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第三章第三章 内燃机燃料与燃烧内燃机燃料与燃烧.第三章第三章 内燃机燃料与燃烧内燃机燃料与燃烧l 内燃机的燃料及其提炼方法内燃机的燃料及其提炼方法l 燃料的使用性能燃料的使用性能l 燃料的热化学燃料的热化学l 燃烧的基本理论燃烧的基本理论2024/4/18 周周四四l常规燃料常规燃料汽油和柴油汽油和柴油l替代燃料替代燃料除汽油、柴油以外的烃类除汽油、柴油以外的烃类/醇类醇类/醚类醚类/酯类酯类/氢气等氢气等燃料燃料1)按物按物态态分分类类：液体：甲醇、乙醇、二甲液体：甲醇、乙醇、二甲醚醚(DME)、生物柴油、生物柴油、GTL/CTL/BTL气体：气体：LPG、CNG、氢氢气、沼气、煤气气、沼气、煤气2)按成份按成份(是否含氧是否含氧)分分类类：烃烃燃料燃料(除汽油、柴油外除汽油、柴油外)和含氧燃料和含氧燃料趋势：汽车燃料多元化趋势：汽车燃料多元化(Diversification)一、燃料及其分类一、燃料及其分类2024/4/18 周周四四二、燃料的化学结构二、燃料的化学结构n nAlkAlka anesnes or ParaffinsParaffins-CnH2n+2n nAlkAlke enesnes or OlefinsOlefins-CnH2n烷烃烷烃 甲烷甲烷乙烷乙烷异辛烷异辛烷C-C单单健健饱和烃，氧化稳定性好；饱和烃，氧化稳定性好；异构体结构紧凑异构体结构紧凑,不易不易断链断链,不易自燃不易自燃烯烃烯烃 乙烯乙烯丙烯丙烯丁二烯丁二烯CC双健双健2024/4/18 周周四四二、燃料的化学结构二、燃料的化学结构n nAlkAlky ynesnes or AcetylenesAcetylenes-CnH2n-2炔烃炔烃 乙炔乙炔CC三健三健多键非饱和烃结合牢固，不易断链，不易自燃多键非饱和烃结合牢固，不易断链，不易自燃但不饱和烃稳定性差，长期存放容易氧化变质但不饱和烃稳定性差，长期存放容易氧化变质芳香烃芳香烃 benzene苯苯toluene甲苯甲苯naphthalene萘萘环状结构紧凑环状结构紧凑,不易断链不易断链,不易不易自燃自燃n nAromaticsAromatics-CnH2n-62024/4/18 周周四四二、燃料的化学结构二、燃料的化学结构环烷烃环烷烃 NapthenesC-C单健单健CnH2n环烷烃属饱和烃，性质环烷烃属饱和烃，性质比较稳定，不易断链，比较稳定，不易断链，不易氧化变质不易氧化变质n nAlcoholsAlcohols-contain one or more OH groups醇醇 乙醇乙醇燃料含氧促进燃烧燃料含氧促进燃烧甲醇甲醇2024/4/18 周周四四三、化学结构及成分对理化特性的影响三、化学结构及成分对理化特性的影响 1)烃燃料结构对理化特性的影响烃燃料结构对理化特性的影响n 链与环链与环 环化学稳定性好，不易自燃环化学稳定性好，不易自燃n 直链与支链直链与支链(或正烷与异烷或正烷与异烷)支链支链(异烷异烷)的化学稳定性好，抗爆好的化学稳定性好，抗爆好(如正庚烷如正庚烷C7H16和异辛烷和异辛烷C8H18的辛烷值分别为的辛烷值分别为0和和100)n 单键和多键单键和多键多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但稳定性差，贮存中易氧化多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但稳定性差，贮存中易氧化结胶结胶(如烯烃如烯烃)燃料抗爆性比较：燃料抗爆性比较：1)1)环烷烃环烷烃 正烷烃正烷烃2)2)烯烃烯烃 正烷烃正烷烃3)3)异烷烃异烷烃 正烷烃正烷烃4)4)芳香烃芳香烃 烷烃烷烃/烯烃烯烃燃料自燃性比较：燃料自燃性比较：1)环烷烃环烷烃 正烷烃正烷烃2)烯烃烯烃 正烷烃正烷烃3)芳香烃芳香烃 烷烃烷烃/烯烃烯烃4)1-甲基奈甲基奈 压不着压不着三、化学结构及成分对理化特性的影响三、化学结构及成分对理化特性的影响 1)烃燃料结构对理化特性的影响烃燃料结构对理化特性的影响n 链与环链与环 环化学稳定性好，不易自燃环化学稳定性好，不易自燃n 直链与支链直链与支链(或正烷与异烷或正烷与异烷)支链支链(异烷异烷)的化学稳定性好，抗爆好的化学稳定性好，抗爆好(如正庚烷如正庚烷C7H16和异辛烷和异辛烷C8H18的辛烷值分别为的辛烷值分别为0和和100)n 单键和多键单键和多键多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但稳定性差，贮存中易氧化多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但稳定性差，贮存中易氧化结胶结胶(如烯烃如烯烃)2)烃燃料成分对理化特性的影响烃燃料成分对理化特性的影响n C C原子数原子数原子数原子数(直链直链直链直链)：C越多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃；物越多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃；物理稳定性好，不易气化理稳定性好，不易气化n H/CH/C比比比比l 燃料热值燃料热值由由H/C比决定比决定,由于由于H比比C的热值高的热值高(约约3.7:1)，柴油，柴油H/C 汽油汽油H/C 柴油柴油Hu(42500kJ/kg)MON燃料敏感性燃料敏感性Sa RONMON抗爆指数抗爆指数Ai=(RON+MON)/2马达法和研究法辛烷值的测量马达法和研究法辛烷值的测量：一、汽油的使用性能一、汽油的使用性能1.自燃性自燃性自燃性自燃性：可燃混合气在一定温度、压力条件下自行着火燃烧的能力可燃混合气在一定温度、压力条件下自行着火燃烧的能力n 自燃性对柴油尤其重要，自燃性差，则起动性差，工作粗暴自燃性对柴油尤其重要，自燃性差，则起动性差，工作粗暴n 十六烷值是评价柴油自燃性好坏的指标十六烷值是评价柴油自燃性好坏的指标十六烷值十六烷值Cetane C16H34Cetane NumberCN=100Cetane NumberCN=0 甲基萘甲基萘 Methylnaphthalene C11H10 二、柴油的使用性能二、柴油的使用性能HCCHHHH.HCCHHHHCCCCCCCCCCHHHHHHHCH3燃油十六烷值的测量燃油十六烷值的测量：二、柴油的使用性能二、柴油的使用性能 2.蒸发性蒸发性馏程馏程：燃油馏出某百分比的温度范围：燃油馏出某百分比的温度范围n 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。于混合气形成。n 90和和95馏出温度标志难于蒸发的重馏分的数量。如重馏分过多，不易蒸馏出温度标志难于蒸发的重馏分的数量。如重馏分过多，不易蒸发和形成均匀混合气，燃烧亦不及时和完全。发和形成均匀混合气，燃烧亦不及时和完全。3.雾化雾化性性粘度粘度：表示燃料分子间内聚力的大小：表示燃料分子间内聚力的大小n粘度越大，雾化后油滴的平均直径也越大，使燃油和空气混合不均匀，燃烧粘度越大，雾化后油滴的平均直径也越大，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，碳烟排放增加。不及时或不完全，燃油消耗率增加，碳烟排放增加。n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。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一般轻柴油的运动粘度在 20oC时为（时为（2.58）10-6 m2/s。二、柴油的使用性能二、柴油的使用性能1)1)混合气形成方式不同混合气形成方式不同混合气形成方式不同混合气形成方式不同汽油汽油易气化，缸外低压喷射蒸发，与空气形成预制易气化，缸外低压喷射蒸发，与空气形成预制均质混合气均质混合气柴油柴油难气化，缸内高压喷雾成细小液滴，与空气形成难气化，缸内高压喷雾成细小液滴，与空气形成非均质非均质(分层分层)混合气混合气2)2)着火及燃烧方式不同着火及燃烧方式不同着火及燃烧方式不同着火及燃烧方式不同汽油汽油难自燃，易难自燃，易点燃点燃(SI)，用高压电火花点燃，用高压电火花点燃 预混燃烧预混燃烧，火焰传播。可在，火焰传播。可在 a=1的条件下完全燃烧的条件下完全燃烧柴油柴油难点燃，易难点燃，易压燃压燃(CI)扩散燃烧扩散燃烧，即边喷，即边喷-边混边混-边燃，为了完全燃烧，边燃，为了完全燃烧，必须必须 a 1.03)3)负荷调节方式不同负荷调节方式不同负荷调节方式不同负荷调节方式不同汽油机汽油机预混合，预混合，混合气数量改变，浓度基本混合气数量改变，浓度基本保持不变，保持不变，量调节量调节柴油机柴油机分层混合，分层混合，喷油量改变，空气量基本不变，喷油量改变，空气量基本不变，质调节质调节汽油机与柴油机工作模式的差异汽油机与柴油机工作模式的差异homogeneous mixturestratified mixtureMixtureHomogeneous 均质混合气均质混合气 SparkIgnition 火花点火火花点火 MixtureStratified 分层混合气分层混合气 CompressionIgnition 压缩着火压缩着火 SI 常规汽油机常规汽油机 HCCI GDI GDI CI 柴油机柴油机 内燃机混合气形成和燃烧模式组合内燃机混合气形成和燃烧模式组合GGasoline D Direct I Injection 汽油缸内直喷汽油缸内直喷 HHomogeneous C Charge C Compression I Ignition 均质充量压燃均质充量压燃 第三章第三章 内燃机燃料与燃烧内燃机燃料与燃烧l 内燃机的燃料及其提炼方法内燃机的燃料及其提炼方法l 燃料的使用性能燃料的使用性能l 燃料的热化学燃料的热化学l 燃烧的基本理论燃烧的基本理论2024/4/18 周周四四一、理论空气量（化学计量空燃比）一、理论空气量（化学计量空燃比）化学计量空燃比：化学计量空燃比：1kg1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量燃料完全燃烧所需的理论空气量设设1kg燃料中燃料中C、H、O的质量分别为的质量分别为wC、wH、wO，则，则(1)1 kg燃料完全燃烧需要燃料完全燃烧需要O2为：为：O2在空气中的质量百分比为在空气中的质量百分比为23%，即需空气量为（实际中是测量空气流量），即需空气量为（实际中是测量空气流量）：也称之为也称之为“质量化学计量比质量化学计量比质量化学计量比质量化学计量比”（mass stoichiometric ratio）(2)1 kg燃料完全燃烧需要燃料完全燃烧需要O2摩尔摩尔(mol)为：为：而而O2在空气中的摩尔百分比为在空气中的摩尔百分比为21.0%，即需空气量为：，即需空气量为：也称之为也称之为“摩尔化学计量比摩尔化学计量比摩尔化学计量比摩尔化学计量比”（mole stoichiometric ratio）1 kg燃料完全燃烧需要燃料完全燃烧需要O2体积体积(m3)为：为：一、理论空气量（化学计量空燃比）一、理论空气量（化学计量空燃比）汽油的平均质量成分：汽油的平均质量成分：柴油的平均质量成分柴油的平均质量成分：汽油：汽油：柴油：柴油：二、过量空气系数二、过量空气系数l定定义义：燃：燃烧烧1kg燃料提供的空气量燃料提供的空气量L与理与理论论上所需空气量上所需空气量L0之比，表示混之比，表示混合气的合气的浓浓度度l汽油机：混合气均匀，汽油机：混合气均匀，=0.81.2，l柴油机：混合气不均匀，柴油机：混合气不均匀，=1.21.6，l增增压压柴油机：柴油机：=1.82.2l空燃比（空燃比（A/F）和燃空比（）和燃空比（F/A）：）：三、三、1时完全燃烧产物的数量时完全燃烧产物的数量l燃燃烧烧前混合气的数量前混合气的数量(1kg燃料燃料)汽油机：汽油机：（kmol/kg燃料）燃料）MT为为燃料的分子燃料的分子质质量量 柴油机：液柴油机：液态态燃料可忽略燃料可忽略 即即为纯为纯空气空气 （kmol/kg燃料）燃料）l燃燃烧产烧产物的数量物的数量三、三、1时完全燃烧产物的数量时完全燃烧产物的数量l燃燃烧烧后后产产物的增量物的增量 汽油机：汽油机：柴油机：柴油机：四、燃料热值和混合气热值四、燃料热值和混合气热值1.燃料燃料热值热值：1kg燃料完全燃燃料完全燃烧烧所放出的所放出的热热量量l高高热值热值：包括水蒸汽凝：包括水蒸汽凝结结后放出的汽化潜后放出的汽化潜热热l低低热值热值：不包括水蒸汽凝：不包括水蒸汽凝结结后放出的汽化潜后放出的汽化潜热热Hu（内燃机）（内燃机）2.可燃混合气可燃混合气热值热值：单单位位质质量或量或单单位体位体积积可燃混合气可燃混合气可燃混合气可燃混合气完全燃完全燃烧发烧发出出的的热热量量(kJ/kg或或kJ/kmol)=1时，理论混合气热值时，理论混合气热值*/29第三章第三章 内燃机燃料与燃烧内燃机燃料与燃烧l 内燃机的燃料及其提炼方法内燃机的燃料及其提炼方法l 燃料的使用性能燃料的使用性能l 燃料的热化学燃料的热化学l 燃烧的基本理论燃烧的基本理论1.预混合燃烧：着火前燃料与空气已经预混合燃烧：着火前燃料与空气已经按一定的比例预先混合形成了均匀按一定的比例预先混合形成了均匀的可燃混合气，的可燃混合气，在着火后，在着火后，预预混合混合气的燃气的燃烧烧自自动进动进行，称行，称为为火焰火焰传传播播过过程程（1）层层流火焰流火焰传传播播在静止或流速极低的在静止或流速极低的预预混合气中，着混合气中，着火之后，火焰核心迅速火之后，火焰核心迅速发发展展为为近似近似球形火焰球形火焰二、内燃机中的燃烧方式二、内燃机中的燃烧方式火焰前锋面火焰前锋面火花火花气缸气缸未燃气体未燃气体已燃气体已燃气体火焰前锋面以近似圆球的形状向整个混合气空间扩展推进火焰前锋面以近似圆球的形状向整个混合气空间扩展推进火焰锋面之前是未燃的预混合气，火焰锋面之后是已燃的、火焰锋面之前是未燃的预混合气，火焰锋面之后是已燃的、具有很高温度的燃烧产物。具有很高温度的燃烧产物。火焰火焰锋锋面厚度面厚度d d 分分为为混合气混合气预热预热区厚度区厚度d dp 和反和反应应区厚度区厚度 d dc 两个部分，两个部分，预热预热区区厚度厚度 d dp大，化学反大，化学反应应速度低，反速度低，反应应区区厚度厚度d dc小，化学反小，化学反应应速度高；速度高；火焰火焰锋锋面厚度面厚度 d d 很小，温度和很小，温度和浓浓度度变变化化极大，引起极大，引起强强烈的烈的传热传热和和传质传质，引起，引起邻邻近混合气化学反近混合气化学反应应，即火焰，即火焰传传播；播；混合气混合气浓浓度度对层对层流火焰流火焰传传播速度影响最播速度影响最大，在略小于理大，在略小于理论论空燃比空燃比时时，化学反，化学反应应速度最快，火焰速度最快，火焰传传播速度最大。播速度最大。二、内燃机中的燃烧方式二、内燃机中的燃烧方式（2）紊流火焰）紊流火焰传传播播火焰火焰锋锋面速度大大加快，可达到面速度大大加快，可达到20 70 m/s。紊流本身的特点。紊流本身的特点是流体性是流体性质质在在时间时间与空与空间间上有随机性，气流内部有上有随机性，气流内部有涡涡流运流运动动二、内燃机中的燃烧方式二、内燃机中的燃烧方式层流火焰层流火焰已燃已燃气体气体未燃未燃气体气体湍流火焰湍流火焰强湍流火焰强湍流火焰火焰前锋面火焰前锋面火焰前锋面出现火焰前锋面出现皱褶，传热、化皱褶，传热、化学反应速度加快学反应速度加快紊流对火焰传播的作用：紊流对火焰传播的作用：l紊流火焰传播中依然存在火焰锋面，且速度和基本结构在紊流强紊流火焰传播中依然存在火焰锋面，且速度和基本结构在紊流强度较小时不变。度较小时不变。l宏观紊流使火焰锋面发生弯曲与皱折，增大火焰锋面的表面积。宏观紊流使火焰锋面发生弯曲与皱折，增大火焰锋面的表面积。l微观紊流加强传热与传质作用，因此，加快了火焰传播速度。微观紊流加强传热与传质作用，因此，加快了火焰传播速度。l紊流强度较大时，火焰锋面就不断破裂而后重新建立，其结果是紊流强度较大时，火焰锋面就不断破裂而后重新建立，其结果是已燃气体和未燃混合物相互混合，从而加快了未燃混合物的反应已燃气体和未燃混合物相互混合，从而加快了未燃混合物的反应速度，缩短反应时间。速度，缩短反应时间。二、内燃机中的燃烧方式二、内燃机中的燃烧方式2.扩散燃烧：柴油机的主要燃烧方式扩散燃烧：柴油机的主要燃烧方式l燃料没有全部蒸发就开始着火燃烧；燃料没有全部蒸发就开始着火燃烧；l仍旧是燃料蒸汽和空气形成的混合气仍旧是燃料蒸汽和空气形成的混合气燃烧，燃烧过程中一边形成混合气，燃烧，燃烧过程中一边形成混合气，一边燃烧；一边燃烧；l3种相同时共存燃料相种相同时共存燃料相,空气相空气相,燃燃烧产物相；烧产物相；l混合气浓度分布不均匀，混合气燃烧混合气浓度分布不均匀，混合气燃烧界限比预混燃烧有所扩展。界限比预混燃烧有所扩展。二、内燃机中的燃烧方式二、内燃机中的燃烧方式二、内燃机中的燃烧方式二、内燃机中的燃烧方式传统汽油机燃烧传统汽油机燃烧 预混合燃烧预混合燃烧传统柴油机燃烧传统柴油机燃烧初始燃烧初始燃烧 预混合燃烧预混合燃烧燃烧后期燃烧后期 扩散燃烧扩散燃烧传统汽油机燃烧传统汽油机燃烧火焰按准球面传播火焰按准球面传播二、内燃机中的燃烧方式二、内燃机中的燃烧方式传统柴油机传统柴油机HCCI（柴油）（柴油）油束外围燃烧油束外围燃烧多区域同时着火燃烧多区域同时着火燃烧二、内燃机中的燃烧方式二、内燃机中的燃烧方式