汽车发动机讲义燃料与燃烧

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第二节 燃气的性质
一、天然气 二、液化石油气
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一、天然气
1. 组成成分：甲烷 2. 密度：相当于空气的60%。 3. 热值：低热值高于汽油和柴油。 4. 自燃温度：比汽油和柴油略高，需外源点火。 5. 抗爆性：比汽油好，可提高压缩比。 6. 沸点：-162度，一般以气态存储。 7. 颜色、味道和毒性：无色、无味、无毒。
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二、液化石油气
1. 组分：丙烷、丁烷。 2. 密度：易液化，15度时为液态，密度比汽油小；气态
的LPG比空气密度大。 3. 热值：单位质量LPG热值比汽油高。 4. 自燃温度：比汽油高。 5. 抗爆性：介于汽油和天然气之间。 6. 沸点：常温下为气态。 7. 颜色、味道和毒性：无色、无味、无毒。
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三、车用燃气发动机的发展趋势
•燃气汽车在国外已有60多年的发展史，早期的燃气汽车发动机， 都是采用油、气两用技术，。 •随着电子技术的发展，燃气发动机也在第一代产品的基础上，加 装了电子控制装置，形成燃气汽车第二代产品。 •随着汽油机电控技术的推广应用，第三代电控燃气喷射技术产品 也相继问世，主要包括两用燃料单点喷射系统和单一燃料（天燃 气或液化石油气）闭环多点顺序喷射系统，同时发动机控制系统 的功能也逐渐延伸到点火和排放控制等系统 。
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二、我国燃气汽车的发展
•我国的一些专家在20世纪50年代就开展了有关天然气汽车的研究，并在60 年代初于四川完成两辆CA10H型天然气汽车的2.5万km运行试验及其它试 验。 •自1994年起，我国最大的工业城市——上海组织开展LPG（液化石油气） 燃气汽车样车的试用及相关研究工作，1997年又开始对LPG汽车应用关键 技术进行研究 。 •在燃气发动机电控技术方面，由东风汽车公司和天津大学牵头开展了大型 公交车用单燃料CNG（压缩天然气）电喷发动机研制，由广西玉柴和吉林 工业大学、中国汽车技术研究中心牵头开展了大型公交车改单燃料LPG电 喷发动机的研制；天津大学还开展了顺序喷射、稀燃、全电子控制柴油/天 然气混合燃料发动机的研究。 •截止2001年底，我国燃气汽车保有量已超过11万辆

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第4章 燃料与燃烧基础知识 4.1 发动机燃料与使用特性
五、气体燃料
天然气的优点
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第4章 燃料与燃烧基础知识 4.1 发动机燃料与使用特性
一、汽油 2.制备
由石油分馏或重质馏分裂 化制得。原油蒸馏、催化裂 化、热裂化、加氢裂化、催 化重整等过程都产生汽油组 分。
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第4章 燃料与燃烧基础知识 4.1 发动机燃料与使用特性
3、重要性能
最重要的性能为蒸发性和抗爆性。 （1）蒸发性
混合气形成上的差异 着火上的差异 燃烧上的差异
防止自燃，促使其有 规律的燃烧，混合气 均匀，着火后，以火 焰传播的方式向均匀 的混合气展开
汽 油 机
汽油挥发性强，可能在较低温 汽油自燃温度 度下以较充裕的时间在气缸外 较高，适宜外 部进气管中形成均匀的混合气，源点火 控制混合气的数量便能调节汽 油机的功率，是量调节
第4章 燃料与燃烧基础知识 4.1 发动机燃料与使用特性
发动机传统的燃料是汽油与柴油，它们都是石油炼制品。
石油主要是由碳，氢两种元素构成，含量约占97%～98%， 其它还有少量的硫，氧、氮等。
石油产品是多种碳氢化合物的混合物，分子式可以写为 CnHm，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。炼制汽油和柴油最简单的方法是利 用不同的沸点进行分馏，依次得到石油气、汽油、煤油、 轻柴油、重柴油及渣油。
50％ 馏出温度：用来评价加速和暖机性能。
90％馏出温度：用来评价燃油的燃烧充分性能。
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第4章 燃料与燃烧基础知识 4.1 发动机燃料与使用特性
一、汽油 3.重要性能
（1）蒸发性 ②蒸汽压 在一定的温度下，气液两相处于平衡状态时的蒸气 压力称为饱和蒸气压，简称蒸气压。

第三章 发动机的燃料 及其燃烧
第一节 发动机的燃料 第二节 燃料的使用特性 第三节 燃料热化学 第四节 燃料的基本知识 练习题
第三章
发动机的燃料及其燃烧
第一节 发动机的燃料
在发动机的工作过程中，汽缸内的工作物质是成
分和比例不断变化的混合气体:空气、燃料蒸气及燃料 燃烧后的混合物(气体、固体、燃料液滴等)，发动机 的燃料占有重要的地位，它是发动机动力的来源，发 动机的存在与发展，不同类型的发动机在结构与性能
－35℃、－50℃。
2015年9月6日 汽车发动机原理 发动机的燃料及其燃烧
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第三章
发动机的燃料及其燃烧
第二节 燃料的使用特性
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汽车发动机原理
发动机的燃料及其燃烧
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第三章
发动机的燃料及其燃烧
第二节 燃料的使用特性
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发动机的燃料及其燃烧
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第三章
发动机的燃料及其燃烧
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第三章
发动机的燃料及其燃烧
第二节 燃料的使用特性
一、汽油的性能
国产车用汽油的性能见表3-3。 车用汽油的这些性能中，影响汽油机 性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等。
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汽车发动机原理
发动机的燃料及其燃烧
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第三章
发动机的燃料及其燃烧
第二节 燃料的使用特性
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发动机的燃料及其燃烧
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第三章
发动机的燃料及其燃烧
第二节 燃料的使用特性
２. 馏程
汽油及其他石油产品都是多种烃类的混合物，它们没 有一定的沸点，随着温度的上升，按照不同的馏分由轻 到重逐次沸腾，汽油馏出温度的范围称为馏程，馏程是 用来评价汽油蒸发性的一项指标。 为了评价汽油的挥发性，常以10％ 、50％ 和90％ 的 馏出温度作为几个有代表意义的点。

密度/ kg·m-3
1.4~7.6 42.5~44.4
250 860
1.0~6.0 43.97 297 679
— 38.41
— 880
5.0～13.9 50 — —
2.4～9.5 46.42 — 506
7.3～36.9 4.3～19
20.26
27.20
1101
862
779
725
3.4～18 27.60 410 660
一、着火方式及着火机理
（一）着火机理
(1)热自燃
在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过程，放出热量。放热的同 时，由于温差的原因，会对周围介质散热。若化学反应所释放出的 热量大于所散失的热量，混合气的温度升高，进而促使混合气的反 应速率和放热速率增大。这种相互促进，最终导致极快的反应速率 而着火。这就是热自燃，或称热爆。
第三节 燃烧的基本理论
一切燃烧过程都由着火和燃烧两个阶段组成。着火 阶段是物质燃烧的准备阶段，是着火的物理和化学 的准备过程。所谓物理准备过程是燃烧经过雾化、 受热蒸发并与空气形成可燃混合气等项准备；所谓 化学准备过程则包括可燃混合气形成后，在自燃以 前发生的焰前氧化过程，氧化反应的速度很低，压 力和温度均无明显升高。在此缓慢氧化的过程中， 可燃混合气逐渐积累起热量或活化中心，自身加速 了反应进行的速度，最后出现火焰使混合物的燃烧 转入第二阶段。
《汽车发动机原理》课件
第四章 燃料与燃烧
目录
第一节 发动机燃料及使用特性 第二节 燃烧热化学 第三节 燃烧的基本理论
第一节 发动机燃料及使用特性
作为汽车发动机的燃料，应具备资源丰富，保 证供应充足，其理化特性适应发动机燃烧及车辆 行驶综合性能的要求，并能满足排放法规要求， 续驶里程长、储运安全方便等特点。

第二节 燃料的使用特性
一、柴油
轻柴油用于高速柴油机，重柴油用于 中、低速柴油机。
轻柴油的牌号按凝点不同分为10号、 0号、-10号、-20号、－35号五级。
轻柴油的性能
评价柴油自燃性的指标——十六烷值。
与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性
质———馏程。 与燃料喷射有密切关系的性质——粘度。 与柴油储存运送、使用有关的性质——闪点、
8 3
gc
8gh
go
kg /
k g燃料
数值为： 汽油 14.9Kg/Kg 柴油 14.5Kg/Kg
过量空气系数α与空燃比A/F
过量空气系数α：燃烧 1kg燃料实际提供的空气 量与理论上所需空气量 之比。
空燃比A/F：燃烧时空气 量与燃料的比。
不同负荷汽油机、柴油 机α变化。
柴油机负荷是靠质调节； 汽油机负荷是靠量调节。
它影响柴油的喷雾质量。粘度越大， 雾化后油滴颗粒越大。
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。
二、汽油
国产汽油是以辛烷值来标号的。 影响汽油机性能的关键性指标主要是
辛烷值和馏程等。
辛烷值
辛烷值是表示汽油抗爆性的指标。
随着压缩比及气缸内气体温度的升高，可能出现一种 不正常的自燃现象，称为爆震。
馏程
馏程表示柴油的蒸发性，用燃油馏出某一 百分比的温度范围来表示。
燃料馏出50%的温度低，说明这种燃料轻馏 分多、蒸发快，有利于混合气形成。
90%和95%溜出温度标志柴油中所含难于蒸 发的重馏分的数量。
重馏分过多，燃烧不容易及时和完全；馏 分太轻也不好，将使柴油机工作粗暴。
粘度
粘度是燃料流动性的尺度，是表示 燃料内部摩擦力的物理特性。

对于已知的燃料，各元素的含量易于测得，而空气中氧和 氮的比例又是固定的，因此，按照完全燃烧的化学反应式， 可以求出燃料燃烧的基本关系。
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发动机原理
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一、燃料完全燃烧所需的理论空气量
组成发动机燃料的主要元素是碳（C）、氢（H）、氧 （O），其它元素含量很少，计算时可略去不计。
设1kg燃料中各元素的质量组成为：
率，是量调节
防止自燃，促使其有规律的 汽油自燃温度较高，燃烧，混合气均匀，着火后，
适宜外源点火 以火焰传播的方式向均匀的 混合气展开
柴油机
柴油蒸发性差，但粘性好，适宜 用油泵油嘴向气缸内部喷油，靠 调节供油量来调节负荷，吸入的
空气量基本不变，是质调节
柴油化学安定性差， 易自燃，采用压燃
的方式
柴油喷射及与空气的混合， 既短暂又不均匀，常有随喷 随烧的现象，燃烧时间延长
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97%-98%， 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CnHm，通常称为烃。
利用沸点不同直接进行分馏，依次得到石油气-汽油-煤油轻、重柴油-渣油
原油的蒸馏（Distillation）
测定柴油的十六烷值，采用由十六烷和α甲基萘混合制 成的混合液。十六烷容易自燃，规定它的十六烷值为100， a甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定为0。
十六烷值 Cetane C16H34
HH
HH
Cetane number
H C C ....... C C H
CN = 100
HH
HH
H
a－甲基萘 a Methylnaphtalene C11H10

1.根据烃分子中碳原子数的不同可构成不同分子量，不同沸 点的物质
C原子数 C1 C2~C4 C5~C11 C11~C19 沸点 常温 常温 50~200 180~300 品种 天然气 汽油 煤油 分子量 16 95~120 100~180 理论物质的变化趋势 ①质轻
②易挥 发 ③化学 稳 定性变 好 ④易点 ①粘度增大 燃 ②易自燃
• （一）热力自燃理论 • 设有一容器充满可燃混合气，对其进行加 热燃料分子与氧气分子进行化学反应分子 运动能量燃料分子与氧分子碰撞打破化学 键产生反应。因为打破化学键需能量，
二、电火花点火
电火花点火的两个阶段 电火花加热预混气使混合气局部着火，形成初始的火焰中 心 初始的火焰中心向未着火的混合气传播 • 点火成功：1）初始的火焰中心形成； 2）出现稳定的火焰传播. • 初始火焰中心的形成取决于： 电极间隙距离、间隙内的混气比、压力、初温、 流动状况、混气性质及火花能量。 • 稳定火焰传播取决于： 传播区混气压力、温度、初温、混合比及流动状况等
3、雾化性——用粘度评价 它影响柴油的喷雾质量。当其它条件相同时，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，排气带烟。
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 200C时为（2.5 ～8）10－6m2／s。 4、流动性——凝点：指柴油失去流动性开始凝结的温度。 T↓→柴油中高分子烷烃和水分析出结晶、混浊（浊点） →失去流动性。 我国生产的轻柴油规格，按凝点分为10#、0#、-10#、 -20#、-35#五级。
§3-3 燃烧热化学 一、燃油完全燃烧的化学反应 汽油或柴油主要由碳、氢、氧组成，其它成分 如氮、硫等含量少在计算时不考虑，如以gC、gH、 gO表示1kg燃油中所含碳、氢、氧的kg数，即质 量成分%，则：

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空气涡流方式
（1）进气涡流 在进气行程
中形成绕气缸中 心高速旋转的气 流。
a）螺旋型进气道 b）切向进气道
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空气涡流运动
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（2）挤压涡流（挤流）
在压缩过程中形成的空气运动。
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（3）燃烧涡紊 流：利用柴油 燃烧的能量， 冲击未燃的混 合气，造成混 合气涡流或紊 流。
1-喷油器 2-副燃烧室 3-通道 4-主燃烧室 55
（5）结构简单，可靠性好，适用性强，可以在
新老发动机上应用。
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5.2.2 电控柴油喷射系统总体组成与 原理
位置控制系统：不改变传统的喷油系统 的工作原理和基本结构，只是采用电控 组件，代替调速器和供油提前器，对分 配式喷油泵的油量调节套筒或柱塞式喷 油泵的供油齿杆的位置，以及油泵主动 轴和从动轴的相对位置进行调节，以控 制喷油量和喷油定时。
高压柴油进入针 阀体中部的环形 油腔12，针阀上 移，打开喷孔10 喷油。
针阀的开启压力 （喷油压力）的 大小取决于调压 弹簧的预紧力。 可通过调压螺钉 17调整。
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低惯量孔式喷油器
1-喷油器体 2-喷油嘴 3-弹性垫圈 4-密封垫圈 5-紧固螺套 6-结合座 7-顶杆 8-调压弹簧 9-垫圈 10-进油道 11-回油道
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泵油机构
1-出油阀紧座 2-出油阀弹 簧 3-出油阀 4-出油阀 座 5-柱塞套 6-低压油 腔 7-柱塞 8-喷油泵体 9-油量调节齿杆 10-油量 调节套筒 11-柱塞弹簧 12-供油正时调节螺钉 13-定位滑块 14-凸轮轴 15-凸轮 16-挺柱体部件 17-柱塞弹簧下座 18-柱 塞弹簧上座 19-齿圈 20-进回油孔 21-密封垫
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时间控制方式

2.着火性能 指标：十六烷值（CN） 十六烷C16H34—十六烷值定为100，易自燃
-甲基萘—十六烷值定为0，不易自燃
二者混合液与柴油的自燃性比较，混合液中十六 烷的体积百分数为柴油的十六烷值。 车用柴油的CN：40~50 3.馏程—评价柴油蒸发性的指标 50% 馏出温度：低，柴油蒸发性好，轻馏分多，有利于 混合气形成和着火，冷起动性能好。 90% 和 95% 馏出温度：高，柴油中重馏分多，燃烧容易 不完全易形成积炭，排气容易冒烟。
着火方式—进入燃烧有两种方法： 点燃—利用点火系向可燃混合气增加能量 自燃—利用自身积累的热量或活化中心着火 ※ 点燃是在局部混合气内进行的，自燃是在全部混合气
内同时发生的。
发动机内的燃烧过程经历三个基本步骤： 1）燃油与空气形成可燃混合气 2）点燃可燃混合气，或可燃混合气发生自燃。 3）火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧
增大，这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。
着火临界温度和着火临界压力：
能保证着火的缸内最 低温度和压力称为着 火临界温度和着火临 界压力。 —着火的必要条件 该曲线称着火临界线 热着火机理着火条件
着火临界线
（二）链式反应着火机理（也称链锁反应或链爆炸 ) 反应自动加速不一定要依靠热量的积累使大量分 子活化，以某种方式（辐射、电离）激发出活化 中 心，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法也能 使 反应自动加速，直至着火。 链锁反应：其中一个活化作用能引起很多基本反 应，即反应链。
Фa =1时为理论混合气； Фa <1时为浓混合气
Фa >1时为稀混合气
空燃比：=空气量/燃料量= ФaL0
**汽油机：Фa=0.8～1.2；柴油机： Фa=1.2～1.6； 增压柴油机： Фa=1.8～2.2

一、柴油 高速柴油机：轻柴油；中低速柴油机：重柴油 1. 柴油性能的评价指标： 1）十六烷值：评价柴油的自燃性。 与发动机的粗暴性、起动性密切相关 十六烷值高：着火延迟期短，工作柔和，起动性好 测定方法：单缸试验机，压缩比可调； 标准燃料：十六烷与 -甲基萘不同比例制成的混 合液； 规定自燃性：十六烷：100%； -甲基萘：0% 定义：被测柴油的自燃性与标准燃料相同时，标准燃料
柴 含有 20%—30%的芳香烃具 含有大量不饱和烃，十六烷值较低， 性能较好，可作高品质柴油使 用，用于高速柴油机中

第 四 章 燃 料 与 燃 烧
吉 林 大 学 汽 车 学 院
热裂解：工艺简单；
但燃油的稳定性差，辛烷值低。
催化重整：使正构烷烃或环烷烃异构物烃和 芳香烃；
副产品氢气可作为加氢工艺的氢气来源。
C 化学结构：-C-C-C-C-； -C-C-C-CC 直链
支链(热稳定)
直链特点：饱和开链式，含C越高结构越不紧凑， 常温下化学性质稳定，但热稳定性差， 高温易分解，自然性好—柴油的好成分； 2）烯烃： 分子式：CnH2n ；
化学结构：-C=C-;
-C=C-C-C-
特点：非饱和开链式，自发火性差，汽油的成分；
第 四 章 燃 料 与 燃 烧
吉 林 大 学 汽 车 学 院
由动物脂肪或植物油通过酯化反应得到的长链脂肪酸甲(乙) 酯组成的新型燃料。具有与柴油相近的性能。 特点：

光合作用自 然循环
环保性优良。含S低，不含芳香烃，保持CO2平衡。
十六烷值高，燃烧性能好，润滑性能好。
闪点高，可溶解，对土地和水的污染小，可大大减轻意外 泄漏时对环境的污染安全性好。
加氢精制：可使烯烃变成饱和烃，还可以脱碳， 脱氮，脱氧以及脱金属等作用，满足油品的更高 要求。 为获得高品质燃料，常采用加氢精制或催化重整 工艺。