汽油发动机点火机理与燃料分子化学键能关系的研究[1]

2010年第 3期 (总第 127期 ) 大 众 科 技 DA ZHONG KE J No．3。2010 (Cumulatively No．1 27) 汽油 发动机点火机理与燃料分子化学键能 关系的研究 曾令全 (四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000) 【摘 要】通过对发动机燃烧过程的分析，发动机的压缩比、点火提前角、点火的能量、爆震、空燃比、汽油的辛烷值等 数据与燃料分子化学键关系密切，这些参数主要是从物理学的角度进行测量的，燃料的燃烧是一个化学反应，从燃料本身的分 子结构和化学键能来分析上述参数更能够揭示其内在含义，指导发动机的设计与故障检修。 【关键词】化学键；键能；压缩比；辛烷值 【中图分类号】U464．171 【文献标识码】A 【文章编号】1008—1151(2010)03—0125—02 (一)前言 在研究汽油发动机燃料的燃烧机理时，会涉及发动机的 压缩比、点火提前角、点火的能量、爆震、空燃比、汽油的 辛烷值等参数 ，这些参数的确定主要是从物理学的角度进行 考虑的，而燃料的燃烧是一种化学反应，从燃料本身的分子 结构改变及其化学键能” 大小的变化来研究更能够揭示其内 在含义，指导发动机的设计与故障检测。 化学键能指 1．O1×10 Pa和 25℃下，将 lmol理想气体分 子 “AB”拆开为中性气态原子 A和 B所需要的能量 (单位为 K3．mol )。原子键能越大，键越牢固，含有该键的分子越稳 定。汽油燃烧首先要获得外在能量，拆开原有化学键，然后 再与氧中性原子结合成为化学键能更高、更稳定的分子，这 种键能大小的差异就是能量的释放。如果知道燃料的主要成 分和其键能大小，就能够在发动机设计时考虑点火能量的大 小、点火时刻的动态调整和压缩比大小的确定，以便充分发 挥发动机的效能，减少污染物的排放。 (二)发动机燃烧过程与化学键能关系 1．点火 当供油系统、进气系统将混合好的油气送入气缸内，经 由活塞压缩后，点火系统的高压线圈便会传送一电流至火花 塞，利用火花塞两极之间的高电压引燃混合好的混合气体。 高电压提供的能量使汽油分子和氧气分子产生电离作 用，使火花塞电极附近的汽油分子成为中性的 “C”、“H”原 子 (自由基)，这是汽油和氧气反应的先决条件，同时氧气分 子也成为中性的 “0”原子 (自由基)，打破了原来的 C 键、 C-C键和 0-0键，这些中性的原子重新结合成为更稳定的C-O 键和 H一0键，形成新的物质。这种化学键的变化就会产生能 量差，这种能量差在宏观上就现为热量。 为了引燃空气与汽油的混合气，必须对汽油和空气提供 一 相当的能量使汽油和氧气电离成为 自由基，这个能量我们 称为 “最小点火能”(Minimum Ignition Energy)，最小点火 能量越小，点火越容易。 2．燃烧 点火阶段可视为油气燃烧前能量的累积，当点火完成后， 点火初始产生的热量就为外围的混合气体提供点火能量，火 焰便开始以燃烧压力波的形式向外传播 ，其传播的方式是 以 火花塞为中心，一层一层依序向外燃烧。从汽油 (C-H键、C-C 键)与氧气 (0—0键)的混合物到变成 CO (C一0键)和 H。0(H-O 键)这种键能的差异变化决定释放能量的多少和温度升高的 多少，如果只有 (C-H键)如天然气其键能较 (C-C键 )高许 多，燃烧需要的能量较高，故释放的能量和升高的温度较汽 油低些。 3．压缩比 压缩 比的增加会同时影响燃烧时的温度与压力，并让油 气分子问的距离变小，而油气的燃烧速度也随着压缩 比的增 高而增大。另外发动机压缩终了时的温度高，其内能也越高， 如果燃料的化学键能较低就会 自然，所以发动机压缩比的大 小也决定了使用何种燃料，也可以这样认为：燃料一定，压 缩比的最大值也一定，设计发动机的压缩比尽量接近最大值， 这样可以提高燃料的工作效率。 4．爆燃 “爆燃”是发动机燃烧过程中所产生的异常燃烧现象， 它使发动机震动加剧，产生敲击声、降低发动机动力、损伤 发动机结构。 爆燃的特性是开始时点火及燃烧波的传播都正常，但是 最后应该燃烧的一部份油气，我们称为 “尾气”，因为受了燃 烧后气体膨胀所造成的压缩作用，使其体积缩小、温度和压 力升高，在燃烧波尚未传到该处之前 ，一部份油气的温度已 经达到 “自燃点”就会自行引燃，并且以200m／s~3OOm／s的 速度迅速向外传播，很快整个燃烧室的压力达到最大值，但 此时活塞还未越过上止点，活塞继续上行压缩气体，这样会 使活塞进行压缩时所需的力量增加很多，消耗发动机的机械 能，同时作用在活塞顶部压力的突然增大，使得活塞裙部与 缸壁发生撞击产生震动，产生爆震； 点火提前是产生爆震的另一因素，发动机最理想的点火 提前角度就是要让燃烧过程中产生的气体最大压力是在活塞 越过上止点 l0。位置，点火过早就会产生爆震。 燃料分子化学键能越小，越容易点燃，火焰传播速度也 越快，点火时刻过早就会产生爆震。异辛烷的化学键能高于 正辛烷的化学键能，所以在相同条件下 90#汽油比93#汽油容 【收稿 13期】2010—01—06 【作者简介】曾令全 (1972--)，男，四川工程职业技术学院讲师、技师，研究方向为汽车故障诊断检测与维护、维修。 一 l25． 易爆震。 5．燃料分子的化学键能的大小分析 (1)汽油辛烷值与其化学键能 异 辛烷 (也称 为 2，2，4三 甲基 戊烷 ，分子式 为 (CH。)。CCH CH(CH )。)化学键中的，不同位置的C—C键的键能是 也有一定的差别，其中 cH3与 C之间C-C键的键能为 364．3± 3．8KJ．mol～，C 与 CH 之 间 C-C 键 的键 能为 336．4± 4．2KJ．mol：另外在异辛烷化学键中不同位置的 C—H键的键 能是有较大差别，C 位置的 C—H键能[1]为 421．3KJ．mol～， CH。位置的 C—H键能[1]为 410KJ．mol～，CH位置的C—H键能[1] 为 399．2±13．0KJ．mol～。汽油燃料中异辛烷含量越高其辛烷 值就越大。 汽油中 c—c键与 c—H键在分子结构中不同位置键能数值 ＼ u t、 ＼ CH 与c cH 与c CH CH c 键 364 3±3 8 336 4±4 2 C-H键 399 2±13 0 抗爆性很低的正庚烷 C7H16化学键中的，各处的 C—C键 的键能、cH。位置的 C—H键能、cH 位置的 C—H键能与异辛烷中 相应键的键能差别很小。 空 气 中氧 气 分 子 0 的 0-0 键 键 能 为 498．36± 0．17KJ．mol。 由于异辛烷 (CH。)。CCH。CH(CH。) 其中c}k的数 目为 5个，多 出正庚烷 C 的数 目的 150％，CH 中的 C—H键占总的C—H键的 比例为 83．3％，所以要使其分子中的 C、H变成自由基需要更 多的能量，点燃异辛烷就比正庚烷困难。 (2)发动机压缩比与汽油分子化学键能的关系 对于含正庚烷较多的汽油，发动机压缩比如果过大，混 合气体体积压缩得过小，其温度越高，内能增加越大，汽油 分子中c—H键和C—C键获得能量也越高，变成碳 (c)自由基和 氢 (H)自由基的几率也越大，在正庚烷中CH。位置的C—H键的 数 目较多，其键能仅为410KJ mol，在发动机点火的过程同 时，燃烧室内的压力增加很快，其内能增加也越快，C—H键此 时更易断裂变成c、H自由基与0自由基结合生成更加牢固的 H一0键，其键能为497．10±12．9KJ mol一，燃烧室内油气反应 速度过快容易产生爆震。 对于含正庚烷较多的汽油，由于C 中的C-H键占总的C—H 键的比例较高，在发动机点火的过程同时，要使异辛烷中C—H 键断裂变成 自由基就比正庚烷中C—H键断裂变成自由基困难 些，所需要的时间就较长些，所以需要的点火能量更大，使 用辛烷值较高的发动机一般采用高能点火线圈，其点火提前 角也较大，燃烧室内油气反应速度相对慢些，不易产生爆震。 (3)CNG发动机的测试 现在许多汽油发动机改使用CNG燃料时安装了点火提前 器，其主要 目的是解决因甲烷 (CH )中C_H键键能过大，点火 时间和燃烧时间较长需要提前点火。而原发动机控制点火系 统基本点火提前角偏小不满足甲烷点火的需要。 甲烷 (Ctt )中C—H键键能较大，其化学性能较稳定，其C—H 键键能较大的特点就可 以在有限范围内增加发动机的压缩 比，提高发动机的功率输出。 (三)结论 在汽油发动机压缩比的设计 上，首先要考虑汽油的辛烷 值，其本质就是考虑汽油中各分子成份中C—H键、C-C键的化 学键能的大小，键能的大小直接决定着发动机的点火提前角， 点火能量的大小。在发动机的新型燃料的替换中只要抓住了 燃料的化学键能，就能够抓住问题的关键，调整好点火提前 角和点火能量。 【参考文献】 [1]罗渝然．化学键能手册【M】．北京：科学出版社，ISBN 7一o3— 014707—3．中国版本图馆 CIP数据核字(2005)$ 001204 号． [2】姜卓，段晖辉，卓斌．汽油机新电控单元MICS1．0 ECU的喷 油控制[11．交通运输设备，2004—6—12． 【3]罗渝然，郭庆祥，俞书勤，张先满．现代科学中的化学键能及 其广泛应用【M】．中国科学技术大学出版社，2008． (上接第 129页)当归 10g，防风 10g，百部 15g，蛇床子 15g， 炙甘草 10g，生姜三片，大枣 6枚，水煎服，每日一剂。 二诊：皮肤搔痒减轻，疹点有所消散，前方奏效，再服 1O剂。 三诊：疹点消退，诸症皆除，嘱其再服 6剂，以固疗效。 2．可用于治疗胸痹 (冠心病) 典型病例：吴 XX，男，48岁，2009年 lO月 6日初诊， 患者胸部疼痛，劳累加重，休息减轻，心悸汗出，睡眠欠佳， 饮食不香，舌质淡，苔薄白，脉沉细而结。作心电图提示， 冠状动脉供血不足，证属心阳不振 络脉淤阻之胸痹，治宜 温通心阳，祛瘀通络，桂枝汤加味主之：桂枝 15g，川I穹 10g， 枳壳 10g，郁金 10g，茯苓 15g，白术 15，沉香 3g，炙甘草 10g，生姜三片，大枣三枚，6剂，水煎服。 二诊：胸痛减轻，心悸汗出改善，饮食增进，前方加酸 枣仁 15g、夜交藤 30g以增养心安神之功，6剂。 三诊：睡眠改善，诸症皆平，脉无结。 3．可用于治疗目赤流泪症 典型病例：王 xx，女，学生，l6岁，2008年 4月 10日 初诊，双 目流泪，目赤发痒，遭风遇热更甚，伴恶风汗出， ． 126． 舌质淡红，苔薄黄，脉浮数，证属风热上患，营卫不和，治 宜疏风清热，调和营卫，桂枝汤加味主之：桂枝 10g，白芍 10g，桑叶 10g，菊花 10g，蔓荆子 12g，决明子 10g，夏枯草 10g，丹参 12g，甘草 6g，生姜 2片，大枣 2枚，2剂，水煎 服。 二诊：目赤流泪，汗出恶风明显减轻，效不更方，再服 3 剂。 三诊：2008年 8月 6日因腹痛腹泻来诊，询问上述病症， 服用 5剂药后痊愈，一直未复发。 综上所述，桂枝汤方之妙用，是仲景大师精心探索，匠 心巧运的宝贵经验总结，其闻述精辟，分析入微，药证恰当， 丝丝入扣。其临床应用，笔者有以下几点体会：1)本方用于 体弱伤风感冒初起表虚自汗者疗效确切；2)无论内科，还是 外科、妇科疾病，只要抓住发病机制是卫外不固，营卫不和， 即可辩证加减应用；3)通过衍化，对心阳不足或肝脾失调的 多种慢性疾病无热象者实为良剂。通过学习总结并临床新用， 意在继承和发展前人的学说，使中华民族的灿烂文化更加推 陈出新，发扬光大，同时也为同行们临床学习与应用提供参 考。