烧辛烷值测定方法：在特殊的单缸试验机（CFR）上按规定的条件进行。利用两种标准燃料：异辛烷(2,2,4三甲基戊烷，C8H18)，辛烷值为100；正庚烷(C7H16)，辛烷值为0。按不同比例（体积）混合可得不同辛烷值的标准燃料，（其辛烷值即为异辛烷的体积百分数）。在特定工况下调整压缩比使被测燃料发生临界爆震。找出与被测燃油相同具有抗爆性的标准燃料，则标准燃料的辛烷值即为被测定汽油的辛烷值。实验方法不同：马达法试验值（MON）n=900r/min、进气加热（条件苛刻），研究法试验值（RON）n=600r/min、进气不加热。MONRON。燃料敏感度=研究法试验值-马达法试验值，表征了燃料对工况的敏感度。通用评价抗爆性的指标：ONI（抗爆指数）＝(MON+RON)/2。目前所用汽油的牌号即为该值。辛烷值高低顺序为烷烃＜烯烃＜（炔烃）＜环烷烃＜芳烃。提高辛烷值的方法：加抗爆剂（四乙铅、溴乙烷），由于对后处理器催化剂的毒性强，目前已经停用。提高汽油中芳香烃的含量，裂化调制。加调和剂（醚、醇）第三章燃料与燃烧二、柴油的使用特性（燃烧机理复杂，影响因素多，性能要求多）1、自燃性（发火性）的指标——十六烷值十六烷值，是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行。标准燃料正十六烷C16H34十六烷值为100，易自燃，α—甲基奈C11H10其十六烷值定为0，难自燃。按不同比例混合可得不同十六烷值的标准燃料。当被测定柴油的自燃性=标准燃料的自燃性时，则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。十六烷值与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。十六烷值↑→自燃性好↑→着火延迟时期↓着火后△P/△φ↓→工作柔和。冷起动性能亦随之改善。十六烷值过高→燃料分子量↑→蒸发性↓粘度↑→排气冒烟及bi↑。因此，国产柴油的十六烷值规定在40～50之间。第三章燃料与燃烧二、柴油的使用特性（燃烧机理复杂，影响因素多，性能要求多）2、蒸发性——馏程：50％馏出温度表征平均蒸发性，低蒸发性好，说明轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。但馏分太轻也不好，因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦着火△P/△φ↑↑，柴油机工作粗暴。90％和95％馏出温度标志难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏分过多，不仅蒸发和形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全（补燃期变长，效率下降）。十六烷值必须与蒸发性相匹配。蒸发性不足而十六烷值高冒烟，热效率下降（定容性差）；十六烷值不足而蒸发性高则预混合燃烧量过高，机械负荷增加。3、雾化性（燃油喷射系统参数）—用粘度评价它影响柴油的喷雾质量。当其它条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直径（SMD、绍特平均直径：均方根值）也越大，使燃油和空气混合不均匀，燃烧不及时或不完全，燃油消耗率增加，排气冒烟。喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度。一般轻柴油的运动粘度在20°C时为（2.5～8）.10－6m2／s。第三章燃料与燃烧二、柴油的使用特性（燃烧机理复杂，影响因素多，性能要求多）4、流动性——凝点：指柴油失去流动性开始凝结的温度。T↓→柴油中高分子烷烃和水分析出结晶、混浊（浊点）→失去流动性→凝结。凝点越低越不容易失去流动性。我国生产的轻柴油规格，按凝点分为10#、0#、-10#、-20#、-35#五级。冷凝点，供油系统中每分钟流出的燃油量小于等于20ml所对应的温度，比凝点高5-7°C。按照当地当月10％风险率的最低气温选择柴油。其它指标：含S量、灰分、水分、闪点、胶质等（见P46表3-3）第三章燃料与燃烧§3-3燃烧热化学一、理论空气量L0：1kg燃料完全燃烧所需的最低（理论）空气量设1kg燃料中C、H、O的质量分别为gc、gh、go，则：gc+gh+go=1kg燃油中的C、H完全燃烧，其化学反应方程式分别是C＋O2＝CO2H2+O2=H2O1kmolC→1kmolO21kmolH2→1/2kmolO2gc/12kmolC→gc/12kmolO2gh/2kmolH2→gh/4kmolO2则：1kg燃料完全燃烧所需的氧气量为kmol/kg空气中按体积计O2约占21％，N2约占79％；空气的分子量为28.95。需空气量kmol/kg;以千克表示的理论空气量：kg/kg；以体积表示的理论空气量为m3/kg；)32412(ohcggg)32412(21.010ohcgggL)32412(21.095.280ohcgggL)32412(21.04.220ohcgggL第三章燃料与燃烧§3-3燃烧热化学二、过量空气系数：实际提供的空气量L与理论上所需空气量L。之比，称为过量空气系数汽油机（α=0.8～1.2，起动时过量空气系数仅为0.2-0.4）柴油机负荷是靠质调节的（α=1.2～1.6）由于混合气形成不均匀，所以α总是大于1的。一般车用高速柴油机，α=1.2～1.6；增压柴油机，α=1.8～2.2空燃比：A／F=汽油：α=1时，A/F=14.9；柴油：α=1时，A/F=14.30L燃料量空气量第三章燃料与燃烧§3-3燃烧热化学三、α1时完全燃烧产物的数量1、1kg燃料燃烧前混合气的数量M1汽油机：（kmol/kg燃料）式中：Mrt为燃料的分子质量柴油机：液态燃料的体积不及空气的1/10000，即为纯空气（kmol/kg燃料）燃烧后产物的质量M2：（由O2、N2、CO2、H2O构成，分别求出各自的mol量）并将L0代入即可得到则理论分子变更系数（表征做工能力的强弱，相当于增加工质的量，在不完全燃烧时理论分子变更系数更大，pme更大）汽油机：柴油机：MrtLM11001LM02324LggMoh120MM11132400rtrtohMLMgg132400Lggoh第三章燃料与燃烧§3-3燃烧热化学四、燃料热值与混合气热值1、燃料热值：1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。高热值：包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热；低热值：不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热。2、混合气热值：单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量。kJ/kmol；kJ/kg；kJ/m3理论混合气热值：单位理论混合气所放出的热量发动机中每循环放热量取决于混合气热值（单位体积），而非燃料低热值如汽油、甲醇低热值差很多44000kJ/kg和27000kJ/kg，而理论混合气热值相差不大3748.99kg/m3和3630.52/m3。所以烧E10时合理增加喷油量在发动机结构不变的情况下动力性相差不大。作业：E10的理论混合气热值（10％乙醇、90％汽油），kJ/kg、kJ/m3、kJ/mol。rtuumixMLhMhQ101101LhMhQuumixrtumixMLhQ4.220第三章燃料与燃烧§3.4燃烧初步一切燃烧过程都分为两个阶段①着火自燃：自发燃烧点燃：强制点火油滴（膜）蒸发与喷雾燃烧②燃烧预混合燃烧中的火焰传播油滴蒸发、喷雾燃烧（柴油机）均为不均匀混合气，存在浓度梯度――扩散型燃烧造成碳烟的产生――冒烟第三章燃料与燃烧§3.4燃烧初步一切燃烧过程都分为两个阶段①着火自燃：自发燃烧点燃：强制点火油滴（膜）蒸发与喷雾燃烧②燃烧预混合燃烧中的火焰传播油滴蒸发、喷雾燃烧（柴油机）均为不均匀混合气，存在浓度梯度――扩散型燃烧