第三章内燃机的工作循环

第三章 内燃机的工作循环
第一节 发动机理论循环 第二节 内燃机的燃料及其热化学 第三节 内燃机的实际循环 第四节 内燃机循环的热力学模型
第二节 内燃机的燃料及其热化学


内燃机的燃料 燃烧热化学 燃烧前后物质的量变化系数 残余废气系数和排气再循环（EGR）率
没有石油内燃机还能转吗？
内燃机将高效、清洁的转下去！
2.低温流动性(浊点与凝点) 温度降低时，柴 油中所含的高分子烷族烃(如石蜡) 和燃料中夹杂的 水分开始析出并结晶，使原来呈半透明状的柴油变 得浑浊，达到这一状态的温度值就是柴油的浑浊点。 当温度进一步降低，柴油完全凝固，此时的温 度称为凝点。此时发动机将不能正常工作。 我国的国标中对轻柴油的标号，即是按照柴油 的凝点来规定的。如国产0号柴油固点为0℃，适合 夏季使用。-20号柴油凝固点为-20℃，适合冬季或 寒冷地区使用。选用轻柴油要根据不同的使用地区 和季节条件。
C/H高，则排放特性差：
C—CO、CO2 有害 H—H2O 无害 CNG、LPG的H含量高(0.25和0.182)，所以其CO、黑烟、微粒、CO2低 于汽、柴油→ C/H越小，燃料越清洁
（二）柴油的理化性质 对柴油机来说，与其性能有关的燃料特性是自 燃温度、馏程、粘度、含硫量等，其中，以自燃温 度和低温流动性(凝点)影响最大。 1.自燃温度 柴油在无外源点火的情况下能够自行 着火的性质称之为自燃性，能够使柴油自行着火的 最低温度称为自燃温度。 柴油的自燃性用十六烷值评价。
馏出90%的温度 标志着燃料中含难以挥发的重质成分的数量， 此温度高说明含有难挥发的成分多，易附在气缸壁 上，燃烧易生成积碳，或沿着汽缸壁流入油底壳， 稀释机油，进而破坏轴承部位的润滑。能够反映汽 油机燃烧完全性。
3.抗爆性
燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料 的抗爆性。它是汽油燃料一项十分重要的指标，而 且随燃料化学成分的不同差别很大。烷烃抗爆性最 差，烯烃次之，环烷烃较好，芳香烃最好。在同一 种烃内，轻馏分优于重馏分，异构物优于正构物。 从炼制工艺来看，直馏汽油的辛烷值最低，热裂解 汽油的辛烷值较低，而催化裂解、重整汽油的辛烷 值较高。
道路法辛烷值 也称行车辛烷值，用汽车进行实测或在全功 率试验台上模拟汽车在公路上行驶的条件进行测定。道路辛 烷值也可用马达法和研究法辛烷值按经验公式计算求得。马 达法辛烷值和研究法辛烷值的平均值称作抗爆指数，它可以 近似地表示道路辛烷值。
提高辛烷值的传统方法，是在汽油中添加高效 抗爆剂如四乙铅Pb(C2H5)4，但由于该添加剂含铅 量高，对人体及环境有较为严重的危害，同时还 会使排气催化转换器中的催化剂严重中毒而导致 失效，因而逐渐被淘汰。目前，提高汽油辛烷值 的主要措施是采用先进的炼制工艺和使用高辛烷 值的调和剂，如加入甲基叔丁基醚(MTBF)、乙基 叔丁基醚(ETBE)或醇类燃料等，以获得较高辛烷 值而无其他不利于环保的副作用。
烃燃料分子结构、成分
烃燃料理化特性
1.烃燃料结构对理化特性的影响 •������ 链与环— 环化学稳定性好，不易自燃 •������ 直链与支链(或正烷与异烷)—支链(异烷)的化 学稳定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和异辛烷 C8H18的辛烷值分别为0和100) •������ 单键和多键—多键非饱和烃不易断链，不易 自燃，但安定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃)
C + O2
12 1kg 质量 gckg 12kg 1kg 体积 gc
=
CO2
需要的氧气：
体积：gc/12+gh/4 （kmol） 质量：8gc/3+8gh （kg）
32 44 8/3kg 11/3kg 8/3 gc kg 11/3gc kg 1kmol 1kmol 1/12 kmol 1/12 kmol gc /12 kmol gc/12 kmol H 2O 18kg 9gh kg ½ kmol gh/2 kmol
3.馏程
表示柴油的蒸发性能，用燃油馏出某一百分比的温度范围 来表示。 燃油馏出50%的温度低，说明燃料的蒸发性能好，有利于 混合气形成； 90%和95%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，燃烧不易及时完成。但是如果馏分太轻，易在着火前 形成大量油气混合气，导致柴油机工作粗暴。
1 g c g H go LO ( ) 0.21 12 4 32
H2 +1/2 O2 = 2kg 16kg 质量 gh kg 8ghkg 1kg ¼ kmol 体积 gh gh/4 kmol
kmol/kg
1 8 L0 ( gc 8g h go ) 0.23 3
'
kg/kg
2.燃料的热值
2.馏程 评价汽油的蒸发性，常用10%、50%、90%的馏 出温度作为几个代表意义的点。 馏出10%的温度 温度低说明冷启动性能好，但温度过低容易产生 “气阻”现象。 馏出50%的温度 标志汽油的平均蒸发性，它影响着发动机的温车 时间，加速性及工作稳定性。若此温度较低，说明 该汽油的挥发性较好，在较低温度下可以有大量的 燃料挥发而与空气混合，从低负荷向高负荷过渡时 能及时提供所需的混合气。
十六烷值测量条件
十六烷值低，不易燃烧，排放性能差，冷启动 性能差。 十六烷值高的柴油，其自燃温度低，滞燃期短， 有利于发动机的冷起动，适合于高速柴油机使用， 但过高十六烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造 成排气过程中的碳烟。因此，一般情况下，常限制 柴油的十六烷值在65以下。 国产柴油十六烷值一般在40-50。
发动机燃料的分类
常规燃料——石油汽油和柴油 替代燃料——除石油汽油、柴油以外的烃类/醇类 /醚类/酯类/氢气等燃料 1) 按物态分类： 液体：甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、生物柴油、 GTL（天然气合成油 ）/CTL（煤制油 ）/BTL（生物 质合成燃料 ） 气体：LPG、CNG、氢气、沼气、煤气 2) 按成份(是否含氧)分类： 烃燃料（除汽油、柴油外）和含氧燃料
燃料在空气中燃烧，仪热量的形式释放出化学 能。在101.3kPa，295.15K条件下每千克燃料完全 燃烧所释放的热量成为燃料的热值同上所说的热值 是等压条件下的热值。 燃油的发热值有低热值与高热值之分，计及水 蒸气冷凝时放出汽化潜热的发热量叫做高热值，不 计及汽化潜热的发热量则称为低热值。在内燃机中， 由于无法利用汽化潜热，所以燃油的发热量常用低 热值。 思考：天然气发动机的动力性比汽油机的低， why？
那种方法试验条件苛刻？
马达法辛烷值（MON） 测定条件较苛刻，发动机转速为 900r/min，进气温度149°C。它反映汽车在高速、重负荷条 件下行驶的汽油抗爆性。 研究法辛烷值（RON） 测定条件缓和，转速为600r/min， 进气为室温。这种辛烷值反映汽车在市区慢速行驶时的汽油抗 爆性。对同一种汽油，其研究法辛烷值比马达法辛烷值高约 0～15个单位，两者之间差值称敏感性或敏感度。
评定方法： 十六烷值的评定需用两种自燃性能截然不同的 标准燃料作比较，一种是正十六烷C16H34，自燃性 很好，其十六烷值定义为100；另一种是α－甲基 萘C11H10，自燃性很差，其十六烷值定义为0。当 被测定的柴油的自燃性和所配置的混合液自燃性相 同时，此时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。
燃料抗爆性比较： 1) 环烷烃> 正烷烃 2) 烯烃> 正烷烃 3) 异烷烃> 正烷烃 4) 芳香烃> 烷烃/烯烃
十 六 烷 值
烯烃
正烷烃
环烷属烃 芳香烃
燃料自燃性比较： 1) 环烷烃< 正烷烃 2) 烯烃< 正烷烃 3) 芳香烃< 烷烃/烯烃 4) 1-甲基奈－ 压不着
1-甲基奈
C原子数
补充：可燃混合气热值Hum (Mixture low heat value) 定义: 单位质量或单位体积可燃混合气发出的热量 (kJ/kg或kJ/m3)
Hu表示燃料的能量密度，越高越便于携带； Hum代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积 时发出功率越高(pme也越高)
烃燃料成分对理化特性的影响
•C原子数
������ C越多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃；但物理稳定性（挥发 性）也差，不易气化
•C/H比
燃料热值由C/H比决定, 由于H比C的热值高(约3.7:1)，柴油C/H > 汽油C/H →柴油Hu 42500kJ/kg)<汽油Hu (44000kJ/kg) ；但单位质量H燃烧所需要 O(空气)多(约是C的3倍)，因而理论混合气热值：汽油Hum≈柴油Hum (3750kJ/m3) ； 实际中，汽油机在φa =1工作，柴油在φa ≥1.2工作， 则有： 汽油Hum > 柴油Hum
一、内燃机的燃料
石油基燃料的分类： 1.烷烃是一种饱和链状分子结构(碳链上碳原子的键位 由氢原子完全充满，仅有单键存在) 适合作汽油机的燃料 2.烯烃是种不饱和的链状烃(碳原子的键位并未由氢原 子来完全充满，有双键存在)，其热值较低，着火性能差， 不适合作汽油机的燃料。 3.环烷族烃的碳原子不是链状而是环状排列，属饱和 烃，其热稳定性比脂肪族高，自燃温度较脂肪族高，适合作 汽油机的燃料 4.芳香族烃的含氢原子数少且具有双键和环状结构， 抗爆燃性能极强，自燃温度比脂肪族烃和环烷族烃高，适合 作汽油机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂
二、燃烧热化学
1. 化学计量空燃比
化学计量空燃比（理论空燃比）：当燃料在空气中 燃烧时，一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃 料完全燃烧，将燃料中所有的碳氢完全氧化为二氧 化碳和水，则此时的空气与燃料的质量比称为该燃 料的化学计量空燃比（理论空燃比）。
1kg 燃料完全燃烧所需要的理论空气量 燃料的主要成分是C、H、O，其它的成分可以略去。 以质量计算，1kg燃料中各元素的含量 gc+gh+go=1kg gc、gh、go——1kg燃料的C、H、O的质量成分。 空气中的主要成分：O2 、 N2 按质量计：O2——23% N2——77% 体积计：O2——21% N2——79% C+O2=CO2 H2+1/2O2=H2O