内燃机第六章 内燃机的替代燃料
物理九年级内燃机知识点
物理九年级内燃机知识点内燃机是一种将燃料在内部燃烧产生能量的机械装置。
它是现代社会中最重要的动力来源之一，被广泛应用于汽车、发电机以及飞机等领域。
下面将介绍物理九年级中与内燃机相关的主要知识点。
一、内燃机的工作原理内燃机主要包括四个基本部分：进气系统、压缩系统、燃烧系统和排气系统。
进气系统负责吸入空气和燃料混合物，压缩系统将混合物压缩至高压状态，燃烧系统点燃混合物，产生高温高压气体，最后通过排气系统释放燃烧产物。
二、燃烧原理内燃机主要通过燃料的燃烧来释放能量。
燃料与空气混合后，在高压状态下被点火，发生燃烧反应。
燃烧反应产生的热能将气体加热膨胀，从而驱动活塞工作。
利用连续的爆发和推动机械装置运动的过程，将热能转化为机械能。
三、燃烧反应和燃料在内燃机中，燃料主要是液体燃料（如汽油、柴油）或者气体燃料（如天然气、液化石油气）。
不同类型的燃料在燃烧过程中会有不同的反应特点和燃烧产物。
例如，柴油机燃料燃烧时会产生较多的氮氧化物和颗粒物，而汽油机燃料则会产生较多的碳氢化合物。
四、热力循环内燃机的工作过程可以通过热力循环来描述，常用的是奥托循环和迪塞尔循环。
奥托循环主要用于汽油机，其特点是在连续的四个行程中完成燃油的吸入、压缩、燃烧和排出。
而迪塞尔循环主要用于柴油机，其特点是在燃油被注入和压缩后点火燃烧。
五、效率和排放内燃机的效率是指输入输出能量的比值，通常以热效率和机械效率来衡量。
热效率是指燃料中释放的能量中转化为有效功的比例，机械效率则是指发动机输出功率与输入燃料能量之比。
此外，内燃机的排放问题也备受关注。
汽车尾气排放的二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和颗粒物等对环境和健康造成重要影响。
六、内燃机的改进和发展为了提高内燃机的效率和减少排放，科学家和工程师进行了许多改进和创新。
一些改进措施包括采用高效燃烧技术、提高燃烧效率、减少摩擦和辐射损失等。
此外，还出现了混合动力汽车和电动汽车等新型动力系统，有效地解决了内燃机在能源利用和环境保护方面的问题。
06第六章 内燃机的代用燃料
第二节 内燃机的代用燃料
内燃机的代用燃料可以分为液体与气体两种，此外也可用电能来代替 燃料，驱动汽车。 一、液体代用燃料 （一）醇类燃料 醇类燃料主要有甲醇( CH3OH)和乙醇( C2H5OH) 。甲醇可以从天然气、 煤、生物中提取，乙醇主要是含有糖或淀粉的农作物经发酵后制成， 它们都是液体燃料。 20世纪60年代为了控制内燃机的排气污染，一些国家对低污染的醇类 燃料发生兴趣，1973年石油危机后，进一步认识到代用燃料的重要 性。 我国从20世纪80年代初开始对甲醇燃料在内燃机中部分代用或全部代 用作了相当广泛的研究，先后组织了M15（甲醇比例）甲醇汽油发动 机的台架试验和车队试验，组织了M85甲醇汽油和M100全甲醇发动 机的开发和试验车队，取得了丰富的经验。当前我国石油资源严重 短缺，醇类燃料的开发应用，有利于发挥我国的资源优势。 E10（乙醇比例）
(2)乙醇(酒精)
乙醇的来源有三种，即剩余粮食、能源作物和秸秆。巴西和美国分 别利用本国生产的甘蔗和玉米大量生产乙醇作为车用燃料。美国 政府从20世纪90年代起一直以每年7亿美元的巨额补贴来维持每 年50亿升的乙醇产量(约400万t，每吨补贴约175美元左右)，且产 量还在逐年增加，用来作为汽油的替代燃料和辛烷值及氧的添加 剂(汽油中加10%左右乙醇)。
点燃式发动机燃用醇类燃料时发动机有未燃醇和醛等有 害排放物，见表6-7 。
综上所述，当汽车燃用混合燃料或纯醇燃料时，只要优化其燃烧过程， 其能耗和NOx，CO及HC排放都可以降低，醇燃料发动机排出的致癌多环 芳香烃含量也比汽油低。
(2) 压燃式发动机燃用醇类燃料
醇类燃料十六烷值低，自燃温度高，难于压燃，在压燃式发动机上 使用时，需要采用助燃措施(火花塞、电热塞助燃) 或加入着火改进 剂(Ignition Improver)。
内燃机燃料
天然气在汽车上与空气混合时是气态，因 此，与汽油、柴油相比，其混合气更均匀， 燃烧更完全。 燃用压缩天然气的CO和HC排放较汽油明显 降低，但甲烷的排放增加。此外，使用纯 压缩天然气的汽车的NOx排放较高。
气体代用燃料
• 液化石油气（LPG），与石油和天然气一样 ，是化石燃料。主要成分是丁烯、丙烯、 丁烷和丙烷。一般在高压下（2.8 MPa）储 藏于钢瓶内。 • 液化石油气(LPG)与汽油、柴油常规汽车燃 料相比，具有燃烧完全、积炭少、污染物 排放低等优点。
2ห้องสมุดไป่ตู้乙醇
车用乙醇燃料也称为乙醇汽油，是指在不含MTBE含氧添加剂的专 用汽油组分油（由炼油厂或石油化工厂生产的用于调合车用乙醇汽 油的调合油）中，按体积比加入一定比例（我国目前暂定为10%）的 变性燃料乙醇，由车用乙醇汽油定点调配中心按国标GB18351—2004 的质量要求，通过特定工艺混配而成的新一代清洁环保型车用燃料。 早在20世纪20年代，巴西就开始了乙醇汽油的使用。由于巴西石 油资源缺乏，但盛产甘蔗，于是形成了用甘蔗生产蔗糖、醇的成套 技术。目前，巴西是世界上最早用乙醇含量已达到20%的乙醇汽油。 我国在抗战时，就使用酒精作汽车燃料，在解放战争的时候，解 放军为了军用，建立了南阳酒精厂，现在这个厂还是现在生产乙醇 汽油用酒精的主要工厂。解放之初，还有用酒精开汽车的，而且还 不是现在的科学的乙醇汽油。
气体代用燃料
汽车燃用汽油、LPG、CNG排放污染对比
污染物 汽油 CNG LPG
非甲烷碳氢
1
0.1
0.5~0.7
甲烷
1
10
-
一氧化碳
1
0.2~0.8
0.8~1.0
氮氧化物
替代燃料——生物柴油
内燃机的替代燃料——生物柴油摘要：目前，我国汽车保有量超过了1亿辆，并仍以惊人的速度增加，对车用燃料的需求增长强劲。
而截2011年中国石油对外依存度已达56%，这一情况对我国的能源安全和国民经济可持续发展都是一个大的隐患。
因此，发展内燃机替代燃料已是我国当务之急。
生物柴油为一种可再生能源，可以作为柴油机的一种替代燃料。
关键词：内燃机；替代燃料；生物柴油。
1.1 生物柴油生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。
生物柴油是生物质能的一种，它是生物质利用热裂解等技术得到的一种长链脂肪酸的单烷基酯。
生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。
目前已知的生物柴油有30多种。
1.2 植物油的特点（1）热值比柴油低；但密度比柴油高，容积热值与柴油接近，因此发动机的供油系统几乎不需要改动。
（2）年度比柴油高，影响喷雾特性和冷启动性能，但随着温度升高，植物油粘度下降较快。
（3 十六烷值比柴油低，闪点和着火温度均比柴油高，着火性能比柴油差，在柴油机上使用时，一般要加大喷油提前角。
（4）生物柴油一般含氧，这对燃烧有利。
（5）生物柴油可以和柴油任意比例混合。
（6）含有少量水分、灰分、残余和杂质，加上本身的重馏分多，相对分子质量很高，挥发性差，因此在燃烧室周围零件上易产生积碳引起运动零件磨损。
（7）生物柴油的主要成分是不饱和脂肪酸，它的氧化安定性差，容易变质。
植物油在其特性方面不完全符合柴油机的要求，为了改善植物油的着火性能、十六烷值和粘度，一般都要对植物油进行酯化处理，使其变为植物油单酯，以适合在柴油机中应用。
1.3酯化处理后的植物油的优点（1）相对分子质量、粘度、密度和表面张力均有大幅度下降。
（2）十六烷值提高，改善了着火性能。
二甲醚-内燃机代用燃料
燃 荆。
关键词 ： ＤＭＥ； 柴油 ； 保 环
据统 计 。 现在 起 全球 的石 油 资源 还 可 以用 ６ 从 ７ 年 ， 然 气 的储量 也 最 多可 以使用 １３年 ， 以寻 找 天 ２ 所
染 替代 燃 料 。因此 ， ＤＭＥ 作为 发 动机 燃 料有 很好 的 发 展前 景 。作 为 发动 机燃 料 ，上 海交 通 大学 燃 烧 与 环 境 技 术 中心 自 １９ ９ ７年 承 担 了 我 国 首 项 有 关 二 甲 醚燃 料 的 国家 项 目“ 新型 低 排 污二 甲醚 燃 料 喷 雾 特 性 和燃 烧机 理 的研 究” 对 二 甲醚燃 料 喷射 过 程及 二 ， 甲醚 发 动机 可 靠性 进 行 了深 入 系统 的 研 究 ， 示 了 揭 二 甲醚 燃料 发 动机 喷射 特性 ， 烧 机理 与 排放 特性 ， 燃 实 现 了发动 机 无碳 烟排 放 和 ＮＯｘ排 放大 幅 降低 。
改 善西 部地 区环境 ， 保护 生 态 。
表 １ 二 甲 醚 和 柴 油 的 物 理 化 学 特 性 对 比
１ 二 甲醚 的 性质 及其 用作 内燃机 代 用燃 料 Ｏ—Ｃ ， 称 ＤＭＥ， Ｈ。简 含有 ３ ． 的 氧 （ 量 比） ４８ 重 ， ６ ， 于柴 油， 以 Ｄ Ｏ高 所 ＭＥ具 有 良好 的 着 火 性 能 。
大 ， 防止汽 阻 现象 的发 生 ， 为 燃料 供给 系统 的压力 远
高于 柴油 机燃 料 供给 系 统 。
二 二甲 醚 的 毒 性 低 于 甲 醇 ， 与 液 化 石 油 气 但
内燃机代用燃料现状及发展前景
（ Ｃ ３ Ｈ ６ ） 、 丁烷（ Ｃ ４ Ｈ１ ０ ） 、 丁烯 （ Ｃ ４ Ｈ１ ０ ） 为主的混合 气体 。 其 英文缩 写为 ： Ｌ Ｐ Ｇ。 Ｌ Ｐ Ｇ是一种在常温常压下 为气 态 ， 具有 混合均 匀 、 燃 烧充分 、 不积碳 、 不稀释润滑油 ， 比空气重 ， 有
额资金投入 到了生物燃料行业 。Ａ Ｄ Ｍ公 司是美 国最 大的 生 物燃 料生产 商 。每年 生产 的生 物燃料 超过 １ Ｏ 亿 加仑 ，
氢燃料 汽车 的最高纪 录 ， 而 中国正在研制 氢 、 汽 油混合燃
２ 发 动 机 代 用燃 料 的 种 类
２ ． １ 液态氢 燃料
液态氢， 俗称液氢 。 在 未 来 的 汽 车里 ， 一 般 内燃 机 有 可
能会逐渐 的推 出市场 ．改用 完全无 污染的液态 氢作 为未
来 汽 车 的 主 要 动 力 来 源 ，排 放 出来 的 水 汽 对 环 境 可 以 达 到零 污 染 。 氢燃 料 是 未来 汽 车替 代燃 料 的 重 要 选 择 之 一 ， 在 目前 石 油 危 机 的大 环 境 下 ．我 们 更 应 该 更 努 力 研 究 出
合 物 排 放减 少 ３ ５ ％以上 ， 是 较 为 实 用 的低 排 放 汽 车 。 ２ ． ３ 生 物 燃 料 生 物 燃 料 包 括 乙 醇 和 回收 食 用 油 制 成 的 生 物 柴 油 。
３ ． ３ 生 物燃 料汽 车
生 物 燃 料 具 有 的广 阔 发 展 前 景 ， 早 有 很 多 投 资 方 用 巨
２ ． ２ 车 用天 然气 天然 气是 一种 洁净环 保 、 热值高、 无 色 无味无 毒 、 燃
2024年大学课件内燃机-(版)
大学课件内燃机-(附件版)大学课件：内燃机一、引言内燃机是一种将燃料在气缸内燃烧产生的高温高压气体直接作用于活塞，将热能转化为机械能的热力发动机。
作为一种重要的动力机械，内燃机在交通运输、农业机械、工业设备等领域具有广泛的应用。
本课件旨在对内燃机的基本原理、分类、工作过程、性能指标及未来发展进行详细阐述，以期为大学生提供全面、系统的内燃机知识。
二、内燃机的基本原理与分类1.基本原理内燃机的基本原理是将燃料和空气混合后在气缸内燃烧，产生高温高压气体推动活塞运动，进而驱动曲轴旋转，完成热能向机械能的转换。
内燃机的工作循环包括进气、压缩、燃烧、排气四个过程。
2.分类内燃机按燃料类型可分为汽油机、柴油机、天然气发动机等；按气缸排列方式可分为直列式、V型、水平对置式等；按冷却方式可分为水冷式和风冷式。
三、内燃机的工作过程1.进气过程进气过程是活塞由上往下运动，气缸内形成负压，吸入新鲜空气和燃油混合物的过程。
进气门开启，排气门关闭。
2.压缩过程压缩过程是活塞由下往上运动，将吸入的混合气压缩，使其温度和压力升高。
此时，进气门和排气门均关闭。
3.燃烧过程当混合气压缩到一定程度时，火花塞产生电火花点燃混合气，产生高温高压气体推动活塞向下运动。
此时，进气门和排气门均关闭。
4.排气过程排气过程是活塞由上往下运动，将燃烧后的废气排出气缸。
此时，排气门开启，进气门关闭。
四、内燃机的性能指标1.功率功率是内燃机输出的能力，通常用马力（hp）或千瓦（kW）表示。
功率与发动机转速和扭矩有关。
2.扭矩扭矩是内燃机输出的力矩，通常用牛·米（N·m）表示。
扭矩与发动机功率和转速有关。
3.燃油消耗率燃油消耗率是指内燃机在单位时间内消耗的燃油量，通常用克/千瓦时（g/kW·h）表示。
燃油消耗率越低，发动机的经济性越好。
4.排放性能排放性能是指内燃机排放的废气中含有的有害物质浓度，如二氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等。
第六章 内燃机的替代燃料
第二节 含 氧 燃 料
一、醇类燃料
二、二甲醚 三、生物柴油
一、醇类燃料
1.醇类燃料在汽油中的溶解度 2.甲醇燃料 3.乙醇
1.醇类燃料在汽油中的溶解度
图6-1 甲醇在汽油中的互溶度 与环境温度的关
1.醇类燃料在汽油中的溶解度
图6-2 乙醇在汽油和重柴油中的 互溶临界温度与其含水率的关 1—重柴油 2—汽油
3.氢气
1)氢比较适合在火花点火发动机中使用，可以提高压缩比和热效率。 2)氢气在空气中的层流燃烧速度高。 3)氢气的点火能量很低，约为15.120μJ，因此氢气发动机工作时不易失火， 再加上氢气层流火焰速度很高，因此点火提前角很小，可以在上止点点火。 4)氢气在空气中的扩散系数很大，是汽油的12倍，因此生成均匀混合气十 分迅速。 5)氢气的可燃范围很广，稀燃能力强。 6)氢气的燃烧产物为水和氮氧化物，有害排放物单一,后处理比较容易。
2.生物柴油在发动机上的应用
图6-8 生物柴油对发动机排放的影
第三节 合
成
油
1.合成油的物化性质和使用特性
2.合成油在发动机上的应用
1.合成油的物化性质和使用特性
(1)低温特性较差 合成油的闪点和滤清器阻塞点的温度都比较高，不适宜在 寒冷地区使用；同时合成油中含有大分子直链烷烃——石蜡，易在低温时析 出，使合成油的流动和喷雾困难，冷起动性能恶化。 (2)润滑性较差 通常硫和芳香烃含量较低的燃料都存在润滑性较差的缺点， 合成油的粘度处在美国2号轻柴油的下限，高频往复试验台(High Frequency Re ciprocating Rig，缩写HFRR)试验值超标，改进的方法是在燃料中应用润滑添 加剂，如亚油酸、亚麻酸等。
图6-4 醇类燃料发动机与汽油机的排放比
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1.二甲醚燃料的物化性质和使用特性
3)二甲醚粘度很低，作为燃料使用时需加润滑添加剂，以免供油系统的针 阀、柱塞偶件等磨损和卡死。 4)二甲醚的蒸气压随温度增加而急剧升高，在20℃的常温下，其蒸气压为0. 4～0.5MPa(图6-5)。
图6-5
2.二甲醚/柴油混合燃料在压燃式发动机上的应用
图6-7 二甲醚/柴油混合燃料
第六章 内燃机的替代燃料
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
替代燃料概述 含氧燃料 合成油 气体替代燃料 替代燃料的生命周期分析
第一节 替代燃料概述
能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，目 前，能源尤其是石油资源的匮乏、全球环境的恶 化已成为当今世界和我国的两大难题。为缓解我 国石油资源匮乏和需求之间的矛盾及有利于我国 长期可持续稳定的发展和环境保护，需要发展内 燃机替代清洁燃料以部分取代石油基燃料即汽油 和柴油。
3.二甲醚燃料在压燃式发动机上的应用
图6-6 发动机燃用不同比例二甲醚/
三、生物柴油
1.生物柴油的理化性质和使用特性 2.生物柴油在发动机上的应用
1.生物柴油的理化性质和使用特性
1)热值比柴油低；但密度比柴油高，容积热值与柴油接近，因此发动机的供 油系统几乎不需要改动。 2)粘度比柴油高，影响喷雾特性和冷起动性能，但随着温度升高，植物油粘 度下降较快。 3)十六烷值比柴油低，闪点和着火温度均比柴油高，着火性能比柴油差，在 柴油机上使用时，一般要加大喷油提前角。 4)一般含氧，对燃烧有利。 5)可以任意比例和柴油混合。 6)含有少量水分、灰分、残炭和杂质，再加上本身的重馏分多，相对分子质 量很高，挥发性差，因此在燃烧室周围零件上易产生积炭引起运动零件磨损。 7)主要成分是不饱和脂肪酸，它的氧化安定性差，容易变质。
二、二甲醚
1.二甲醚燃料的物化性质和使用特性 2.二甲醚/柴油混合燃料在压燃式发动机上的应用 3.二甲醚燃料在压燃式发动机上的应用
1.二甲醚燃料的物化性质和使用特性
1)二甲醚的十六烷值比轻柴油高，自燃温度比轻柴油低，因此它特别适合作 为轻柴油的替代燃料使用，它滞燃期短，有利于减少NOx排放和降低燃烧噪 声。 2)二甲醚分子结构中没有C—C键，只有C—H和C—O键，此外它含氧34.8% (质量分数)，因此在任何工况下均可实现无烟燃烧。 3)二甲醚蒸发热约为柴油的1.6倍,它有利于降低气缸内的最高燃烧温度，使N Ox排放下降。 4)二甲醚的沸点低，喷入气缸后能立即汽化，因此二甲醚对喷油系统的喷射 压力要求不高。
(1)甲醇燃料的物化性质和使用特性
7)甲醇的着火极限比汽油、柴油浓，使用更安全。 特性 1)甲醇对呼吸系统、皮肤、眼睛等有毒，要对相关人员进行安全教育和岗前 培训，对甲醇汽油加色，杜绝口吸或饮用。 2)有些塑料件和橡胶件与甲醇不能兼容，会发生溶胀，导致采用上述材料的 密封件失效；甲醇对一些非铁金属有腐蚀性。 3)甲醇沸点较低(65℃)，容易在供油系统中发生高温气阻。 4)甲醇的吸水性强，在运输和贮存时除防火外，还要防湿，否则将影响甲醇 的纯度，甲醇汽油混合燃料吸水后易产生分层。 5)甲醇燃烧后会产生醛类等非常规排放物。
2.生物柴油在发动机上的应用
图6-8
第三节 合 成 油
1.合成油的物化性质和使用特性 2.合成油在发动机上的应用
特性 1)二甲醚的低热值为柴油的64.7%，密度又比柴油小，因此为使发动机燃用二 甲醚后与燃用柴油机有相同的功率输出，必须增大循环供油量。 2)二甲醚是一种很强的溶剂,虽然对金属没有腐蚀性,但是与天然橡胶不能兼容， 其燃油供给系统的橡胶部件、橡胶油封和垫片会因溶胀等原因损坏,需要采用 新型耐二甲醚的橡胶(氟醚橡胶等)或高分子材料(如聚四氟乙烯)等。
(2)甲醇燃料在发动机上的试验结果
1)在汽油机上燃用醇类燃料。 2)在柴油机上燃用甲醇燃料的试验结果。
图6-4
3.乙醇
1)乙醇燃料的低热值为汽油的62%左右。 2)乙醇燃料的汽化热为汽油的2.9倍，从而使混合气在汽化时温降大，这有 利于提高发动机的充量系数和动力性，但不利于燃料在低温下的蒸发，会 造成发动机冷起动困难(尤其是在冬季)和暖机时间长。 3)乙醇燃料的辛烷值高,在火花点火发动机上使用时,可以提高压缩比,有利 于提高发动机的动力性能和经济性能。 4)乙醇燃料的汽化热大,进入气缸的混合气温度低,滞燃期长,应适当增大点 火提前角。 5)乙醇的粘度比汽油高得多，当管道中流动阻力较大时，会导致火花点火 发动机高速、高负荷时功率上不去。
图6-3 乙醇与重柴油、轻柴油互溶 1—重柴油 2—轻柴油
2.甲醇燃料
(1)甲醇燃料的物化性质和使用特性 表6-1表示了甲醇及其他替代燃料与汽 油、柴油物化性质的比较。 (2)甲醇燃料在发动机上的试验结果
(1)甲醇燃料的物化性质和使用特性
1)甲醇燃料的低热值仅为汽油的46%左右，因此当在汽油机上燃用甲醇或 甲醇汽油混合燃料时，应增加循环油量，从而使混合气的热值大体与汽油 空气混合气相等或略高，使发动机在燃用甲醇燃料时动力性能不降低甚至 可以提高，同时也有合适的空燃比。 2)甲醇燃料的汽化热为汽油的7倍(按相同热值的混合气计)，从而使混合气 在汽化时的温降较大。 3)甲醇燃料的辛烷值高,在汽油机上使用时可以提高压缩比,有利于提高发动 机的动力性能和经济性能。 4)由于甲醇燃料的汽化热大,因此进入气缸的混合气温度低,滞燃期长,应适 当增大点火提前角。 5)甲醇含氧量达50%，利于燃料完全燃烧，降低CO和HC排放。 6)在定容燃烧弹中测出的甲醇的层流火焰传播速度为32.7cm/s，汽油为25.2 cm/s，在相同条件下，甲醇的燃烧速度高于汽油，燃烧持续期缩短，有利 于提高热效率。
一、醇类燃料 二、二甲醚 三、生物柴油
第二节 含 氧 燃 料
一、醇类燃料
1.醇类燃料在汽油中的溶解度 2.甲醇燃料 3.乙醇
1.醇类燃料在汽油中的溶解度
图6-1 甲醇在汽油中的互溶度
1.醇类燃料在汽油中的溶解度
图6-2 乙醇在汽油和重柴油中的 1—重柴油 2—汽油
1.醇类燃料在汽油中的溶解度