內(nèi)燃機(jī)原理第3章課件

1、第三章第三章 內(nèi)燃機(jī)燃料與燃燒內(nèi)燃機(jī)燃料與燃燒第一節(jié)第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)第二節(jié)第二節(jié) 汽油的使用性能汽油的使用性能第三節(jié)第三節(jié) 柴油的使用性能柴油的使用性能第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)第五節(jié)第五節(jié) 燃燒理論概述燃燒理論概述第一節(jié)第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)一、石油燃料一、石油燃料1、組成與性質(zhì)、組成與性質(zhì)內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)燃料，汽油與柴油，石油產(chǎn)品，主要成內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)燃料，汽油與柴油，石油產(chǎn)品，主要成份有碳、氫兩種，占份有碳、氫兩種，占9798%，還含少量的硫、氧、，還含少量的硫、氧、氮等，微量砷、鈉、鉀、鈣等。氮等，微量砷、鈉、鉀、鈣等。石油產(chǎn)品以多種

2、碳?xì)浠衔锏幕旌衔镄问匠霈F(xiàn)，分石油產(chǎn)品以多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔镄问匠霈F(xiàn)，分子式為子式為CnHm，稱為烴。，稱為烴。第一節(jié)第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí) （1）碳原子數(shù)對(duì)燃料性質(zhì)的影響）碳原子數(shù)對(duì)燃料性質(zhì)的影響從石油氣、汽油、煤油、輕重柴油到渣油，隨碳原從石油氣、汽油、煤油、輕重柴油到渣油，隨碳原子數(shù)的增大，沸點(diǎn)逐漸升高，相對(duì)分子量逐漸增大，子數(shù)的增大，沸點(diǎn)逐漸升高，相對(duì)分子量逐漸增大，質(zhì)量變重，揮發(fā)性變差，粘度增大，化學(xué)穩(wěn)定性變質(zhì)量變重，揮發(fā)性變差，粘度增大，化學(xué)穩(wěn)定性變差，自燃性變好，點(diǎn)燃性變差。差，自燃性變好，點(diǎn)燃性變差。第一節(jié)第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)內(nèi)燃機(jī)燃料的一般

3、知識(shí)（2）分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)燃料性能的影響）分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)燃料性能的影響1）烷烴）烷烴CnH2n+2正構(gòu)物，飽和的開式鏈狀結(jié)構(gòu)。常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易正構(gòu)物，飽和的開式鏈狀結(jié)構(gòu)。常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易變質(zhì)，高溫下易分解（著火），而且碳鏈越長越易著火，是變質(zhì)，高溫下易分解（著火），而且碳鏈越長越易著火，是柴油的組成部分。柴油的組成部分。異構(gòu)物，比正構(gòu)物分子結(jié)構(gòu)緊湊，高溫下不易氧化（不易著異構(gòu)物，比正構(gòu)物分子結(jié)構(gòu)緊湊，高溫下不易氧化（不易著火），汽油中的組成部分?；穑椭械慕M成部分。2）烯烴）烯烴CnH2n不飽和開鏈結(jié)構(gòu)，有一個(gè)雙鍵，常溫下化學(xué)不穩(wěn)定，保存期不飽和開鏈結(jié)構(gòu)，有一個(gè)雙鍵，常溫

4、下化學(xué)不穩(wěn)定，保存期長，易產(chǎn)生膠質(zhì)。長，易產(chǎn)生膠質(zhì)。高溫下，不易著火，比烷烴抗爆性好，熱裂汽油中含成份較高溫下，不易著火，比烷烴抗爆性好，熱裂汽油中含成份較多。多。3）環(huán)烷烴）環(huán)烷烴CnH2n飽和的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)，不易分裂，熱穩(wěn)定性和發(fā)火溫度比直飽和的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)，不易分裂，熱穩(wěn)定性和發(fā)火溫度比直鏈烴高，適于作汽油機(jī)燃料，不宜作柴油燃料。鏈烴高，適于作汽油機(jī)燃料，不宜作柴油燃料。4）芳香烴）芳香烴CnH2n-6基本化合物是苯，所有芳香烴都有苯基成分，分子結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，基本化合物是苯，所有芳香烴都有苯基成分，分子結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，熱穩(wěn)定性比其它烴都高，高溫下不易發(fā)火，是良好的抗爆劑，熱穩(wěn)定性比其它烴都高，高溫

5、下不易發(fā)火，是良好的抗爆劑，直餾汽油中含量較少。直餾汽油中含量較少。第一節(jié)第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)2、石油燃料的煉制、石油燃料的煉制1）直餾法：）直餾法：石油石油蒸餾與凝結(jié)蒸餾與凝結(jié) 40205 餾出汽油餾出汽油 占石油的占石油的2540% 130300 煤油煤油 250350 柴油柴油 350500 潤滑油潤滑油 500以上以上 重油重油2）熱裂法：）熱裂法：重油重油加溫、加壓、加溫、加壓、400以上以上高分子量成份裂解成低分高分子量成份裂解成低分子量的成分，因大分子的重?zé)N含氫少，分裂后產(chǎn)生的輕分子子量的成分，因大分子的重?zé)N含氫少，分裂后產(chǎn)生的輕分子烴中，含有不飽合烴

6、。烴中，含有不飽合烴。3）催化裂化法：）催化裂化法：重油重油加溫、加壓、催化劑加溫、加壓、催化劑催化劑使加溫較低，氣態(tài)含量催化劑使加溫較低，氣態(tài)含量較少，可使烷烴脫氫、環(huán)化形成芳香烴，品質(zhì)高。較少，可使烷烴脫氫、環(huán)化形成芳香烴，品質(zhì)高。此外，還有加氫、異構(gòu)化、迭合、芳構(gòu)化等石油加工工藝，此外，還有加氫、異構(gòu)化、迭合、芳構(gòu)化等石油加工工藝，生產(chǎn)高級(jí)汽油。生產(chǎn)高級(jí)汽油。第一節(jié)第一節(jié) 內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)內(nèi)燃機(jī)燃料的一般知識(shí)二、氣體燃料二、氣體燃料1、天然氣（、天然氣（CNG）2、液化石油氣（、液化石油氣（LPG）三、代用燃料三、代用燃料1、醇類燃料、醇類燃料2、植物油燃料、植物油燃料第二節(jié)第二節(jié)

7、汽油的使用性能汽油的使用性能一、餾程一、餾程10%餾出溫度餾出溫度標(biāo)志起動(dòng)性標(biāo)志起動(dòng)性起動(dòng)時(shí)起動(dòng)時(shí) 車速低、霧化不好車速低、霧化不好 壁面溫度低、汽油揮發(fā)少壁面溫度低、汽油揮發(fā)少一般關(guān)閉陰風(fēng)門，這時(shí)供給濃混合氣，只有一般關(guān)閉陰風(fēng)門，這時(shí)供給濃混合氣，只有10%左右汽油蒸左右汽油蒸發(fā)就能順利起動(dòng)。發(fā)就能順利起動(dòng)。10%餾出溫度，越低越易起動(dòng)，但太低易形成氣阻。餾出溫度，越低越易起動(dòng)，但太低易形成氣阻。50%餾出溫度餾出溫度表明平均蒸發(fā)性，與暖車、加速、穩(wěn)定性、表明平均蒸發(fā)性，與暖車、加速、穩(wěn)定性、分配均勻性等有關(guān)。分配均勻性等有關(guān)。90%餾出溫度餾出溫度表明難揮發(fā)的重成分的數(shù)量。表明難揮發(fā)的重成

8、分的數(shù)量。90%餾出溫度越高，重餾分多，易冒煙、積碳、沿缸壁流入餾出溫度越高，重餾分多，易冒煙、積碳、沿缸壁流入曲軸箱稀釋機(jī)油，故不能太高。曲軸箱稀釋機(jī)油，故不能太高。第二節(jié)第二節(jié) 汽油的使用性能汽油的使用性能二、抗爆性二、抗爆性用辛烷值評(píng)價(jià)用辛烷值評(píng)價(jià)辛烷值在辛烷值在CFR單缸機(jī)上測定，被測燃料單缸機(jī)上測定，被測燃料改變壓縮比改變壓縮比產(chǎn)生產(chǎn)生爆震。爆震。異辛烷（辛烷值為異辛烷（辛烷值為100）+正庚烷（辛烷值為正庚烷（辛烷值為0）。標(biāo)準(zhǔn)燃）。標(biāo)準(zhǔn)燃料料同樣的壓縮比同樣的壓縮比產(chǎn)生同樣程度的爆震，則標(biāo)準(zhǔn)燃料中含產(chǎn)生同樣程度的爆震，則標(biāo)準(zhǔn)燃料中含異辛烷的體積百分?jǐn)?shù)即為被測燃料的辛烷值。異辛烷的

9、體積百分?jǐn)?shù)即為被測燃料的辛烷值。為提高辛烷值，用抗爆劑：四乙鉛與溴乙烷的混合物。但由為提高辛烷值，用抗爆劑：四乙鉛與溴乙烷的混合物。但由于該添加劑含鉛量高，對(duì)人體及環(huán)境危害較大，同時(shí)還會(huì)使于該添加劑含鉛量高，對(duì)人體及環(huán)境危害較大，同時(shí)還會(huì)使排氣催化轉(zhuǎn)換器中的催化劑嚴(yán)重中毒而導(dǎo)致失效，因而逐漸排氣催化轉(zhuǎn)換器中的催化劑嚴(yán)重中毒而導(dǎo)致失效，因而逐漸被淘汰。被淘汰。目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先進(jìn)的煉制工藝及目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先進(jìn)的煉制工藝及使用高辛烷值的調(diào)和劑，如加入甲基叔丁基醚、乙基叔丁基使用高辛烷值的調(diào)和劑，如加入甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚或醇類燃料等。醚或醇類燃料等。

10、第三節(jié)第三節(jié) 柴油的使用性能柴油的使用性能一、低溫流動(dòng)性：用凝點(diǎn)評(píng)價(jià)一、低溫流動(dòng)性：用凝點(diǎn)評(píng)價(jià)凝點(diǎn)：溫度再下降，失去流動(dòng)性，凝固。我國的柴油用凝點(diǎn)凝點(diǎn)：溫度再下降，失去流動(dòng)性，凝固。我國的柴油用凝點(diǎn)編號(hào)。編號(hào)。二、霧化性：用粘度評(píng)價(jià)二、霧化性：用粘度評(píng)價(jià)粘度：燃料流動(dòng)性的尺度，表示燃料內(nèi)部摩擦力的物理特性，粘度：燃料流動(dòng)性的尺度，表示燃料內(nèi)部摩擦力的物理特性，影響柴油的噴霧質(zhì)量。影響柴油的噴霧質(zhì)量。粘度大，不易霧化粘度大，不易霧化粘度小，易霧化粘度小，易霧化三、蒸發(fā)性三、蒸發(fā)性50%餾出溫度：平均蒸發(fā)性，低餾出溫度：平均蒸發(fā)性，低蒸發(fā)性好，噴入后能迅速蒸發(fā)性好，噴入后能迅速蒸發(fā)、混合，有助于燃

11、燒；蒸發(fā)、混合，有助于燃燒；90%和和95%餾出溫度：表示柴油難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量，餾出溫度：表示柴油難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量，高高不易蒸發(fā)，與空氣混合不均勻，冒煙。不易蒸發(fā)，與空氣混合不均勻，冒煙。 一般情況下：一般情況下： 渦流室、予燃室可以燃用較重餾分的柴油，并且餾程可寬渦流室、予燃室可以燃用較重餾分的柴油，并且餾程可寬直噴式柴油機(jī)希望燃用輕餾分柴油，餾程窄直噴式柴油機(jī)希望燃用輕餾分柴油，餾程窄第三節(jié)第三節(jié) 柴油的使用性能柴油的使用性能四、發(fā)火性：四、發(fā)火性：用十六烷值評(píng)價(jià)用十六烷值評(píng)價(jià)柴油機(jī)要求燃料發(fā)火性好，著火落后期短，而汽油機(jī)則要求柴油機(jī)要求燃料發(fā)火性好，著火落后期短，而汽油機(jī)則要

12、求著火落后期長。著火落后期長。評(píng)定柴油發(fā)火性用評(píng)定柴油發(fā)火性用CFR單缸試驗(yàn)機(jī)。單缸試驗(yàn)機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)燃料標(biāo)準(zhǔn)燃料 正十六烷正十六烷易著火，十六烷值為易著火，十六烷值為100 甲基萘甲基萘不易著火，十六烷值為不易著火，十六烷值為0不同比例混合便得到十六烷值從不同比例混合便得到十六烷值從0到到100的各種標(biāo)準(zhǔn)混合燃料。的各種標(biāo)準(zhǔn)混合燃料。當(dāng)所測柴油與配制的標(biāo)準(zhǔn)燃料發(fā)火性相同時(shí)，則標(biāo)準(zhǔn)燃料中當(dāng)所測柴油與配制的標(biāo)準(zhǔn)燃料發(fā)火性相同時(shí)，則標(biāo)準(zhǔn)燃料中含含16烷的容積百分?jǐn)?shù)即為該燃料的十六烷值。烷的容積百分?jǐn)?shù)即為該燃料的十六烷值。十六烷值高的柴油，著火溫度低，著火落后期短，適合高速十六烷值高的柴油，著火溫度低，著

13、火落后期短，適合高速柴油機(jī)，但增大十六烷值，將帶來燃料分子量加大，使燃油柴油機(jī)，但增大十六烷值，將帶來燃料分子量加大，使燃油的蒸發(fā)性變差、粘度增加，導(dǎo)致排氣冒煙加劇及燃油經(jīng)濟(jì)性的蒸發(fā)性變差、粘度增加，導(dǎo)致排氣冒煙加劇及燃油經(jīng)濟(jì)性下降。下降。第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)一、理論空氣量一、理論空氣量1kg燃料完全燃燒時(shí)必須的最低空氣量。燃料完全燃燒時(shí)必須的最低空氣量。1kg燃料中含有燃料中含有g(shù)ckgC，ghkgH，gokgO：gc+gh+go=1kgC + O2 CO21kmol 1kmol 1kmol 1komlC=12kgC，則：，則：1kg 1kmol /12 1kmol/12 gckg

14、CgckgC+gckmol O2 /12=gckmolCO2/12H2 + 1 O2 /2 CO21kmol 1kmol/2 1kmol 1koml H2=2kg H2 ，則：，則：1kg 1kmol /4 1kmol/2 ghkgHghkgH+ghkmol O2 /4=ghkmolH2O/2則則1kg燃料完全燃燒需要燃料完全燃燒需要O2為：為：gc/12+gh/4-go/32 kmol空氣按體積計(jì)，空氣按體積計(jì)， O2占占21%，N2占占79%，按質(zhì)量計(jì)，按質(zhì)量計(jì)， O2占占23%， N2占占77%，需要空氣：，需要空氣：第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué) 燃料，同樣：燃料，同樣： 燃料燃料)3

15、2412(21. 010OHCgggL)838(23. 010OHCggglkgkmol/kgkg/第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)二、燃燒前后工質(zhì)摩爾數(shù)變化及理論分子變化系數(shù)二、燃燒前后工質(zhì)摩爾數(shù)變化及理論分子變化系數(shù)1、 a1，完全燃燒，完全燃燒（1）燃燒前摩爾數(shù)）燃燒前摩爾數(shù)M1=aL0 kmol/kg燃料，柴油機(jī)燃料，柴油機(jī)M1=aL0 +1/MrT kmol/kg燃料，汽油機(jī)燃料，汽油機(jī)MrT 燃料相對(duì)分子質(zhì)量燃料相對(duì)分子質(zhì)量第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)（2）燃燒后摩爾數(shù)（）燃燒后摩爾數(shù)（kmol) kmol22222NOOHCOMMMMM0079. 0) 1(21. 0212LLg

16、gaaHC0021. 0212LLggaHC)32412(2120OHCaHCgggLgg0324LggaOH第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)（3）燃燒前后工質(zhì)摩爾數(shù)的增量）燃燒前后工質(zhì)摩爾數(shù)的增量柴油機(jī)：柴油機(jī)： kmol/kg12MMM324OHgg第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)汽油機(jī)：汽油機(jī)： kmol/kgrTOHMgg132412MMM第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué) （4）理論分子變化系數(shù)）理論分子變化系數(shù)可燃混合氣燃燒后的摩爾數(shù)與燃燒前摩可燃混合氣燃燒后的摩爾數(shù)與燃燒前摩爾數(shù)之比。爾數(shù)之比。 柴油機(jī)柴油機(jī) 汽油機(jī)汽油機(jī)11201MMMM03241LggaOHrTarTOHMLMgg1

17、132410第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)2、 a1，完全燃燒，完全燃燒（1）燃燒后摩爾數(shù)（）燃燒后摩爾數(shù)（kmol)a1只在汽油機(jī)上存在，一般認(rèn)為只在汽油機(jī)上存在，一般認(rèn)為H2完全生成完全生成 H2O，C部分部分生成生成CO2 ，另一部分生成，另一部分生成 CO。設(shè)設(shè)1 kg的的C中中xgc生成生成CO2 ，（，（1-x)生成生成 CO。x稱為完全燃稱為完全燃燒百分比。燒百分比。C + 1/2O2 CO1kmol kmol1/2 1kmol 1komlC=12kgC，則：，則：1kg 1kmol /24 1kmol/12 (1-xgc)kgC(1-x) gckgC+(1-x) gckmol

18、O2 /24=(1-x) gckmolCO2/12第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué) 2222NOHCOCOMMMMM079. 0212)1 (12LggxxgaHCC079. 0212LggaHC079. 0324)32412(LgggggaOHOHC32421. 021. 0000OHaaggLLL324)1 (21. 000OHaaggLL第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué) rTOHaMggLMMM1324)1 (21. 0012第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)（2）理論分子變化系數(shù)）理論分子變化系數(shù)rTarTOHaMLMggLMM11324)1 (21. 0110010第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒

19、化學(xué)三、實(shí)際分子變更系數(shù)三、實(shí)際分子變更系數(shù)燃燒前氣缸中工質(zhì)總量為：燃燒前氣缸中工質(zhì)總量為：M1= M1 + Mr燃燒后氣缸中工質(zhì)總量為：燃燒后氣缸中工質(zhì)總量為：M2= M2 + Mr式中：式中：Mr殘余廢氣質(zhì)量殘余廢氣質(zhì)量則實(shí)際分子變更系數(shù)則實(shí)際分子變更系數(shù)：第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)式中：r殘余廢氣系數(shù)rrrrrrMMMMMMMMMMMMMM101111121212rr10第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué) 四、燃料與混合氣熱值四、燃料與混合氣熱值1.燃料熱值：燃料熱值：1燃料完全燃燒所放出的熱量。分高熱值與低熱值，燃料完全燃燒所放出的熱量。分高熱值與低熱值，內(nèi)燃機(jī)中為低熱值。內(nèi)燃機(jī)中為低

20、熱值。第四節(jié)第四節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)混合氣熱值混合氣熱值 kJ/kmola=時(shí)，稱為理論混合氣熱值。時(shí)，稱為理論混合氣熱值。rTauuMLHMH101第五節(jié)第五節(jié) 燃燒理論概述燃燒理論概述 燃燒過程：著火、燃燒燃燒過程：著火、燃燒1.汽油機(jī)的高溫單階段著火汽油機(jī)的高溫單階段著火汽油機(jī)的著火是以鏈鎖反應(yīng)開始，熱發(fā)火結(jié)束。汽油機(jī)的著火是以鏈鎖反應(yīng)開始，熱發(fā)火結(jié)束。 自由原子，自由基或過氧化物具有較高的活化能，形成了活性自由原子，自由基或過氧化物具有較高的活化能，形成了活性核心。核心。當(dāng)可燃混合氣開始鏈鎖反應(yīng)之后，由于活性核心的再生，可以當(dāng)可燃混合氣開始鏈鎖反應(yīng)之后，由于活性核心的再生，可以使反應(yīng)自

21、動(dòng)加速，放熱速率大于散熱速率，熱量得以積累。使反應(yīng)自動(dòng)加速，放熱速率大于散熱速率，熱量得以積累。局部反應(yīng)氣體溫度將逐漸升高，使反應(yīng)加速到熱爆炸的產(chǎn)生。局部反應(yīng)氣體溫度將逐漸升高，使反應(yīng)加速到熱爆炸的產(chǎn)生。因?yàn)橛涉湻磻?yīng)所引起的起始反應(yīng)的自動(dòng)加速，到由熱積累所引因?yàn)橛涉湻磻?yīng)所引起的起始反應(yīng)的自動(dòng)加速，到由熱積累所引起的自動(dòng)加溫，劃分不出兩者的界限，故稱為高溫單階段發(fā)火。起的自動(dòng)加溫，劃分不出兩者的界限，故稱為高溫單階段發(fā)火。熱爆炸僅是形成了火焰核心，只有當(dāng)它本身的反應(yīng)放熱量大于熱爆炸僅是形成了火焰核心，只有當(dāng)它本身的反應(yīng)放熱量大于它向周圍混合氣的散熱量時(shí)，它才能靠熱傳導(dǎo)和活性粒子的擴(kuò)它向周圍混合氣的散熱量時(shí)，它才能靠熱傳導(dǎo)和活性粒子的擴(kuò)散向外擴(kuò)展，形成穩(wěn)定的火源，到此才算著火完成。散向外擴(kuò)展，形成穩(wěn)定的火源，到此才算著火完成。以后的燃燒是由火焰核心向鄰近的均勻混合氣進(jìn)行火焰?zhèn)鞑?。以后的燃燒是由火焰核心向鄰近的均勻混合氣進(jìn)行火焰?zhèn)鞑?。即火焰由已燃部分向未燃部分逐漸推進(jìn)，使燃燒過程持續(xù)和擴(kuò)即火焰由已燃部分向未燃部分逐漸推進(jìn)，使燃燒過程持續(xù)和擴(kuò)展。展。第五節(jié)第五節(jié) 燃燒理論概述燃燒理論概述2.柴油機(jī)的低溫多階段自燃柴油機(jī)的低溫多階段自燃在在t1階段，反應(yīng)不明顯，氣缸壓力無明顯變化。階段，反應(yīng)不明