第4章-燃料與燃燒化學(xué)..ppt

第四章燃料與燃燒化學(xué) 主要內(nèi)容 第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料第二節(jié)代用燃料及其應(yīng)用 自學(xué) 第三節(jié)燃燒化學(xué)第四節(jié)燃燒的基本理論 第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料 內(nèi)燃機(jī)燃料工質(zhì)影響熱效率 輸出動(dòng)力 混合氣的形成方式 燃燒模式 負(fù)荷調(diào)節(jié)方式 有害排放等 內(nèi)燃機(jī)的燃料ENGINEFUELS 1 石油基液體燃料 汽油和柴油 2 內(nèi)燃機(jī)的替代燃料 汽油與柴油GasolineandDiesel 柴油 輕柴油的碳原子數(shù)在10 22之間 平均相對(duì)分子量在170左右 汽油 汽油中烴類的碳原子數(shù)一般在5 12之間 平均相對(duì)分子量在110左右 汽油柴油 汽油與柴油的燃料特性FuelProperties 揮發(fā)性抗爆性 自燃性低溫流動(dòng)性 汽油的主要性能有 抗爆性 蒸發(fā)性 氧化安定性 抗腐蝕性及清潔性 一 汽油 1 抗爆性 汽油的抗爆性是指汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒時(shí)抵抗爆燃的能力 汽油的抗爆性用辛烷值來表示 辛烷值越高 其抗爆性越好 汽油的辛烷值在規(guī)定條件下 被測(cè)定汽油和標(biāo)準(zhǔn)燃料 異辛烷和正庚烷 進(jìn)行比較 異辛烷的辛烷值為100 正庚烷的辛烷值為0 當(dāng)被測(cè)定汽油的爆燃強(qiáng)度同異辛烷與正庚烷的混合液的爆燃強(qiáng)度相同時(shí) 標(biāo)準(zhǔn)混合液中所含異辛烷的體積百分比 即為所試油料的辛烷值 汽油抗爆性評(píng)定OctaneNumberRating 研究法辛烷值 RON 在單缸試驗(yàn)機(jī)下測(cè)定 進(jìn)氣溫度51 7 C 冷卻水溫度100 C 轉(zhuǎn)速600r min 混合氣不預(yù)熱 點(diǎn)火提前角為13 CA 試驗(yàn)時(shí)調(diào)整到爆燃最強(qiáng) 在單缸試驗(yàn)機(jī)下測(cè)定 馬達(dá)法的試驗(yàn)工況規(guī)定為 轉(zhuǎn)速900r min 冷卻水溫度100 C 混合氣溫度149 C 點(diǎn)火提前角為14 26 CA 試驗(yàn)時(shí)調(diào)整到爆燃最強(qiáng) 馬達(dá)法規(guī)定的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速及混合氣溫度比研究法的高 所以馬達(dá)法測(cè)出的辛烷值比研究法測(cè)出的辛烷值低 實(shí)際中常用RON值作為汽油的標(biāo)號(hào) 馬達(dá)法辛烷值 MON 測(cè)定汽油的辛烷值有不同的試驗(yàn)方法 常用的為馬達(dá)法 MON 與研究法 RON 燃料的靈敏度 RON MON 抗爆指數(shù) RON MON 2 抗暴指數(shù)也是評(píng)價(jià)燃料抗爆性的一種指標(biāo) 表示對(duì)工況的敏感性和適應(yīng)能力 即燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況強(qiáng)化 點(diǎn)火提前角加大 進(jìn)氣溫度提高等 后出現(xiàn)爆燃的相對(duì)敏感程度 靈敏度為正時(shí) 被測(cè)試燃料比參比燃料更敏感 為負(fù)則反之 道路辛烷值RoadOctaneNumber 有時(shí) 人們也采用道路辛烷值來評(píng)價(jià)抗爆性 它是在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上標(biāo)定 用不同辛烷值的標(biāo)準(zhǔn)燃料與待測(cè)汽油 在汽車行駛過程中進(jìn)行抗爆性的對(duì)比試驗(yàn) 抗爆添加劑OctaneNumberImprover 四乙基鉛 乙基液 甲基叔丁基醚 MTBE 乙基叔丁基醚 ETBE 叔丁醇 甲醇 乙醇等 MTBE有一定毒性 美國(guó)已禁止使用 亞洲和歐洲目前仍在使用 我國(guó)目前車用無鉛汽油辛烷值改進(jìn)劑主要使用MTBE 石油煉制方法不同 辛烷值也有差別 2 蒸發(fā)性 液態(tài)汽油汽化的難易程度稱為汽油的蒸發(fā)性 汽油的蒸發(fā)性越強(qiáng) 越容易汽化 要求汽油必須具有良好的蒸發(fā)性 但蒸發(fā)性也不能太強(qiáng) 否則易形成供油系 氣阻 甚至發(fā)生供油中斷現(xiàn)象 蒸發(fā)性很弱的汽油 難以形成良好的混合氣 這樣不僅會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難 加速緩慢 而且未氣化的懸浮油粒還會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定 油耗上升 如果未燃盡的油粒附著在氣缸壁上 還會(huì)破壞潤(rùn)滑油膜 甚至竄入曲軸箱稀釋潤(rùn)滑油 從而使發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑遭破壞 造成機(jī)件磨損增大 汽油的蒸發(fā)性用汽油蒸發(fā)量為10 50 90 和100 時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度來評(píng)定 用10 餾出溫度低 汽油的起動(dòng)品質(zhì)越好 50 餾出溫度低 說明汽油的中間餾分容易蒸發(fā) 有利于汽油機(jī)的加速和由冷的狀態(tài)很快轉(zhuǎn)入工作狀態(tài) 90 餾出溫度高 表明汽油中不易蒸發(fā)的重質(zhì)含量多 汽油中這些重質(zhì)成分在混合氣形成的過程中很難蒸發(fā) 它們附著在進(jìn)氣管和氣缸壁上 將增加燃油消耗 稀釋氣缸壁上的潤(rùn)滑油和加大氣缸磨損 3 氧化安定性 汽油抵抗大氣或氧氣的作用而保持其性質(zhì)不發(fā)生長(zhǎng)久性變化的能力稱為氧化安定性 汽油氧化安定性直接影響汽油的儲(chǔ)存 運(yùn)輸和在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用 安定性不好的汽油 易發(fā)生氧化 縮合和聚合反應(yīng) 生成酸性物質(zhì)和膠狀物質(zhì) 將導(dǎo)致燃料供應(yīng)系統(tǒng)堵塞 氣門關(guān)閉不嚴(yán) 氣缸散熱不良 增大爆燃傾向 4 清凈性 汽油中的不穩(wěn)定化合物 例如不飽和烯烴和二烯烴 以及添加劑帶入的低分子量化合物等 容易在噴嘴和進(jìn)氣門上積炭 解決辦法是加入汽油清凈劑 發(fā)揮其抗氧化和表面活性作用 這也是機(jī)內(nèi)凈化的手段 5 汽油規(guī)格 我國(guó)目前有兩種規(guī)格 一種是車用汽油的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB1793 1999 一種是無鉛汽油的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 我國(guó)的無鉛車用汽油國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)見表4 1 未來的規(guī)范是依據(jù)排放要求來制定 二 柴油 汽車用柴油為輕柴油 1 柴油的自燃性柴油的自燃性 柴油在沒有外界火源的情況下能自行著火的能力 自燃點(diǎn) 自行著火的最低溫度 柴油的自燃性好 著火延遲期短 在著火延遲期內(nèi)氣缸中形成的可燃混合氣量少 著火后缸內(nèi)壓力升高率低 柴油機(jī)工作較柔和 在低溫時(shí)易于起動(dòng) 十六烷值是評(píng)定柴油自燃性好壞的指標(biāo) 柴油的十六烷值 標(biāo)準(zhǔn)燃料是正十六烷和 一甲基萘的混合物 正十六烷自燃性最好 作為自燃性好的標(biāo)準(zhǔn) 其十六烷值定為100 一甲基萘最不易自燃 作為自燃性差的標(biāo)準(zhǔn) 定其十六烷值為0 柴油的自燃性通常介于正十六烷與 一甲基萘之間 將上述兩種成分按不同比例混合 可得出不同十六烷值的標(biāo)準(zhǔn)燃料 其十六烷值為該混合物中正十六烷所占的體積百分?jǐn)?shù) 如果某種柴油與某種標(biāo)準(zhǔn)燃料的自燃性相同 則該標(biāo)準(zhǔn)燃料的十六烷值即為該柴油的十六烷值 十六烷值過高或過低的柴油 都對(duì)柴油機(jī)的性能或工作不利 十六烷值過低 不易著火 柴油機(jī)工作不穩(wěn)定 粗暴 起動(dòng)困難 十六烷值過高 噴入燃燒室的柴油來不及與空氣混合就著火 燃燒不完全 冒黑煙 經(jīng)濟(jì)性降低 國(guó)產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定為40 65之間 十六烷值與辛烷值是相逆的評(píng)價(jià)指標(biāo) 十六烷值是表征自燃性 辛烷值是表征抗自燃性 兩者的大致關(guān)系 辛烷值 120 2 十六烷值 2 柴油的蒸發(fā)性 柴油的蒸發(fā)性影響滯燃期內(nèi)柴油的蒸發(fā)量及燃燒的完全程度 用餾程表示 餾程指柴油蒸餾過程中餾出一定百分?jǐn)?shù)所處的溫度 通常以餾出50 的溫度來評(píng)定 餾程低 說明這種燃料輕餾分多 蒸發(fā)性好 有利于混合氣形成 改善了燃燒過程 但是 餾程過低 燃料蒸發(fā)過快 則在著火延遲期內(nèi)形成的混合氣量過多 柴油機(jī)工作粗暴 車用柴油機(jī)的柴油餾程為200 300 如果柴油中的難以蒸發(fā)的重餾分 重質(zhì)成分 用90 或95 餾出溫度表示 過多 直接導(dǎo)致燃料不能及時(shí)和完全燃燒 且易排氣冒煙 因此 要求柴油的50 餾出溫度適宜 90 餾出溫度和95 餾出溫度應(yīng)比較低 3 柴油的粘度粘度表示燃料分子的內(nèi)聚力 表現(xiàn)為抵抗分子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的能力 柴油的粘度決定柴油的流動(dòng)性 粘度低 流動(dòng)性增強(qiáng) 霧化性好 過低 容易泄漏進(jìn)入氣缸 過高 濾清困難 噴霧不良 流動(dòng)阻力增大 凝點(diǎn) 指柴油冷卻到開始失去流動(dòng)性的溫度 是評(píng)價(jià)柴油低溫流動(dòng)性的指標(biāo) 國(guó)產(chǎn)輕柴油的牌號(hào)以凝點(diǎn)大小編號(hào) 如10號(hào)輕柴油的凝點(diǎn)為10 好的柴油凝點(diǎn)低 選用柴油時(shí) 其凝點(diǎn)要比最低環(huán)境溫度低3 5 見表 4 柴油的凝點(diǎn) 輕柴油的選用 汽柴油的理化特性FuelPropertiesComparison 第二節(jié)代用燃料及其應(yīng)用 醇類燃料 二甲醚 生物柴油 煤氣 內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展方向 一類是從結(jié)構(gòu)上改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率 目前發(fā)動(dòng)機(jī)效率僅為38 左右 應(yīng)用電噴 三元催化等技術(shù)可提高其效率 節(jié)約燃料 改善廢氣排放 另一類研究是改變發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 如使用液化石油氣 LPG 天然氣 CNG 二甲醚 DME 以及氫燃料等 其中使用氫 或氫與其他燃料混合 作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的技術(shù)近期發(fā)展很快 受到專業(yè)人士的普遍重視 這是因?yàn)闅湓诘厍蛏先≈槐M 能從多種植物 礦物 有機(jī)液體及水中提取氫 氫的熱值比較高 可以再生 而且氫燃燒后的大部分生成物是水蒸氣 產(chǎn)生的有害廢氣很少 屬于 綠色 能源 氫的利用目前有三種途徑 資源是否豐富 穩(wěn)定 最好能夠再生 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單 原始投資不大 燃料成本低廉 與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)技術(shù)體系和基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性好 生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境友好 可顯著改善內(nèi)燃機(jī)的尾氣排放 對(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響不大 能有所改進(jìn)更好 選擇原則 替代燃料的含氧量 自燃溫度 辛烷值 十六烷值 與汽油或柴油的互溶性與穩(wěn)定性 低熱值 化學(xué)計(jì)量空燃比 燃料的粘度與潤(rùn)滑性 與彈性密封材料的兼容性 燃料本身及燃燒排放物的毒性 燃料本身的生物降解性 選用燃料的重要參數(shù) 燃燒熱化學(xué)簡(jiǎn)介 內(nèi)燃機(jī)工質(zhì)是成分和比例不斷變化的混合物 在進(jìn)氣和壓縮過程中 基本上為燃料 空氣與殘余廢氣的混合物 汽油機(jī) 或空氣與殘余廢氣的混合物 柴油機(jī) 此時(shí)由于缸內(nèi)壓力與溫度都不高 可以忽略工質(zhì)間的化學(xué)作用 而認(rèn)為工質(zhì)成分是 凍結(jié) 不變的 從點(diǎn)火或噴油開始的燃燒 膨脹和排氣過程中 由于燃燒及高溫?zé)岱磻?yīng)的作用 工質(zhì)混合物的成分和比例在不斷變化中 除了燃燒最終產(chǎn)物H2O和CO2以及空氣中不參加反應(yīng)的N2等成分之外 還有各種有害排放物和燃燒過程中的各種中間產(chǎn)物 因此涉及到化學(xué)動(dòng)平衡與化學(xué)動(dòng)力學(xué)兩種分析方法 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)燃燒后與燃燒前分子總數(shù)之比稱為分子變化系數(shù) 汽 柴油機(jī)的 值都大于1 汽油機(jī) 值更大 柴油機(jī)空氣多 且含氫量少 表明燃燒后總分子數(shù)增多 這一因素對(duì)工質(zhì)作功有利 會(huì)提高循環(huán)熱效率 但一般情況下 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響不大 而在混合氣較濃 燃燒不完全產(chǎn)生CO時(shí) 值加大 性能分析時(shí)就需考慮這一因素 主要是汽油機(jī) 氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃料分子要計(jì)入燃燒前分子總數(shù) 而燃料分子在燃燒后不復(fù)存在 所以 值可能小于1 這是它的不利的一個(gè)方面 第三節(jié)燃燒化學(xué) 一 燃料燃燒的熱值單位量的燃料完全燃燒時(shí)所發(fā)出的熱量 完全燃燒是指當(dāng)燃料在空氣中燃燒時(shí) 一定質(zhì)量空氣中的氧剛好使一定質(zhì)量的燃料完全燃燒 即將碳?xì)淙剂现兴械奶?氫完全氧化成二氧化碳和水 C生成CO2 H生成H2O 而空氣中的氮并不參與反應(yīng) 其它元素生成高級(jí)氧化物 為方便計(jì)算 簡(jiǎn)單地認(rèn)為空氣中除氧氣外 其余均為氮?dú)?因此空氣中1摩爾的氧氣 就對(duì)應(yīng)有 1 0 2095 0 2095 3 773摩爾的氮?dú)?gasvol molarwt O220 9531 998N278 0928 012Ar0 9338 948CO20 0344 009Air100 0028 962 空氣的成分 汽油 44000 kJ kg 柴油 42500 kJ kg w單位質(zhì)量燃燒產(chǎn)物中水的含量 完全燃燒時(shí) 生成的水為氣態(tài)時(shí)的熱值為低位發(fā)熱值 主要應(yīng)用完全燃燒時(shí) 生成的水為液態(tài)時(shí)的熱值為高位發(fā)熱值高位熱值比低位熱值大 書上錯(cuò)誤 其差值為水蒸氣的汽化潛熱r 在內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下 缸內(nèi)氣體溫度高 水蒸汽的汽化潛熱是不可能被利用的 因此一般所說的燃料熱值指的是燃料的低熱值 二 燃料完全燃燒的化學(xué)反應(yīng) 1 碳燃燒 2 氫燃燒 3 硫燃燒 4 一氧化碳燃燒 5 碳?xì)浠衔?三 燃料燃燒所需的空氣量 1kg燃料完全燃燒所需要的空氣量稱理論空氣量 汽油的理論空氣量為14 9 kg kg 柴油的理論空氣量為14 5 kg kg 四 過量空氣系數(shù)和空燃比 1 過量空氣系數(shù)表示混合氣的濃稀程度 1 混合氣稀 稱為稀混合氣 1 混合氣濃 稱為濃混合氣 1 標(biāo)準(zhǔn) 理論 化學(xué)計(jì)量比 混合氣一般 柴油機(jī) 1 汽油機(jī) 1或 1 過量空氣系數(shù)是反映混合氣形成和完善程度及整機(jī)性能的一個(gè)重要標(biāo)志 在保證完全燃燒的前提下 應(yīng)力求使過量空氣系數(shù)小 2空燃比 燃空比 汽油理論上完全燃燒時(shí)的空燃比約為14 9 應(yīng)用空燃比直觀方便 其數(shù)值即為每千克燃料燃燒時(shí)實(shí)際供給空氣量的千克數(shù) 對(duì)于汽油機(jī) 14 9為濃混合氣 14 9為稀混合氣 汽油機(jī) 14 9柴油機(jī) 14 5 3可燃混合氣質(zhì)量熱值 燃燒時(shí)的缸內(nèi)工質(zhì)是燃料與空氣組成的混合氣 所以影響循環(huán)燃燒放熱量的應(yīng)該是可燃混合氣的熱值 可燃混合氣質(zhì)量熱值定義為單位質(zhì)量混合氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下完全燃燒所釋放的熱量 汽柴油幾個(gè)熱值參數(shù) 所謂燃燒 是指燃料與氧化劑進(jìn)行劇烈放熱的氧化反應(yīng)過程 伴有復(fù)雜的傳熱 傳質(zhì) 化學(xué)反應(yīng)和流動(dòng)現(xiàn)象 一切燃燒過程都由著火和燃燒兩個(gè)階段組成 所謂著火 是指可燃混合氣在一定的壓力 溫度 濃度條件下 其氧化反應(yīng)速度突然加速 以致出現(xiàn)火焰的現(xiàn)象 這一階段稱為滯燃期 以后就進(jìn)入燃燒階段 第四節(jié)燃燒的基本理論 內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程中 工質(zhì)的形成和燃燒的進(jìn)行同時(shí)發(fā)生又互相影響 燃燒過程是間斷的 周期性的非穩(wěn)定燃燒過程 隨時(shí)間和空間的變化極大 周而復(fù)始地進(jìn)行混合氣的形成 著火燃燒 熄火 換氣等階段 因而著火往往對(duì)整個(gè)燃燒過程影響極大 且時(shí)間很短 高速燃燒 一般燃燒持續(xù)期小于60 CA 對(duì)應(yīng)1000 5000r min的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)大約小于10 2ms 所以燃燒機(jī)理更加復(fù)雜 所有燃料的燃燒分為氣相燃燒和固相燃燒 內(nèi)燃機(jī)中汽油和柴油雖然都是液體燃料 但都是以氣相燃燒方式進(jìn)行 即燃料以氣體狀態(tài)與空氣混合所進(jìn)行的燃燒 著火階段是物質(zhì)燃燒的準(zhǔn)備階段 是著火前的物理和化學(xué)的準(zhǔn)備過程 霧化 蒸發(fā) 混合氣 焰前氧化 緩慢 積累熱量或活化中心 燃燒階段是可燃混合氣進(jìn)入燃燒的第二階段 有兩種方法 一是強(qiáng)迫著火或點(diǎn)燃 另一種是自然著火 火焰出現(xiàn)后 就為燃燒階段 氣相燃燒可分為預(yù)混合燃燒和擴(kuò)散燃燒 預(yù)混合燃燒 火前燃料氣體或燃料蒸氣與氧化劑 空氣 已按一定比例形成混合氣 擴(kuò)散燃燒 火前燃料與氧化劑 空氣 是相互分開的 著火后燃料邊蒸發(fā)邊與空氣混合邊燃燒 內(nèi)燃機(jī)中所有燃燒 氣體或液體 都屬于這兩類燃燒中的某一類或這兩類燃燒的組合 化油器式汽油機(jī)和氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)屬于預(yù)混合燃燒方式 柴油機(jī)基本屬于擴(kuò)散燃燒方式 但其燃燒初期有不同程度的預(yù)混合燃燒 兩種燃燒方式是導(dǎo)致汽油機(jī)和柴油機(jī)在燃燒特性 排放污染物生成及控制機(jī)理 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性及噪聲振動(dòng)等多方面不同的根本原因 預(yù)混合燃燒與擴(kuò)散燃燒的主要特點(diǎn)比較1 擴(kuò)散燃燒速度主要取決于混合速度 預(yù)混合燃燒主要取決于化學(xué)反應(yīng)速度 T和 a 2 為保證完全燃燒 擴(kuò)散燃燒的 a 1 2 稀燃 預(yù)混合燃燒 a 0 8 1 2 可燃混合氣濃度范圍小 難以稀燃 3 擴(kuò)散燃燒的混合氣濃度和燃燒溫度分布不均勻 易產(chǎn)生局部高溫缺氧 生成炭煙 4 擴(kuò)散燃燒時(shí)因存在炭煙 燃燒時(shí)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈輻射光 有焰燃燒 預(yù)混合燃燒火焰呈透明藍(lán)色 無焰燃燒 5 預(yù)混合燃燒有回火危險(xiǎn) 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒過程一般說來 要經(jīng)歷三個(gè)基本步驟 1 形成燃油與空氣的可燃混合氣 2 點(diǎn)燃可燃混合氣 或可燃混合氣在溫度和濃度適當(dāng)?shù)牡貐^(qū)發(fā)生自燃 在一處或同時(shí)在數(shù)處著火著火過程 3 火源擴(kuò)大到整個(gè)可燃混合氣 形成全面燃燒 一 著火機(jī)理 著火盡管是一個(gè)瞬間現(xiàn)象 卻是一個(gè)極為復(fù)雜的過程 至今仍有許多問題不清楚 按化學(xué)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn) 著火機(jī)理可分為熱自燃 熱力著火 機(jī)理和鏈鎖自燃 鏈?zhǔn)街?機(jī)理兩類 一 熱自燃在著火的準(zhǔn)備階段 混合氣進(jìn)行著氧化過程 放出熱量 放熱的同時(shí) 由于溫差的原因 會(huì)對(duì)周圍介質(zhì)散熱 若化學(xué)反應(yīng)所釋放出的熱量大于所散失的熱量 混合氣的溫度升高 進(jìn)而促使混合氣的反應(yīng)速率和放熱速率增大 這種相互促進(jìn) 最終導(dǎo)致極快的反應(yīng)速率而著火 這就是熱自燃 或稱熱爆 影響著火的因素著火臨界溫度Tc將受到系統(tǒng)的初始?jí)毫c 過量空氣系數(shù) a 燃料理化性能的影響 1 pc 隨壓力的增高 臨界溫度下降 2 a 因?yàn)榫哂谢瘜W(xué)劑量比的混合氣的化學(xué)反應(yīng)速度最快 所以任何條件下都是在 a 1時(shí)出現(xiàn)Tc的最低值 對(duì)于某一溫度或某一壓力都存在一個(gè)混合氣著火的濃度上限 稀限 和下限 濃限 達(dá)到一定溫度或壓力后 這個(gè)濃度上下限基本不變化 這就是貧油極限和富油極限 所以壓力pc 溫度Tc曲線實(shí)質(zhì)就對(duì)應(yīng) a 13 燃料特性 燃料的化學(xué)穩(wěn)定性越差 著火越容易 Tc愈小 二 鏈鎖自燃 鏈鎖反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)過程是 其中一個(gè)活化作用能引起很多基本反應(yīng) 即反應(yīng)鏈 鏈鎖著火 不依靠積累熱量 通過鏈鎖反應(yīng)積累活化中心使反應(yīng)自動(dòng)加速 直至著火 即鏈爆 在相對(duì)較低溫度 與熱爆比較 時(shí)也能實(shí)現(xiàn) 整個(gè)反應(yīng)過程分為 引導(dǎo)反應(yīng) 鏈的引發(fā) 反應(yīng)鏈 鏈的繼續(xù)反應(yīng)或鏈的傳遞 斷鏈反應(yīng) 鏈的中斷即活化中心的死亡 只要以某種方式 如輻射 電離 激發(fā)出活性中心就能引起著火 反應(yīng)物分子受激首先產(chǎn)生活性中心 然后通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生著火 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的分類 1 直鏈反應(yīng)一個(gè)活性中心進(jìn)行一次反應(yīng)只產(chǎn)生一個(gè)新的活性中心 即整個(gè)反應(yīng)以恒定速度進(jìn)行 2 支鏈反應(yīng)一個(gè)活性中心進(jìn)行一次反應(yīng)產(chǎn)生兩個(gè)或兩個(gè)以上的活性中心 這樣鏈反應(yīng)就發(fā)生了分支 即反應(yīng)可加速進(jìn)行 快速燃燒和爆炸可看作是支鏈反應(yīng)的結(jié)果 3 退化支鏈反應(yīng)一個(gè)活性中心先通過直鏈反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)新的活性中心和過氧化物或醛 當(dāng)過氧化物或醛發(fā)生分解時(shí) 則引起新的支鏈反應(yīng) 因此它的總反應(yīng)速度比支鏈反應(yīng)慢 但仍有自動(dòng)加速的特點(diǎn) 4 斷鏈反應(yīng)當(dāng)活性中心與容器壁面或惰性氣體分子碰撞時(shí) 其活性能被吸收 導(dǎo)致反應(yīng)中斷 在熱爆和鏈爆之前 都需要一個(gè)反應(yīng)量逐漸積累的過程 這個(gè)階段稱為誘導(dǎo)期或著火落后期 柴油機(jī)中稱為滯燃期 實(shí)際燃燒過程中 不可能有純粹的熱爆自燃和鏈爆自燃 二者是同時(shí)存在并相互促進(jìn) 也即積累熱量與積累活化中心互為支持 一般 高溫時(shí)以熱爆為主 低溫時(shí)以鏈爆為主 這就引出了另一種著火理論鏈?zhǔn)綗崃χ?開始是鏈反應(yīng) 當(dāng)熱量積累到一定程度后 按熱力著火過程進(jìn)行 二 發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的著火 有高溫單階段著火和低溫多階段著火 汽油機(jī) 柴油機(jī) 對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的具體著火現(xiàn)象而言 柴油機(jī)的壓縮著火和汽油機(jī)的爆燃具有低溫多階段著火的特點(diǎn) 而汽油機(jī)的火花點(diǎn)燃和柴油機(jī)著火后缸內(nèi)燃料的著火具有高溫單階段的著火特點(diǎn) 一 柴油機(jī) 低溫多級(jí)著火 1 階段 混合階段在壓縮過程終了時(shí) 壓縮空氣 燃料噴入汽缸內(nèi)形成可燃混合氣 燃料遇到溫度較高的空氣 開始氧化 但速度緩慢 示功圖上的壓縮線沒有明顯的變化 混合階段 為著火做準(zhǔn)備 2階段 一階段反應(yīng)燃燒的實(shí)質(zhì)是燃料的氧化反應(yīng) 當(dāng)反應(yīng)速度很快時(shí) 火焰就會(huì)出現(xiàn) 經(jīng)過一段時(shí)間后 反應(yīng)加劇 出現(xiàn)淡青色火焰 熱量不多 稱為冷焰 缸內(nèi)壓力超過壓縮壓力 在這一階段 反應(yīng)生成醛類 過氧化物和一氧化碳等中間產(chǎn)物 要求混合氣較濃 a 0 4 0 5 3階段 二階段反應(yīng)溫度 壓力升高較大 產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)的活性中心 出現(xiàn)藍(lán)火焰 混合氣稀得多 a略小于1 4時(shí)間后 三階段反應(yīng)活性中心劇增 化學(xué)反應(yīng)加速 熱量積累劇烈 發(fā)生熱爆炸 出現(xiàn)橘黃色熱火焰 混合氣更稀 a 1 著火延遲期 二 汽油機(jī) 高溫單級(jí)著火 1壓縮的是燃料與空氣的混合氣體 在此過程中 已經(jīng)進(jìn)行了一些化學(xué)反應(yīng) 2火花點(diǎn)火 局部溫度高達(dá)20000 以上 該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基 迅速反應(yīng)出現(xiàn)熱火焰 不經(jīng)過冷焰 藍(lán)焰 熱焰時(shí)間很短也很難區(qū)分 所以稱為高溫單階段著火 瞬間擴(kuò)大到整個(gè)燃燒室內(nèi) 所以 汽油機(jī)著火過程 壓縮混合氣 點(diǎn)火 經(jīng)短暫著火延遲期 熱火焰 高溫單級(jí)點(diǎn)燃 烴類燃料在高溫和低溫條件下呈現(xiàn)出不同的著火特性 可分為高溫單階段著火區(qū)和低溫多階段著火區(qū) 著火半島 在溫度壓力均較低時(shí) 首先出現(xiàn)冷焰區(qū) 它有微弱的發(fā)光 形同火舌 溫度低不灼手 不能引燃混合氣 當(dāng)溫度和壓力進(jìn)一步提高時(shí) 烴的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)由冷焰區(qū)進(jìn)入低溫多階段著火區(qū) 低溫多階段著火經(jīng)歷 1 冷焰誘導(dǎo)階段 低溫條件下烴分子不能發(fā)生熱裂解 只能產(chǎn)生直鏈反應(yīng) 與氧分子接觸發(fā)生不完全氧化 形成過氧化物和乙醛 該階段釋放的化學(xué)能極少 混和氣壓力和溫度都變化不大 2 冷焰階段 當(dāng)過氧化物積累到臨界濃度時(shí) 便以爆炸形式分解出甲醛 大量甲醛的積累使混合氣發(fā)出冷焰 此階段大約釋放化學(xué)能總量的5 10 壓力和溫度有所提高 3 藍(lán)焰階段 由甲醛的支鏈反應(yīng)產(chǎn)生CO 并發(fā)出藍(lán)色的光 其輝度和溫度均比冷焰高 所以稱為藍(lán)焰 此階段烴分子的氧化程度已較深 壓力溫度也進(jìn)一步提高 此階段時(shí)間很短 4 最后才是高溫?zé)嵫婕粗?藍(lán)焰階段末期 當(dāng)積累的活性中心和CO達(dá)到一定濃度 以及溫度達(dá)到一定程度后 反應(yīng)開始明顯加速 大量CO被進(jìn)一步氧化成CO2 釋放出大量熱量 形成高溫?zé)嵫?即燃燒開始 如果在較高溫度下 著火過程不經(jīng)過冷焰直接進(jìn)入藍(lán)焰 熱焰階段 而且這兩個(gè)階段很短也很難區(qū)分 因此稱為高溫單階段著火 大致在T 600K條件下 著火以低溫多階段方式進(jìn)行 在T 900 1200K時(shí) 著火以高溫單階段方式進(jìn)行 三 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式 一 同時(shí)爆炸燃燒取某一部分為系統(tǒng) 著火前后整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的相完全均勻一致 為單相系 均勻系 柴油機(jī)上 由于混合氣分配不是十分均勻 總有某一部分混合氣最先著火 一般在噴油嘴附近 取這一部分為系統(tǒng) 則系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的就是同時(shí)爆炸燃燒 汽油機(jī)上 由于火焰有傳播速度 雖然很快 但相對(duì)同時(shí)爆炸燃燒卻很小 傳播逐次進(jìn)行 故顯然不是同時(shí)爆炸燃燒 但火花塞間隙處的少量混合氣在電火花作用下 可實(shí)現(xiàn)同時(shí)爆炸燃燒 從而形成火焰中心 二 逐漸爆炸燃燒 預(yù)混合燃燒 汽油機(jī)的燃燒方式 兩相系 混合氣相 未燃區(qū) 燃燒產(chǎn)物相 已燃區(qū) 加熱從火花塞開始 緊靠火花塞的那一部分混合氣