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第三章 燃料与燃烧. 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。 - PowerPoint PPT Presentation
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第三章 燃料与燃烧
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 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接进行分馏依次得到石油气mdash汽油mdash煤油mdash轻重柴油mdash渣油
C 原子数 沸点 品种 相对分子质量 理化性质的变化趋势C1 ～ C4 常温 石油气 16 ～ 58
C5 ～ C11 50 ～ 200 汽油 95 ～ 120
C11 ～ C19 180 ～ 300
煤油 100 ～ 180
C16 ～ C23 250 ～ 360
轻重柴油 180 ～ 200
C23 以上 360 以上 渣油 220 ～ 280
易自燃
化学安定性好
易点燃
分类 分子通式 性质烷烃 呈饱和的开链式结构含碳原子越高结构越不紧凑常温
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在高温下较稳定是汽油中抗爆性好的燃料
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
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
芳香烃
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油炼制时常提高芳香烃的含量
2 2n nC H
2n nC H
2 2n nC H
2n nC H
2 6n nC H
一发动机的燃料
十六烷值
0
20
40
60
80
100
120易
难
自燃性质
烷烃
烯烃
环烷烃
萘
C 7 C 9 C11 C13 C15 C17 C19 C21 C23 C25 C27
一发动机的燃料
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
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
我国生产的轻柴油其规格由 GB252mdash2000 规定轻柴油的牌号按凝点不同分为 10号 0号 -10 号 -20 号 -35 号 -50 号六级其凝点分别不高于 10 0 -10 -20 -35和 -50 凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度选用柴油时应按最低环境温度高出凝点 5以上即 -20 号柴油适用于最低环境温度为 -15的场合
在轻柴油性能的各个项目中可以分为 1) 评价柴油自燃性的指标mdash十六烷值 2) 与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性质mdash馏程 3) 与燃油喷射有密切关系的性质mdash粘度 4) 与柴油储存运送使用有关的性质mdash闪点凝点 5) 与柴油机磨损腐蚀有关的性质mdash机械杂质水分灰分含硫
量酸度水溶性酸和碱残炭等等
1柴油
1）十六烷值燃料的使用特性
十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系自燃性好的燃料冷起动性能亦随之改善 测定柴油的十六烷值是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行试验时采用由十六烷和 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 α-甲基萘最不容易自燃其十六烷值定为 0当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值 一般直链烷烃比环烷烃的十六烷值高在直链烷烃中分子量愈大十六烷值愈高因此尽管燃料的十六烷值高对于缩短滞燃期及改善冷起动有利但增大十六烷值将带来燃料分子量加大使油的蒸发性变差及粘度增加导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降国产柴油的十六烷值规定在40～ 50之间
2）馏程燃料的使用特性
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 馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量如果重馏分过多在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气燃烧不容易及时和完全 车用高速柴油机使用轻馏分柴油但馏分太轻也不好因为轻质燃料容易蒸发在着火前形成大量油气混合气一旦着火压力猛增将使柴油机工作粗暴
3）粘度燃料的使用特性
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影响柴油的喷雾质量当其他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 20时为 (25～ 8)times10-6ms
2 汽油燃料的使用特性
影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等
1）辛烷值 辛烷值是表示汽油抗爆性的指标汽油的辛烷值高则抗爆震的能力强国产汽油是以辛烷值来标号的 分为90 93 97 等标号 测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的测定时用容易爆震的正庚烷 ( 辛烷值定为 0)和抗爆性好的异辛烷 (224 三甲基戊烷 )(其辛烷值定为 100) 的混合液与被测定的汽油作比较当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
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 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接进行分馏依次得到石油气mdash汽油mdash煤油mdash轻重柴油mdash渣油
C 原子数 沸点 品种 相对分子质量 理化性质的变化趋势C1 ～ C4 常温 石油气 16 ～ 58
C5 ～ C11 50 ～ 200 汽油 95 ～ 120
C11 ～ C19 180 ～ 300
煤油 100 ～ 180
C16 ～ C23 250 ～ 360
轻重柴油 180 ～ 200
C23 以上 360 以上 渣油 220 ～ 280
易自燃
化学安定性好
易点燃
分类 分子通式 性质烷烃 呈饱和的开链式结构含碳原子越高结构越不紧凑常温
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在高温下较稳定是汽油中抗爆性好的燃料
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
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
芳香烃
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油炼制时常提高芳香烃的含量
2 2n nC H
2n nC H
2 2n nC H
2n nC H
2 6n nC H
一发动机的燃料
十六烷值
0
20
40
60
80
100
120易
难
自燃性质
烷烃
烯烃
环烷烃
萘
C 7 C 9 C11 C13 C15 C17 C19 C21 C23 C25 C27
一发动机的燃料
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
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
我国生产的轻柴油其规格由 GB252mdash2000 规定轻柴油的牌号按凝点不同分为 10号 0号 -10 号 -20 号 -35 号 -50 号六级其凝点分别不高于 10 0 -10 -20 -35和 -50 凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度选用柴油时应按最低环境温度高出凝点 5以上即 -20 号柴油适用于最低环境温度为 -15的场合
在轻柴油性能的各个项目中可以分为 1) 评价柴油自燃性的指标mdash十六烷值 2) 与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性质mdash馏程 3) 与燃油喷射有密切关系的性质mdash粘度 4) 与柴油储存运送使用有关的性质mdash闪点凝点 5) 与柴油机磨损腐蚀有关的性质mdash机械杂质水分灰分含硫
量酸度水溶性酸和碱残炭等等
1柴油
1）十六烷值燃料的使用特性
十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系自燃性好的燃料冷起动性能亦随之改善 测定柴油的十六烷值是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行试验时采用由十六烷和 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 α-甲基萘最不容易自燃其十六烷值定为 0当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值 一般直链烷烃比环烷烃的十六烷值高在直链烷烃中分子量愈大十六烷值愈高因此尽管燃料的十六烷值高对于缩短滞燃期及改善冷起动有利但增大十六烷值将带来燃料分子量加大使油的蒸发性变差及粘度增加导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降国产柴油的十六烷值规定在40～ 50之间
2）馏程燃料的使用特性
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 馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量如果重馏分过多在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气燃烧不容易及时和完全 车用高速柴油机使用轻馏分柴油但馏分太轻也不好因为轻质燃料容易蒸发在着火前形成大量油气混合气一旦着火压力猛增将使柴油机工作粗暴
3）粘度燃料的使用特性
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影响柴油的喷雾质量当其他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 20时为 (25～ 8)times10-6ms
2 汽油燃料的使用特性
影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等
1）辛烷值 辛烷值是表示汽油抗爆性的指标汽油的辛烷值高则抗爆震的能力强国产汽油是以辛烷值来标号的 分为90 93 97 等标号 测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的测定时用容易爆震的正庚烷 ( 辛烷值定为 0)和抗爆性好的异辛烷 (224 三甲基戊烷 )(其辛烷值定为 100) 的混合液与被测定的汽油作比较当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
分类 分子通式 性质烷烃 呈饱和的开链式结构含碳原子越高结构越不紧凑常温
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在高温下较稳定是汽油中抗爆性好的燃料
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
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
芳香烃
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油炼制时常提高芳香烃的含量
2 2n nC H
2n nC H
2 2n nC H
2n nC H
2 6n nC H
一发动机的燃料
十六烷值
0
20
40
60
80
100
120易
难
自燃性质
烷烃
烯烃
环烷烃
萘
C 7 C 9 C11 C13 C15 C17 C19 C21 C23 C25 C27
一发动机的燃料
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
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
我国生产的轻柴油其规格由 GB252mdash2000 规定轻柴油的牌号按凝点不同分为 10号 0号 -10 号 -20 号 -35 号 -50 号六级其凝点分别不高于 10 0 -10 -20 -35和 -50 凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度选用柴油时应按最低环境温度高出凝点 5以上即 -20 号柴油适用于最低环境温度为 -15的场合
在轻柴油性能的各个项目中可以分为 1) 评价柴油自燃性的指标mdash十六烷值 2) 与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性质mdash馏程 3) 与燃油喷射有密切关系的性质mdash粘度 4) 与柴油储存运送使用有关的性质mdash闪点凝点 5) 与柴油机磨损腐蚀有关的性质mdash机械杂质水分灰分含硫
量酸度水溶性酸和碱残炭等等
1柴油
1）十六烷值燃料的使用特性
十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系自燃性好的燃料冷起动性能亦随之改善 测定柴油的十六烷值是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行试验时采用由十六烷和 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 α-甲基萘最不容易自燃其十六烷值定为 0当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值 一般直链烷烃比环烷烃的十六烷值高在直链烷烃中分子量愈大十六烷值愈高因此尽管燃料的十六烷值高对于缩短滞燃期及改善冷起动有利但增大十六烷值将带来燃料分子量加大使油的蒸发性变差及粘度增加导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降国产柴油的十六烷值规定在40～ 50之间
2）馏程燃料的使用特性
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 馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量如果重馏分过多在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气燃烧不容易及时和完全 车用高速柴油机使用轻馏分柴油但馏分太轻也不好因为轻质燃料容易蒸发在着火前形成大量油气混合气一旦着火压力猛增将使柴油机工作粗暴
3）粘度燃料的使用特性
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影响柴油的喷雾质量当其他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 20时为 (25～ 8)times10-6ms
2 汽油燃料的使用特性
影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等
1）辛烷值 辛烷值是表示汽油抗爆性的指标汽油的辛烷值高则抗爆震的能力强国产汽油是以辛烷值来标号的 分为90 93 97 等标号 测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的测定时用容易爆震的正庚烷 ( 辛烷值定为 0)和抗爆性好的异辛烷 (224 三甲基戊烷 )(其辛烷值定为 100) 的混合液与被测定的汽油作比较当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
十六烷值
0
20
40
60
80
100
120易
难
自燃性质
烷烃
烯烃
环烷烃
萘
C 7 C 9 C11 C13 C15 C17 C19 C21 C23 C25 C27
一发动机的燃料
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
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
我国生产的轻柴油其规格由 GB252mdash2000 规定轻柴油的牌号按凝点不同分为 10号 0号 -10 号 -20 号 -35 号 -50 号六级其凝点分别不高于 10 0 -10 -20 -35和 -50 凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度选用柴油时应按最低环境温度高出凝点 5以上即 -20 号柴油适用于最低环境温度为 -15的场合
在轻柴油性能的各个项目中可以分为 1) 评价柴油自燃性的指标mdash十六烷值 2) 与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性质mdash馏程 3) 与燃油喷射有密切关系的性质mdash粘度 4) 与柴油储存运送使用有关的性质mdash闪点凝点 5) 与柴油机磨损腐蚀有关的性质mdash机械杂质水分灰分含硫
量酸度水溶性酸和碱残炭等等
1柴油
1）十六烷值燃料的使用特性
十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系自燃性好的燃料冷起动性能亦随之改善 测定柴油的十六烷值是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行试验时采用由十六烷和 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 α-甲基萘最不容易自燃其十六烷值定为 0当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值 一般直链烷烃比环烷烃的十六烷值高在直链烷烃中分子量愈大十六烷值愈高因此尽管燃料的十六烷值高对于缩短滞燃期及改善冷起动有利但增大十六烷值将带来燃料分子量加大使油的蒸发性变差及粘度增加导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降国产柴油的十六烷值规定在40～ 50之间
2）馏程燃料的使用特性
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 馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量如果重馏分过多在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气燃烧不容易及时和完全 车用高速柴油机使用轻馏分柴油但馏分太轻也不好因为轻质燃料容易蒸发在着火前形成大量油气混合气一旦着火压力猛增将使柴油机工作粗暴
3）粘度燃料的使用特性
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影响柴油的喷雾质量当其他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 20时为 (25～ 8)times10-6ms
2 汽油燃料的使用特性
影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等
1）辛烷值 辛烷值是表示汽油抗爆性的指标汽油的辛烷值高则抗爆震的能力强国产汽油是以辛烷值来标号的 分为90 93 97 等标号 测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的测定时用容易爆震的正庚烷 ( 辛烷值定为 0)和抗爆性好的异辛烷 (224 三甲基戊烷 )(其辛烷值定为 100) 的混合液与被测定的汽油作比较当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
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于中低速柴油机
我国生产的轻柴油其规格由 GB252mdash2000 规定轻柴油的牌号按凝点不同分为 10号 0号 -10 号 -20 号 -35 号 -50 号六级其凝点分别不高于 10 0 -10 -20 -35和 -50 凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度选用柴油时应按最低环境温度高出凝点 5以上即 -20 号柴油适用于最低环境温度为 -15的场合
在轻柴油性能的各个项目中可以分为 1) 评价柴油自燃性的指标mdash十六烷值 2) 与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性质mdash馏程 3) 与燃油喷射有密切关系的性质mdash粘度 4) 与柴油储存运送使用有关的性质mdash闪点凝点 5) 与柴油机磨损腐蚀有关的性质mdash机械杂质水分灰分含硫
量酸度水溶性酸和碱残炭等等
1柴油
1）十六烷值燃料的使用特性
十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系自燃性好的燃料冷起动性能亦随之改善 测定柴油的十六烷值是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行试验时采用由十六烷和 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 α-甲基萘最不容易自燃其十六烷值定为 0当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值 一般直链烷烃比环烷烃的十六烷值高在直链烷烃中分子量愈大十六烷值愈高因此尽管燃料的十六烷值高对于缩短滞燃期及改善冷起动有利但增大十六烷值将带来燃料分子量加大使油的蒸发性变差及粘度增加导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降国产柴油的十六烷值规定在40～ 50之间
2）馏程燃料的使用特性
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 馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量如果重馏分过多在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气燃烧不容易及时和完全 车用高速柴油机使用轻馏分柴油但馏分太轻也不好因为轻质燃料容易蒸发在着火前形成大量油气混合气一旦着火压力猛增将使柴油机工作粗暴
3）粘度燃料的使用特性
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影响柴油的喷雾质量当其他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 20时为 (25～ 8)times10-6ms
2 汽油燃料的使用特性
影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等
1）辛烷值 辛烷值是表示汽油抗爆性的指标汽油的辛烷值高则抗爆震的能力强国产汽油是以辛烷值来标号的 分为90 93 97 等标号 测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的测定时用容易爆震的正庚烷 ( 辛烷值定为 0)和抗爆性好的异辛烷 (224 三甲基戊烷 )(其辛烷值定为 100) 的混合液与被测定的汽油作比较当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
1）十六烷值燃料的使用特性
十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系自燃性好的燃料冷起动性能亦随之改善 测定柴油的十六烷值是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行试验时采用由十六烷和 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 α-甲基萘最不容易自燃其十六烷值定为 0当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值 一般直链烷烃比环烷烃的十六烷值高在直链烷烃中分子量愈大十六烷值愈高因此尽管燃料的十六烷值高对于缩短滞燃期及改善冷起动有利但增大十六烷值将带来燃料分子量加大使油的蒸发性变差及粘度增加导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降国产柴油的十六烷值规定在40～ 50之间
2）馏程燃料的使用特性
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 馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量如果重馏分过多在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气燃烧不容易及时和完全 车用高速柴油机使用轻馏分柴油但馏分太轻也不好因为轻质燃料容易蒸发在着火前形成大量油气混合气一旦着火压力猛增将使柴油机工作粗暴
3）粘度燃料的使用特性
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影响柴油的喷雾质量当其他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 20时为 (25～ 8)times10-6ms
2 汽油燃料的使用特性
影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等
1）辛烷值 辛烷值是表示汽油抗爆性的指标汽油的辛烷值高则抗爆震的能力强国产汽油是以辛烷值来标号的 分为90 93 97 等标号 测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的测定时用容易爆震的正庚烷 ( 辛烷值定为 0)和抗爆性好的异辛烷 (224 三甲基戊烷 )(其辛烷值定为 100) 的混合液与被测定的汽油作比较当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
2）馏程燃料的使用特性
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 馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量如果重馏分过多在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气燃烧不容易及时和完全 车用高速柴油机使用轻馏分柴油但馏分太轻也不好因为轻质燃料容易蒸发在着火前形成大量油气混合气一旦着火压力猛增将使柴油机工作粗暴
3）粘度燃料的使用特性
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影响柴油的喷雾质量当其他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 20时为 (25～ 8)times10-6ms
2 汽油燃料的使用特性
影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等
1）辛烷值 辛烷值是表示汽油抗爆性的指标汽油的辛烷值高则抗爆震的能力强国产汽油是以辛烷值来标号的 分为90 93 97 等标号 测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的测定时用容易爆震的正庚烷 ( 辛烷值定为 0)和抗爆性好的异辛烷 (224 三甲基戊烷 )(其辛烷值定为 100) 的混合液与被测定的汽油作比较当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
3）粘度燃料的使用特性
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影响柴油的喷雾质量当其他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 20时为 (25～ 8)times10-6ms
2 汽油燃料的使用特性
影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等
1）辛烷值 辛烷值是表示汽油抗爆性的指标汽油的辛烷值高则抗爆震的能力强国产汽油是以辛烷值来标号的 分为90 93 97 等标号 测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的测定时用容易爆震的正庚烷 ( 辛烷值定为 0)和抗爆性好的异辛烷 (224 三甲基戊烷 )(其辛烷值定为 100) 的混合液与被测定的汽油作比较当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
2 汽油燃料的使用特性
影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等
1）辛烷值 辛烷值是表示汽油抗爆性的指标汽油的辛烷值高则抗爆震的能力强国产汽油是以辛烷值来标号的 分为90 93 97 等标号 测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的测定时用容易爆震的正庚烷 ( 辛烷值定为 0)和抗爆性好的异辛烷 (224 三甲基戊烷 )(其辛烷值定为 100) 的混合液与被测定的汽油作比较当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
1）辛烷值燃料的使用特性
评定车用汽油的抗爆性可采用两种试验工况分别称为马达法与研究法异辛烷（ C8H18）辛烷值为 100 正庚烷（ C7H16）辛烷值为 0在专用的试验机上将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较当两者相同时标准混合液中所含异辛烷的体积百分比即为试验燃油的辛烷值 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测定的辛烷值 (MON) 比研究法辛烷值 (ROM) 低两者的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法及添加剂等辛烷值高低顺序为烷烃 lt烯烃 lt环烷烃 lt芳烃我国 70号汽油含芳烃大约 5-10 而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达 40
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物没有一定的沸点它随着温度的上升按照馏分由轻到重逐次沸腾汽油馏出温度的范围称为馏程汽油馏程用蒸馏仪测定将 100mL 试验燃料放在烧瓶中加热产生蒸气经冷凝器燃料蒸气凝结滴入量筒内将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点随着温度升高依次测出对应油量的馏出温度将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上就成为蒸馏曲线 为了评价燃料的挥发性以 10 50 和 90 的馏出温度作为几个有代表意义的点 （ 1）馏出 10 的温度 关系到发动机的冷起动性 如果 10 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变成蒸气在管路中形成ldquo气阻rdquo使发动机断火影响它的正常运转
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
（ 2）馏出 50 的温度 关系到发动机暖车时间加速性以及工作稳定性 馏出 50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
（ 3）馏出 90 的温度 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
2）馏程与蒸汽压燃料的使用特性
发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关发动机发展初期是以煤气为燃料因为在 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
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 19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 (汽油 )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 (柴油 )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比下用电火花点火但这是不成功的 1893年 Diesel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 20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
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
三汽柴油性能差异的影响
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
1引起在混合气形成上的差异 汽油挥发性强 (从 50开始馏出至 200左右蒸发完毕 )
因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气因而控制混合气的数量便能调节汽油机的功率而柴油蒸发性差 (200开始馏出至 350结束 ) 但粘性比较好不可能在低温下形成油气混合气但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 2引起着火与燃烧上的差异 汽油自燃温度较高但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极
低因而不宜压燃但适宜外源点火为促使有规律的燃烧应防止其自燃 ( 压缩比不能高 )而且由于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对于柴油则利用其化学安定性差易自燃的优点采用压缩自燃的方式为促进自燃压缩比不宜过低柴油的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因而使燃烧时间延长
三汽柴油性能差异的影响
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
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减少对新的替代燃料的研究成为热点
新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一
可供使用的总量及成本
储运的方便使用安全也是关键之一
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
1 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
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
1 醇类燃料
醇类燃料 (例如甲醇和乙醇 ) 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 (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)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用中需予以强预热 (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对提高汽油机的压缩比极为有利 (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 (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为此需要加入适量的助溶剂以利于醇与汽油相互溶解 (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
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
2 气体燃料
气体燃料可分天然气 (NG) 液化石油气 (LPG) 及工业生产中的气体燃料天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体它的主要成分是甲烷液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气主要成分是丙烷丙烯等在车辆上应用最多的气体燃料是天然气世界上近年来天然气燃料发展最快已成为第三大支柱性能源它用于汽车一般有两种形式一种是压缩天然气 (CNG) 通常以 20MPa压缩储存于高压气瓶中另一种是液化天然气 (LNG) 将天然气以 -163低温液化储存于隔热的液化气罐中与压缩天然气相比液化天然气具有能量密度高储运性好 (它的液态密度仅为常态下气体密度的 1600) 行驶距离长等优点但需要有极低温技术储运困难而且成本高等将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中当今广泛应用的仍是压缩天然气
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
天然气燃料具有以下优点 (1)天然气的主要成分是甲烷 CO 排放量少未燃 HC成分引起的光化学反应低燃料中几乎不含硫的成分 (2)辛烷值高达 130 可采用高压缩比获得高的热效率 (3) 燃烧下限宽稀燃特性优越在广泛的运转范围内可降低 NOx生成进而也可提高热效率 (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)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 (6)将天然气应用于柴油车固体微粒的排放率几乎为 0 (微粒排放是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天然气燃料的缺点 (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离短 (2) 由于储气压一般达 20MPa高压使燃料容器加重 (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( 如汽油 )单位体积的混合气热值小功率下降近 10
2 气体燃料
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
五气体燃料 燃料种类 性 质
液化石油气 天然气（甲烷）
汽油（ 90）丙烷 丁烷
HC原子比 267 250 40 2～ 230
分子量M 44097 58124 16043 96
密度（液相） （ kgm-
3）528 602 424 700～ 780
密度（气相） （ kgm-
3）202 2598 0715
沸点 -421 -05 -1615 30～ 90
临界温度 967 1520 -826
临界压力 MPa 425 38 462
汽化热 (kJkg-1) 426 385 510
理论空燃比质量比 1565 1543 1725 148
体积比 2381 3095 952 8586
低热值 (kJkg-1) 4577 4639 5005 4390
混和气热值 (kJkg-1) 349 352 339 373
辛烷值 RON 1115 95 130 92
着火极限 22～ 95 19～ 85 5～ 15 13～ 76
着火温度 466 430 537 390～ 420
火焰传播速度 (ms-1) 38 37 338 39～ 47
火焰温度 1970 1975 1918 2197
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
CNG LPG 在汽车上使用主要有三种形式1） 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车在出厂前改装也可以由在用车来改装 2）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气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作3）单燃料 重新设计发动机来使用气体燃料
2 气体燃料
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
ECU
水温 转速负荷
LPG
电磁阀
减压器
齿杆执行器高压泵
电控双燃料发动机的结构简图
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
LPG喷嘴信号
喷嘴关闭信号
LPG锁定阀门
LPG 压力
蓄电池电压
氧传感器信号
LPG 温度
油燃料选择开关
蓄电池电压
起动开关
爆震传感器
节气门位置传感器
凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器
空气流量传感器
水温传感器
汽油泵
汽油喷嘴切断
自诊断接口
燃气ECUECU
汽油
空挡 开关 空调动力转向等 点火信号
汽油喷嘴信号
碳罐电磁阀EGR阀等
模拟器
氧传感器模拟信号
汽油喷嘴正常工作模拟信号
点火提前角调整器 点火线圈
燃料转换开关
组合阀
两用燃料发动机的控制策略
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
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 AF (A air-空气 F fuel- 燃料 )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发动机的动力性和经济性都有很大的影响 2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量之比汽油的理论空燃比大体约为 147 也就是说燃烧 1g 汽油需要 147g 的空气柴油的约为 145 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
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
混合气略微过浓时即空燃比为 135~14 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16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速度快当空燃比界于 12-13之间时发动机功率最大
燃料项目
汽油 轻柴油
理论空气量
kgkg 147 145
m3kg 1152 1122
kmolkg 0514 050
2理论空燃比燃烧热化学
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
3过量空气系数
燃烧 1Kg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
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 (负荷与转速 )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狭小的范围内变化 (α=08-12) 柴油机负荷是靠质调节的 (即混合气浓度调节 ) α的变化范围很大由于混合气形成不均匀所以 α总是大于 1的一般车用高速柴油机α=12-16 增压柴油机 α=18-22
0L
L
00 LL
F
A 燃料量
燃料量＝
燃料量空气量
)83
8(
230
10 OHC gggL ＝
燃烧热化学
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
4 燃料热值与混合气热值1）燃料热值 1kg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应用低热值2）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决于单位体积可燃混合气的热值可燃混合气的热值以 kJkmol或 kJm3(标准 )计 1kg燃料形成可燃混合气的数量为 M1 它所产生的热量是燃料的低热值 hmicro因此单位数量可燃混合气的热值 (kJkmol) 是
M1随过量空气系数而变当α=1 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
max1
0
1
rT
h hQ
M LM
燃烧热化学
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
六燃烧的基本知识
1着火过程 燃烧一种放热的氧化反应可燃混合物 (燃料与空气的混合物 )在发生明显的光和火焰效应的燃烧之前都有一个准备阶段即着火阶段所谓着火是指混合气自动地反应加速并产生温升以致引起空间某一位置或最终在某个时刻有火焰出现的过程使可燃混合物着火的方法有两种自燃与点燃前者是自 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
2 2 24 2n m
m mC H n O nCO H O
烃的这种氧化反应需要经历链引发链传播及链中断等过程
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
链引发是反应物分子受到某种因素激发 (譬如受热裂解受光辐射作用等 )分解成为自由原子或自由基这种自由原子或自由基 ( 如 H O OH 等等 )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 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用产生mdash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 (链锁爆炸 ) 这种反应称为支链反应 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链的中断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应完全停止柴油机为退化的支链反应
1 着火过程燃烧的基本知识
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
1 着火过程燃烧的基本知识
烃的反应过程有如下特点 1) 在反应开始有一段形成与积累活性中心的过程这一段时间称
为诱导期当活性中心积累到一定程度反应速度便急剧增加这个诱导期不仅是反应物的物性参数还与反应开始的反应物浓度温度
容器的形状与材料等有关 2) 即使反应物是处在低温下只要有某种原因能激发出活性中心
便能引起链锁反应也就是说引起燃烧爆炸的原因并不一定是高温
3)反应速度是自动加速的在迅速反应的前阶段 (A-B) 反应速度随温度而急剧增高随着反应物浓度减少B-C段反应速度便迅速下降 4) 在反应气体中加入惰性气体将促使反映速度降低在加入某种添加剂以后也可能使反应加速
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
1）自燃燃烧的基本知识
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用热着火理论来分析着火条件可知 (1) 着火温度 Tc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因条件不同着火温度也可能不同 (2)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 (3) 存在着一个可燃混合物着火的浓度上限 (富油极限 ) 与下限 (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 (低于临界值 )则无论在什么浓度下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
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
2）点燃燃烧的基本知识
点燃是指利用电火花在可燃混合气中产生火焰核心并因而引起火焰传播的过程在火花点火之前由于可燃混合气受到压缩温度升高有可以察觉得出的缓慢氧化的先期反应现象在火花点火以后不仅使局部混合气温度进一步升高而且引起了火花附近的混合气电离形成活性中心出现明显发热发光的小区域这就是火焰核为了使火花所产生的火焰成长起来并确实开始传播必须对靠着火焰核的未燃部分供给充分的能量这种能量来源包括火花点火的能量以及反应开始后由化学反应本身所释放出的能量 为了使点燃成功必须使火花塞提供的放电能量大于某一个点火的最小能量而这个最小能量受很多因素影响如燃料的种类与浓度氧的浓度压力及温度点火处气流的运动状况电火花的性质电极的几何形状和距离等等点火还直接受到混合气浓度的限制当混合气过稀或过浓无论点火能量有多大也不能着火即有一个点燃的浓度界限在某一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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
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流火焰传播与紊流火焰传播
1） 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
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
2 在预混气体中的火焰的传播燃烧的基本知识
层流火焰传播速度 VL很低以汽油与空气的预混气体为例 VL =04-05ms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 VL 影响很大试验表明 (如下图所示 ) 在过量空气系数 α=08-09 时反应温度最高 VL最大如果α=1 VL下降 10 α=11 VL下降 15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
试验还表明火焰在管道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寸则火焰不能继续传播该尺寸被称为淬熄直径 (或淬熄距离 ) 在火焰传播到靠近低温壁面的混合气时该层预混气体也不能燃烧这是燃烧室中生成未燃 HC的重要原因之一
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
2）紊流火焰传播燃烧的基本知识
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此时 VT ＝ 20-70ms 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下两项参数 (1)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 (2)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的作用
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
3 油滴与喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 1 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
序号 空气温度（）
空气压力（ kPa）
油滴直径（ ųm）
1 600 3000 10
2 500 3000 10
3 600 3000 20
4 500 3000 20
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
油滴在燃烧室中与气流是有相对运动的如果油滴与周围空气间没有相对运动那么在油滴周围形成一同心的球状扩散火焰称为全周焰 (a) 当有相对运动时则火焰形状将由球形逐渐成卵形而且随着气流方向被拉长 (b) 当气流速度继续增大火焰首先在油滴的迎风面上熄灭而向油滴后方移动直到油滴尾部某个位置上为止形成所谓尾流火焰 (c d) 如果气流速度再进一步加大火焰则会脱离油滴尾部而在远离油滴某一距离形成伞状火焰(e) 若再继续增大流速则火焰全部熄灭
燃烧的基本知识3 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
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
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
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
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稳定燃烧范围
2）喷雾燃烧燃烧的基本知识
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
2) 喷雾燃烧燃烧的基本知识
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 (C12H26) 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
在宽广的过量空气系数 α下氧化速度几乎保持常数只是在极低的 α 下氧化速度才急剧下降面裂解速度随减小而迅速上升这说明缺氧的富燃料区是生成碳烟的主要地区油滴的扩散燃烧与均匀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区所以容易生成碳烟
