第三章 燃料與燃燒

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理 同學(xué)們好 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理 第三章 燃料與燃燒 第三章 燃料與燃燒 概述 3. 1 概述 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)自燃料的化學(xué)能。 燃料的品質(zhì)及特性，決定發(fā)動(dòng)機(jī)性能。 選擇某種燃料作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，受到兩個(gè) 方面的影響。 發(fā)動(dòng)機(jī)型式： 熱氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)還是內(nèi)燃機(jī)等； 燃料的燃燒特性： 燃燒溫度、燃燒速度（反應(yīng)速度、混合氣 形成速度）和燃燒程度（反應(yīng)進(jìn)度）等。 第三章 燃料與燃燒 概述 3. 1 概述 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料有許多種，燃料的不同決定 了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能方面的差異。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要型式還是往復(fù)活塞式內(nèi) 燃機(jī)。 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料主要是有機(jī)化合物。 開(kāi)發(fā)新型燃料是當(dāng)前

2、發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究熱 點(diǎn)之一。 這方面的研究涉及到新型發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)，甚 至是完全不同的動(dòng)力裝置，如燃料電池。 第三章 燃料與燃燒 概述 3. 1 概述 燃料成分對(duì)其品質(zhì)和燃燒特性有決定性 影響： 表 3 1 燃料成分理化性質(zhì)的變化 表 3 2 燃料部分成分的燃燒特性 烷烴：熱穩(wěn)定性差、化學(xué)穩(wěn)定性好，易著 火，是燃料主要成分。有支鏈烷烴抗爆性好。 烯烴和炔烴：熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性差， 不易著火，易氧化形成膠質(zhì)，但抗爆性好。要 控制它們?cè)谌剂现械谋戎亍?第三章 燃料與燃燒 概述 3. 1 概述 燃料成分對(duì)其品質(zhì)和燃燒特性有決定性 影響： 表 3 1 燃料成分理化性質(zhì)的變化 表 3 2 燃料部分成分的燃

3、燒特性 環(huán)烷烴：熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，不易 著火，抗爆性好。 芳香烴：熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性最好，不 易著火，容易形成積碳，但抗爆性極好。 第三章 燃料與燃燒 概述 3. 1 概述 燃料成分對(duì)其品質(zhì)和燃燒特性有決定性 影響： 表 3 1 燃料成分理化性質(zhì)的變化 表 3 2 燃料部分成分的燃燒特性 故此，近幾年由于環(huán)境保護(hù)的需要，對(duì)燃 料成分提出更高的要求，并出現(xiàn)配方燃料即環(huán) 保燃料概念。所謂環(huán)保燃料是指對(duì)燃料各種成 分按照給定的比例控制。達(dá)到國(guó)家汽車排放第 三階段控制標(biāo)準(zhǔn)必須控制燃料質(zhì)量。 第三章 燃料與燃燒 概述 3. 1 概述 燃料燃燒是劇烈的氧化反應(yīng)過(guò)程。在發(fā)動(dòng) 機(jī)中，對(duì)燃燒有時(shí)間和速度

4、要求；為了充分利 用燃料，還要求盡可能燃燒完全。 由于發(fā)動(dòng)機(jī)空間和質(zhì)量限制，對(duì)燃料還有 能量密度即熱值、便于攜帶、安全等要求。 因此，要改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，不僅要研究 燃料，還要研究燃燒過(guò)程和燃燒條件，找出完 全燃燒的途徑。 第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料是汽油和柴油。 汽油： 在常溫常壓下是液態(tài)； 分餾溫度為50200； 有機(jī)物的混合物，含碳原子數(shù)為C5C11， 包括部分芳香烴和環(huán)烷烴以及烯、炔烴。 汽油易于揮發(fā)，粘度小，比重低，易點(diǎn)燃 但不易自燃。 第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2.1

5、傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料是汽油和柴油。 柴油： 常溫常壓下是液態(tài)，分為輕柴油和重柴油； 輕柴油分餾溫度為250360； 有機(jī)物混合物，含碳原子數(shù)為C14C23，包 括部分芳香烴和環(huán)烷烴以及烯、炔烴。 不易揮發(fā)，粘度較高，比重較大，自燃傾向 比汽油大，但不易點(diǎn)燃。 第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 已經(jīng)成熟并得到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料有 石油氣、天然氣和醇類燃料。 石油氣： 常溫常壓下是氣態(tài)； 在低于50溫度下，壓縮后成為液態(tài)； LPG易于攜帶； 碳原子數(shù)為C2C5，主要是丙烷、丁烷； 極易揮發(fā)，粘度極小，不易自燃和點(diǎn)燃。 第三章 燃料與

6、燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 已經(jīng)成熟并得到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料有 石油氣、天然氣和醇類燃料。 天然氣（包括煤層氣和沼氣）： 常溫常壓下是氣態(tài)； 常溫下壓縮不能液化，必須在低溫下液化； 不便攜帶，要進(jìn)行壓縮（CNG）； 碳原子數(shù)為C1C4，主要是甲烷、乙烷； 不易自燃和點(diǎn)燃。 第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 已經(jīng)成熟并得到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料有 石油氣、天然氣和醇類燃料。 醇類燃料： 醇和乙醇的來(lái)源廣泛、生產(chǎn)成本低； 常溫常壓下是液態(tài)； 蒸發(fā)潛熱大，沸點(diǎn)低，便于攜帶； 含氧元素，需要空氣少； 不

7、易自燃和點(diǎn)燃，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)腐蝕。 第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 正開(kāi)發(fā)的燃料主要有二甲醚（DME）、氫 氣、植物汽油、植物柴油和水煤漿。 二甲醚（DME） ： 甲醇具有一定的對(duì)人體的危害性，因此研 究用甲醇來(lái)生產(chǎn)二甲醚。二甲醚具有低污染， 高熱值，含氧元素、需要空氣少，常溫常壓下 為液態(tài)、便于攜帶等特點(diǎn)，極具潛力發(fā)展為一 種新型燃料。 第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 正開(kāi)發(fā)的燃料主要有二甲醚（DME）、氫 氣、植物汽油、植物柴油和水煤漿。 氫氣： 氫氣燃燒基本沒(méi)有污染，燃燒速度快

8、，對(duì) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能有利。氫氣可從水中提取，燃 燒后成為水分子，可以循環(huán)使用。但氫氣很難 儲(chǔ)存、運(yùn)輸和攜帶，而且制備代價(jià)較高，目前 仍在深入研究。氫氣是很有前途的新型燃料。 第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 正開(kāi)發(fā)的燃料主要有二甲醚（DME）、氫 氣、植物汽油、植物柴油和水煤漿。 植物汽油和植物柴油： 利用植物油、廢棄的烹調(diào)油生產(chǎn)汽油和柴 油是近幾年發(fā)展出來(lái)的技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)使用植物 汽油和植物柴油時(shí)，技術(shù)繼承性好，而且植物 汽油和植物柴油的成分簡(jiǎn)單，有利于控制有害 排放物質(zhì)。此外，油料作物是可再生的，故此 植物汽油和植物柴油得到廣泛的注意。

9、第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 正開(kāi)發(fā)的燃料主要有二甲醚（DME）、氫 氣、植物汽油、植物柴油和水煤漿。 水煤漿： 在石油能源短缺壓力下，把注意力再次投 放到煤炭上是極其自然的。由于工業(yè)中煤的潔 凈燃燒技術(shù)發(fā)展，開(kāi)始研究發(fā)動(dòng)機(jī)使用水煤漿 燃燒技術(shù)。目前主要存在燃燒不完全、固體顆 粒造成發(fā)動(dòng)機(jī)磨損和燃料供應(yīng)等問(wèn)題，目前仍 在深入研究。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.1 燃料使用特性指標(biāo) 評(píng)價(jià)燃油品質(zhì)的指標(biāo)很多。與發(fā)動(dòng)機(jī)使用 有關(guān)的評(píng)價(jià)燃油品質(zhì)的指標(biāo)稱為燃料使用特性 指標(biāo)。其中，和發(fā)動(dòng)機(jī)性能有關(guān)的燃油理化

10、指 標(biāo)主要有： （1）反映燃燒性能的有關(guān)指標(biāo)，如柴油的 十六烷值、汽油的辛烷值,燃點(diǎn)，餾程等。 （2）反映燃油輸送性能、流動(dòng)性能的有關(guān) 指標(biāo)，如粘度、凝點(diǎn)等。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.1 燃料使用特性指標(biāo) （3）和發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的有關(guān)指標(biāo)。如雜 質(zhì)、灰分、含硫量、殘?zhí)康取?很多指標(biāo)反映了多方面使用特性指標(biāo)。例 如燃點(diǎn)，它既反映安全性方面的要求，也是組 織發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中要考慮的燃油燃燒特點(diǎn)指 標(biāo)。 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所國(guó)產(chǎn)有燃油的品質(zhì)作出 規(guī)定。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 （1）辛烷值 評(píng)

11、價(jià)汽油抗爆性的指標(biāo)。 辛烷值測(cè)定在專門的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上按規(guī)定的條件進(jìn) 行試驗(yàn)評(píng)定。 規(guī)定，容易爆震的正庚烷辛烷值為0，抗爆能力強(qiáng) 的異辛烷辛烷值為100。 按一定比例將正庚烷與異辛烷配制為混合燃料，比 較混合燃料和被測(cè)汽油在試驗(yàn)機(jī)上燃燒并出現(xiàn)爆震的情 況。 混合燃料抗爆性和被測(cè)汽油相同時(shí)，混合燃料異辛 烷的體積百分比就是所測(cè)汽油的辛烷值。 1. 汽油 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 汽油牌號(hào)按辛烷值確定。 辛烷值測(cè)定有兩種方法：馬達(dá)法 和研究法，其條件各不相同。 1. 汽油 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3

12、.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 1. 汽油 （2）餾程 評(píng)價(jià)汽油蒸發(fā)性的指標(biāo)。 汽油的餾程中有三個(gè)溫度具有特定意義，10% 餾 出溫度、50% 餾出溫度和 90% 餾出溫度。 汽油的10% 餾出溫度越低，汽油蒸發(fā)性越強(qiáng)，容 易汽化并形成可燃混合氣，起動(dòng)性好。 50% 餾出溫度低，汽油總體汽化容易，在較低的 溫度下汽化，形成可燃混合氣，燃料燃燒快，動(dòng)力性好， 工作穩(wěn)定，加速時(shí)間短，冷起動(dòng)后升溫快。 90% 餾出溫度高，燃油積炭?jī)A向嚴(yán)重，容易稀釋 機(jī)油，使機(jī)油變質(zhì)。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3

13、 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 1. 汽油 餾程指燃油蒸餾的溫度范圍。 餾程用蒸餾儀測(cè)定。 將100 mL待測(cè)燃油加入燒瓶并加熱使之蒸發(fā)， 燃蒸汽被導(dǎo)管引出，經(jīng)冷凝器冷卻凝結(jié)為液體，滴 入量杯。試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量并記錄量杯內(nèi)燃油數(shù)量 和對(duì)應(yīng)的溫度，并表達(dá)為蒸餾曲線。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 1. 汽油 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 2. 柴油 柴油分輕柴油和重柴油兩種，汽車和拖拉機(jī)主要 用輕柴油。 （1）凝點(diǎn) 評(píng)價(jià)柴油的輸送性和流動(dòng)性的指標(biāo)。 輕柴油

14、牌號(hào)按其凝點(diǎn)確定，柴油凝點(diǎn)是指其失去 流動(dòng)性時(shí)的攝氏溫度。 選用柴油時(shí)，按其凝點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度約高出 5 確定牌號(hào)。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 2. 柴油 （2）十六烷值 評(píng)價(jià)柴油自燃性的指標(biāo)。 十六烷值越大，柴油越容易自燃。 輕柴油的十六烷值在40 50之間。 規(guī)定，容易自燃著火的純十六烷的十六烷值為 100，不容易自燃的-甲基萘的十六烷值為0。 按一定比例將十六烷和-甲基萘配制成混合燃 料，在試驗(yàn)機(jī)上比較被測(cè)柴油與混合燃料燃燒情況。 混合燃料的自燃性和被測(cè)柴油相同時(shí)，混合燃料 中十六烷的體積百分?jǐn)?shù)即所測(cè)柴油的十六烷值。 第

15、三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 2. 柴油 （3）餾程 評(píng)價(jià)柴油蒸發(fā)性的指標(biāo)。 柴油餾程中有三個(gè)溫度具有特定意義。50%餾出 溫度、90%餾出溫度和95%餾出溫度。 50% 餾出溫度低，柴油蒸發(fā)性好，輕餾分多，有 利于混合氣形成和著火，冷起動(dòng)性能好。 90% 和 95% 餾出溫度高，柴油中重餾分多，燃 燒容易不完全易形成積炭，排氣容易冒煙。 從發(fā)動(dòng)機(jī)工作要求來(lái)說(shuō)，柴油中輕餾分要適當(dāng)， 重餾分要盡量少一些。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 2. 柴油 （4）粘度 表示流體內(nèi)部摩擦

16、力。 粘度對(duì)柴油來(lái)說(shuō)，具有雙重意義。 粘度大，柴油噴射時(shí)，霧化質(zhì)量差，燃燒不完全， 燃油消耗率高，排氣冒煙。 粘度低，噴油泵、噴油嘴的偶件潤(rùn)滑不良，磨損 嚴(yán)重，壽命短。 柴油必須具有一定的粘度。輕柴油的粘度為 2.5 8 10 -6 m2/ s（20 時(shí)）。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 3. 柴油與汽油的性能比較 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.3 新型燃料的使用特性 1. 醇類燃料的使用特性 （1）醇類燃料的特點(diǎn) 熱值低，含氧量大； 汽化潛熱數(shù)值大，沸點(diǎn)低； 有毒性、腐蝕性； 抗爆震性好，潤(rùn)滑

17、性差； 如以混合燃料方式使用，與汽、柴油的相溶性差。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.3 新型燃料的使用特性 1. 醇類燃料的使用特性 （2）醇類燃料的使用方式 混合燃料方式 雙燃料方式 純?nèi)剂戏绞?氧添加劑 燃料電池燃料 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.3 新型燃料的使用特性 1. 醇類燃料的使用特性 （3）醇類燃料的使用特性 與使用方式有關(guān)； 目前沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)； 對(duì)其固有的理化特性及品質(zhì)應(yīng)該有要求。如 熱值、沸點(diǎn)、密度、腐蝕性和含水量等 乙醇汽油有關(guān)于品質(zhì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的

18、使用特性 3.3.3 新型燃料的使用特性 2. 氣體燃料的使用特性 （1）氣體燃料的特點(diǎn) 熱值低； 常溫下為氣態(tài)，攜帶不方便； 形成混合氣容易； 抗爆震性好，潤(rùn)滑性差； 廢氣排放好 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性 3.3 燃料的使用特性 3.3.3 新型燃料的使用特性 2. 氣體燃料的使用特性 （2）氣體燃料的使用方式 純?nèi)剂戏绞剑?雙燃料方式； 混合燃料方式； 燃料電池。 （3）氣體燃料的使用特性 與使用方式有關(guān)； 有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但使用性能指標(biāo)不全面。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 燃油在氣缸中燃燒情況極為復(fù)雜，本質(zhì)上 是激烈的氧化反應(yīng)。這里只從質(zhì)量守恒角度， 研究燃

19、油和空氣中的氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量關(guān) 系，不涉及化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程和機(jī)理。 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒過(guò)程的復(fù)雜，其原因在 于：除了燃料的氧化反應(yīng)之外，實(shí)際還伴隨許 多其他反應(yīng)；同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程不僅有成分變化 過(guò)程，還有傳熱過(guò)程、做功過(guò)程；燃燒的條件 隨活塞運(yùn)動(dòng)而變化。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 燃油成分的表示燃油成分的表示 發(fā)動(dòng)機(jī)所用的汽油或柴油主要由碳、氫、 氧組成，其它成分如氮、硫等含量不多，在熱 計(jì)算時(shí)不考慮，如以gC、gH、gO分別表示 1 kg 燃油中所含碳、氫、氧的kg數(shù)，即用質(zhì)量百分 數(shù)%表示，則： 3.4.1 燃燒使用空氣量 1、理論空氣量理論空氣量 第三章 燃料與燃

20、燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 空氣成分的表示空氣成分的表示 發(fā)動(dòng)機(jī)中燃油燃燒所需要的氧氣來(lái)自空氣， 以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%表示 3.4.1 燃燒使用空氣量 1、理論空氣量理論空氣量 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 1、理論空氣量理論空氣量 以體積百分?jǐn)?shù)%表示 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 1、理論空氣量理論空氣量 1kg 燃料完全燃燒所需的理論空氣量燃料完全燃燒所需的理論空氣量 L0 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程 碳燃燒： 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 1、理論

21、空氣量理論空氣量 1kg 燃料完全燃燒所需的理論空氣量燃料完全燃燒所需的理論空氣量 L0 氫燃燒： 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 1、理論空氣量理論空氣量 所以，gC (kg)碳與gH (kg)氫完全燃燒所用氧氣為 1kg 燃料完全燃燒理論空氣量燃料完全燃燒理論空氣量 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 1、理論空氣量理論空氣量 以kmol 為單位計(jì)算理論空氣量，則 1 kg 碳完全燃燒需要 kmol 氧氣 1 kg 氫完全燃燒需要 kmol 氧氣 所以，gC (kg)碳與gH (kg)完全燃燒所用氧

22、氣為 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 1、理論空氣量理論空氣量 1kg 燃料完全燃燒理論空氣量燃料完全燃燒理論空氣量 gO (kg) 氧折合為kmol 單位 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 1、理論空氣量理論空氣量 以m3為單位計(jì)算理論空氣量，則在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 下，1 kmol空氣具有體積為 22.4 m3 （標(biāo)）。故 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 2、過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)量空氣系數(shù) 理論空氣量是指理論上使燃油完全燃燒所需要 的空氣量。 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)中，1

23、kg 燃油實(shí)際供給的空氣 數(shù)量并不總是等于理論空氣量Lo。 用過(guò)量空氣系數(shù) a 表示實(shí)際供給空氣的數(shù)量L 與理論空氣量Lo之比 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 2、過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)量空氣系數(shù) 為使燃油完全燃燒，實(shí)際供給空氣的數(shù)量應(yīng)該 不小于理論空氣量，即a 1。 過(guò)量空氣系數(shù)是反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的一個(gè)重 要參數(shù)，當(dāng)實(shí)際空氣量等于理論空氣量即 L= Lo ， 則a =1； a 1時(shí)，表 示稀混合氣。 過(guò)量空氣系數(shù) a 與發(fā)動(dòng)機(jī)類型、混合氣形成方 法、燃料的種類、工況（負(fù)荷與轉(zhuǎn)速）、功率調(diào)節(jié) 的方式等因素有關(guān)。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4

24、燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 2、過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)量空氣系數(shù) 汽油機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)方式是量調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié) a = 0.8 1.2 所謂量調(diào)節(jié)方式是指保持混合氣濃度不變，通 過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的混合氣數(shù)量來(lái)適應(yīng)負(fù)荷變化。嚴(yán) 格地說(shuō)，這種情況下，混合氣濃度實(shí)際仍然是有變 化的。 電子控制汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)和化油器式汽油機(jī)在 大負(fù)荷時(shí)，總是使用濃混合氣；在中小負(fù)荷時(shí)，電 子控制汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)控制 a 1 或稍微低一些， 化油器式汽油機(jī)則使用稀混合氣 a 1 。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 2、過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)量空氣系數(shù) 柴油機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)方式是質(zhì)調(diào)節(jié)質(zhì)調(diào)節(jié) a =

25、 1.2 2.2 質(zhì)調(diào)節(jié)負(fù)荷方式是指通過(guò)改變混合氣濃度來(lái)調(diào) 節(jié)負(fù)荷。柴油機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)是在基本保持氣缸進(jìn)氣 量不變情況下，改變氣缸噴油量調(diào)節(jié)負(fù)荷，a 的變 化范圍很大。柴油機(jī)混合氣形成時(shí)間短，濃度不均 勻，所以，a 總是大于1 的，即a 1。當(dāng)然，隨著 負(fù)荷變化，柴油機(jī)吸入氣缸的空氣量也有微小變動(dòng)。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 2、過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)量空氣系數(shù) 對(duì)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，a 越小，意味著燃燒完善程度 越高，在同樣氣缸進(jìn)氣量條件下，就可以向氣缸多 噴油，缸內(nèi)空氣的利用程度高，發(fā)出的功率大，發(fā) 動(dòng)機(jī)的升功率大；a 越大，意味著燃料燃燒比較完 全，在

26、同樣噴油量情況下，供應(yīng)的空氣充足。 無(wú)論對(duì)汽油機(jī)還是柴油機(jī)， a a 都都是反映混合氣是反映混合氣 形成和燃燒完善程度的一個(gè)重要指標(biāo)形成和燃燒完善程度的一個(gè)重要指標(biāo)。從追求燃燒 過(guò)程完善的角度，應(yīng)該力求使 a 接近于1。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 3、常規(guī)燃料的理論空氣量常規(guī)燃料的理論空氣量 汽油的平均質(zhì)量成分為： gC = 0.855；gH =0.145； gO=0.000 柴油的平均質(zhì)量成分為： gC =0.870； gH =0.126； gO =0.004 分別將汽油和柴油的平均成分代入理論空氣量的 計(jì)算公式中，可得汽油和柴油的理論空

27、氣量分別為 14.9（kg 空氣 / kg 汽油）和14.5（kg空氣 / kg柴油）。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 4、空燃比空燃比 除了過(guò)量空氣系數(shù)a 外，還常用燃燒時(shí)空氣質(zhì) 量與燃料質(zhì)量的比例即空燃比（ A / F ）表示混合 氣濃度： 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.1 燃燒使用空氣量 4、空燃比空燃比 應(yīng)用空燃比比較直觀方便，其數(shù)值即為對(duì)實(shí)際 供給空氣量的千克數(shù)。對(duì) 1 kg 燃料，有 當(dāng)a = 1 ，即按理論空氣量燃燒時(shí)，該空燃比 稱為理論空燃比。汽油和柴油的理論空燃比分別為 14.9和14.5 。混合

28、氣的空燃比大于理論空燃比時(shí)為 稀混合氣，小于理論空燃比時(shí)為濃混合氣。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.2 完全燃燒時(shí)的燃燒產(chǎn)物 1、進(jìn)入氣缸的氣體數(shù)量進(jìn)入氣缸的氣體數(shù)量 對(duì)汽油，在混合非常充分時(shí)，燃料全部蒸發(fā)， 混合氣由空氣和燃料蒸汽組成。若燃料平均分子量 為MrT ，混合氣過(guò)量空氣系數(shù)為a ，則1 kg 燃料完 全蒸發(fā)形成混合氣的摩爾數(shù)為M1 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.2 完全燃燒時(shí)的燃燒產(chǎn)物 1、進(jìn)入氣缸的氣體數(shù)量進(jìn)入氣缸的氣體數(shù)量 對(duì)柴油，燃燒體系中既有混合氣，又有燃料液 滴，只有部分燃料形成蒸汽，混合氣的摩爾數(shù)計(jì)算 比較復(fù)雜

29、。根據(jù)液體體積小，燃油量比空氣少的特 點(diǎn)，忽略燃料蒸汽及液態(tài)燃料的體積，則過(guò)量空氣 系數(shù)為 a 時(shí)混合氣的摩爾數(shù)M1為 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.2 完全燃燒時(shí)的燃燒產(chǎn)物 2、完全燃燒后的氣體數(shù)量完全燃燒后的氣體數(shù)量 當(dāng)燃料完全燃燒，則燃燒產(chǎn)物的主要成分是不 參與燃燒氮?dú)?N2 、二氧化碳CO2 、水蒸氣H2O和剩 余氧氣O2。若忽略次要的其它成分，則根據(jù)化學(xué)反 應(yīng)式，可求得燃燒產(chǎn)物的摩爾數(shù)為M2 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.2 完全燃燒時(shí)的燃燒產(chǎn)物 2、完全燃燒后的氣體數(shù)量完全燃燒后的氣體數(shù)量 燃燒前后的燃燒體系有摩爾數(shù)增量D

30、M 摩爾數(shù)增量 DM 0 時(shí)，氣缸可以因氣體數(shù)量 增加而額外多做功。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值 1、燃料熱值燃料熱值 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（ 壓力為1.013105 k Pa，溫度為 25 ）下，1 kg 燃料完全燃燒所放出的熱量，稱燃料完全燃燒所放出的熱量，稱 為燃料的熱值為燃料的熱值，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。 由于燃燒產(chǎn)物中有水蒸汽，在水蒸汽沒(méi)有凝結(jié) 時(shí)，水的汽化潛熱也不會(huì)釋放，所以燃料熱值有兩 個(gè)：若水蒸汽沒(méi)有凝結(jié)，燃燒熱量不包含水的汽化 潛熱，則此燃料熱值稱為燃料低熱值 QL ；水蒸汽 凝結(jié)后，燃燒熱量包含水的汽化潛熱，則此燃料熱 值稱為燃料

31、高熱值 QH 。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值 1、燃料熱值燃料熱值 兩者的關(guān)系為 式中， HV為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的汽化潛熱。 內(nèi)燃機(jī)排氣溫度較高，水的汽化潛熱不可能利 用，故分析計(jì)算時(shí)多用低熱值。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值 2、混合氣熱值混合氣熱值 發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)吸收的熱量與燃料熱值、循環(huán) 燃料消耗量、混合氣形成方式、混合氣濃度及品質(zhì)、 燃燒方式和燃燒的完善程度等因素有關(guān)。在完全燃 燒條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)燃料消耗量有一定的范圍， 受到氣缸循環(huán)進(jìn)氣量的制約。 混合氣濃度反映氣缸循環(huán)

32、進(jìn)氣量和循環(huán)燃料消 耗量?jī)蓚€(gè)因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)吸收的熱量的影響。 在氣缸進(jìn)氣量一定時(shí)，循環(huán)燃料消耗量的變化即是 混合氣濃度的變化。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值 2、混合氣熱值混合氣熱值 氣缸進(jìn)氣量一定（即氣缸工作容積和充氣效率 都確定），則發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)吸收的熱量完全取決 于燃料熱值和可燃混合氣濃度。燃料熱值和可燃混 合氣濃度的綜合影響以可燃混合氣熱值來(lái)體現(xiàn)?；旎?合氣熱值是指單位體積或單位摩爾數(shù)的混合氣在完合氣熱值是指單位體積或單位摩爾數(shù)的混合氣在完 全燃燒放出的熱量全燃燒放出的熱量，其計(jì)量單位為kJ / m3（標(biāo)）或 kJ /

33、kmol 。 第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué) 3.4 燃燒熱化學(xué) 3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值 2、混合氣熱值混合氣熱值 1 kg 燃料形成的可燃混合氣完全燃燒可放出的 熱量為QL ，可燃混合氣的摩爾數(shù)為M1，故混合氣 熱值Qmix為 混合氣熱值與混合氣濃度即過(guò)量空氣系數(shù)a 有關(guān)， a = 1 的混合氣熱值稱為理論混合氣熱值。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.1 概述 根據(jù)化學(xué)知識(shí)，燃料的燃燒是一種氣相中進(jìn)行的 化學(xué)反應(yīng)。支配燃燒過(guò)程的規(guī)律有 質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律，各種參與反應(yīng)物質(zhì)的元素量在燃 燒前后是守恒的； 質(zhì)量作用定律質(zhì)量作用定律，即反應(yīng)速度

34、與反應(yīng)物的濃度或數(shù) 量有密切聯(lián)系； 燃料著火燃燒的機(jī)理符合有退化分支的鏈反應(yīng)退化分支的鏈反應(yīng)等 規(guī)律。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.1 概述 燃料在燃燒的初期，存在一個(gè)物理和化學(xué)的準(zhǔn)備 階段，燃料從固相或液相變?yōu)闅庀?，并與空氣或氧氣 相混合。由于外部能量的引入如點(diǎn)火或者吸熱，使得 反應(yīng)體系本身積累起足夠多的活性粒子，從而出現(xiàn)明 顯的燃燒現(xiàn)象，發(fā)出光和熱。隨后，因燃燒放出熱量， 反應(yīng)體系的活性粒子數(shù)量急劇增加，燃燒反應(yīng)得到加 速。接下來(lái)，隨著反應(yīng)物減少，生成物增加，燃燒反 應(yīng)減速。在時(shí)間足夠長(zhǎng)，反應(yīng)體系外部條件穩(wěn)定不變 等情況下，反應(yīng)體系的狀態(tài)進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)

35、平衡和熱力 平衡。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.1 概述 全部燃燒過(guò)程，包括混合氣形成、著火準(zhǔn)備、明混合氣形成、著火準(zhǔn)備、明 顯燃燒和化學(xué)反應(yīng)平衡顯燃燒和化學(xué)反應(yīng)平衡等四個(gè)階段。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，由 于轉(zhuǎn)速較高，并有排氣過(guò)程，因此發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒時(shí) 不可能達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡不可能達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡。另外，在習(xí)慣上，把混合 氣形成階段看作為獨(dú)立過(guò)程，稱作混合氣形成過(guò)程， 并將著火準(zhǔn)備階段稱為著火延遲著火延遲階段。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.2 混合氣形成過(guò)程 燃燒反應(yīng)是氣相反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)是在分子層面 上通過(guò)分

36、子的碰撞進(jìn)行的，因此，燃料的燃燒需要經(jīng) 過(guò)將燃料成分轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的階段。 對(duì)液態(tài)燃料，由液態(tài)可以經(jīng)過(guò)蒸發(fā)汽化轉(zhuǎn)變?yōu)闅?態(tài)。在有限的時(shí)間內(nèi)使一定數(shù)量的燃料完全蒸發(fā)，需 要一定的條件，即燃料有足夠的表面積、有足夠高的 溫度和相當(dāng)高的擴(kuò)散混合速度。為了能夠燃燒，所形 成的混合氣濃度必須在一定的濃度范圍。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.2 混合氣形成過(guò)程 在發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于混合氣形成時(shí)間極其短暫，因 此，采取噴射霧化和化油器霧化等手段增加燃料的表 面積。霧化是指燃料粉碎為細(xì)小的顆粒即油滴，極大 地增加其表面積的過(guò)程。燃料霧化后，其表面積可以 增加上千倍，大大地提高了蒸

37、發(fā)速度。將燃料噴散為 大量細(xì)小的油滴時(shí)，油滴的平均直徑越小，空氣的溫 度越高，蒸發(fā)時(shí)間越短，混合氣形成速度越快。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.2 混合氣形成過(guò)程 為了使燃料具有足夠高的溫度，一般通過(guò)提高燃 料粒子的環(huán)境溫度，對(duì)燃料進(jìn)行加熱。燃料受熱蒸發(fā) 的速度取決于其汽化潛熱和蒸發(fā)溫度，并受到擴(kuò)散速 度的制約。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了加快燃料的蒸發(fā)速 度，需要組織空氣的運(yùn)動(dòng)，促使已蒸發(fā)的燃料向外擴(kuò) 散，形成混合氣；同時(shí)使混合氣變得均勻。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.2 混合氣形成過(guò)程 汽油的沸點(diǎn)及飽和蒸汽壓低，汽化潛熱

38、小，故蒸 發(fā)性強(qiáng)，混合氣形成快，形成混合氣的手段多。汽油 機(jī)用化油器方式或汽油噴射方式形成混合氣，除加熱 外，一般不采取更多的輔助手段。柴油的沸點(diǎn)及飽和 蒸汽壓高，汽化潛熱大，故蒸發(fā)性差，形成混合氣速 度慢。所以，柴油機(jī)采取較大的壓縮比以提高壓縮終 了溫度即蒸發(fā)溫度、缸內(nèi)高壓噴射使燃油顆粒細(xì)化以 增加蒸發(fā)面積、組織進(jìn)氣運(yùn)動(dòng)以加強(qiáng)燃料與空氣混合 等輔助手段，幫助實(shí)現(xiàn)混合氣形成。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.2 混合氣形成過(guò)程 只有混合氣濃度在一定濃度范圍時(shí)，混合氣才能 夠著火并燃燒，過(guò)濃或過(guò)稀的混合氣不能著火或燃燒。 著火燃燒的濃度范圍稱為著火界限或燃燒界

39、限著火燃燒的濃度范圍稱為著火界限或燃燒界限，濃度 在著火界限或燃燒界限內(nèi)的混合氣稱為可燃混合氣可燃混合氣。 燃料燃燒之所以必須滿足一定的濃度條件，是因?yàn)橹?有這種情況下，燃料分子和氧氣分子才能具有足夠高 的碰撞概率，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放熱量，維持反應(yīng)繼 續(xù)進(jìn)行并保持相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)速度。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.2 混合氣形成過(guò)程 著火界限與混合氣的溫度、壓力以及其它一些因素 有關(guān)。 在其它條 件不變時(shí)，對(duì) 應(yīng)于一定的壓 力或溫度，存 在確定的混合 氣著火界限。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.2 混合氣形成過(guò)程 著火界限

40、與混合氣的溫度、壓力以及其它一些因素 有關(guān)。 提高溫度 或壓力，混合 氣的著火界限 有所拓展，但 其作用極為有 限。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.2 混合氣形成過(guò)程 著火界限與混合氣的溫度、壓力以及其它一些因素 有關(guān)。 溫度或壓 力極低時(shí)，任 何濃度混合氣 都不能著火。 可燃混合可燃混合 氣的濃度范圍氣的濃度范圍 具有相對(duì)性具有相對(duì)性。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.2 混合氣形成過(guò)程 發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣形成過(guò)程由霧化、蒸霧化、蒸 發(fā)和擴(kuò)散混合發(fā)和擴(kuò)散混合三個(gè)階段組成，其中，蒸發(fā) 階段是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這三個(gè)階段對(duì)單獨(dú)的液 滴

41、是有順序的，但在多個(gè)液滴時(shí)，卻是交 叉進(jìn)行的。因此，很難將混合氣形成過(guò)程 分解研究。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 燃料燃燒過(guò)程的觸發(fā)，稱為著火方式或點(diǎn)火方式。 可以用多種著火方式觸發(fā)燃燒過(guò)程。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的著火方式多為電火花或壓縮自燃。 火花引燃或燃料加熱到自燃溫度以上時(shí)，可燃混合 氣并不立即燃燒，需要經(jīng)過(guò)一定的延遲時(shí)間，才能出現(xiàn) 明顯的火焰，放出熱量。這個(gè)延遲現(xiàn)象稱為著火延遲著火延遲， 延遲時(shí)間稱為著火延遲過(guò)程著火延遲過(guò)程或著火延遲階段著火延遲階段，簡(jiǎn)稱為著著 火過(guò)程火過(guò)程或著火階段著火階段。 點(diǎn)燃著火的著火階段從點(diǎn)燃開(kāi)始點(diǎn)燃開(kāi)始；自

42、燃著火方式的 著火階段從混合氣達(dá)到自燃溫度開(kāi)始混合氣達(dá)到自燃溫度開(kāi)始。著火階段到出現(xiàn)到出現(xiàn) 明顯燃燒，放出光和熱結(jié)束明顯燃燒，放出光和熱結(jié)束。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 可以用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的鏈反 應(yīng)理論解釋著火延遲現(xiàn)象。 燃燒反應(yīng)是自動(dòng)加速的、帶有 分支鏈的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；燃燒反應(yīng)開(kāi)始 需要有一定數(shù)量、具有高能量的活 性粒子；過(guò)程進(jìn)行中，活性粒子的 數(shù)量急劇增加，反應(yīng)出現(xiàn)分支而加 速；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，能量不斷轉(zhuǎn) 移，反應(yīng)物被消耗，活性粒子數(shù)目 減少，反應(yīng)減速，直到結(jié)束；燃燒 反應(yīng)由一系列的中間反應(yīng)組成。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程

43、 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 這種化學(xué)反應(yīng)式根據(jù)質(zhì)量守 恒定律得到，稱為化學(xué)計(jì)量反應(yīng) 式。它反映化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì) 變化的等量關(guān)系，并不反映化學(xué) 反應(yīng)經(jīng)過(guò)的歷程 。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，上述 反應(yīng)需要一個(gè)甲烷分子能夠同時(shí) 與三個(gè)氧氣分子碰撞，過(guò)程才能 夠進(jìn)行。但是，在化學(xué)反應(yīng)中， 三個(gè)分子相互同時(shí)碰撞的機(jī)率幾 乎為零，而四個(gè)分子或更多分子 相互同時(shí)碰撞可能完全不存在。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.3

44、著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 在甲烷燃燒的開(kāi)始時(shí)刻，只存 在一個(gè)氧氣分子與一個(gè)甲烷分子碰 撞的反應(yīng)，并且其中一個(gè)分子應(yīng)具 有較高的能量，即具有活性。使反 應(yīng)物分子具有活性的過(guò)程稱為鏈引鏈引 發(fā)發(fā)。導(dǎo)致鏈引發(fā)的因素很多，假設(shè) 氧氣分子因熱運(yùn)動(dòng)而激發(fā)，于是 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 在激發(fā)的氧氣分子與甲烷分 子反應(yīng)時(shí)，下列結(jié)果都有可能 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 CH3、CH3O、 CH4O、OOH、OH 和 O等都是燃燒反應(yīng)

45、的中間產(chǎn)物，稱為 自由基（活性粒子）。 反應(yīng)生成產(chǎn)物取決于分子相互碰撞 的部位和碰撞能量。 鏈傳遞鏈傳遞是一個(gè)活性粒子通過(guò)反應(yīng)， 至少產(chǎn)生一個(gè)新的活性粒子，使反應(yīng)能 夠繼續(xù)進(jìn)行；同時(shí)，使反應(yīng)向前推進(jìn)一 步。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 若鏈傳遞過(guò)程中產(chǎn)生兩個(gè)以上活性 粒子。 當(dāng)自由基相互反應(yīng)時(shí)，會(huì)減少活性 粒子的數(shù)量，一部分分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就結(jié) 束了，這種分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程結(jié)束稱為 鏈中止鏈中止。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.4 烴類燃料的著火過(guò)程烴類燃料的著火過(guò)程 燃料的著火過(guò)

46、程和可 燃混合氣所處的溫度、壓 力條件有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如 圖所示。 圖右上方為著火區(qū)。 著火區(qū)分為兩個(gè)部分，低低 溫著火區(qū)和高溫著火區(qū)溫著火區(qū)和高溫著火區(qū)， 這兩個(gè)區(qū)域的著火規(guī)律很 不相同。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.4 烴類燃料的著火過(guò)程烴類燃料的著火過(guò)程 燃料溫度較低時(shí)，燃 燒過(guò)程經(jīng)歷冷焰-藍(lán)焰-熱 焰三個(gè)階段，著火過(guò)程稱 為低溫多階段著火低溫多階段著火。 因?yàn)闇囟容^低時(shí)，燃 燒體系不易形成大量活性 粒子，燃料先自行緩慢氧 化，生成過(guò)氧化物及乙醛 等，這一階段為冷焰誘導(dǎo)冷焰誘導(dǎo) 期期 t t1 。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃

47、燒過(guò)程 3.5.4 烴類燃料的著火過(guò)程烴類燃料的著火過(guò)程 溫度等條件合適，過(guò) 氧化物及乙醛能夠積累， 達(dá)到某一濃度后，過(guò)氧化 物開(kāi)始分解，反應(yīng)加速， 形成冷焰著火，這一階段 為 冷焰期冷焰期 t t2 。冷焰反應(yīng) 放出熱量不多，反應(yīng)速度 低，要持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間， 反應(yīng)產(chǎn)物主要是甲醛。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.4 烴類燃料的著火過(guò)程烴類燃料的著火過(guò)程 當(dāng)甲醛達(dá)到某一濃度 后，通過(guò)甲醛支鏈反應(yīng)， 冷焰反應(yīng)加速，形成藍(lán)焰 燃燒，這個(gè)階段為藍(lán)焰期藍(lán)焰期 t t3 。藍(lán)焰反應(yīng)時(shí)間短，速 度快，放出的熱量多，主 要生成 CO ，反應(yīng)體系溫 度壓力升高快，反應(yīng)進(jìn)一

48、步加速，進(jìn)入熱焰燃燒熱焰燃燒， 即通常意義的明顯燃燒。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.4 烴類燃料的著火過(guò)程烴類燃料的著火過(guò)程 在較高溫度下，烴燃料 氧化反應(yīng)不經(jīng)過(guò)冷焰誘導(dǎo)期 和冷焰期。 反應(yīng)體系受到燃燒觸發(fā) 后，在最初的氧化過(guò)程中， 形成過(guò)氧化物及乙醛并迅速 轉(zhuǎn)變?yōu)榧兹?第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.4 烴類燃料的著火過(guò)程烴類燃料的著火過(guò)程 甲醛達(dá)到一定濃度后， 反應(yīng)加速，進(jìn)入藍(lán)焰著火-熱 焰燃燒。先是藍(lán)焰著火并放 出熱量，反應(yīng)體系溫度、壓 力快速升高，促使燃料氧化 加快，然后進(jìn)入熱焰燃燒。 這種情況下，藍(lán)焰與熱焰

49、很 難區(qū)分，因此統(tǒng)稱為高溫單高溫單 階段著火階段著火 。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.4 烴類燃料的著火過(guò)程烴類燃料的著火過(guò)程 結(jié)論： （1）在明顯燃燒之前，無(wú)論用何種方式觸發(fā)燃 燒，都存在誘導(dǎo)期即著火延遲階段。 （2）即使反應(yīng)體系處于較低的溫度，但只要能 夠激發(fā)足夠的活性粒子，就能引起燃燒鏈反應(yīng)。 （3）烴氧化反應(yīng)是自動(dòng)加速的。在快速反應(yīng)階 段，反應(yīng)速度隨著溫度升高而加快；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到 一定階段，反應(yīng)物濃度減少，反應(yīng)速度迅速下降。 此外，添加劑可以改變反應(yīng)速度和燃燒特點(diǎn) 。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.5 最低點(diǎn)

50、火能量最低點(diǎn)火能量 點(diǎn)燃是指引入外部能量，激發(fā)燃燒體系產(chǎn)生活性 粒子的著火方式及過(guò)程。 不是任何能量的點(diǎn)火都能成功引起可燃混合氣的 燃燒。只有活性粒子數(shù)量足夠多，才能使氧化反應(yīng)急 劇加速，出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱的火焰核心?；鹧婧诵姆懦?的能量，又使混合氣的鏈反應(yīng)加快，形成燃燒。 顯然，要產(chǎn)生明顯的燃燒，必須在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn) 生足夠多的活性粒子，點(diǎn)火能量必須達(dá)到相應(yīng)數(shù)值。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.5 最低點(diǎn)火能量最低點(diǎn)火能量 能夠可靠著火所需要的最 小能量稱為最低點(diǎn)火能量。 最小點(diǎn)火能量受很多因 素影響。 在其它條件不變時(shí)，最 小點(diǎn)火能量與混合氣濃度的 關(guān)系見(jiàn)圖

51、 。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.5 最低點(diǎn)火能量最低點(diǎn)火能量 不同的混合氣濃度，其最 小點(diǎn)火能量不同； 一定的點(diǎn)火能量有一個(gè)著 火界限； 加大點(diǎn)火能量，著火界限 有所擴(kuò)展，但作用有限； 點(diǎn)火能量低于最小點(diǎn)火能 量極限時(shí)，任何濃度的混合氣 都不能點(diǎn)燃； 最小的點(diǎn)火能量出現(xiàn)在理 論空燃比附近。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.5 最低點(diǎn)火能量最低點(diǎn)火能量 最小點(diǎn)火能量是混合氣的性質(zhì)而不是電火花的性最小點(diǎn)火能量是混合氣的性質(zhì)而不是電火花的性 質(zhì)，電火花的性質(zhì)是點(diǎn)火能量。質(zhì)，電火花的性質(zhì)是點(diǎn)火能量。 電火花的點(diǎn)火能量與火花塞

52、性能、電極電壓、火 花塞電極間隙、及電極形狀等因素有關(guān)。 在其它因素一定時(shí)，火花塞電極間隙適中，發(fā)出 點(diǎn)火能量最大。 電極間隙大，電離電極間氣體需要較高的電壓， 而在電壓一定的限制下，發(fā)出火花的點(diǎn)火能量較小； 電極間隙小，雖然電離電極間氣體的電壓低，但電極 散熱效果強(qiáng)，發(fā)出火花的點(diǎn)火能量小。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.5 最低點(diǎn)火能量最低點(diǎn)火能量 因此，在加大火花塞電極間隙時(shí)，應(yīng)該同時(shí)提高在加大火花塞電極間隙時(shí)，應(yīng)該同時(shí)提高 點(diǎn)火電壓，才能增加點(diǎn)火能量。點(diǎn)火電壓，才能增加點(diǎn)火能量。 對(duì)應(yīng)于一定濃度、溫度和壓力的可燃混合氣，存 在一個(gè)最小點(diǎn)火能量，相應(yīng)的

53、，有一個(gè)不能點(diǎn)燃混合 氣的電極間隙極限，稱為熄火間隙熄火間隙 dcrit 。當(dāng)電極間隙 d 與熄火間隙的關(guān)系為 crit dd 不能可靠點(diǎn)火不能可靠點(diǎn)火。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 燃料的燃燒可分為兩種燃燒方式。著火之 前，燃料蒸汽和空氣已經(jīng)充分混合，這種混合 氣稱為預(yù)混合氣，這種混合氣的燃燒預(yù)混合氣 的燃燒方式稱為預(yù)混燃燒預(yù)混燃燒；著火之前，燃料未 和空氣形成混合充分的混合氣，但已有部分可 燃混合氣形成，同時(shí)仍有相當(dāng)多的燃料保持液 態(tài)，這種燃燒方式稱為擴(kuò)散燃燒。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒

54、過(guò)程 3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 1 預(yù)混燃燒預(yù)混燃燒 在預(yù)混燃燒過(guò)程中，著火后，在火花附近形成大量活 性粒子，促使這一區(qū)域的燃燒反應(yīng)加速，并出現(xiàn)明顯發(fā)熱 發(fā)光現(xiàn)象，形成火焰核心。 在著火后，預(yù)混合氣的燃燒自動(dòng)進(jìn)行，這個(gè)過(guò)程稱為 火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。 預(yù)混合氣中的火焰?zhèn)鞑ズ蜌怏w流動(dòng)情況有很大關(guān)系， 可分為層流火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ズ臀闪骰鹧鎮(zhèn)鞑ノ闪骰鹧鎮(zhèn)鞑ァ?第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 層流火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑?在靜止或流速極低的預(yù)混合氣中，著火之后，火焰核 心迅速發(fā)展為近似球形火焰，隨后火焰表面（稱為火焰前火焰前

55、 鋒鋒）以近似圓球的形狀向整個(gè)混合氣空間擴(kuò)展推進(jìn)。火焰 鋒面之前是未燃的預(yù)混合氣，火焰鋒面之后是已燃的、具 有很高溫度的燃燒產(chǎn)物?；鹧驿h面僅有幾十到幾百微米厚， 燃燒反應(yīng)就在這一薄層區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 火焰鋒面厚度 d 分為混 合氣預(yù)熱區(qū)厚度d p 和反應(yīng) 區(qū)厚度 d c 兩個(gè)部分，預(yù)熱區(qū) 厚度 dp 大，化學(xué)反應(yīng)速度低， 反應(yīng)區(qū)厚度d c 小，但化學(xué)反 應(yīng)速度大。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 火焰鋒面厚度 D 很小， 其中溫

56、度和濃度變化極大， 引起強(qiáng)烈的傳熱和傳質(zhì)，促 使火焰鋒面之前的混合氣加 快化學(xué)反應(yīng)，隨之變?yōu)榛鹧?內(nèi)的混合氣預(yù)熱區(qū)，于是， 火焰鋒面就移動(dòng)即火焰?zhèn)鞑ァ?第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于 火焰鋒面內(nèi)混合氣的化學(xué)反應(yīng) 速度?；旌蠚鉂舛葘?duì)層流火焰 傳播速度影響最大。在略小于 理論空燃比時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度 最快，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲螅?應(yīng)溫度最高；混合氣過(guò)稀或過(guò) 濃，化學(xué)反應(yīng)速度極慢，反應(yīng) 溫度過(guò)低，火焰?zhèn)鞑?huì)中斷， 不能維持燃燒。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.6 燃料的明顯

57、燃燒燃料的明顯燃燒 紊流火焰?zhèn)鞑ノ闪骰鹧鎮(zhèn)鞑?混合氣運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，火焰?zhèn)鞑サ囊?guī)律和層流 火焰?zhèn)鞑ズ懿幌嗤?。在紊流火焰?zhèn)鞑ブ?，火焰鋒面速 度大大加快，可達(dá)到20 70 m / s 。紊流本身的特點(diǎn)是 流體性質(zhì)在時(shí)間與空間上有隨機(jī)性，氣流內(nèi)部有渦流 運(yùn)動(dòng)。紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓脑蛟谟诹黧w的運(yùn)動(dòng)對(duì) 火焰?zhèn)鞑グl(fā)生影響。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過(guò)程 3.5 燃料的燃燒過(guò)程 3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 表面皺折理論表面皺折理論 A紊流火焰?zhèn)鞑ブ幸廊淮嬖诨鹧驿h面，且速度和 基本結(jié)構(gòu)在紊流強(qiáng)度較小時(shí)不變。 B宏觀紊流使火焰鋒面發(fā)生彎曲與皺折，增大火 焰鋒面的表面積。 C微觀紊流加強(qiáng)傳熱