發(fā)動機原理》第三章燃料與燃燒

1、第三章 燃料與燃燒第一節(jié) 發(fā)動機的燃料燃料是發(fā)動機產(chǎn)生動力的來源?？梢哉f，發(fā)動機的生存與發(fā)展，汽油機與柴油機在結構與性能上的差異，對環(huán)境的污染等等，無不與燃料的種類和品質(zhì)有著密切的關系。發(fā)動機傳統(tǒng)的燃料是汽油與柴油，它們是石油的煉制品。石油的主要成分是碳、氫兩種元素，含量約占97%-98%，其它還有少量的硫、氧、氮等等。石油產(chǎn)品是以多種碳氫化合物的混合物的形式出現(xiàn)的，分子式為CnHm，通常稱為烴。根據(jù)烴分子中碳原子數(shù)的不同，可構成不同相對分子質(zhì)量、不同沸點的物質(zhì)。煉制汽油與柴油最簡便的方法是利用沸點不同直接進行分餾，依次得到石油氣-汽油-煤油-輕、重柴油-渣油（見表31）。表3l 烴分子中碳原

2、子數(shù)的影響C原子數(shù)沸點品種相對分子質(zhì)量理化性質(zhì)的變化趨勢質(zhì)量揮發(fā)性粘度化學安定性自燃性點燃性C1-C4常溫石油氣16-58輕易小好難易C5-C1150-200汽油95-120C11-C19180-300煤油100-180C16-C23250-360輕、重柴油180-200C23以上360以上渣油220-280重難大差易難在碳氫化合物分子中，碳、氫原子的數(shù)目和排列位置對燃料性能影響很大，表32為烴分子按化學結構的分類。表3-2 烴分子化學結構的分類續(xù)圖3-1為燃料中的不同成分對化學安定性的影響第二節(jié) 燃料的使用特性一、柴油柴油主要用于各類柴油機中，其中，輕柴油用于高速柴油機，重柴油用于中、低速柴

3、油機。我國生產(chǎn)的輕柴油，其規(guī)格由GB252-81規(guī)定。輕柴油的牌號接凝點不同分為10號、0號、-10號、-20號、35號五級，其凝點分別不高于10、0、10、-20和-35。凝點是指柴油失去流動性開始凝結的溫度。選用柴油時，應按最低環(huán)境溫度高出凝點5以上，即-20號柴油適用于最低環(huán)境溫度為-15的場合。我國輕柴油規(guī)格見表33。表33 輕柴油標準（GB252一81）注：1. 由含硫0.3%以上的原油制得的輕柴油，含硫量允許不大于0.5%；由含硫0.5%以上的原油制得的輕柴油，其硫含量允許不大于1%。由高含蠟原油生產(chǎn)得-35號輕柴油，粘度允許為1.8-3.0×10-6m2/s，閃點允許不

4、低于45。2. 由中間基原油生產(chǎn)或混有催化餾分的各種輕柴油十六烷值，允許不小于40。3. 軍用10、0、-10、-20號柴油，閃點不低于65。4. 十六烷值可委托有關單位定期測定。從表3-3看出，在輕柴油性能的各個項目中，可以分為：1）評價柴油自燃性的指標十六烷值。2）與燃燒完善程度及起動性能有密切關系的性質(zhì)一溜程。3）與燃料噴射有密切關系的性質(zhì)粘度。4）與柴油儲存、運送、使用有關的性質(zhì)閃點、凝點。5）與柴油機磨損腐蝕有關的性質(zhì)機械雜質(zhì)、水分、灰分、含硫量、酸度、水溶性酸和堿、殘?zhí)康鹊?。在選用燃料時，需兼顧上述項目的各個方面。在這里，只介紹對發(fā)動機性能有重大影響的幾項。1. 十六烷值十六烷值是

5、評定柴油自燃性好壞的指標。它與發(fā)動機的粗暴性及起動性均有密切關系。對于自燃性好的燃料，著火延遲時期短，在著火落后時期內(nèi)，氣缸中形成的混合氣少，著火后壓力升高速度低，工作柔和，這是柴油機所希望的。而且，對于自燃性好的燃料，冷起動性能亦隨之改善。測定柴油的十六烷值，是在特殊的單缸試驗機上按規(guī)定的條件進行。試驗時采用由十六烷和甲基萘混合制成的混合液，十六烷容易自燃，規(guī)定它的十六烷值為100，a甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定為0。當被測定柴油的自燃性與所配制的混合液的自燃性相同時，則混合液中十六烷的體積百分數(shù)就定為該種柴油的十六烷值。柴油的十六烷值與燃料的分子結構及分子量均有密切關系（圖31）。因此

6、，十六烷值是可以通過選擇原油種類、煉制方法及添加劑來予以控制的。一般直鏈烷徑比環(huán)烷烴的十六烷值高；在直鏈烷烴中分子量愈大，十六烷值愈。因此，盡管燃料的十六烷值高對于縮短滯燃期及改善冷起動有利，但增大十六烷值，將帶來燃料分子量加大，使油的蒸發(fā)性變差及粘度增加，導致排氣冒煙加劇及燃油經(jīng)濟性下降。例如，試驗表明十六烷值由55增加到75，油耗率可能增加78g（kw·h）。另外，柴油的十六烷值對于分開式燃燒室就不像對于開式燃燒室那么重要。因此。國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定在40-50之間，不必要過分增大。2. 餾程餾程表示柴油的蒸發(fā)性，用燃油餾出某一百分比的溫度范圍來表示。燃料餾出50%的溫度低，說

7、明這種燃料輕餾分多、蒸發(fā)快，有利于混合氣形成。90%和95%溜出溫度標志柴油中所含難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如果重餾分過多，在高速柴油機中來不及蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒不容易及時和完全。車用高速柴油機使用輕餾分柴油，但餾分太輕也不好，因為輕質(zhì)燃料容易蒸發(fā)，在著火前形成大量油氣混合氣，一旦著火壓力猛增，將使柴油機工作粗暴。3. 粘度粘度是燃料流動性的尺度，是表示燃料內(nèi)部摩擦力的物理特性。它影響柴油的噴霧質(zhì)量。當其它條件相同時，粘度越大，霧化后油滴的平均直徑也越大使燃油和空氣混合不均勻，燃燒不及時或不完全，燃油消耗率增加，排氣帶煙。噴油泵柱塞、噴油器的噴針都是靠燃油潤滑，所以柴油應具有一定的粘度。

8、一般輕柴油的運動粘度在20時為（2.58）×10-6m2/s。二、汽油國產(chǎn)車用汽油的性能見表3-4。表34 車用汽油的性能（GB484-89）允許用GB2432測定，仲裁試驗以GB6535為準。Pa（帕）是國際單位制壓強單位，1kPa=7.5mmHg。允許用GB509測定，仲裁試驗以GB8019為準。將試樣注入100mL玻璃量筒中觀察，應當透明，沒有懸浮和沉降的機械雜質(zhì)及水分。在有異議時，以GB511和GB260方法測定為準。影響汽油機性能的關鍵性指標主要是辛烷值和餾程等。1. 辛烷值辛烷值是表示汽油抗爆性的指標。在汽油機燃燒中，隨著壓縮比及氣缸內(nèi)氣體溫度的升高，可能出現(xiàn)一種不正常的

9、自燃現(xiàn)象，稱為爆震。其中，燃料的品質(zhì)是影響汽油機爆震的關鍵因素之一。當汽油的辛烷值高，則抗爆震的能力強。國產(chǎn)汽油是以辛烷值來標號的。測定燃料的辛烷值是在專門的試驗發(fā)動機上進行的。測定時，用容易爆震的正庚烷（辛烷值定為0和抗爆性好的異辛烷（2、2、4三甲基戊烷）（其辛烷值定為100）的混合液與被測定的汽油作比較。當混合液與被測汽油在專用的發(fā)動機上的抗爆程度相同時，則混合液中異辛烷含量的體積百分數(shù)就是被測定汽油的辛烷值。值得指出的是，評定車用汽油的抗爆性，可采用兩種試驗工況，分別稱為馬達法與研究法。各自的試驗條件見表35。對于同一種汽油，由于對辛烷值的試驗下況或標定方法不同，其數(shù)值是不一樣的。馬達

10、法規(guī)定的試驗轉(zhuǎn)速及進氣溫度比研究法高，所以用馬達法測定的辛烷值（MON）比研究法辛烷值（ROM）低。兩者的差值反映出燃料對發(fā)動機強化程度的敏感性。表3-5 測定辛烷值時的試驗條件（1）在大氣壓為101kPa時的標準值，按當時的氣壓修正，如98kPa時為43.9，103kPa時為56.1。同我國一樣，國外車用汽油分級均以辛烷值為依據(jù)（見表3-6）。近年來，美國認為用辛烷值指數(shù)ONI，即（RONMON）2來表征在各種道路行駛（工作情況）時的抗爆性能更合理，并將汽油按ONI分為85、87、89、91、93、95、97共七個等級。表 36 英、法、日、德汽油分級表汽油辛烷值的大小主要決定于汽油的組成情

11、況、煉制方法及添加劑等。辛烷值高低順序為烷烴烯烴環(huán)烷烴芳烴。我國7O號汽油含芳烴大約5%10%，而國外高辛烷值汽油的芳烴含量高達4O%。為了提高汽油的辛烷值，常使用抗爆添加劑，它是由四乙鉛Pb(C2H54和溴化乙烷（C2H4Br2）組成的混合物。在汽油中加入少量的乙基液可明顯地提高汽油的辛烷值。四乙鉛有毒，常限制使用。含有四乙鉛的汽油都用加色標明，以引起使用者的注意。2. 餾程和蒸氣壓餾程和蒸氣壓是評價汽油蒸發(fā)性的指標。汽油及其它石油產(chǎn)品是多種烴類的混合物，沒有一定的沸點，它隨著溫度的上升，按照餾分由輕到重逐次沸騰。汽油餾出溫度的范圍稱為餾程。汽油餾程用蒸餾儀（圖32）測定。將100mL試驗燃

12、料放在燒瓶中，加熱產(chǎn)生蒸氣，經(jīng)冷凝器燃料蒸氣凝結，滴入量筒內(nèi)。將第一滴凝結的燃料流入量筒時的溫度稱為初餾點。隨著溫度升高，依次測出對應油量的餾出溫度，將蒸餾所得的數(shù)據(jù)畫在以溫度和餾出百分數(shù)為坐標的圖上，就成為蒸餾曲線（圖3-3）。為了評價燃料的揮發(fā)性，以10%、50%和90%的餾出溫度作為幾個有代表意義的點。 （1）餾出10%的溫度 汽油餾出10%的溫度標志著它的起動性。如果10%餾出溫度較低，說明在發(fā)動機上使用這種燃料容易冷車起動。但是此溫度過低，在管路中輸送時受發(fā)動機溫度較高部位的加熱而變成蒸氣在管路中形成“氣阻”，使發(fā)動機斷火，影響它的正常運轉(zhuǎn)。（2）溜出50%的溫度 餾出50%的溫度標

13、志著汽油的平均蒸發(fā)性。它影響著發(fā)動機的暖車時間、加速性以及工作穩(wěn)定性。若此溫度較低，說明這種汽油的揮發(fā)性較好，在較低溫度下可以有大量的燃料揮發(fā)而與空氣混合，這樣可以縮短暖車時間，而且從較低負荷向較高負荷過渡時，能夠及時供應所需的混合氣。（3）溜出90%的溫度 餾出90%的溫度標志著燃料中含有難于揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量。當此溫度低時，燃料中所含的重質(zhì)成分少。進入氣缸中能夠完全揮發(fā)，有利于燃料過程的進行。此溫度過高，燃料中含有較多的重質(zhì)成分在氣缸中不易揮發(fā)而附著在氣缸壁上，燃燒容易形成積炭；或者沿著氣缸壁流入油底，稀釋機油，破壞軸承部位的潤滑。此外，飽和蒸氣壓的大小用以標志氣阻，而干點及殘留量等，也

14、都是分別說明燃料蒸發(fā)性質(zhì)的。三、汽油、柴油性能差異對發(fā)動機的影響發(fā)動機發(fā)展演變的過程與燃料工業(yè)的發(fā)展密切相關。發(fā)動機發(fā)展初期是以煤氣為燃料，因為在19世紀中葉，歐洲各大城市已使用煤氣照明，煤氣是當時比較容易得到的能源。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了熱值比煤氣高許多，而已蒸發(fā)性也很強的輕油燃料（汽油）。這時，汽油機的混合氣形成及點火方式都受到煤氣機的強烈影響。不過，提高汽油機性能受到不正常燃燒的限制，汽油機的壓縮比不高。為了擴大使用燃料的來源，有人曾利用廢氣熱量對重餾分油（柴油）進行加熱，促使其蒸發(fā)并與空氣混合后，再送入氣缸。在低壓縮比下用電火花點火，但這是不成功的。1893年，Diesel提出利用

15、高溫的壓縮空氣促使燃料著火；繼而，為克服柴油蒸發(fā)性差的缺點，采用氣力或機力向缸內(nèi)噴射的方式以形成混合氣，這便是20世紀初葉，柴油機出現(xiàn)的雛形。因此，從發(fā)動機發(fā)展的歷史看出，燃料品質(zhì)不同，是引起汽油機與柴油機在混合氣形成與燃燒方面差異的基本原因。1. 引起在混合氣形成上的差異與柴油相比，汽油揮發(fā)性強（從50開始餾出，至200左右蒸發(fā)完畢），因而可能在較低溫度下以較充裕的時間在氣缸外部進氣管中形成均勻的混合氣，因而控制混合氣的數(shù)量便能調(diào)書汽油機的功率。而柴油蒸發(fā)性差（200開始餾出，至350結束），但粘性比較好，不可能在低溫下形成油氣混合氣，但適宜用油泵油嘴向氣缸內(nèi)部噴油，靠調(diào)節(jié)供油量來調(diào)節(jié)員荷，

16、而吸入的空氣量基本上是不變的。2. 引起著火與燃燒上的差異汽油自燃溫度較高，但汽油蒸氣在外部引火條件下的溫度極低，閃而不宜壓燃但適宜外源點火；為促使有規(guī)律的燃燒，應防止其自燃（壓縮比不能高）；而且由于混合氣均勻，著火后，以火焰?zhèn)鞑サ姆绞较蚓鶆虻幕旌蠚庹归_。對干柴油，則利用其化學安定性差，易自燃的優(yōu)點，采用壓縮自燃的方式；為促進自燃，壓縮比不宜過低，柴油的噴射及與空氣的混合，既短暫又不均勻，常有隨噴隨燒的現(xiàn)象，因而使燃燒時間延長。四、醇類燃料隨著世界石油儲量日益減少，在發(fā)動機上使用代用燃料的趨勢正在加速。目前，發(fā)動機燃料多樣化的特點，為發(fā)動機的發(fā)展與改造帶來了新的推動力。發(fā)動機的代用燃料有醇類燃

17、料、人造汽油、氫燃料、煤漿燃料、植物油等等。用煤的液化生產(chǎn)人造汽油，在技術上是可行的，但成本較高；氫是今后很有前途的燃料，但氫的制取與儲運仍有待進一步解決；將煤粉與柴油摻合形成固液兩相的煤，在發(fā)動機上試驗已有成功的范例、但固體燃料在高速燃燒的發(fā)動機上應用，仍有燃燒不完全和積炭磨損的問題。這些都屬于探索性的代用燃料。當今比較成熟而且已經(jīng)實用的代用燃料，還是醇類與汽油摻合，稱為酒精汽油，這在一些國家已有廣泛應用。醇類燃料（例如甲醇和乙醇）來源廣泛，有較好的燃料特性（見表37），能滿足汽車燃料的基本要求。與汽油比較，它的特點是：1）醇類燃料的熱值低，但醇中含氧量大，所需的理論空氣量不到汽油的一半，所

18、以兩者的混合氣熱值都差不多，從而保證發(fā)動機動力性能不致降低。由于熱值低，酒精汽油的燃油消耗率比普通汽油高，不過熱效率并不比普通汽油低，而且其混合氣比汽油混合氣還稀。2）醇的汽化潛熱是汽油的三倍左右，混合燃料蒸發(fā)汽化，可以促使進氣溫度進一步降低，增加了充氣量，提高了功率。但困難的是，在使用中需予以強預熱。3）醇具有高的抗爆性能，加醇的混合汽油可提高燃料的辛烷值，這對提高汽油機的壓縮比極為有利。4）醇的沸點低，產(chǎn)生氣阻的傾向比汽油大，要采取相應的措施。5）在常溫下醇難溶于汽油，混合不勻的燃料使發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。為此，需要加入適量的助溶劑，以利于醇與汽油相互溶解。6）甲醇對視神經(jīng)有損傷作用，其混合燃

19、料有一定的毒性，在儲運及使用中要注意安全。另外，甲醇對金屬有一定的腐蝕作用，應采取防蝕措施。五、氣體燃料氣體燃料可分為天然氣（NG）、液化石油氣（LPG）及工業(yè)生產(chǎn)中的氣體燃料。天然氣是以自由狀態(tài)或與石油共生于自然界中的可燃氣體，它的主要成分是甲烷。液化石油氣是在石油煉制過程中產(chǎn)生的石油氣，主要成分是丙烷、丙烯等。在車輛上應用最多的氣體燃料是天然氣。世界上近年來天然氣燃料發(fā)展最快，已成為第三大支柱性能源。它用于汽車一般有兩種形式：一種是壓縮天然氣（CNG）。通常以20MPa壓縮儲存于高壓氣瓶中；另一種是液化天然氣（LNG），將天然氣以-162低溫液化儲存于隔熱的液化氣罐中。與壓縮天然氣相比，液

20、化天然氣具有能量密度高、儲運性好（它的液態(tài)密度僅為常態(tài)下氣體密度的1600）、行駛距離長等優(yōu)點，但需要有極低溫技術，儲運困難而且成本高等，將液化天然氣作為汽車燃料尚處于研究之中，當今廣泛應用的仍是壓縮天燃氣。天然氣的理化性質(zhì)見表3-7。由表可見，天然氣燃料具有如下優(yōu)點：表37 常用液體和氣體燃料的理化性質(zhì)l）天然氣的主要成分是甲烷，CO排放量少，未燃HC成分引起的光化學反應低，燃料中幾乎不含硫的成分，從全球環(huán)保的角度看，比電動汽車的SO2排放量要低。2）辛烷值高達130，可采用高壓縮比，獲得高的熱效率。3）燃燒下限寬，稀燃特性憂越，在廣泛的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，可降低NOx生成，進而也可提高熱效率。4）

21、由于是氣體燃料，低溫起動性及低溫運轉(zhuǎn)性能良好，進而在暖機過程中，不需要在使用液體燃料時所必要的額外供油，不完全燃燒成分少。5）天然氣燃料運用性好，可采用油氣雙燃料供應方式，也可采用電控混合氣或電控天然氣噴射方式工作。它適用于輕型車，也適用于柴油車。6）將天然氣應用于柴油車，固體微粒的排放率幾乎為0，（微粒排放是當今柴油車排放治理中突出的困難），從而達到低公害車的標準。天然氣燃料的缺點：1）因為在常溫、常壓下是氣體，儲運性能比液體燃料差。一次充氣行駛距離短，長途汽車應用有一定困難，但用于城市內(nèi)車輛是可行的，其實它比一次充電的電動機車的行駛距離要長得多。2）由于儲氣壓一般達20MPa高壓，使燃料容

22、器加重。3）由于呈氣體狀態(tài)吸入，使發(fā)動機體積效率降低，與液體燃料相比（如汽油），單位體積的混合氣熱值小，功率下降近10%?？傊?，天然氣燃料作為車輛上使用的一種新能源，由于它的有害排放低、成本低以及高 效率，可望在車用發(fā)動機跨世紀工程中得到廣泛應用。第三節(jié) 燃燒熱化學不管燃燒過程多么復雜，在燃燒分析中總需要提供有關燃料、空氣及其產(chǎn)物的一些基本數(shù)量關系。對于已知的燃料，各元素的含量是可以測得的，而空氣中氧化氮的比例又是一定的，按照完全燃燒的化學當量關系，很容易求出一些基本量，為發(fā)動機經(jīng)驗設計及調(diào)試提供依據(jù)。一、1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量燃油中的主要成分是碳（C）、氫（H）、氧（O），其它成

23、分數(shù)量很少，計算時可略去不計。若以質(zhì)量成分表示1kg燃料中各元素的含量，則gc+gh+go=1kg式中 gc、gh、go一1kg燃料的C、H、O的質(zhì)量成分另外，空氣中的主要元素是氧（O2）和氮（N2）。按體積計（即按物質(zhì)的量計），O2約占21%，N2約占79%；按質(zhì)量計，O2約占23%，N2約占77%。燃油中的C、H完全燃燒，其化學反應方程式分別是CO2CO2H2+1/2O2=H2O按照化學反應的當量關系，可求出1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量 （3-1）或 （3-2）幾種主要燃料的質(zhì)量成分及理論空氣量見表3-7。二、過量空氣系數(shù)在發(fā)動機中，實際提供的空氣量往往并不等于理論空氣量。燃燒1kg

24、燃料實際提供的空氣量L與理論上所需空氣量L0之比，稱為過量空氣系數(shù)。 （3-3）過量空氣系數(shù)與發(fā)動機類型、混合氣形成的方法、燃料的種類、工況（負荷與轉(zhuǎn)速）、功率調(diào)節(jié)的方法等因素有關。汽油機燃燒時用的是預先混合好的均勻混合氣，混合比只在狹小的范圍內(nèi)變化（=0.8-1.2）。當負荷變化時，略有變化，見圖3-4。柴油機負荷是靠質(zhì)調(diào)節(jié)的（即混合氣濃度調(diào)節(jié)），的變化范圍很大。由于混合氣形成不均勻，所以總是大于1的。一般車用高速柴油機，=1.2-1.6；增壓柴油機=1.8-2.2。與的概念相似，也有將燃燒時空氣量與燃料的比例直接用空燃比A/F表示的。 （3-4）對于汽油，化學當量（=1）的空燃比A/F=1

25、4.9。三、l時完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量1. 燃燒前混合氣的數(shù)量對于汽油機，燃燒前新鮮混合氣由空氣和燃料蒸氣組成，若燃料相對分子質(zhì)量為MrT，則1kg燃料形成的混合氣量（kmol/kg燃料）是對干柴油機是在壓縮終點向氣缸內(nèi)噴入液體狀態(tài)的燃料，體積不及空氣體積的 110000，可忽略不計，認為燃燒前的工質(zhì)是純空氣M1（kmol/kg燃料）M=L02. 燃燒產(chǎn)物的數(shù)量在>1的情況下，完全燃燒的產(chǎn)物是由CO2、H2O、剩余的O2及未參與反應的N2組成，即根據(jù)前面的化學反應方程式，很方便地求出M2（kmolkg燃料）。 四、燃料熱值與混合氣熱值1. 燃料熱值1kg燃料完全燃燒所放出的熱量，稱為燃料的熱

26、值。在高溫的燃燒產(chǎn)物中，水以蒸氣狀態(tài)存在，水的汽化潛熱不能利用。待溫度降低以后，水的汽化潛熱才能釋放出來。因此，水凝結以后計入水的汽化潛熱的熱值，稱為高熱值；在高溫下的，則為低熱值。內(nèi)燃機排氣溫度較高，水的汽化潛熱不能利用，因此應用低熱值。2. 混合氣熱值當氣缸工作容積和進氣條件一定時，每循環(huán)加給工質(zhì)的熱量取決于單位體積可燃混合氣的熱值，而不是決定于燃料的熱值?？扇蓟旌蠚獾臒嶂狄詋Jkmol或kJm3（標準）計。 1kg燃料形成可燃混合氣的數(shù)量為M1，它所產(chǎn)生的熱量是燃料的低熱值h。因此，單位數(shù)量可燃混合氣的熱值（kJ/kmol）是M1隨過量空氣系數(shù)而變，當=1時，燃料與空氣所形成的可燃混合氣

27、熱值稱為理論混合氣熱值。各主要燃料的低熱值及理論混合氣熱值見表 37。第四節(jié) 燃燒的基本知識正如前述，汽油與柴油都屬于多種碳氫化合物（烴）的混臺物。由于它們的相對分子質(zhì)量與分子結構不一樣，在物理化學性質(zhì)上有差異，足以在發(fā)動機的混合氣形成、著火與燃燒等方面引起許多質(zhì)的不同。因此，在了解汽油機、柴油機燃燒組織的經(jīng)驗規(guī)律之前，先從燃燒的基本知識出發(fā)，廠解它們之間存在著的差異，有益于對汽油機、柴油機燃燒過程的理解。一、著火過程燃燒是一種放熱的氧化反應?？扇蓟旌衔铮ㄈ剂吓c空氣的混合物）在發(fā)生明顯的光和火焰效應的燃燒之前，都有一個準備階段，即著火階段。所謂著火，是指混合氣自動地反應加速，并產(chǎn)生溫升，以致引

28、起空間某一位置或最終在某個時刻有火焰出現(xiàn)的過程。使可燃混合物著火的方法有兩種：自燃與點燃，前者是自發(fā)的，后者是強制的。1. 烴的氧化反應烴的氧化反應，可以寫成但這種反應式只是描述了過程的始末，而沒有涉及到它所經(jīng)歷的過程。實際的反應雖然很快，但仍要經(jīng)歷一系列極其復雜的中間反應過程。通過試驗研究和理論分析表明，可以用鏈鎖反應的機理來解釋這些中間反應過程。概括地說，烴的這種氧化反應需要經(jīng)歷鏈引發(fā)、鏈傳播及鏈中斷等過程。所謂鏈引發(fā)，是反應應物分子受到某種因素激發(fā)（譬如，受熱裂解、受光輻射作用等），分解成為自由原子或自由基，這件自由原子或自由基（如H、O、OH等等）具有很強的反應能力，成為反應中的活性中

29、心，使新的化學反應得以進行。所謂鏈的傳播，是指已生成的自由原子或自由基與反應物作用，一方面將反應推進一步，另一方面同時生成新的自由原子或自由基的過程。如果在每一步中間反應中，都是由一個活性中心與反應物作用產(chǎn)生一個新的活性中心，整個反應則是以恒定速度進行，這樣的反應稱為直鏈反應。如果由一個活性中心引起的反應，同時生成兩個以上的活性中心，這時，鍵就發(fā)生了分支，反應速度將急劇地增長，可達到極快的程度（鏈鎖爆炸），這種反應稱為支鏈反應。例如，一個自由H原子在一個分支的鏈鎖環(huán)節(jié)中生成了兩個H2O分子和三個H原子，就是這樣的例子。 HO2OHO2OH2H22H2O2H）OH2OHH_H+3H2+O22H2

30、O+3H快速燃燒或爆炸可看作是支鏈反應的結果。不過值得指出的是，不少烴的氧化反應是先通過直鏈反應，生成一個新的活性中心和某種過氧化物或高級醛的中間產(chǎn)物，然后再由過氧化物或高級醛引起新的支鏈反應。它的總反應速度比支鏈反應慢，但仍具有自動加速的特點，這種反應通常稱為退化的支鏈反應。像柴油機的著火過程，就是一種退化的支鏈反應。 在鏈鎖反應中，可能由于具有很大反應能力的自由原子或自由基與容器壁面或惰性氣體分子碰撞，使反應能力減小，不再引致反應，這就是鏈的中斷。每一次鏈的中斷都會引起總體反應速度減慢，以及減少反應繼續(xù)發(fā)展的可能性，在某些不利的場合下還可以使反應完全停止。實際上，這一系列時間極其短暫而且反

31、應十分復雜的中間過程，目前并沒有完全弄清楚。但是從觀測烴的反應過程，可以看出如下特點：1）在反應開始，有一段形成與積累活性中心的過程，這一段時間稱為誘導期（圖35中的i）。當活性中心積累到一定程度，反應速度便急劇增加。這個誘導期不僅是反應物的物性參數(shù)，還與反應開始的反應物濃度、溫度、容器的形狀與材料等有關。 2）即使反應物是處在低溫下，只要有某種原因能激發(fā)出活性中心，便能引起鏈鎖反應。也就是說，引起燃燒爆炸的原因并不一定是高溫。3）反應速度是自動加速的。在迅速反應的前階段（A-B），反應速度隨溫度而急劇增高；隨著反應物濃度減少，B-C段反應速度便迅速下降。4）在反應氣體中加入惰性氣體，將促使反

32、應速度降低。在加入某種添加劑以后，也可能使反應加速。2. 自燃所謂自燃，是指具有適當溫度、壓力的可燃混合氣，在沒有外都能量引入的情況下，依靠混合氣自身的反應自動加速，并自發(fā)地引起火焰的過程。早期，有人曾單純從熱力的觀點來解釋燃料的自燃，被稱為熱著火理論。該理論認為，自燃的原因在于熱量的積累，他們從簡單化學反應中兩個活性分子相互碰撞的機理出發(fā)，導出反應放出熱量的速度與溫度成指數(shù)關系，而系統(tǒng)向環(huán)境散熱的速度與溫度是一個線性關系。在著火過程中，只有當放熱速度散熱速度的時候，有了熱量積累，才可能著火。因此，著火的臨界條件應當是，反應放熱曲線與散熱曲線相切（圖3-6a）。反之，如果達不到這一條件，便不能

33、著火（圖3-6b、c、d）。用熱著火理論來分析著火條件，可知：1）著火溫度Tc不僅與可燃混合氣的物理化學性質(zhì)有關，而目與環(huán)境溫度、壓力、容器形狀及散熱情況等有關。即使同一種燃料，因條件不同，著火溫度也可能不同。2）臨界的溫度與壓力明顯地影響到著火區(qū)域。如圖37所示，在低壓時，要求很高的著火溫度，反之也是一樣。3）存在著一個可燃混合物著火的濃度上限（富油極限）與下限（貧油極限）。如圖3-8所示，隨著溫度、壓力升高，著火的濃度界限有所加寬；但溫度、壓力上升得再高，著火界限的加寬也是很有限的。另一方面，當溫度、壓力過低（低于臨界值），則無論在什么濃度下均不能著火。但是試驗表明烴燃料的著火區(qū)域并不完全

34、像圖3-7那樣變化，特別在低溫、低壓區(qū)，表現(xiàn)出與高溫完全不同的著火規(guī)律性。這種在低溫下特殊的著火規(guī)律，實際上就是退化支鏈反應引起的一種現(xiàn)象，通常稱為著火半島（圖3-9）。通過光譜分析發(fā)現(xiàn)，烴燃料低溫下著火需經(jīng)歷冷焰一藍焰一熱焰三個階段（圖310）。因為在較低溫度下，首先是自行緩慢氧化，形成過氧化物及乙醛（稱為冷焰誘導期1）。當過氧比物積累到臨界濃度，便以爆炸的形式分解出冷焰（冷焰期2），冷焰是過氧化物以一定速度分解的結果，冷焰的產(chǎn)物主要成分是甲醛，并釋放出少量熱量；當甲醛到達臨界濃度時，通過甲醛的支鏈反應便產(chǎn)生藍焰（藍焰期3），隨后將原來的碳氫化合物完全氧化。藍焰的輝光比冷焰強，其壓力及溫度也

35、比冷焰高，藍焰持續(xù)的時間短，在藍焰過程中生成的CO與氧結合，最終生成爆炸性的熱火焰，并釋放出大量熱量。在較高的溫度條件下，參與烴燃料反應的退化支鏈物質(zhì)主要是甲醛。這一階段的反應不經(jīng)過冷焰過程，而直接進入藍焰一熱焰的反應過程。由于這時藍、熱焰過程很難區(qū)分成兩個階段，所以統(tǒng)稱為高溫單階段著火（圖3-11）。應該指出，柴油機的自燃具有低溫多階段著火的特點。而且，汽油機中有一種不應有的自燃著火形式（稱為爆震），也是低溫多階段著火的結果。3. 點燃這里所說的點燃，是指利用電火花在可燃混合氣中產(chǎn)生火焰核心并因而引起火焰?zhèn)鞑サ倪^程。實際上，在火花點火之前，由于可燃混合氣受到壓縮使溫度升高，這時已有可以察覺得

36、出的緩慢氧化的先期反應現(xiàn)象。在火花點火以后，靠火花提供的能量，不僅使局部混合氣溫度進一步升高，而且引起了火花附近的混合氣電離，形成活性中心，促使化學反應明顯加速。隨著化學反應范圍的擴大以及反應程度加深，出現(xiàn)了明顯發(fā)熱、發(fā)光的小區(qū)域，這就是火焰核。為了使火花所產(chǎn)生的火焰成長起來，并使火焰確實開始傳播，必須對靠著火焰核的未燃部分供給充分的能量，這種能量來源，包括火花點火的能量以及反應開始后由化學反應本身所釋放出的能量。為了使點燃成功，必須使火花塞提供的放電能量大于某一個點火的最小能量，而這個點火最小能量受很多同素影響，如燃料的種類與濃度，空氣中氧的濃度壓力及溫度，點火處氣流的運動狀況，電火花的性質(zhì)

37、，電極的幾何形狀和距離等等。例如，電極的間隙與點火能量就有很大關系。如果電極間隙適中，需要的點火能量最小。如果間隙過小，無論點火能量有多大也不能著火，這個不能著火的最小距離，稱為熄火距離（圖312中的dmin）。另外，點火還直接受到混合氣濃度的限制，當混合氣過稀或過濃，無論點火能量有多大也不能著火，即有一個點燃的濃度界限。在某一適宜的濃度，需要的點火能量最小，正因為火焰核的形成，是局部混合氣吸收電火花能量后，經(jīng)化學反應過程的累積所致，所以這部分混合氣的組成和吸收火花能量情況的不同，以及氣流擾動對火焰核的干擾，使火焰核形成所用的時間不同。造成在實際汽油機的同一氣缸中，連續(xù)諸循環(huán)的情況不可能完全一

38、致，因而產(chǎn)生了燃燒的循環(huán)變動。這種燃燒不穩(wěn)定的情況，在汽油機低負荷及在稀薄混臺氣中尤為突出。二、在預混氣體中的火焰?zhèn)鞑ニ^預混氣體，是指在著火前將燃料蒸氣和空氣以一定比例預先混合好的氣體。在局部形成火焰核心之后，其余部分的燃燒過程實質(zhì)上就是火焰的預混氣體中傳播的過程?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮∪Q于預混合氣體的物理化學性質(zhì)、熱力狀態(tài)以及氣體的流動狀況。根據(jù)氣體流動的狀況，可分為層流火焰?zhèn)鞑ヅc索流火焰?zhèn)鞑?。l. 層流火焰?zhèn)鞑ピ陟o止或流速很低的預混氣體中，用電火花點燃混合氣而局部著火以后，火焰就會向四周傳播開來，形成一個球狀的火焰面（或稱為火焰前鋒）。在火焰面的前面是未燃的預混氣體，后面是溫度很高的已燃氣

39、體，在這稀薄的一層火焰面上進行著強烈的燃燒化學反應。這種層流火焰面的厚度只有十分之幾甚至百分之幾毫米。如果把這種火焰前鋒放大，則如圖3-13所示?；鹧婷婧穸鹊暮艽笠徊糠质腔瘜W反應速度很低的混合氣預熱區(qū)（以p表示），而化學反應主要集中在厚度很窄的化學反應區(qū)（以c表示）。經(jīng)過化學反應區(qū)以后，預混氣體的9598發(fā)生了化學變化。由于火焰面很窄，使其溫度與濃度的變化卻很大，因而在火焰面內(nèi)出現(xiàn)了極大的溫度梯度與濃度梯度，引起火焰中強烈的傳熱與傳質(zhì)。這又引起了鄰近混合氣的化學反應，造成火焰在空間的移動。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葀L很低，以汽油與空氣的預混氣體為例，vL=0.4-0.5m/s。因為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕?/p>

40、取決于預混氣體的理化性質(zhì)，所以混合氣成分對vL影響很大。試驗表明（圖3-14），在過量空氣系數(shù)=0.8-0.9時，反應溫度最高，vL最大；如果=1，vL下降10；=1.1，vL下降15%；當混合氣成分過稀或過濃，則反應溫度均過低，不能維持火焰?zhèn)鞑?。試驗還表明，火焰在管道中或在縫隙中傳播時，當管徑或縫隙尺寸減少至某一臨界尺寸，則火焰不能繼續(xù)傳播，該尺寸被你為淬熄直徑（或淬熄距離）。在火焰?zhèn)鞑サ娇拷蜏乇诿娴幕旌蠚鈺r，該層預混氣體也不能燃燒，這里燃燒室中生成未燃HC的重要原因之。2. 紊流火焰?zhèn)鞑ド厦嬲f到，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群艿?，與實際相差很大，因為在實際汽油機中，由于氣流的紊流運動可以大大加速火焰

41、傳播速度，此時vT=2070ms。在具有粘性的氣流運動中，當流速增加至一定的數(shù)值后，由于壁面邊界上的阻礙作用，或者由于外部擾動，在氣流內(nèi)部將形成許多渦旋。這些渦旋尺寸有大有小，往往大渦旋中包含著小渦旋，小渦旋中又包含著更小的渦旋，各種不同尺寸的渦旋組成了連續(xù)的渦旋譜。氣流中不同尺寸的渦旋呈不斷形成、發(fā)展、分解與消失的不穩(wěn)定的過程，這就是紊流。紊流在空間上與時間上做紊亂無秩序的變化，一方面具有隨機的性質(zhì)，另一方面仍具有準確的統(tǒng)計平均值，完全符合力學的規(guī)律。評定紊流運動常用以下兩項參數(shù)。（1）紊流尺度 可將其看成渦旋翻滾一個周期所作用的范圍。它可分為宏觀紊流與微觀紊流。看來，宏觀紊流決定著紊流主要

42、的力學性質(zhì)，而微觀紊流則在粘性的影響下將紊流能轉(zhuǎn)化為熱而消失。（2）紊流強度 它用脈動速度的均方根來表示，是與紊流的能量有關的值，它對紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔袕娏业挠绊憽?紊流究竟是如何強化燃燒，促進火焰?zhèn)鞑サ哪兀坑胁煌慕忉?，比較常見的理論是表面皺折理論。該理論認為，素流對火焰?zhèn)鞑サ拇龠M作用是由于下述三方面的原因所引起：1）宏觀素流的作用，使層流火焰前鋒產(chǎn)生了彎曲與皺折，增大了燃燒的表面積，但沒有改變層流火焰前鋒的基本結構（vL不變）。2）微觀素流雖然不會使火焰前鋒產(chǎn)生明顯的皺折，但有加強傳熱與傳質(zhì)的作用。因為紊流的導熱系數(shù)比層流導熱系數(shù)大100倍，而紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c導熱系數(shù)的平方根成正比所以隨

43、著通過預熱區(qū)與反應區(qū)的熱量及活性分子輸運能力的增強，加快了火焰?zhèn)鞑ァ?）提高素流的強度，將使火焰前鋒的表面皺折破裂，從而使已燃氣體與未然混合物迅速混合，縮短了反應時間，提高了燃燒放熱的速率。這時的燃燒速率與紊流強度成正比，而與混合氣的空燃比無關?？傊?，由于紊流的尺度與紊流強弱的程度不同，對火焰前鋒產(chǎn)生皺折的影響程度也不一樣，因此，最終對紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生了強烈的影響（圖3-15）。盡管目前對紊流火焰?zhèn)鞑サ臋C理還不完善，但從試驗研究及理論分析的結果表明：紊流火焰?zhèn)髡账俣扰c層流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌荒芸闯墒穷A混氣體的理化性質(zhì)；事實上，紊流的強弱及層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗@兩項對紊流火焰的影響都是基本的，

44、只是在強紊流的火焰中，紊流才會起到更主要的作用。三、油滴與噴霧燃燒油滴與噴霧燃燒是一種非預混的、不均勻的擴散型燃燒。譬如，柴油的蒸發(fā)性能比汽油差，因此，柴油不能像汽油那樣預先制備好均勻混合氣，它只能采用噴射與霧化的方法，將燃料粉碎成許許多多的細小油滴（這些霧狀油滴的集合體通常稱為噴霧），以擴大燃料蒸發(fā)的表面積，并在多個油滴的周圍形成若干局部的反應區(qū)。因此，燃料成分在空間的分布是很不均勻的。在理想的擴散火焰中，燃料和空氣中的氧是由一無限薄的反應區(qū)隔開。由于存在著成分上的濃度梯度，由燃料與氧分別向反應區(qū)擴散，引起化學反應。濃度梯度的擴散要受到流動、混合和熱交換等條件的影響。在這里，化學反應的速度要

45、比流動、擴散、混合的速度快得多，燃燒過程的進展主要受到擴散、流動、混合與熱交換的制約，這是擴散型燃燒不同于以火焰?zhèn)鞑樘卣鞯念A混燃燒的主要區(qū)別。應該注意到，氣液兩相的擴散燃燒，并不是液體燃料的直接燃燒。一般說，液體燃料的蒸發(fā)溫度通常比其著火溫度低得多。因此，液體燃料在著火前實際上已先蒸發(fā)了，在油滴表面上形成一層燃油蒸氣，而汽化了的燃料又同周圍的空氣進行擴散與混合，形成預混合氣。因此，液體燃料的燃燒，實質(zhì)上是燃油蒸氣和空氣的燃燒，是一種氣相性質(zhì)的燃燒過程，所以燃料的蒸發(fā)過程對液體燃燒起著決定性的作用。在研究噴霧燃燒時，雖然噴霧燃燒并不是單個油滴燃燒的簡單疊加，但是了解單油滴燃燒卻是研究噴霧燃燒的重要基礎。 l. 關于油滴的蒸發(fā)與燃燒首先分析一下在靜止環(huán)境中油滴蒸發(fā)與