第三章 發(fā)動機的燃料特性

1、南京航空航天大學金城學院車輛工程第三章 發(fā)動機的燃料特性南京航空航天大學金城學院車輛工程第一節(jié) 概述- “燃料與工質(zhì)燃料與工質(zhì)”對發(fā)動機的影響對發(fā)動機的影響 “燃料與工質(zhì)燃料與工質(zhì)”對發(fā)動機的影響對發(fā)動機的影響 燃料的理化特性燃料的理化特性 燃料的理化特性決定了內(nèi)燃機混合氣形成和著火方式，燃料的理化特性決定了內(nèi)燃機混合氣形成和著火方式，是造成內(nèi)燃機不同工作方式的決定因素。是造成內(nèi)燃機不同工作方式的決定因素。 工質(zhì)的熱力參數(shù)工質(zhì)的熱力參數(shù) 工質(zhì)的熱力參數(shù)對循環(huán)熱效率有巨大的影響，是決定工質(zhì)的熱力參數(shù)對循環(huán)熱效率有巨大的影響，是決定內(nèi)燃機動力性、經(jīng)濟性內(nèi)燃機動力性、經(jīng)濟性“質(zhì)質(zhì)”環(huán)節(jié)的重要因素；環(huán)

2、節(jié)的重要因素； 燃料的熱值燃料的熱值 燃料的熱值（尤其是混合氣熱值）、過量空燃系數(shù)、燃料的熱值（尤其是混合氣熱值）、過量空燃系數(shù)、化學計量比等問題，既是內(nèi)燃機原理的基礎(chǔ)之一，也是影化學計量比等問題，既是內(nèi)燃機原理的基礎(chǔ)之一，也是影響動力性和經(jīng)濟性的響動力性和經(jīng)濟性的“量量”環(huán)節(jié)的主要因素之一。環(huán)節(jié)的主要因素之一。南京航空航天大學金城學院車輛工程 常規(guī)燃料常規(guī)燃料石油制品的液體燃料，即汽油和柴油。石油制品的液體燃料，即汽油和柴油。 代用燃料代用燃料氣體、醇類、醚類、酯類（氣體、醇類、醚類、酯類（Alternative Alternative fuelsfuels）目的：替代能源、環(huán)保要求）目的：

3、替代能源、環(huán)保要求 液體：甲醇液體：甲醇CHCH3 3OHOH、乙醇、乙醇C C2 2H H5 5OHOH（可來自植物甘蔗）（可來自植物甘蔗） 二甲醚二甲醚CHCH3 3-O-CH-O-CH3 3、動植物燃料（菜子油）、動植物燃料（菜子油） 氣體：液化石油氣氣體：液化石油氣LPGLPG（丙烷、丁烯）、天然氣（丙烷、丁烯）、天然氣CNGCNG、 LNGLNG（甲烷）（甲烷） H H2 2、沼氣（、沼氣（CHCH4 4）、煤氣（）、煤氣（COCO） 固體：煤粉、水煤漿固體：煤粉、水煤漿 烴燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料（含氧生物燃烴燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料（含氧生物燃料）料）Oxygen

4、ates/Biomass Oxygenates/Biomass 趨勢：汽車燃料多元化趨勢：汽車燃料多元化 3-2燃料及其熱化學燃料及其熱化學 一、發(fā)動機燃料分類一、發(fā)動機燃料分類： 南京航空航天大學金城學院車輛工程 石油的主要成分是碳、氫兩種元素，含量約占石油的主要成分是碳、氫兩種元素，含量約占9798%，其它還有少量的硫、氧、氮等。其它還有少量的硫、氧、氮等。 石油產(chǎn)品以多種碳氫化合物的混合物形式出現(xiàn)，分子式石油產(chǎn)品以多種碳氫化合物的混合物形式出現(xiàn)，分子式為為CnHm，通常稱為烴。根據(jù)碳原子數(shù)的不同構(gòu)成不同，通常稱為烴。根據(jù)碳原子數(shù)的不同構(gòu)成不同相對分子質(zhì)量、不同沸點的物質(zhì)。相對分子質(zhì)量、不

5、同沸點的物質(zhì)。 利用沸點不同直接進行分餾，依次可得到石油氣利用沸點不同直接進行分餾，依次可得到石油氣-汽油汽油-煤油煤油-輕、重柴油輕、重柴油-渣油。渣油。南京航空航天大學金城學院車輛工程三三、汽油與柴油的使用特性、汽油與柴油的使用特性 1、柴油、柴油： 輕柴油用于車用高速柴油機，重柴油用于中、低速船用柴油機。輕柴油用于車用高速柴油機，重柴油用于中、低速船用柴油機。國標國標GB252-81GB252-81規(guī)定：輕柴油的牌號按規(guī)定：輕柴油的牌號按凝點凝點不同分為不同分為1010號、號、0 0號、號、-10-10號、號、-20-20號、號、-35-35號五級，凝點是指柴油失去流動性號五級，凝點是指

6、柴油失去流動性開始凝結(jié)的溫度，因此上述牌號含義是指其凝點分別不高于開始凝結(jié)的溫度，因此上述牌號含義是指其凝點分別不高于1010 C C、0 0 C C、-10 -10 C C、-20 -20 C C、-35 -35 C C。選用柴油牌號時，選用柴油牌號時，應(yīng)按發(fā)動機最低環(huán)境溫度高出其凝點應(yīng)按發(fā)動機最低環(huán)境溫度高出其凝點5 5 C C以上，例如，以上，例如，-20-20號柴油適用于最低環(huán)境溫度為號柴油適用于最低環(huán)境溫度為-15 -15 C C的場合。的場合。南京航空航天大學金城學院車輛工程 輕柴油的主要使用性能指標輕柴油的主要使用性能指標 1 1）十六烷值）十六烷值評定柴油自燃性好壞的指標。評定

7、柴油自燃性好壞的指標。十六烷值愈十六烷值愈高，燃料自燃性愈好，著火滯燃期愈短高，燃料自燃性愈好，著火滯燃期愈短，對空間霧化混合方式為，對空間霧化混合方式為主的直噴式柴油機來說，著火滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量愈主的直噴式柴油機來說，著火滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量愈少，初始放熱量愈小，氣缸內(nèi)壓力升高速率低，發(fā)動機工作柔和，少，初始放熱量愈小，氣缸內(nèi)壓力升高速率低，發(fā)動機工作柔和，燃燒噪音低。但燃燒噪音低。但增大十六烷值將增大十六烷值將帶來燃料分子量加大，使燃油的帶來燃料分子量加大，使燃油的蒸發(fā)性變差及粘度增加，蒸發(fā)性變差及粘度增加，導致排導致排南京航空航天大學金城學院車輛工程南京航空航天大學金

8、城學院車輛工程 3）化學成分：成分有化學成分：成分有C、H、O、N，C占占85%， 低熱值：低熱值： 1公斤燃油完全燃燒所放出的熱量稱為熱值。公斤燃油完全燃燒所放出的熱量稱為熱值。4250044000kj/kg自燃溫度：自行著火的最低溫度，以十六烷值來評價。以兩自燃溫度：自行著火的最低溫度，以十六烷值來評價。以兩種自然性能截然不同的標準燃料（正十六烷與種自然性能截然不同的標準燃料（正十六烷與 甲基萘）作甲基萘）作比較。常用柴油：十六烷值為比較。常用柴油：十六烷值為65以下，其值越高，滯燃期越以下，其值越高，滯燃期越短，利于冷啟動。短，利于冷啟動。2）低溫流動性：）低溫流動性： 當溫度降低時，柴

9、油含有的高分子烷烴當溫度降低時，柴油含有的高分子烷烴和水分開始出現(xiàn)結(jié)晶，呈半透明狀，其溫度為柴油和水分開始出現(xiàn)結(jié)晶，呈半透明狀，其溫度為柴油渾濁點渾濁點，當溫度在降低時，柴油完全凝結(jié)，此時溫度為當溫度在降低時，柴油完全凝結(jié)，此時溫度為凝點凝點以凝點以凝點來確定柴油標號。來確定柴油標號。南京航空航天大學金城學院車輛工程 餾程與燃燒完善程度及發(fā)動機起動性能有密切關(guān)系，餾程與燃燒完善程度及發(fā)動機起動性能有密切關(guān)系，如燃料餾出如燃料餾出50%50%的溫度愈低，說明這種燃料輕餾分多、的溫度愈低，說明這種燃料輕餾分多、蒸發(fā)快、有利于混合氣形成，蒸發(fā)快、有利于混合氣形成，發(fā)動機容易起動發(fā)動機容易起動。90%

10、90%和和95%95%餾出溫度愈高，說明燃料中重餾分過多，在高餾出溫度愈高，說明燃料中重餾分過多，在高速柴油機中來不及蒸發(fā)、形成可燃混合氣，燃燒不完速柴油機中來不及蒸發(fā)、形成可燃混合氣，燃燒不完全。因此車用高速柴油機使用輕餾分柴油，但餾分太全。因此車用高速柴油機使用輕餾分柴油，但餾分太輕也不好，輕也不好，可能著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量可能著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量太多，初始放熱多，發(fā)動機工作粗暴太多，初始放熱多，發(fā)動機工作粗暴。4）餾程）餾程表示柴油的的蒸發(fā)性，用燃油餾出某表示柴油的的蒸發(fā)性，用燃油餾出某百分比的溫度范圍表示。百分比的溫度范圍表示。南京航空航天大學金城學院車輛工程5

11、）粘度）粘度燃料流動性的尺度，與燃料噴射霧化有直接的燃料流動性的尺度，與燃料噴射霧化有直接的關(guān)系。顯然，粘度愈大，燃料噴射霧化特性愈差，燃關(guān)系。顯然，粘度愈大，燃料噴射霧化特性愈差，燃油和空氣的混合質(zhì)量愈差，燃燒不完全、油耗率增加、油和空氣的混合質(zhì)量愈差，燃燒不完全、油耗率增加、排氣冒黑煙。但粘度指標不能過低，因為噴油泵柱塞排氣冒黑煙。但粘度指標不能過低，因為噴油泵柱塞偶件、噴油器針閥偶件等均需燃料潤滑，否則，偶件偶件、噴油器針閥偶件等均需燃料潤滑，否則，偶件易咬死，噴射油壓偏低。易咬死，噴射油壓偏低。6）凝點）凝點柴油牌號規(guī)定依據(jù)。柴油牌號規(guī)定依據(jù)。南京航空航天大學金城學院車輛工程辛烷值辛烷

12、值表示汽油抗暴性的指標。辛烷值愈高，抗暴性愈表示汽油抗暴性的指標。辛烷值愈高，抗暴性愈好，發(fā)動機的壓縮比可以選擇的愈高。好，發(fā)動機的壓縮比可以選擇的愈高。 測定汽油辛烷值是在專門的試驗發(fā)動機上進行的。按一測定汽油辛烷值是在專門的試驗發(fā)動機上進行的。按一定的試驗條件，定的試驗條件，試驗時采用正庚烷（值為試驗時采用正庚烷（值為0）和）和異辛烷（值異辛烷（值為為100）的混合液，當測定汽油與）的混合液，當測定汽油與x%（體積）異辛烷配置（體積）異辛烷配置的混合液在專用發(fā)動機上爆震強度相同時，待測汽油的辛的混合液在專用發(fā)動機上爆震強度相同時，待測汽油的辛烷值就是烷值就是x。 按試驗條件不同可分為馬達法

13、（按試驗條件不同可分為馬達法（MON）和研究法（）和研究法（RON）。）。馬達法試驗轉(zhuǎn)速和進氣溫度較高，容易爆震，因此用馬達馬達法試驗轉(zhuǎn)速和進氣溫度較高，容易爆震，因此用馬達法測定的辛烷值比研究法低。我國用法測定的辛烷值比研究法低。我國用研究法研究法，美國用辛烷，美國用辛烷值指數(shù)（值指數(shù)（RON+MON）/2）。）。2、汽油、汽油汽油的主要使用性能指標是辛烷值和餾程等。國產(chǎn)汽油牌汽油的主要使用性能指標是辛烷值和餾程等。國產(chǎn)汽油牌號是以號是以汽油的辛烷值汽油的辛烷值來標號的。來標號的。1）抗暴性）抗暴性南京航空航天大學金城學院車輛工程辛烷值的高低順序是烷烴辛烷值的高低順序是烷烴 烯烴烯烴 煥烷烴

14、煥烷烴 芳烴，柴油主要成分芳烴，柴油主要成分是直鏈式烷烴，抗暴性能差，辛烷值低；國內(nèi)汽油主要成分是直鏈式烷烴，抗暴性能差，辛烷值低；國內(nèi)汽油主要成分是烷烴，抗暴性較好，辛烷值較高；國外汽油含芳烴成分遠是烷烴，抗暴性較好，辛烷值較高；國外汽油含芳烴成分遠高于國內(nèi)汽油，因此抗暴性好，辛烷值高。高于國內(nèi)汽油，因此抗暴性好，辛烷值高。2）揮發(fā)性）揮發(fā)性餾程和蒸氣壓餾程和蒸氣壓評價汽油蒸發(fā)性好壞的指標。評價汽油蒸發(fā)性好壞的指標。 汽油及其它石油產(chǎn)品是多種烴類的混合物，各有自己的沸點，汽油及其它石油產(chǎn)品是多種烴類的混合物，各有自己的沸點，隨著溫度升高，按照餾分由輕到重逐次沸騰，因此可利用蒸隨著溫度升高，按

15、照餾分由輕到重逐次沸騰，因此可利用蒸餾儀測定汽油餾程。通常以餾儀測定汽油餾程。通常以10%10%、50%50%和和90%90%的餾出溫度作為的餾出溫度作為評定指標：評定指標：南京航空航天大學金城學院車輛工程a a） 10%10%餾出溫度餾出溫度標志著發(fā)動機的冷起動性。但是太標志著發(fā)動機的冷起動性。但是太低會導致汽油在管路輸送過程中因高溫零件壁面加低會導致汽油在管路輸送過程中因高溫零件壁面加熱而變成蒸氣，在管路中形成熱而變成蒸氣，在管路中形成“氣阻氣阻”，使發(fā)動機，使發(fā)動機功率下降，甚至熄火。功率下降，甚至熄火。b b） 50%50%餾出溫度餾出溫度標志著汽油的平均蒸發(fā)性，影響標志著汽油的平均蒸

16、發(fā)性，影響發(fā)動機暖車時間、加速性以及工作穩(wěn)定性。希望此發(fā)動機暖車時間、加速性以及工作穩(wěn)定性。希望此溫度較低。溫度較低。南京航空航天大學金城學院車輛工程c） 90%餾出溫度餾出溫度標志著燃料中難于揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量。標志著燃料中難于揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量。此溫度愈高，燃料中重質(zhì)成分愈多，在氣缸中因不易揮發(fā)而此溫度愈高，燃料中重質(zhì)成分愈多，在氣缸中因不易揮發(fā)而附著在氣缸壁上，附著在氣缸壁上，容易造成冒煙、積碳、稀釋機油容易造成冒煙、積碳、稀釋機油（油底殼（油底殼內(nèi)機油油面反而上升）（油品不好的典型例子）內(nèi)機油油面反而上升）（油品不好的典型例子）南京航空航天大學金城學院車輛工程汽油與柴油組分的差異汽

17、油與柴油組分的差異南京航空航天大學金城學院車輛工程（1 1）自燃性不用點燃而自動著火的性能 化學穩(wěn)定性的好壞決定了自燃性能： 高C C 低C C，正烴 異烴 環(huán)烴 芳香烴 自燃性對柴油尤其重要，自燃性差，則起動性差，工作粗暴。 十六烷值是評價柴油自燃性好壞的指標 比較基準：正十六烷C C1616H H3434 甲基萘C C1111H H1010 對汽油來說最重要的是辛烷值，即希望自燃性差，抗爆性好 比較基準：正庚烷C C7 7H H1616 異辛烷C C8 8H H1818 汽、柴油主要理化特性的差別南京航空航天大學金城學院車輛工程（3 3）熱值）熱值能量密度能量密度 燃料的熱值由燃料的熱值由

18、C/HC/H比決定比決定, ,由于由于H H比比C C的熱值高（約的熱值高（約3.7:13.7:1）, , 汽油與柴油優(yōu)于其它代用燃料的關(guān)鍵之一汽油與柴油優(yōu)于其它代用燃料的關(guān)鍵之一 但就單位質(zhì)量來看，但就單位質(zhì)量來看，H H燃燒所需要燃燒所需要O O（空氣）多（約是（空氣）多（約是C C的的3 3倍），倍）， 因而：理論混合氣熱值因而：理論混合氣熱值 汽汽= =柴柴 注：若實際中考慮，汽油在注：若實際中考慮，汽油在a a=1=1、柴油在、柴油在a a1.21.2工作，工作， 則有可能混合氣熱值汽則有可能混合氣熱值汽 柴柴（2 2）揮發(fā)性）揮發(fā)性液體燃料氣化的難易程度液體燃料氣化的難易程度 一般

19、用餾程評價揮發(fā)性能：一般用餾程評價揮發(fā)性能： C C原子數(shù)越大、分子越大，蒸發(fā)越難，物理穩(wěn)定性越好。原子數(shù)越大、分子越大，蒸發(fā)越難，物理穩(wěn)定性越好。 汽油：物理穩(wěn)性差，易揮發(fā)，所以用預制均予混合方汽油：物理穩(wěn)性差，易揮發(fā)，所以用預制均予混合方式燃燒式燃燒 柴油：物理穩(wěn)性好，不易揮發(fā)，所以用高壓噴油霧化柴油：物理穩(wěn)性好，不易揮發(fā)，所以用高壓噴油霧化 南京航空航天大學金城學院車輛工程2 2、著火與燃燒方式的不同、著火與燃燒方式的不同a a）汽油自燃溫度高，但汽油蒸氣在外部引火條件下的溫度低，）汽油自燃溫度高，但汽油蒸氣在外部引火條件下的溫度低，適宜于外源點火。由于混合均勻，單點著火后，以較低的層適

20、宜于外源點火。由于混合均勻，單點著火后，以較低的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葌鞑ィ蚨ぷ魅岷?。流火焰?zhèn)鞑ニ俣葌鞑?，因而工作柔和。b b）柴油自燃溫度低，采用壓縮自燃的方式，多點爆炸性燃燒，）柴油自燃溫度低，采用壓縮自燃的方式，多點爆炸性燃燒，工作粗暴。邊噴射、邊混合、邊燃燒、相互重疊的特點，使工作粗暴。邊噴射、邊混合、邊燃燒、相互重疊的特點，使得燃燒過程惡化，易冒煙，微粒排放多，燃燒時間長。得燃燒過程惡化，易冒煙，微粒排放多，燃燒時間長。四、汽油、柴油性能差異對發(fā)動機的影響四、汽油、柴油性能差異對發(fā)動機的影響1 1、混合氣形成方式不同、混合氣形成方式不同a a）汽油揮發(fā)性強，可）汽油揮發(fā)性強，可 在氣缸

21、外部化油器內(nèi)低溫環(huán)境下形在氣缸外部化油器內(nèi)低溫環(huán)境下形成均勻可燃混合氣。成均勻可燃混合氣。b b）柴油蒸發(fā)性差，但粘度大，適宜于用高壓噴油嘴向氣）柴油蒸發(fā)性差，但粘度大，適宜于用高壓噴油嘴向氣缸內(nèi)部燃燒室內(nèi)噴射霧化，形成不均勻混合氣。缸內(nèi)部燃燒室內(nèi)噴射霧化，形成不均勻混合氣。南京航空航天大學金城學院車輛工程3、功率調(diào)節(jié)方式不同： 預混合，汽油機靠量調(diào)節(jié)， a a基本保持不變，量調(diào)節(jié)（質(zhì)不變） 柴油機靠質(zhì)調(diào)節(jié)，循環(huán)空氣量不變，a a變化（11），質(zhì)調(diào)節(jié)。南京航空航天大學金城學院車輛工程 五、醇類燃料五、醇類燃料甲醇、乙醇。甲醇、乙醇。80年代初的研究，汽油機。年代初的研究，汽油機?？尚行裕喝〈?/p>

22、油是立項前提，來之容易使其實用性強。可行性：取代汽油是立項前提，來之容易使其實用性強。1 1）醇類燃料的熱值雖低醇類燃料的熱值雖低，但由于醇中含氧量大，理論所需空，但由于醇中含氧量大，理論所需空氣量不到汽油的氣量不到汽油的1/21/2，因此，因此，混合氣熱值與汽油相當。保證發(fā)混合氣熱值與汽油相當。保證發(fā)動機動力性能不下降，但油耗率略有上升動機動力性能不下降，但油耗率略有上升。2 2）醇類燃料具有高的抗暴性能，因此壓縮比可提高醇類燃料具有高的抗暴性能，因此壓縮比可提高。3 3）醇類燃料的汽化潛熱是汽油的三倍左右，有利的一面是可）醇類燃料的汽化潛熱是汽油的三倍左右，有利的一面是可降低進氣溫度，增加

23、了進氣量，提高了發(fā)動機功率，不利的一降低進氣溫度，增加了進氣量，提高了發(fā)動機功率，不利的一面是面是容易在化油器喉管處結(jié)冰，使用中需要電加熱容易在化油器喉管處結(jié)冰，使用中需要電加熱。南京航空航天大學金城學院車輛工程困難：困難：1 1）醇類燃料的沸點低，容易造成氣阻，需采取相應(yīng)措施。）醇類燃料的沸點低，容易造成氣阻，需采取相應(yīng)措施。2 2）常溫下難溶于汽油，混合不均勻的發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。）常溫下難溶于汽油，混合不均勻的發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。需加入適當助溶劑。需加入適當助溶劑。3 3）甲醇對視神經(jīng)有損傷作用，對金屬有一定的腐蝕作用。）甲醇對視神經(jīng)有損傷作用，對金屬有一定的腐蝕作用。南京航空航天大學金城學

24、院車輛工程 六、六、氣體燃料氣體燃料為城市交通綠色環(huán)保要求產(chǎn)生。為城市交通綠色環(huán)保要求產(chǎn)生。早期內(nèi)燃機就使用氣體燃料早期內(nèi)燃機就使用氣體燃料煤氣，石油工業(yè)革命后液體燃料煤氣，石油工業(yè)革命后液體燃料的使用，大大推進了內(nèi)燃機的發(fā)展。的使用，大大推進了內(nèi)燃機的發(fā)展。現(xiàn)代氣體燃料可分為天然氣（現(xiàn)代氣體燃料可分為天然氣（NG）、液化石油氣（）、液化石油氣（LPG）等。天然氣是以自由狀態(tài)或與石油共生的可燃氣體，主要成等。天然氣是以自由狀態(tài)或與石油共生的可燃氣體，主要成分為甲烷。液化石油氣是石油煉制過程中產(chǎn)生的石油氣，主分為甲烷。液化石油氣是石油煉制過程中產(chǎn)生的石油氣，主要成分是丙烷、丙烯等。要成分是丙烷、

25、丙烯等。汽車上應(yīng)用最多的是天然氣，兩種應(yīng)用形式：汽車上應(yīng)用最多的是天然氣，兩種應(yīng)用形式：1）壓縮天然）壓縮天然氣（氣（CNG），通常以），通常以20MPa壓縮儲存在高壓氣瓶中壓縮儲存在高壓氣瓶中.2）液化天然氣（）液化天然氣（LNG），以），以-162 C低溫液化儲存于隔熱的低溫液化儲存于隔熱的液化氣罐中。液化石油氣需要極低溫技術(shù)，儲運困難，成本液化氣罐中。液化石油氣需要極低溫技術(shù)，儲運困難，成本高，但由于能量密度大、行駛距離長等，處于研究中。常用高，但由于能量密度大、行駛距離長等，處于研究中。常用壓縮天然氣。壓縮天然氣。南京航空航天大學金城學院車輛工程 可行性：排放低是立項前提，發(fā)動機改造成

26、本低、高效率使可行性：排放低是立項前提，發(fā)動機改造成本低、高效率使其實用性強。其實用性強。 1）主要成分是甲烷，）主要成分是甲烷，CO排放量少，未燃排放量少，未燃HC成分引起的光化成分引起的光化學反應(yīng)低，由于幾乎不含硫，因此學反應(yīng)低，由于幾乎不含硫，因此SO2排放量比電動汽車還低。排放量比電動汽車還低。 2）辛烷值高達）辛烷值高達130，可采用高壓縮比，熱效率高。，可采用高壓縮比，熱效率高。 3）可燃燒稀薄混合氣，）可燃燒稀薄混合氣，NOx排放量少。排放量少。 4）由于是氣體燃料，低溫起動性及低溫運轉(zhuǎn)性能好，暖機不）由于是氣體燃料，低溫起動性及低溫運轉(zhuǎn)性能好，暖機不需額外加油，燃燒較完全。需額

27、外加油，燃燒較完全。 5）天然氣燃料適應(yīng)性好。可采用油氣雙燃料供應(yīng)方式，也可）天然氣燃料適應(yīng)性好?？刹捎糜蜌怆p燃料供應(yīng)方式，也可采用電控混合氣或電控天然氣噴射方式工作。可用于汽油機，采用電控混合氣或電控天然氣噴射方式工作。可用于汽油機，也可用于柴油機。也可用于柴油機。 6）用于柴油機時，固體微粒排放率幾乎為零，是城市公交車）用于柴油機時，固體微粒排放率幾乎為零，是城市公交車消滅黑煙尾巴的一大措施。消滅黑煙尾巴的一大措施。南京航空航天大學金城學院車輛工程 困難：困難： 1）由于是氣體燃料，因此，一次充氣行駛距離短，）由于是氣體燃料，因此，一次充氣行駛距離短，但比電動汽車行駛距離長。但比電動汽車行

28、駛距離長。 2）高壓氣瓶較重，空間布置困難。）高壓氣瓶較重，空間布置困難。 3）天然氣流量控制要求精確，技術(shù)上有難度，國內(nèi)）天然氣流量控制要求精確，技術(shù)上有難度，國內(nèi)一般用國外進口流量控制閥。一般用國外進口流量控制閥。 4）由于燃料呈氣態(tài)吸入，充氣效率降低，加上單位）由于燃料呈氣態(tài)吸入，充氣效率降低，加上單位體積的混合氣熱值小，發(fā)動機功率下降體積的混合氣熱值小，發(fā)動機功率下降10%左右。左右。南京航空航天大學金城學院車輛工程下面分析1kg燃料完全燃燒所需理論空氣量 碳氫燃料在空氣中完全燃燒反應(yīng)式如下： 1、完全燃燒所需理論空氣量：、完全燃燒所需理論空氣量： 空氣的組成若為：氧氣占20.95，其

29、他則空氣中其他氣體和氧氣的體積比為：773. 32095. 02095. 0122222)24(773. 32)773. 3)(24(NohcOHhcCONOohcOHCohcmolohc)24(1mol南京航空航天大學金城學院車輛工程1kg燃料完全燃燒所需理論空氣量 ： ohcohcohcohcl1612)24(41.341612)28773. 332()24(0化學空燃比化學空燃比：當燃料在空氣中燃燒時，一定質(zhì)量空氣中：當燃料在空氣中燃燒時，一定質(zhì)量空氣中的氧剛好使一定質(zhì)量的燃料完全燃燒，將碳氫燃料中的氧剛好使一定質(zhì)量的燃料完全燃燒，將碳氫燃料中所有的碳、氫完全氧化成二氧化碳和水，則此時的

30、空所有的碳、氫完全氧化成二氧化碳和水，則此時的空氣和燃料的質(zhì)量比稱為該燃料燃燒的化學空燃比。氣和燃料的質(zhì)量比稱為該燃料燃燒的化學空燃比。 南京航空航天大學金城學院車輛工程ohccgc161212ohcHgH1612ohcogO161216 由于燃料為碳氫化合物的混合物，難于準確的確定C、H、O的原子數(shù)，而三者含量的質(zhì)量比是可得到的，記為gC、gH、gO。因而： 帶入上式可得：)83(41.340ohcgggl“質(zhì)量化學計量比” 用摩爾體積表示： 稱之為“摩爾化學計量比”（Stoichiometric ratio） 汽油： l0=14.796kg/kg L0=0.513mol/kg 柴油： l0

31、=14.297kg/kg L0=0.492mol/kgkgkmolgggLoHc/)83(193. 10南京航空航天大學金城學院車輛工程 2.2.不完全燃燒不完全燃燒 當空氣量小于l0時，燃料不完全燃燒，會形成CO、HC等不完全燃燒產(chǎn)物，需用化學平衡及化學動力學方法計算確定. 3.3. 殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù) 殘余廢氣系數(shù)r是進氣過程結(jié)束時，缸內(nèi)的殘余廢氣量與新鮮充量的質(zhì)量比。 r= mr/ m1 式中，mr每循環(huán)每缸的殘余廢氣質(zhì)量； m1每循環(huán)每缸的新鮮充量質(zhì)量； 一般機型無EGR的r值范圍如下： 汽油機0.060.16， 柴油機0.030.06， 增壓柴油機0.000.03。 汽油機r偏

32、高是因為小，和低負荷時進氣節(jié)流強使新鮮充量下降; 增壓柴油機r小是因為掃氣效果強。 南京航空航天大學金城學院車輛工程4、燃料熱值、燃料熱值燃料熱值燃料熱值1 kg燃料完全燃燒所放出得熱量，稱為燃料燃料完全燃燒所放出得熱量，稱為燃料的熱值。由于水蒸氣只能在溫度降低后才能釋放出來，的熱值。由于水蒸氣只能在溫度降低后才能釋放出來，因此在內(nèi)燃機很高的排氣溫度條件下只能考慮燃料的因此在內(nèi)燃機很高的排氣溫度條件下只能考慮燃料的低熱值。低熱值。南京航空航天大學金城學院車輛工程燃燒包括：著火和燃燒兩部分。燃燒包括：著火和燃燒兩部分。燃燒是指燃料與氧化劑進行劇烈放熱的氧化反應(yīng)過程。燃燒是指燃料與氧化劑進行劇烈放

33、熱的氧化反應(yīng)過程。著火是指混合氣自動地反應(yīng)加速，并產(chǎn)生溫升，以致引起空著火是指混合氣自動地反應(yīng)加速，并產(chǎn)生溫升，以致引起空間某一位置或最終在某個時刻有火焰出現(xiàn)的過程。間某一位置或最終在某個時刻有火焰出現(xiàn)的過程。著火的方式有：自燃和點燃著火的方式有：自燃和點燃南京航空航天大學金城學院車輛工程一、鏈式著火理論一、鏈式著火理論 鏈式著火理論認為：高溫并不是引起著火的唯一原鏈式著火理論認為：高溫并不是引起著火的唯一原因，只要以某種方式（如輻射、電離）激發(fā)出活性中心就因，只要以某種方式（如輻射、電離）激發(fā)出活性中心就能引起著火，反應(yīng)物分子受激后首先產(chǎn)生活性中心，燃燒能引起著火，反應(yīng)物分子受激后首先產(chǎn)生活

34、性中心，燃燒通過鏈式反應(yīng)產(chǎn)生著火。通過鏈式反應(yīng)產(chǎn)生著火。鏈式反應(yīng)的分類：鏈式反應(yīng)的分類：a a）直鏈反應(yīng)：一個活性中心進行一次反應(yīng)只產(chǎn)生一個新的）直鏈反應(yīng)：一個活性中心進行一次反應(yīng)只產(chǎn)生一個新的活性中心，即整個反應(yīng)以恒定的速度反應(yīng)。活性中心，即整個反應(yīng)以恒定的速度反應(yīng)。c c）退化支鏈反應(yīng)：一個活性中心通過直鏈反應(yīng)產(chǎn)生一個新的）退化支鏈反應(yīng)：一個活性中心通過直鏈反應(yīng)產(chǎn)生一個新的活性中心和過氧化物，過氧化物分解時引起新的支鏈反應(yīng)，活性中心和過氧化物，過氧化物分解時引起新的支鏈反應(yīng)，所以其反應(yīng)總比支鏈反應(yīng)慢。所以其反應(yīng)總比支鏈反應(yīng)慢。b b）支鏈反應(yīng)：一個活性中心進行一次反應(yīng)只產(chǎn)生兩個以上）支鏈反

35、應(yīng)：一個活性中心進行一次反應(yīng)只產(chǎn)生兩個以上新的活性中心，即整個反應(yīng)是加速反應(yīng)。新的活性中心，即整個反應(yīng)是加速反應(yīng)。d d）斷鏈反應(yīng)：當活性中心與容器壁面或惰性氣體分子碰撞時，）斷鏈反應(yīng)：當活性中心與容器壁面或惰性氣體分子碰撞時，其活化能被吸收，導致反應(yīng)中斷。其活化能被吸收，導致反應(yīng)中斷。南京航空航天大學金城學院車輛工程 為滯燃期i 觀測烴的反應(yīng)過程，具有如下特點：觀測烴的反應(yīng)過程，具有如下特點： 1）在反應(yīng)開始，有一段形成與積累）在反應(yīng)開始，有一段形成與積累活性中心活性中心的過程，的過程，當當活活性中心性中心積累到一定程度，反應(yīng)速度便急劇增加。積累到一定程度，反應(yīng)速度便急劇增加。 2）反應(yīng)物在

36、低溫下也可能因某種原因能激發(fā)出）反應(yīng)物在低溫下也可能因某種原因能激發(fā)出活性中心活性中心，便能引起便能引起鏈鎖反應(yīng)鏈鎖反應(yīng)。因此，引起燃燒爆炸的原因不一定是。因此，引起燃燒爆炸的原因不一定是高溫。高溫。 3）反應(yīng)速度是自動加速的。）反應(yīng)速度是自動加速的。 4）在反應(yīng)氣體中加入惰性氣體，將促使反應(yīng)速度降低。）在反應(yīng)氣體中加入惰性氣體，將促使反應(yīng)速度降低。南京航空航天大學金城學院車輛工程 試驗研究表明，烴燃料的著火區(qū)域在低溫階段呈現(xiàn)試驗研究表明，烴燃料的著火區(qū)域在低溫階段呈現(xiàn)出于高溫階段完全不同的著火規(guī)律性，這種低溫下特殊出于高溫階段完全不同的著火規(guī)律性，這種低溫下特殊的著火規(guī)律，實際上就是的著火規(guī)

37、律，實際上就是退化支鏈反應(yīng)退化支鏈反應(yīng)引起的一種現(xiàn)象，引起的一種現(xiàn)象，通常稱為通常稱為著火半島著火半島。通過。通過光譜分析光譜分析發(fā)現(xiàn)，烴燃料發(fā)現(xiàn)，烴燃料低溫低溫下下著火需經(jīng)歷著火需經(jīng)歷冷焰冷焰藍焰藍焰熱焰熱焰三個階段。三個階段。二、烴燃料的鏈式反應(yīng)著火二、烴燃料的鏈式反應(yīng)著火低溫多階段著火低溫多階段著火南京航空航天大學金城學院車輛工程a）冷焰誘導階段：低溫條件下烴分子不能熱裂解，只能產(chǎn)生）冷焰誘導階段：低溫條件下烴分子不能熱裂解，只能產(chǎn)生直鏈反應(yīng)，與氧分子發(fā)生不完全氧化，形成過氧化物和乙醛，直鏈反應(yīng)，與氧分子發(fā)生不完全氧化，形成過氧化物和乙醛，該階段釋放的能量極少，所以該階段釋放的能量極少，

38、所以p、T變化不大。變化不大。b）冷焰階段：當過氧化物積累到臨界濃度時，分解出甲醛，）冷焰階段：當過氧化物積累到臨界濃度時，分解出甲醛，使混合其發(fā)出冷焰，使混合其發(fā)出冷焰，p、T均有所提高。均有所提高。c）藍焰階段：由甲醛的支鏈反應(yīng)產(chǎn)生）藍焰階段：由甲醛的支鏈反應(yīng)產(chǎn)生CO，并發(fā)出藍色的光，并發(fā)出藍色的光，p、T進一步提高。此階段時間較短，積累的活化中心和進一步提高。此階段時間較短，積累的活化中心和CO達到一定的濃度，溫度升高一定程度后反應(yīng)明顯加速，釋放達到一定的濃度，溫度升高一定程度后反應(yīng)明顯加速，釋放出大量熱量，形成高溫熱焰，即燃燒開始。出大量熱量，形成高溫熱焰，即燃燒開始。南京航空航天大學

39、金城學院車輛工程2 2）高溫單階段著火）高溫單階段著火高溫單階段著火：在較高溫度下，著火過程不經(jīng)過冷焰直接高溫單階段著火：在較高溫度下，著火過程不經(jīng)過冷焰直接進入藍焰進入藍焰熱焰階段，而且這兩個階段很短很難區(qū)分，熱焰階段，而且這兩個階段很短很難區(qū)分，因此叫高溫單階段著火。因此叫高溫單階段著火。 對于內(nèi)燃機的具體著火現(xiàn)象而言，柴油機的壓縮著火和汽對于內(nèi)燃機的具體著火現(xiàn)象而言，柴油機的壓縮著火和汽油機的爆燃具有低溫多階段著火的特點；而汽油機的火花點油機的爆燃具有低溫多階段著火的特點；而汽油機的火花點燃和柴油機著火后噴入氣缸內(nèi)的燃料著火具有高溫單階段著燃和柴油機著火后噴入氣缸內(nèi)的燃料著火具有高溫單階

40、段著火特點?；鹛攸c。南京航空航天大學金城學院車輛工程三、自燃：具有適當溫度、壓力的可燃混合氣，在沒有外三、自燃：具有適當溫度、壓力的可燃混合氣，在沒有外部能量的情況下依靠自身的反應(yīng)自動引發(fā)火焰的過程。部能量的情況下依靠自身的反應(yīng)自動引發(fā)火焰的過程。早期的早期的熱著火理論熱著火理論認為：著火的原因在于熱量的積累，認為：著火的原因在于熱量的積累，當放熱速率大于散熱速率時才可能著火。當放熱速率大于散熱速率時才可能著火。南京航空航天大學金城學院車輛工程dtdqdtdq/21a a） 時，肯定著時，肯定著火，如圖散熱速率線火，如圖散熱速率線明顯低明顯低于于 。dtdq /1相切與dtdqdtdq/21b

41、 b） 時，處于臨時，處于臨界著火條件，界著火條件，Tc稱為臨界溫度，稱為臨界溫度，如圖散熱速率線如圖散熱速率線。dtdqdtdq/21c c） 時，不可能時，不可能著火，如圖散熱速率線著火，如圖散熱速率線。臨界溫度南京航空航天大學金城學院車輛工程影響著火的因素影響著火的因素著火臨界溫度著火臨界溫度TcTc將受到系統(tǒng)的初始壓力將受到系統(tǒng)的初始壓力p pc c、過量空氣系、過量空氣系數(shù)數(shù) 、燃料理化特性的影響。、燃料理化特性的影響。aa a）壓力的影響壓力的影響著火區(qū)域隨壓力的增高，臨著火區(qū)域隨壓力的增高，臨界溫度界溫度TcTc降低。降低。南京航空航天大學金城學院車輛工程b b）過量空氣系數(shù)過量

42、空氣系數(shù) 的影響的影響a 存在著一個可燃混合氣著火的濃度上限（富油極限）存在著一個可燃混合氣著火的濃度上限（富油極限）與下限（貧油極限）。隨著溫度、壓力升高，著火的濃度與下限（貧油極限）。隨著溫度、壓力升高，著火的濃度界限有所加寬；但溫度、壓力升得再高，著火界限的加寬界限有所加寬；但溫度、壓力升得再高，著火界限的加寬也是有限的。反之，當溫度、壓力過低（低于臨界值），也是有限的。反之，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。則無論在什么濃度下均不能著火。南京航空航天大學金城學院車輛工程c c）燃料特性的影響燃料特性的影響燃料不同，其化學穩(wěn)定性不同，其著火臨界溫燃料不同，其化

43、學穩(wěn)定性不同，其著火臨界溫度度TcTc不同。不同。 著火溫度著火溫度TC不僅與可燃混合氣的物理化學不僅與可燃混合氣的物理化學性質(zhì)有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、壓力、容器形狀性質(zhì)有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、壓力、容器形狀及散熱情況等有關(guān)。即使同一種燃料，引條件及散熱情況等有關(guān)。即使同一種燃料，引條件不同，著火溫度也可能不同。不同，著火溫度也可能不同。南京航空航天大學金城學院車輛工程四、點燃四、點燃點燃：指利用電火花在可燃混合氣中產(chǎn)生火焰核心并因而引點燃：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。起火焰?zhèn)鞑サ倪^程。 火花塞提供的點火能量必須大于某個點火的火花塞提供的點火能量必須大于某個點火

44、的最小能量最小能量，點燃點燃才能成功（指產(chǎn)生才能成功（指產(chǎn)生火焰核火焰核并使并使火焰?zhèn)鞑セ鹧鎮(zhèn)鞑コ晒Γ３晒Γ?。南京航空航天大學金城學院車輛工程 點火所需的最小能量受諸多因素影響：點火所需的最小能量受諸多因素影響：（1）燃料的種類與濃度燃料的種類與濃度（2）空氣中氧的濃度（）空氣中氧的濃度（3）壓力及溫）壓力及溫度（度（4）點火處氣流的運動運動狀況（紊流強度與紊流尺度）點火處氣流的運動運動狀況（紊流強度與紊流尺度）（5）電火花的性質(zhì)（）電火花的性質(zhì)（6）電極的幾何形狀與距離（火花塞間）電極的幾何形狀與距離（火花塞間隙）等等。隙）等等。例如，火花塞間隙與點火能量有很大關(guān)系：最佳火花塞間隙例如，火

45、花塞間隙與點火能量有很大關(guān)系：最佳火花塞間隙下所需點火能量最小；存在熄火距離，即電極間隙下無論點下所需點火能量最??；存在熄火距離，即電極間隙下無論點火能量多大也不能著火?；鹉芰慷啻笠膊荒苤?。內(nèi)燃機點火能量在內(nèi)燃機點火能量在50-80mJ南京航空航天大學金城學院車輛工程五、火焰在預混氣中的傳播五、火焰在預混氣中的傳播 火焰核心順序點燃周圍的混合氣，火焰范圍逐漸擴大，并火焰核心順序點燃周圍的混合氣，火焰范圍逐漸擴大，并隨著熱量的釋放，未燃混合氣的隨著熱量的釋放，未燃混合氣的T、p不斷升高，燃燒加速。不斷升高，燃燒加速。 火焰前鋒面的界面明顯，火焰前鋒面的界面明顯，以火核為中心呈球面波形式向以火核

46、為中心呈球面波形式向周圍擴展，習慣上稱這種燃燒周圍擴展，習慣上稱這種燃燒現(xiàn)象為現(xiàn)象為火焰?zhèn)鞑セ鹧鎮(zhèn)鞑ァ?燃燒主要在厚度為燃燒主要在厚度為 的火的火焰面上進行，稱為焰面上進行，稱為火焰前鋒火焰前鋒。南京航空航天大學金城學院車輛工程 根據(jù)混合氣運動狀態(tài)不同，火焰?zhèn)鞑シ绞娇煞譃椋焊鶕?jù)混合氣運動狀態(tài)不同，火焰?zhèn)鞑シ绞娇煞譃椋簩恿骰鹧婧屯牧骰鹧鎮(zhèn)鞑?。層流火焰和湍流火焰?zhèn)鞑ァ?）層流火焰?zhèn)鞑ィ恿骰鹧鎮(zhèn)鞑?在混合氣靜止或?qū)釉诨旌蠚忪o止或?qū)恿鳡顟B(tài)下，火焰前鋒面流狀態(tài)下，火焰前鋒面盡管很薄，其實進行著盡管很薄，其實進行著劇烈的傳熱傳質(zhì)和化學劇烈的傳熱傳質(zhì)和化學反應(yīng)現(xiàn)象有著極大的溫反應(yīng)現(xiàn)象有著極大的溫度梯度和濃

47、度。度梯度和濃度。南京航空航天大學金城學院車輛工程2 2）湍流火焰?zhèn)鞑ィ┩牧骰鹧鎮(zhèn)鞑?所謂湍流，是指由流體質(zhì)點組成的微元氣體所進行所謂湍流，是指由流體質(zhì)點組成的微元氣體所進行的無規(guī)則的脈動運動。的無規(guī)則的脈動運動。 湍流會使火焰前鋒面出現(xiàn)湍流會使火焰前鋒面出現(xiàn)皺折，表面積明顯增大，同時皺折，表面積明顯增大，同時加速了前鋒面內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過加速了前鋒面內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程，結(jié)果：程，結(jié)果： 一是前鋒面上的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫皇乔颁h面上的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃哟?。加大?二是燃燒速度大大加快。二是燃燒速度大大加快。南京航空航天大學金城學院車輛工程南京航空航天大學金城學院車輛工程六、液體燃料的霧化與擴散燃燒六、液體燃料

48、的霧化與擴散燃燒1、液體燃料的噴射與霧化、液體燃料的噴射與霧化 柴油等液體燃料在內(nèi)燃機中要經(jīng)歷高壓噴射、霧化、柴油等液體燃料在內(nèi)燃機中要經(jīng)歷高壓噴射、霧化、混合、壓縮著火以及燃燒階段，霧化混合的狀態(tài)將對燃混合、壓縮著火以及燃燒階段，霧化混合的狀態(tài)將對燃燒過程產(chǎn)生重要的影響。燒過程產(chǎn)生重要的影響。燃油的霧化燃油的霧化就是將燃油就是將燃油分散成細粒的過程。分散成細粒的過程。南京航空航天大學金城學院車輛工程燃油的噴霧特性主要包括：貫穿距離、噴霧錐燃油的噴霧特性主要包括：貫穿距離、噴霧錐角和噴霧粒徑。角和噴霧粒徑。1）貫穿距離（）貫穿距離（油束射程）油束射程）離噴孔至燃燒室壁面的距離噴油持續(xù)期內(nèi)的貫穿

49、距貫穿率 貫穿率等于油束的貫穿距離與噴孔口貫穿率等于油束的貫穿距離與噴孔口沿噴孔軸線沿噴孔軸線到燃燒室壁的距離之到燃燒室壁的距離之比，它比，它表征混合氣形成過程中空間霧化混合與油膜蒸發(fā)混合的比例關(guān)系表征混合氣形成過程中空間霧化混合與油膜蒸發(fā)混合的比例關(guān)系。如果貫穿率大于如果貫穿率大于1，說明一部分燃油噴射到了燃燒室壁面上，這部分燃油，說明一部分燃油噴射到了燃燒室壁面上，這部分燃油與空氣的混合過程屬于油膜蒸發(fā)混合方式；反之，若貫穿率小于與空氣的混合過程屬于油膜蒸發(fā)混合方式；反之，若貫穿率小于1，則全，則全部燃油與空氣的混合都是空間霧化混合方式。部燃油與空氣的混合都是空間霧化混合方式。南京航空航天大學金城學院車輛工程2）噴霧錐角）噴霧錐角噴霧錐角過大，貫穿距離會減少，過小則燃油霧化程度噴霧錐角過大，貫穿距離會減少，過小則燃油霧化程度會變差。會變差。3）噴霧粒徑）噴霧粒徑油粒直徑的大小受多種因素影響，一般減小噴孔直徑、增油粒直徑的大小受多種因素影響，一般減小噴孔直徑、增大噴油壓力、空氣密度