第三章 燃料与燃烧一、发动机的燃料一、发动机的燃料 燃料是发动机产生动力的来源。可以说，发动机的生存与发展，汽油燃料是发动机产生动力的来源。可以说，发动机的生存与发展，汽油机与柴油机在结构与性能上的差异，对环境的污染等等，无不与燃料的种机与柴油机在结构与性能上的差异，对环境的污染等等，无不与燃料的种类和品质有着密切的关系。类和品质有着密切的关系。 发动机传统的燃料是汽油与柴油，它们是石油的炼制品。石油的主要发动机传统的燃料是汽油与柴油，它们是石油的炼制品。石油的主要成分是碳、氢两种元素，含量约占成分是碳、氢两种元素，含量约占97%-98%97%-98%，其它还有少量的硫、氧、氮，其它还有少量的硫、氧、氮等等。石油产品是以多种碳氢化合物的混合物的形式出现的，分子式为等等。石油产品是以多种碳氢化合物的混合物的形式出现的，分子式为CnHmCnHm，通常称为烃。根据烃分子中碳原子数的不同，可构成不同相对分子，通常称为烃。根据烃分子中碳原子数的不同，可构成不同相对分子质量、不同沸点的物质。炼制汽油与柴油最简便的方法是利用沸点不同直质量、不同沸点的物质。炼制汽油与柴油最简便的方法是利用沸点不同直接进行分馏，依次得到石油气接进行分馏，依次得到石油气汽油汽油煤油煤油轻、重柴油轻、重柴油渣油渣油C原子数原子数沸点沸点品种品种相对分子质量相对分子质量理化性质的变化趋势理化性质的变化趋势C1C4常温常温石油气石油气1658 C5C1150200汽油汽油95120C11C19180300煤油煤油100180C16C23250360轻、重柴油轻、重柴油180200C23以上以上360以上以上渣油渣油220280易自燃化学安定性好易点燃分类分类分子通式分子通式性质性质烷烃烷烃呈饱和的开链式结构，含碳原子越高，结构越不紧凑，常温呈饱和的开链式结构，含碳原子越高，结构越不紧凑，常温下化学性质比较稳定，但热稳定性比较低，在高温下易分解，下化学性质比较稳定，但热稳定性比较低，在高温下易分解，自发火的滞燃期较短，是柴油燃料的良好成分。支链式结构自发火的滞燃期较短，是柴油燃料的良好成分。支链式结构在高温下较稳定，是汽油中抗爆性好的燃料在高温下较稳定，是汽油中抗爆性好的燃料烯烃烯烃非饱和开链式结构，比烷烃难于自行发火，是汽油中抗爆性非饱和开链式结构，比烷烃难于自行发火，是汽油中抗爆性好的成分，但常温下化学安定性差，在长期存储中易于氧化好的成分，但常温下化学安定性差，在长期存储中易于氧化生成胶质生成胶质炔烃炔烃非饱和开链结构，是热裂解的产物，很不稳定。在常温下易非饱和开链结构，是热裂解的产物，很不稳定。在常温下易分解，存储中因氧化而结胶，含炔烃多不易做发动机燃料。分解，存储中因氧化而结胶，含炔烃多不易做发动机燃料。环烷环烷烃烃饱和的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和自发火的温度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，均比直链烷烃为高。环烷烃多的燃油适宜作为汽油机燃料，不适宜做柴油机燃料。不适宜做柴油机燃料。 芳香芳香烃烃所有芳香烃都含有苯基的成分，在石油中含量较少，分子结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，热稳定性比脂肪烃及环烷烃均高，在高温下分子不构坚固，热稳定性比脂肪烃及环烷烃均高，在高温下分子不易破裂，化学安定性较前者高，是汽油中良好的防爆剂，石易破裂，化学安定性较前者高，是汽油中良好的防爆剂，石油炼制时常提高芳香烃的含量。油炼制时常提高芳香烃的含量。一、发动机的燃料一、发动机的燃料一、发动机的燃料一、发动机的燃料燃料中的不同成分对化学安定性的影响燃料中的不同成分对化学安定性的影响二、燃料的使用特性二、燃料的使用特性 主要用于各类柴油机中，其中，轻柴油用于高速柴油机，重柴油用主要用于各类柴油机中，其中，轻柴油用于高速柴油机，重柴油用于中、低速柴油机。于中、低速柴油机。 我我国国生生产产的的轻轻柴柴油油，其其规规格格由由 G GB B2 25 52 22 20 00 00 0规规定定。轻轻柴柴油油的的牌牌号号按按凝凝点点不不同同分分为为 1 10 0号号 、 0 0号号 、 - -1 10 0号号 、 - -2 20 0号号 、 - -3 35 5号号 、 - -5 50 0号号六六级级，其其凝凝点点分分别别不不高高于于 1 10 0、0 0、- -1 10 0 、- -2 20 0、- -3 35 5和和- -5 50 0 。凝凝点点是是指指柴柴油油失失去去流流动动性性开开始始凝凝结结的的温温度度。选选用用柴柴油油时时，应应按按最最低低环环境境温温度度高高出出凝凝 点点 5 5以以 上上 ， 即即 - -2 20 0号号柴柴油油适适用用于于最最低低环环境境温温度度为为 - -1 15 5的的 场场 合合 。 在轻柴油性能的各个项目中，可以分为：在轻柴油性能的各个项目中，可以分为： 1)1)评价柴油自燃性的指标评价柴油自燃性的指标十六烷值十六烷值。 2)2)与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性质与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性质馏程馏程。 3)3)与燃油喷射有密切关系的性质与燃油喷射有密切关系的性质粘度粘度。 4)4)与柴油储存、运送、使用有关的性质与柴油储存、运送、使用有关的性质闪点闪点、凝点凝点。 5)5)与柴油机磨损腐蚀有关的性质与柴油机磨损腐蚀有关的性质机械杂质、水分、灰分、含硫量、机械杂质、水分、灰分、含硫量、酸度、水溶性酸和碱、残炭等等。酸度、水溶性酸和碱、残炭等等。1.1.柴油柴油1）十六烷值）十六烷值燃料的使用特性燃料的使用特性 十十六六烷烷值值是是评评定定柴柴油油自自燃燃性性好好坏坏的的指指标标。它它与与发发动动机机的的粗粗暴暴性性及及起起动动性性均均有有密密切切关关系系。 自自燃燃性性好好的的燃燃料料，冷冷起起动动性性能亦随之改善。能亦随之改善。 测测定定柴柴油油的的十十六六烷烷值值，是是在在特特殊殊的的单单缸缸试试验验机机上上按按规规定定的的条条件件进进行行。 试试验验时时采采用用由由十十六六烷烷和和 - -甲甲基基萘萘混混合合制制成成的的混混合合液液，十十六六烷烷容容易易自自燃燃，规规定定它它的的十十六六烷烷值值为为 1 10 00 0，- -甲甲 基基萘萘最最不不容容易易自自燃燃，其其十十六六烷烷值值定定为为 0 0。当当被被测测定定柴柴油油的的自自燃燃性性与与所所配配制制的的混混合合液液的的自自燃燃性性相相同同时时，则则混混合合液液中中十十六六烷烷的的体体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。积百分数就定为该种柴油的十六烷值。 一一般般直直链链烷烷烃烃比比环环烷烷烃烃的的十十六六烷烷值值高高；在在直直链链烷烷烃烃中中分分子子量量愈愈大大，十十六六烷烷值值愈愈高高 。因因此此，尽尽管管燃燃料料的的十十六六烷烷值值高高对对于于缩缩短短滞滞燃燃期期及及改改善善冷冷起起动动有有利利，但但增增大大十十六六烷烷值值，将将带带来来燃燃料料分分子子量量加加大大，使使油油的的蒸蒸发发性性变变差差及及粘粘度度增增加加，导导致致排排气气冒冒烟烟加加剧剧及及燃燃油油经经济济性性下下降降 。国国产产柴柴油油的的十十六六烷烷值值规规定定在在40405050之间。之间。2）馏程）馏程燃料的使用特性燃料的使用特性 馏馏程程表表示示柴柴油油的的蒸蒸发发性性，用用燃燃油油馏馏出出某某一一百百分分比比的的温温度度范范围围来来表表示示。 燃燃料料馏馏出出 5 5 0 0 % % 的的温温度度低低，说说明明这这种种燃燃料料轻轻馏馏分分多多、蒸蒸发发快快，有有利利于于混混合合气气形形成成。 9 9 0 0 % % 和和9 9 5 5 % % 馏馏出出温温度度标标志志柴柴油油中中所所含含难难于于蒸蒸发发的的重重馏馏分分的的数数量量。如如果果重重馏馏分分过过多多、在在高高速速柴柴油油机机中中来来不不及及蒸蒸发发和和形形成成均均匀匀混混合合气气，燃燃烧烧不不容容易易及及时和完全。时和完全。 车车用用高高速速柴柴油油机机使使用用轻轻馏馏分分柴柴油油，但但馏馏分分太太轻轻也也不不好好，因因为为轻轻质质燃燃料料容容易易蒸蒸发发，在在着着火火前前形形成成大大量量油油气气混混合合气气，一一旦旦 着着 火火 压压 力力 猛猛 增增 ， 将将 使使 柴柴 油油 机机 工工 作作 粗粗 暴暴 。3）粘度）粘度燃料的使用特性燃料的使用特性 粘粘度度是是燃燃料料流流动动性性的的尺尺度度，是是表表示示燃燃料料内内部部摩摩擦擦力力的的物物理理特特性性。影影响响柴柴油油的的喷喷雾雾质质量量。当当其其他他条条件件相相同同时时，粘粘度度越越大大，雾雾化化后后油油滴滴的的平平均均直直径径也也越越大大，使使燃燃油油和和空空气气混混合合不不均均匀匀，燃燃烧烧不不及及时时或或不不完完全全，燃燃油油消消耗耗率率增增加加，排排气气 带烟。带烟。 喷喷油油泵泵柱柱塞塞、喷喷油油器器的的喷喷针针都都是是靠靠燃燃油油润润滑滑，所所以以柴柴油油应应具具有有一一定定的的粘粘度度，一一般般轻轻柴柴油油的的运运动动粘粘度度在在 2 20 0时时 为为 (2.5(2.58)108)10-6-6m/sm/s。2.汽油汽油燃料的使用特性燃料的使用特性影响汽油机性能的关键性指标主要是影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值辛烷值和和馏程馏程等。等。1 1）辛烷值）辛烷值 辛辛烷烷值值是是表表示示汽汽油油抗抗爆爆性性的的指指标标。汽汽油油的的辛辛烷烷值值高高，则则抗抗爆爆震震的的能能力力强强。国国产产汽汽油油是是以以辛辛烷烷值值来来标标号号的的 , ,分分 为为9090、9393、9797等标号。等标号。 测测定定燃燃料料的的辛辛烷烷值值是是在在专专门门的的试试验验发发动动机机上上进进行行的的。测测定定时时，用用容容易易爆爆震震的的正正庚庚烷烷 ( (辛辛烷烷值值定定为为 0 0 ) )和和抗抗爆爆性性好好的的异异辛辛烷烷 ( (2 2. .2 2. .4 4三三甲甲基基戊戊烷烷 ) )( (其其辛辛烷烷值值定定为为 1 10 00 0) )的的混混合合液液与与被被测测定定的的汽汽油油作作比比较较。当当混混合合液液与与被被测测汽汽油油在在专专用用的的发发动动机机上上的的抗抗爆爆程程度度相相同同时时，则则混混合合液液中中异异辛辛烷烷含含量量的的体体积积百分数就是被测定汽油的辛烷值。百分数就是被测定汽油的辛烷值。1）辛烷值）辛烷值燃料的使用特性燃料的使用特性 评评定定车车用用汽汽油油的的抗抗爆爆性性，可可采采用用两两种种试试验验工工况况，分分别别称称为为马马达达法法 与与研研究究法法 。异异辛辛烷烷（ C C8 8H H1 18 8）辛辛烷烷值值为为 1 10 00 0，正正庚庚烷烷（C C7 7H H1 16 6）辛辛烷烷值值为为 0 0，在在专专用用的的试试验验机机上上，将将燃燃油油的的爆爆燃燃强强度度同同异异辛辛烷烷与与正正庚庚烷烷的的混混合合液液的的爆爆燃燃强强度度比比较较，当当两两者者相相同同时时，标标准准混混合合液液中中所所含含异异辛辛烷烷的的体体积积百百分分比比，即即为为试试验验燃燃油油的辛烷值。的辛烷值。 马达法规定的试验转速及进气温度比研究法高，所以用马达法规定的试验转速及进气温度比研究法高，所以用马达法测定的辛烷值马达法测定的辛烷值( (MONMON) )比研究法辛烷值比研究法辛烷值( (ROMROM) )低。两者的低。两者的差值反映出燃料对发动机强化程度的敏感性。差值反映出燃料对发动机强化程度的敏感性。 汽油辛烷值的大小主要决定于汽油的组成情况、炼制方汽油辛烷值的大小主要决定于汽油的组成情况、炼制方法及添加剂等，辛烷值高低顺序为烷烃法及添加剂等，辛烷值高低顺序为烷烃 烯烃烯烃 环烷烃环烷烃 芳烃。芳烃。我国我国7070号汽油含芳烃大约号汽油含芳烃大约5%-10%5%-10%，而国外高辛烷值汽油的芳，而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达烃含量高达40%40%。2）馏程与蒸汽压）馏程与蒸汽压燃料的使用特性燃料的使用特性 馏馏程程和和蒸蒸气气压压是是评评价价汽汽油油蒸蒸发发性性的的指指标标。汽汽油油及及其其它它石石油油产产品品是是多多种种烃烃类类的的混混合合物物，没没有有一一定定的的沸沸点点，它它随随着着温温度度的的上上升升，按按照照馏馏分分由由轻轻到到重重逐逐次次沸沸腾腾。汽汽油油馏馏出出温温度度的的范范围围称称为为馏馏程程。汽汽油油馏馏程程用用蒸蒸馏馏仪仪测测定定。将将 1 10 00 0m m L L试试验验燃燃料料放放在在烧烧瓶瓶中中，加加热热产产生生蒸蒸气气，经经冷冷凝凝器器燃燃料料蒸蒸气气凝凝结结，滴滴入入量量筒筒内内。将将第第一一滴滴凝凝结结的的燃燃料料流流入入量量筒筒时时的的温温度度称称为为 初初馏馏点点 。随随着着温温度度升升高高，依依次次测测出出对对应应油油量量的的馏馏出出温温度度，将将蒸蒸馏馏所所得得的的数数据据画画在在以以温温度度和和馏馏出出百百分分数数为坐标的图上，就成为蒸馏曲线。为坐标的图上，就成为蒸馏曲线。 为了评价燃料的挥发性。以为了评价燃料的挥发性。以10%10%、50%50%和和90%90%的馏出温度作为的馏出温度作为几个有代表意义的点。几个有代表意义的点。 （1 1）馏出）馏出10%10%的温度的温度 关系到发动机的冷起动性。关系到发动机的冷起动性。 如果如果10%10%馏出温度较低，发动机使用的这种燃料容易冷车起动。馏出温度较低，发动机使用的这种燃料容易冷车起动。但是此温度过低，在管路中输送时受发动机温度较高部位加热而但是此温度过低，在管路中输送时受发动机温度较高部位加热而变成蒸气，在管路中形成变成蒸气，在管路中形成“气阻气阻”，使发动机断火，影响它的正，使发动机断火，影响它的正常运转。常运转。 （2 2）馏出）馏出50%50%的温度的温度 关系到发动机暖车时间、加速性以及工作稳定性。关系到发动机暖车时间、加速性以及工作稳定性。 馏出馏出5050的温度标志着汽油的平均蒸发性。若此温度较低，的温度标志着汽油的平均蒸发性。若此温度较低，说明这种汽油的挥发性较好，在较低温度下可以有大量的燃料挥说明这种汽油的挥发性较好，在较低温度下可以有大量的燃料挥发而与空气混合，这样可以缩短暖车时间。而且从较低负荷向较发而与空气混合，这样可以缩短暖车时间。而且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。高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合气。 （3 3）馏出）馏出90%90%的温度的温度 燃料含有难于挥发重质成分的数量。燃料含有难于挥发重质成分的数量。 当此温度低时，燃料中所含的重质成分少。进入气缸中能够当此温度低时，燃料中所含的重质成分少。进入气缸中能够完全挥发，有利于燃料过程的进行。此温度过高，燃料中含有较完全挥发，有利于燃料过程的进行。此温度过高，燃料中含有较多的重质成分，在气缸中不易挥发而附着在气缸壁上，燃烧容易多的重质成分，在气缸中不易挥发而附着在气缸壁上，燃烧容易形成积炭，或者沿着气缸壁流入油底壳，稀释机油，破坏轴承部形成积炭，或者沿着气缸壁流入油底壳，稀释机油，破坏轴承部位的润滑。位的润滑。2）馏程与蒸汽压）馏程与蒸汽压燃料的使用特性燃料的使用特性 发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关。发发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关。发动机发展初期是以煤气为燃料，因为在动机发展初期是以煤气为燃料，因为在1919世纪中叶，欧洲各世纪中叶，欧洲各大城市已使用煤气照明，煤气是当时比较容易得到的能源。大城市已使用煤气照明，煤气是当时比较容易得到的能源。随着石油工业的发展，出现了热值比煤气高许多，而且蒸发随着石油工业的发展，出现了热值比煤气高许多，而且蒸发性也很强的轻油燃料性也很强的轻油燃料( (汽油汽油) )。这时，汽油机的混合气形成及。这时，汽油机的混合气形成及点火方式部受到煤气机的强烈影响。不过，提高汽油机性能点火方式部受到煤气机的强烈影响。不过，提高汽油机性能受到不正常燃烧的限制，汽油机的压缩比不高。为了扩大使受到不正常燃烧的限制，汽油机的压缩比不高。为了扩大使用燃料的来源，有人曾利用废气热量对重馏分油用燃料的来源，有人曾利用废气热量对重馏分油( (柴油柴油) )进行进行加热，促使其蒸发并与空气混合后，再送入气缸。在低压缩加热，促使其蒸发并与空气混合后，再送入气缸。在低压缩比下用电火花点火，但这是不成功的。比下用电火花点火，但这是不成功的。18931893年，年，DieselDiesel提出提出利用高温的压缩空气促使燃料着火；继而，为克服柴油蒸发利用高温的压缩空气促使燃料着火；继而，为克服柴油蒸发性差的缺点，采用气力或机力向缸内喷射的方式以形成混合性差的缺点，采用气力或机力向缸内喷射的方式以形成混合气，这便是气，这便是2020世纪韧叶，柴油机出现的雏形。因此，从发动世纪韧叶，柴油机出现的雏形。因此，从发动机发展的历史看出，燃料品质不同，是引起汽油机与柴油机机发展的历史看出，燃料品质不同，是引起汽油机与柴油机在混合气形成与燃烧方面差异的基本原因。在混合气形成与燃烧方面差异的基本原因。三、汽柴油性能差异的影响三、汽柴油性能差异的影响三、汽柴油性能差异的影响三、汽柴油性能差异的影响 1.1.引起在混合气形成上的差异引起在混合气形成上的差异 汽汽油油挥挥发发性性强强 ( (从从5 50 0开开始始馏馏出出，至至 2 20 00 0左左右右蒸蒸发发完完毕毕 ) )， 因因而而可可能能在在较较低低温温度度下下以以较较充充裕裕的的时时间间在在气气缸缸外外部部进进气气管管中中形形成成均均匀匀的的混混合合气气，因因而而控控制制混混合合气气的的数数量量，便便能能调调节节汽汽油油机机的的功功率率。而而柴柴油油蒸蒸发发性性差差 ( (2 20 00 0开开始始馏馏出出，至至 3 35 50 0结结束束 ) )，但但粘粘性性比比较较好好，不不可可能能在在低低温温下下形形成成油油气气混混合合气气，但但适适宜宜用用油油泵泵油油嘴嘴向向气气缸缸 内部喷油，靠调节供油量来调节负荷。内部喷油，靠调节供油量来调节负荷。 2.2.引起着火与燃烧上的差异引起着火与燃烧上的差异 汽汽油油自自燃燃温温度度较较高高，但但汽汽油油蒸蒸气气在在外外部部引引火火条条件件下下的的温温度度极极低低，因因而而不不宜宜压压燃燃但但适适宜宜外外源源点点火火；为为促促使使有有规规律律的的燃燃烧烧，应应防防止止其其自自燃燃 ( (压压缩缩比比不不能能高高 ) )；而而且且由由于于混混合合气气均均匀匀，着着火火后后，以以火火焰焰传传播播的的方方式式向向均均匀匀的的混混合合气气展展开开。对对于于柴柴油油，则则利利用用其其化化学学安安定定性性差差，易易自自燃燃的的优优点点，采采用用压压缩缩自自燃燃的的方方式式；为为促促进进自自燃燃，压压缩缩比比不不宜宜过过低低，柴柴油油的的喷喷射射及及与与空空气气的的混混合合，既既短短暂暂又又不不均均匀匀， 常有随喷随烧的现象，因而使燃烧时间延长。常有随喷随烧的现象，因而使燃烧时间延长。三、汽柴油性能差异的影响三、汽柴油性能差异的影响 四、发动机的替代燃料四、发动机的替代燃料 传统燃料储运方便，成本较低，但随着石油储量的不断传统燃料储运方便，成本较低，但随着石油储量的不断减少，对新的替代燃料的研究成为热点。减少，对新的替代燃料的研究成为热点。 新的替代燃料的新的替代燃料的使用清洁性成为关键使用清洁性成为关键之一；之一； 可供使用的总量可供使用的总量及成本；及成本； 储运的方便、使储运的方便、使用安全也是关键之一。用安全也是关键之一。1、醇类燃料、醇类燃料 随着世界石油储量日益减少，在发动机上使用代用燃料的随着世界石油储量日益减少，在发动机上使用代用燃料的趋势正在加速。日前，发动机燃料多样化的特点，为发动机的趋势正在加速。日前，发动机燃料多样化的特点，为发动机的发展与改造带来了新的推动力。发动机的代用燃料有醇类燃料、发展与改造带来了新的推动力。发动机的代用燃料有醇类燃料、人造汽油、氢燃料、煤浆燃料、植物油等等。用煤的液化生产人造汽油、氢燃料、煤浆燃料、植物油等等。用煤的液化生产人造汽油，在技术上是可行的，但成本较高；氢是今后很有前人造汽油，在技术上是可行的，但成本较高；氢是今后很有前途的燃料，但氢的制取与储运仍有持进一步解决；将煤粉与柴途的燃料，但氢的制取与储运仍有持进一步解决；将煤粉与柴油掺台形成固液两相的煤浆，在发动机上试验已有成功的范例，油掺台形成固液两相的煤浆，在发动机上试验已有成功的范例，但固体燃料在高速燃烧的发动机上应用，仍有燃烧不完全和积但固体燃料在高速燃烧的发动机上应用，仍有燃烧不完全和积炭磨损的问题。这些都属于探索性的代用燃料。当今比较成熟炭磨损的问题。这些都属于探索性的代用燃料。当今比较成熟而且已经实用的代用燃料，还是醇类与汽油掺合，称为乙醇汽而且已经实用的代用燃料，还是醇类与汽油掺合，称为乙醇汽油，这在一些国家已有广泛应用。油，这在一些国家已有广泛应用。1、醇类燃料、醇类燃料 醇类燃料醇类燃料( (例如甲醇和乙醇例如甲醇和乙醇) )来源广泛，有较好的燃料特性，能满足来源广泛，有较好的燃料特性，能满足汽车燃料的基本要求。与汽油比较，它的特点是：汽车燃料的基本要求。与汽油比较，它的特点是： (1)(1)醇类燃料的热值低，但醇中的含氧量大，所需的理论空气量不到醇类燃料的热值低，但醇中的含氧量大，所需的理论空气量不到汽油的一半，所以两者的混合气热值都差不多，从而保证发动机动力性汽油的一半，所以两者的混合气热值都差不多，从而保证发动机动力性能不致降低。由于热值低，乙醇汽油的燃油消耗率比普通汽油高，不过能不致降低。由于热值低，乙醇汽油的燃油消耗率比普通汽油高，不过热效率并不比普通汽油低，而且其混合气比汽油混合气还稀。热效率并不比普通汽油低，而且其混合气比汽油混合气还稀。 (2)(2)醇的汽化潜热是汽油的三倍左右，混合燃料蒸发汽化，可以促使醇的汽化潜热是汽油的三倍左右，混合燃料蒸发汽化，可以促使进气温度进一步降低，增加了充气量，提高了功率。但困难的是，在使进气温度进一步降低，增加了充气量，提高了功率。但困难的是，在使用中需予以强预热。用中需予以强预热。 (3)(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，这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，这对提高汽油机的压缩比极为有利。对提高汽油机的压缩比极为有利。 (4)(4)醇的沸点低，产生气阻的倾向比汽油大，要采取相应的措施。醇的沸点低，产生气阻的倾向比汽油大，要采取相应的措施。 (5)(5)在常温下醇难溶于汽油，混合不匀的燃料使发动机运转不稳定。在常温下醇难溶于汽油，混合不匀的燃料使发动机运转不稳定。为此，需要加入适量的助溶剂，以利于醇与汽油相互溶解。为此，需要加入适量的助溶剂，以利于醇与汽油相互溶解。 (6)(6)甲醇对视神经有损伤作用，其混合燃料有一定的毒性，在储运及甲醇对视神经有损伤作用，其混合燃料有一定的毒性，在储运及使用中要注意安全。使用中要注意安全。 另外，甲醇对金属有一定的腐蚀作用，应采取防蚀措施。另外，甲醇对金属有一定的腐蚀作用，应采取防蚀措施。2、气体燃料、气体燃料 气气体体燃燃料料可可分分天天然然气气 ( ( N NG G ) )、液液化化石石油油气气 ( ( L LP PG G ) )及及工工业业生生产产中中的的气气体体燃燃料料。天天然然气气是是以以自自由由状状态态或或与与石石油油共共生生于于自自然然界界中中的的可可燃燃气气体体，它它的的主主要要成成分分是是甲甲烷烷。液液化化石石油油气气是是在在石石油油炼炼制制过过程程个个产产生生的的石石油油气气，主主要要成成分分是是丙丙烷烷、丙丙烯烯等等。在在车车辆辆上上应应用用最最多多的的气气体体燃燃料料是是天天然然气气。世世界界上上近近年年来来天天然然气气燃燃料料发发展展最最快快，已已成成为为第第三三大大支支柱柱性性能能源源。它它用用于于汽汽车车一一般般有有两两种种形形式式：一一种种是是压压缩缩天天然然气气 ( ( C CN NG G) )，通通常常以以 2 20 0M M P Pa a压压缩缩储储存存于于高高压压气气瓶瓶中中；另另一一种种是是液液化化天天然然气气 ( ( L LN NG G) )，将将天天然然气气以以 - -1 16 63 3低低温温液液化化储储存存于于隔隔热热的的液液化化气气罐罐中中。与与压压缩缩天天然然气气相相比比，液液化化天天然然气气具具有有能能量量密密度度高高、储储运运性性好好 ( (它它的的液液态态密密度度仅仅为为常常态态下下气气体体密密度度的的 1 1/ /6 60 00 0) )、行行驶驶距距离离长长等等优优点点，但但需需要要有有极极低低温温技技术术，储储运运困困难难而而且且成成本本高高等等，将将液液化化天天然然气气作作为为汽汽车车燃燃料料尚尚处处于于研研究究之之中中，当当今今广广泛泛应应用用的的仍仍是是压压缩缩天天然气。然气。天然气燃料具有以下优点：天然气燃料具有以下优点： (1)(1)天然气的主要成分是甲烷，天然气的主要成分是甲烷，COCO排放量少，未燃排放量少，未燃HCHC成分引起的光化学成分引起的光化学反应低，燃料中几乎不含硫的成分。反应低，燃料中几乎不含硫的成分。 (2)(2)辛烷值高达辛烷值高达130130，可采用高压缩比，获得高的热效率。，可采用高压缩比，获得高的热效率。 (3)(3)燃烧下限宽，稀燃特性优越，在广泛的运转范围内，可降低燃烧下限宽，稀燃特性优越，在广泛的运转范围内，可降低NOxNOx生生成，进而也可提高热效率。成，进而也可提高热效率。 (4)(4)由于是气体燃料，低温起动性及低温运转性能良好，进而在暖机过由于是气体燃料，低温起动性及低温运转性能良好，进而在暖机过程中，不需要在使用液体燃料时所必要的额外供油，不完全燃烧成分少。程中，不需要在使用液体燃料时所必要的额外供油，不完全燃烧成分少。 (5)(5)天然气燃料适应性好，可采用油气双燃料供应方式，也可采用电控天然气燃料适应性好，可采用油气双燃料供应方式，也可采用电控混合气或电控天然气喷射方式工作。它适用于轻型车，也适用于柴油车。混合气或电控天然气喷射方式工作。它适用于轻型车，也适用于柴油车。 (6)(6)将天然气应用于柴油车，固体微粒的排放率几乎为将天然气应用于柴油车，固体微粒的排放率几乎为0 0，( (微粒排放是微粒排放是当今柴油车排放治理中突出的困难当今柴油车排放治理中突出的困难) )，从而达到低公害车的标准。，从而达到低公害车的标准。天然气燃料的缺点：天然气燃料的缺点： (1) (1) 在常温常压下是气体，储运性能比液体燃料差，一次充气行驶距在常温常压下是气体，储运性能比液体燃料差，一次充气行驶距离短。离短。 (2)(2)由于储气压一般达由于储气压一般达20MPa20MPa高压，使燃料容器加重。高压，使燃料容器加重。 (3)(3)由于呈气体状态吸入，使发动机体积效率降低，与液体燃料相比由于呈气体状态吸入，使发动机体积效率降低，与液体燃料相比( (如汽油如汽油) )，单位体积的混合气热值小，功率下降近，单位体积的混合气热值小，功率下降近10%10%。 2、气体燃料、气体燃料五、气体燃料五、气体燃料 燃料种燃料种类性性 质液化石油气液化石油气天然气天然气（甲（甲烷）汽油（汽油（90）丙丙烷丁丁烷H/C原子比原子比2.672.504.022.30分子量分子量M44.09758.12416.04396密度（液相）密度（液相）/（kgm-3）528602424700780密度（气相）密度（气相）/（kgm-3）2.022.5980.715沸点沸点/-42.1-0.5-161.53090临界温度界温度/96.7152.0-82.6临界界压力力/MPa4.253.84.62汽化汽化热/(kJkg-1)426385510理理论空燃比空燃比质量比量比15.6515.4317.2514.8体体积比比23.8130.959.528586低低热值/(kJkg-1)45.7746.3950.0543.90混和气混和气热值/(kJkg-1)3.493.523.393.73辛辛烷值RON111.59513092着火极限着火极限/%2.29.51.98.55151.37.6着火温度着火温度/466430537390420火焰火焰传播速度播速度/(ms-1)383733.83947火焰温度火焰温度/1970197519182197CNG、LPGLPG在汽车上使用主要有三种形式。在汽车上使用主要有三种形式。1 1） 两用燃料两用燃料 即在汽油机的基础上改装使用气体燃料，在保留汽油机即在汽油机的基础上改装使用气体燃料，在保留汽油机原有机构不变，增加一套气体燃料供给及控制系统，可分别原有机构不变，增加一套气体燃料供给及控制系统，可分别使用汽油、气体燃料单独工作，由于气体燃料汽化需要吸收使用汽油、气体燃料单独工作，由于气体燃料汽化需要吸收热量，故一般两用燃料发动机设计成使用汽油起动，在达到热量，故一般两用燃料发动机设计成使用汽油起动，在达到一定条件后转换为使用气体燃料。这种形式的汽车可以是新一定条件后转换为使用气体燃料。这种形式的汽车可以是新车在出厂前改装，也可以由在用车来改装。车在出厂前改装，也可以由在用车来改装。 2 2）双燃料）双燃料 即柴油机改装使用气体燃料，由于柴油机没有点火系统，即柴油机改装使用气体燃料，由于柴油机没有点火系统，气体燃料十六烷值低，不能通过压缩燃烧，故需要向缸内喷气体燃料十六烷值低，不能通过压缩燃烧，故需要向缸内喷入一部分柴油引燃，同时向缸内供给气体燃料，需要有柴油、入一部分柴油引燃，同时向缸内供给气体燃料，需要有柴油、气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作。气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作。3 3）单燃料）单燃料 重新设计发动机，来使用气体燃料。重新设计发动机，来使用气体燃料。 2、气体燃料、气体燃料电控双燃料发动机的结构简图电控双燃料发动机的结构简图两用燃料发动机的控制策略两用燃料发动机的控制策略五、燃烧热化学五、燃烧热化学 在燃烧分析中需要提供有关燃料、空气及其产物的一些基本数在燃烧分析中需要提供有关燃料、空气及其产物的一些基本数量关系。对于已知的燃料，各元素的含量是可以测得的，而空气中量关系。对于已知的燃料，各元素的含量是可以测得的，而空气中氧化氮的比例又是一定的，按照完全燃烧的化学当量关系，很容易氧化氮的比例又是一定的，按照完全燃烧的化学当量关系，很容易求出一些基本量，为发动机经验设计及调试提供依据求出一些基本量，为发动机经验设计及调试提供依据。 1. 空燃比空燃比A/F (A：air-空气，空气，F：fuel-燃料燃料)表示空气和燃料的表示空气和燃料的混合比。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、混合比。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。发动机的动力性和经济性都有很大的影响。 2.理论空燃比理论空燃比：即将燃料完全燃烧所需要的最少空气量和燃料：即将燃料完全燃烧所需要的最少空气量和燃料量之比。汽油的理论空燃比大体约为量之比。汽油的理论空燃比大体约为14.7，也就是说，燃烧，也就是说，燃烧1g汽油汽油需要需要14.7g的空气，柴油的约为的空气，柴油的约为14.5 。一般常说的汽油机混合气过。一般常说的汽油机混合气过浓过稀，其标准就是理论空燃比。空燃比小于理论空燃比时，混合浓过稀，其标准就是理论空燃比。空燃比小于理论空燃比时，混合气中的汽油含量高，称作过浓；空燃比大于理论空燃比时，混合气气中的汽油含量高，称作过浓；空燃比大于理论空燃比时，混合气中的空气含量高，称为过稀。中的空气含量高，称为过稀。 混合气略微过浓时，即空燃比为混合气略微过浓时，即空燃比为13.514时汽油的燃烧最时汽油的燃烧最好，火焰温度也最高。因为燃料多一些可使空气中的氧气全好，火焰温度也最高。因为燃料多一些可使空气中的氧气全部燃烧。部燃烧。 而从经济性的角度来讲，混合气稀一些时，即空燃比为而从经济性的角度来讲，混合气稀一些时，即空燃比为1616时油耗最小。因为这时空气较多，燃料可以充分燃烧。时油耗最小。因为这时空气较多，燃料可以充分燃烧。 从发动机功率上讲，混合气较浓时，火焰温度高，燃烧从发动机功率上讲，混合气较浓时，火焰温度高，燃烧速度快，当空燃比界于速度快，当空燃比界于12-1312-13之间时，发动机功率最大。之间时，发动机功率最大。 燃料燃料项目项目汽油汽油轻柴油轻柴油理理论论空空气气量量kg/kg14.714.5m3/kg11.5211.22kmol/kg0.5140.502.理论空燃比理论空燃比燃烧热化学燃烧热化学3.过量空气系数过量空气系数 燃烧燃烧1Kg1Kg燃料实际提供的空气量与理论上所需空气量之燃料实际提供的空气量与理论上所需空气量之比称为过量空气系数。比称为过量空气系数。 过量空气系数与发动机类型、混合气形成的方法、燃过量空气系数与发动机类型、混合气形成的方法、燃料的种类、工况料的种类、工况( (负荷与转速负荷与转速) )、功率调节的方法等因素有关。、功率调节的方法等因素有关。汽油机燃烧时用的是预先混合好的均匀混合气，混合比只在汽油机燃烧时用的是预先混合好的均匀混合气，混合比只在狭小的范围内变化狭小的范围内变化( (=0.8-1.2)0.8-1.2)。柴油机负荷是靠质调节的柴油机负荷是靠质调节的( (即混合气浓度调节即混合气浓度调节) )，的变化范围很大。由于混合气形成的变化范围很大。由于混合气形成不均匀，所以不均匀，所以总是大于总是大于1 1的。一般车用高速柴油机，的。一般车用高速柴油机，=1.2-1.61.2-1.6；增压柴油机，；增压柴油机，=1.8-2.21.8-2.2。燃烧热化学燃烧热化学4.燃料热值与混合气热值燃料热值与混合气热值1 1）燃料热值）燃料热值 1kg1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。在高温的燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。在高温的燃烧产物中，水以蒸气状态存在，水的汽化潜热不能利用。因此，燃烧产物中，水以蒸气状态存在，水的汽化潜热不能利用。因此，水凝结以后计入水的汽化潜热的热值，称为高热值；在高温下的，水凝结以后计入水的汽化潜热的热值，称为高热值；在高温下的，则为低热值。内燃机排气温度较高，水的汽化潜热不能利用，因此则为低热值。内燃机排气温度较高，水的汽化潜热不能利用，因此应用低热值。应用低热值。2 2）混合气热值）混合气热值 当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工质的热量取当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工质的热量取决于单位体积可燃混合气的热值。可燃混合气的热值以决于单位体积可燃混合气的热值。可燃混合气的热值以kJ/kJ/kmolkmol或或kJ/mkJ/m3 3( (标准标准) )计。计。1kg1kg燃料形成可燃混合气的数量为燃料形成可燃混合气的数量为M1，它所产生，它所产生的热量是燃料的低热值的热量是燃料的低热值h h 。因此，单位数量可燃混合气的热值。因此，单位数量可燃混合气的热值(kJ/(kJ/kmolkmol) )是是 M1 1随过量空气系数而变，当随过量空气系数而变，当=1=1时，燃料与空气所形成的可时，燃料与空气所形成的可燃混合气热值称为理论混合气热值。燃混合气热值称为理论混合气热值。燃烧热化学燃烧热化学六、燃烧的基本知识六、燃烧的基本知识 1.1.着火过程着火过程 燃燃烧烧一一种种放放热热的的氧氧化化反反应应。可可燃燃混混合合物物 ( (燃燃料料与与空空气气的的混混合合物物) )在在发发生生明明显显的的光光和和火火焰焰效效应应的的燃燃烧烧之之前前，都都有有一一个个准准备备阶阶段段，即即着着火火阶阶段段。所所谓谓着着火火，是是指指混混合合气气自自动动地地反反应应加加速速，并并产产生生温温升升，以以致致引引起起空空间间某某一一位位置置或或最最终终在在某某个个时时刻刻有有火火焰焰出出现现的的过过程程。使使可可燃燃 混混 合合 物物 着着 火火 的的 方方 法法 有有 两两 种种 ： 自自 燃燃 与与 点点 燃燃 ， 前前 者者 是是 自自 发的，后者是强制的。发的，后者是强制的。 由于汽柴油都是由烃组成的，烃的氧化反应，可以写成由于汽柴油都是由烃组成的，烃的氧化反应，可以写成 烃的这种氧化反应需要经历烃的这种氧化反应需要经历链引发链引发、链传播及链中断链传播及链中断等过程。等过程。 链引发链引发，是反应物分子受到某种因素激发，是反应物分子受到某种因素激发( (譬如，受热裂解、受譬如，受热裂解、受光辐射作用等光辐射作用等) )，分解成为自由原子或自由基，这种自由原子或自由，分解成为自由原子或自由基，这种自由原子或自由基基( (如如H H、O O、OHOH等等等等) )具有很强的反应能力，成为反应中的活性中心，具有很强的反应能力，成为反应中的活性中心，使新的化学反应得以进行。使新的化学反应得以进行。 链的传播链的传播，是指已生成的自由原子或自由基与反应物作用，一，是指已生成的自由原子或自由基与反应物作用，一方面将反应推进一步，另一方面同时生成新的自由原子或自由基的方面将反应推进一步，另一方面同时生成新的自由原子或自由基的过程。如果在每一步中间反应中，都是由一个活性中心与反应物作过程。如果在每一步中间反应中，都是由一个活性中心与反应物作用产生用产生个新的活性中心，整个反应则是以恒定速度进行，这样的个新的活性中心，整个反应则是以恒定速度进行，这样的反应称为反应称为直链反应直链反应。如果由一个活性中心引起的反应，同时生成两个以上的活性中心，如果由一个活性中心引起的反应，同时生成两个以上的活性中心，这时，链就发生了分支，反应速度将急剧地增长，可达到极快的程这时，链就发生了分支，反应速度将急剧地增长，可达到极快的程度度( (链锁爆炸链锁爆炸) )，这种反应称为，这种反应称为支链反应支链反应。 在链锁反应中，可能出于具有很大反应能力的自由原子或自由在链锁反应中，可能出于具有很大反应能力的自由原子或自由基与容器壁面或惰性气体分子碰撞，使反应能力减小，不再引致反基与容器壁面或惰性气体分子碰撞，使反应能力减小，不再引致反应，这就是应，这就是链的中断链的中断。每一次链的中断都会引起总体反应速度减慢，。每一次链的中断都会引起总体反应速度减慢，以及减少反应继续发展的可能性，在某些不利的场合下还可以使反以及减少反应继续发展的可能性，在某些不利的场合下还可以使反应完全停止。柴油机为退化的支链反应。应完全停止。柴油机为退化的支链反应。1.着火过程着火过程燃烧的基本知识燃烧的基本知识1.着火过程着火过程燃烧的基本知识燃烧的基本知识 烃的反应过程有如下特点：烃的反应过程有如下特点： 1 1) )在在反反应应开开始始，有有一一段段形形成成与与积积累累活活性性中中心心的的过过程程，这这一一段段时时间间称称为为诱诱导导期期。当当活活性性中中心心积积累累到到一一定定程程度度，反反应应速速度度便便急急剧剧增增加加。这这个个诱诱导导期期不不仅仅是是反反应应物物的的物物性性参参数数，还还与与反反应应开开始始的的反反应应物物浓浓度度、温温度度、 容器的形状与材料等有关。容器的形状与材料等有关。 2 2) )即即使使反反应应物物是是处处在在低低温温下下，只只要要有有某某种种原原因因能能激激发发出出活活性性中中心心，便便能能引引起起链链锁锁反反应应。也也就就是是说说，引引起起燃燃烧烧爆爆炸炸的的原原因因并并不不一一定定是是高高温温。 3 3) )反反应应速速度度是是自自动动加加速速的的。在在迅迅速速反反应应的的前前阶阶段段 ( (A A - -B B ) )，反反应应速速度度随随温温度度而而急急剧剧增增高高；随随着着反反应应物物浓浓度度减减少少，B B - -C C 段段 反反 应应 速速 度度 便便 迅迅 速速 下下 降降 。 4 4) )在在反反应应气气体体中中加加入入惰惰性性气气体体，将将促促使使反反映映速速度度降降低低。在在加加入入某某种种添添加加剂剂 以以 后后 ， 也也 可可 能能 使使 反反 应应 加加 速速 。1）自燃）自燃燃烧的基本知识燃烧的基本知识 所谓自燃，是指具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外所谓自燃，是指具有适当温度、压力的可燃混合气，在没有外部能量引入的情况下，依靠混合气自身的反应自动加速，并自发地部能量引入的情况下，依靠混合气自身的反应自动加速，并自发地引起火焰的过程。引起火焰的过程。用热着火理论来分析着火条件，可知：用热着火理论来分析着火条件，可知： (1)(1)着火温度着火温度TcTc不仅与可燃混合气的物理化学性质有关，而且不仅与可燃混合气的物理化学性质有关，而且与环境温度、压力、容器形状及散热情况等有关。即使同一种燃科，与环境温度、压力、容器形状及散热情况等有关。即使同一种燃科，因条件不同，着火温度也可能不同。因条件不同，着火温度也可能不同。 (2)(2)临界的温度与压力明显地影响到着火区域。在低压时，要临界的温度与压力明显地影响到着火区域。在低压时，要求很高的着火温度，反之也是一样求很高的着火温度，反之也是一样 (3)(3)存在着一个可燃混合物着火的浓度上限存在着一个可燃混合物着火的浓度上限( (富油极限富油极限) )与下限与下限( (贫油极限贫油极限) )。如图所示，随着温度、压力升高，着火的浓度界限有。如图所示，随着温度、压力升高，着火的浓度界限有所加宽；但温度、压力上升得再高，着火界限的加宽也是很有限的。所加宽；但温度、压力上升得再高，着火界限的加宽也是很有限的。另一方面，当温度、压力过低另一方面，当温度、压力过低( (低于临界值低于临界值) )，则无论在什么浓度下，则无论在什么浓度下均不能着火均不能着火。自燃温度及临界压力与混合气着火界限的关系自燃温度及临界压力与混合气着火界限的关系2）点燃）点燃燃烧的基本知识燃烧的基本知识 点点燃燃是是指指利利用用电电火火花花在在可可燃燃混混合合气气中中产产生生火火焰焰核核心心并并因因而而引引起起火火焰焰传传播播的的过过程程。 在在火火花花点点火火之之前前，由由于于可可燃燃混混合合气气受受到到压压缩缩温温度度升升高高，有有可可以以察察觉觉得得出出的的缓缓慢慢氧氧化化的的先先期期反反应应现现象象。在在火火花花点点火火以以后后，不不仅仅使使局局部部混混合合气气温温度度进进一一步步升升高高，而而且且引引起起了了火火花花附附近近的的混混合合气气电电离离，形形成成活活性性中中心心，出出现现明明显显发发热热、发发光光的的小小区区域域，这这就就是是火火焰焰核核。为为了了使使火火花花所所产产生生的的火火焰焰成成长长起起来来并并确确实实开开始始传传播播，必必须须对对靠靠着着火火焰焰核核的的未未燃燃部部分分供供给给充充分分的的能能量量，这这种种能能量量来来源源，包包括括火火花花点点火火的的能能量量以以及及反反应应开开始始后后由由化化学学反反应应本本身身所释放出的能量。所释放出的能量。 为为了了使使点点燃燃成成功功，必必须须使使火火花花塞塞提提供供的的放放电电能能量量大大于于某某一一个个点点火火的的 最最小小能能量量 ，而而这这个个最最小小能能量量受受很很多多因因素素影影响响，如如 燃燃料料的的种种类类与与浓浓度度，氧氧的的浓浓度度，压压力力及及温温度度，点点火火处处气气流流的的运运动动状状况况，电电火火花花的的性性质质，电电极极的的几几何何形形状状和和距距离离 等等等等。 点点火火还还直直接接受受到到混混合合气气浓浓度度的的限限制制 ，当当混混合合气气过过稀稀或或过过浓浓，无无论论点点火火能能量量有有多多大大也也不不能能着着火火，即即有有一一个个点点燃燃的的浓浓度度界界限限。在在某某一一适宜的浓度，需要的点火能量最小。适宜的浓度，需要的点火能量最小。 火焰核形成影响因素很多，火焰核形成影响因素很多，使火焰核形成所用的时间不同。造成在实使火焰核形成所用的时间不同。造成在实际汽油机的同一气缸中，连续诸循环的情况不可能完全一致，因而产生了际汽油机的同一气缸中，连续诸循环的情况不可能完全一致，因而产生了燃烧的循环变动。这种燃烧不稳定的情况，在汽油机低负荷及在稀薄混合燃烧的循环变动。这种燃烧不稳定的情况，在汽油机低负荷及在稀薄混合气中尤为突出。气中尤为突出。2.在预混气体中的火焰的传播在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识燃烧的基本知识 所谓预混气体，是指在着火前将燃料蒸气和空气以一定所谓预混气体，是指在着火前将燃料蒸气和空气以一定比例预先混合好的气体。在局部形成火焰核心之后，其余部比例预先混合好的气体。在局部形成火焰核心之后，其余部分的燃烧过程实质上就是火焰的预混气体中传播的过程。火分的燃烧过程实质上就是火焰的预混气体中传播的过程。火焰传播速度的大小取决于预混合气体的物理化学性质、热力焰传播速度的大小取决于预混合气体的物理化学性质、热力状态以及气体的流动状况。根据气体流动的状况，可分为层状态以及气体的流动状况。根据气体流动的状况，可分为层流火焰传播与紊流火焰传播。流火焰传播与紊流火焰传播。1） 层流火焰传播层流火焰传播 在静止或流速很低的预混气体中，用电火花点燃混合气而局在静止或流速很低的预混气体中，用电火花点燃混合气而局部着火以后，火焰就会向四周传播开来，形成球状的火焰面部着火以后，火焰就会向四周传播开来，形成球状的火焰面(或称或称为火焰前锋为火焰前锋)。在火焰面的前面是未燃的预混气体，后面是温度很。在火焰面的前面是未燃的预混气体，后面是温度很高的已燃气体，在这薄薄的一层火焰面上进行着强烈的燃烧化学反高的已燃气体，在这薄薄的一层火焰面上进行着强烈的燃烧化学反应。这种层流火焰面的厚度只有十分之几甚至百分之几毫米。应。这种层流火焰面的厚度只有十分之几甚至百分之几毫米。2.在预混气体中的火焰的传播在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识燃烧的基本知识 层流火焰传播速度层流火焰传播速度VLVL很低，以汽油与空气的预混气体为例，很低，以汽油与空气的预混气体为例， VL =0.4-0.5m/sVL =0.4-0.5m/s。因为层流火焰传播速度主要取决于预混气体的。因为层流火焰传播速度主要取决于预混气体的理化性质，所以混合气成分对理化性质，所以混合气成分对VLVL影响很大。试验表明影响很大。试验表明( (如下图所示如下图所示) )，在过量空气系数，在过量空气系数=0.8-0.9=0.8-0.9时，反应温度最高，时，反应温度最高， VLVL最大；如最大；如果果=1=1， VLVL下降下降10%10%；=1.1=1.1， VLVL下降下降15%15%；当混合气成分过稀；当混合气成分过稀或过浓，则反应温度均过低，不能维持火焰传播。或过浓，则反应温度均过低，不能维持火焰传播。 试验还表明，火焰在管道试验还表明，火焰在管道中或在缝隙中传播时，当管径中或在缝隙中传播时，当管径或缝隙尺寸减少至某一临界尺或缝隙尺寸减少至某一临界尺寸，则火焰不能继续传播，该寸，则火焰不能继续传播，该尺寸被称为淬熄直径尺寸被称为淬熄直径( (或淬熄距或淬熄距离离) )。在火焰传播到靠近低温壁。在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时，该层预混气体面的混合气时，该层预混气体也不能燃烧，这是燃烧室中生也不能燃烧，这是燃烧室中生成未燃成未燃HCHC的重要原因之一。的重要原因之一。2）紊流火焰传播）紊流火焰传播燃烧的基本知识燃烧的基本知识 在实际汽油机中，由于气流的紊流运动可以大大加速火焰传播速度，在实际汽油机中，由于气流的紊流运动可以大大加速火焰传播速度，此时此时VTVT20-70m/s20-70m/s。 在具有粘性的气流运动中，当流速增加至一定的数值后，由于壁面在具有粘性的气流运动中，当流速增加至一定的数值后，由于壁面边界上的阻碍作用，或者由于外部扰动，在气流内部将形成许多涡旋。边界上的阻碍作用，或者由于外部扰动，在气流内部将形成许多涡旋。这些涡旋尺寸有大有小，往往大涡旋中包含着小涡旋，小涡旋中又包含这些涡旋尺寸有大有小，往往大涡旋中包含着小涡旋，小涡旋中又包含着更小的涡旋。各种不同尺寸的涡旋组成了连续的涡旋谱。气流中不同着更小的涡旋。各种不同尺寸的涡旋组成了连续的涡旋谱。气流中不同尺寸的涡旋呈不断形成、发展、分解与消失的不稳定的过程，这就是紊尺寸的涡旋呈不断形成、发展、分解与消失的不稳定的过程，这就是紊流。紊流在空间上与时间上做紊乱无秩序的变化，评定紊流运动常用以流。紊流在空间上与时间上做紊乱无秩序的变化，评定紊流运动常用以下两项参数。下两项参数。 (1)(1)紊流尺度紊流尺度 可将其看成涡旋翻接一个周期所作用的范围。它可分可将其看成涡旋翻接一个周期所作用的范围。它可分为宏观紊流与微观紊流。看来，宏观紊流决定着紊流主要的力学性质，为宏观紊流与微观紊流。看来，宏观紊流决定着紊流主要的力学性质，而微观紊流则在粘性的影响下将紊流能量转化为热而消失。而微观紊流则在粘性的影响下将紊流能量转化为热而消失。 (2)(2)紊流强度紊流强度 它用脉动速度的均方根来表示，是与紊流的能量有关它用脉动速度的均方根来表示，是与紊流的能量有关的值。它对紊流火焰传播速度有强烈的影响。的值。它对紊流火焰传播速度有强烈的影响。 紊流火焰传播速度与层流火焰传播速度不同，它不能看成是预混气紊流火焰传播速度与层流火焰传播速度不同，它不能看成是预混气体的理化性质；事实上，体的理化性质；事实上，紊流的强弱及层流火焰传播速度这两项对紊流紊流的强弱及层流火焰传播速度这两项对紊流火焰的影响都是基本的火焰的影响都是基本的，只是在强紊流的火焰中，紊流才会起到更主要，只是在强紊流的火焰中，紊流才会起到更主要的作用。的作用。3.油滴与喷雾燃烧油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识燃烧的基本知识油滴与喷雾燃烧是一种非预混的、不均匀的扩散型燃烧，实质上是燃油油滴与喷雾燃烧是一种非预混的、不均匀的扩散型燃烧，实质上是燃油蒸气和空气的燃烧，是一种气相性质的燃烧过程，所以燃料的蒸发过程蒸气和空气的燃烧，是一种气相性质的燃烧过程，所以燃料的蒸发过程对液体燃烧起着决定性的作用。对液体燃烧起着决定性的作用。 1 1 油滴的蒸发与燃烧油滴的蒸发与燃烧 油滴扩散燃烧的速度，完全取决于燃油蒸气从油滴表面向火焰回油滴扩散燃烧的速度，完全取决于燃油蒸气从油滴表面向火焰回扩散的速度。扩散的速度。 为了加快油滴蒸发，应尽量将油滴喷得均匀细小。图所示为了加快油滴蒸发，应尽量将油滴喷得均匀细小。图所示是理论计算的结果，油滴直径愈小，蒸发的时间愈短。从图上还看出，是理论计算的结果，油滴直径愈小，蒸发的时间愈短。从图上还看出，在油滴蒸发过程中，初期蒸发快，当接近完全蒸发时，蒸发过程将变慢。在油滴蒸发过程中，初期蒸发快，当接近完全蒸发时，蒸发过程将变慢。序号序号空气温度空气温度（）空气压力空气压力（kPa）油滴直径油滴直径（m）1600300010250030001036003000204500300020 油油滴滴在在燃燃烧烧室室中中与与气气流流是是有有相相对对运运动动的的。如如果果油油滴滴与与周周围围空空气气间间没没有有相相对对运运动动，那那么么在在油油滴滴周周围围形形成成一一同同心心的的球球状状扩扩散散火火焰焰，称称为为全全周周焰焰 ( (a a) )。当当有有相相对对运运动动时时，则则火火焰焰形形状状将将由由球球形形逐逐渐渐成成卵卵形形，而而且且随随着着气气流流方方向向被被拉拉长长 ( (b b ) )。当当气气流流速速度度继继续续增增大大，火火焰焰首首先先在在油油滴滴的的迎迎风风面面上上熄熄灭灭，而而向向油油滴滴后后方方移移动动，直直到到油油滴滴尾尾部部某某个个位位置置上上为为止止，形形成成所所谓谓尾尾流流火火焰焰 ( (c c、d d) )。如如果果气气流流速速度度再再进进一一步步加加大大，火火焰焰则则会会脱脱离离油油滴滴尾尾部部而而在在远远离离油油滴滴某某一一距距离离形形成成伞伞状状火火焰焰 ( ( e e ) )。 若若 再再 继继 续续 增增 大大 流流 速速 ， 则则 火火 焰焰 全全 部部 熄熄 灭灭 。燃烧的基本知识燃烧的基本知识3.油滴与喷雾燃烧油滴与喷雾燃烧 实际的喷雾燃烧要比理想的单个油滴在无限氧空间中的蒸实际的喷雾燃烧要比理想的单个油滴在无限氧空间中的蒸发与燃烧过程复杂得多，因为喷雾中的各个油滴相互间存在着发与燃烧过程复杂得多，因为喷雾中的各个油滴相互间存在着干扰，并且最初喷入的油滴将发生汽化，而汽化了的燃料又同干扰，并且最初喷入的油滴将发生汽化，而汽化了的燃料又同周围的空气进行扩散与混合，形成预混合气。周围的空气进行扩散与混合，形成预混合气。 试验表明，小滴径的液滴群，可以看成是完全类似于预混试验表明，小滴径的液滴群，可以看成是完全类似于预混合气的燃烧，并且没有必要认为存在油滴状态；而大滴径的油合气的燃烧，并且没有必要认为存在油滴状态；而大滴径的油滴群，又基本上是以单油滴的扩散燃烧为基础的。实际的喷雾滴群，又基本上是以单油滴的扩散燃烧为基础的。实际的喷雾过程，是由若干大大小小的油滴组成，所以实际的喷雾燃烧，过程，是由若干大大小小的油滴组成，所以实际的喷雾燃烧，必然是上述燃烧形式同时存在并且相互影响的。必然是上述燃烧形式同时存在并且相互影响的。 因为油滴群在空间分布，形成了许许多多具有着火与燃因为油滴群在空间分布，形成了许许多多具有着火与燃烧条件的单个油滴，只要在油滴周围存在着适合燃烧的油气比烧条件的单个油滴，只要在油滴周围存在着适合燃烧的油气比例与着火环境，就能在一点或多点同时着火。它与在整个燃烧例与着火环境，就能在一点或多点同时着火。它与在整个燃烧室中油气的宏观比例无关，不像均匀的预混合气那样，必须具室中油气的宏观比例无关，不像均匀的预混合气那样，必须具有严格油气比例的着火范围，因而它比预混合气具有更广泛的有严格油气比例的着火范围，因而它比预混合气具有更广泛的稳定燃烧范围。稳定燃烧范围。 2）喷雾燃烧）喷雾燃烧燃烧的基本知识燃烧的基本知识2)喷雾燃烧喷雾燃烧燃烧的基本知识燃烧的基本知识 在喷雾燃烧中，一个突出的问题是容易生成碳烟，它是限制自然吸在喷雾燃烧中，一个突出的问题是容易生成碳烟，它是限制自然吸气柴油机功率的主要原因。一般认为，烃燃料生成碳烟的过程，首先是气柴油机功率的主要原因。一般认为，烃燃料生成碳烟的过程，首先是由裂解生成碳核，再经过脱氢和聚和过程而形成较大颗粒的碳烟。碳烟由裂解生成碳核，再经过脱氢和聚和过程而形成较大颗粒的碳烟。碳烟生成取决于裂解与氧化两个相反的过程。以典型燃料十二烷生成取决于裂解与氧化两个相反的过程。以典型燃料十二烷(C(C1212H H2626) )的氧的氧化及裂解速度与过量空气系数的关系为例，如下图所示。化及裂解速度与过量空气系数的关系为例，如下图所示。 在宽广的过量空气系数在宽广的过量空气系数下，下，氧化速度几乎保持常数，只是在极氧化速度几乎保持常数，只是在极低的低的下，氧化速度才急剧下降；下，氧化速度才急剧下降；面裂解速度随减小而迅速上升，这面裂解速度随减小而迅速上升，这说明说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区主要地区。油滴的扩散燃烧与均匀。油滴的扩散燃烧与均匀的预混合气不同，正好存在着局部的预混合气不同，正好存在着局部浓度极不均匀的富燃料区与贫燃料浓度极不均匀的富燃料区与贫燃料区，所以容易生成碳烟。区，所以容易生成碳烟。