第五章 發(fā)動機燃料與燃燒

1、第五章第五章 發(fā)動機燃料與燃燒發(fā)動機燃料與燃燒5-1 發(fā)動機的燃料發(fā)動機的燃料5-2 燃料的使用性能燃料的使用性能5-3 燃燒熱化學燃燒熱化學5-4 燃燒的基本知識燃燒的基本知識 第五章燃料與燃燒 燃料是內燃機產生動力的來源，直接影響內燃機的發(fā)展、燃料是內燃機產生動力的來源，直接影響內燃機的發(fā)展、結構特點以及對環(huán)境的污染。結構特點以及對環(huán)境的污染。5-1 內燃機燃料及其提煉內燃機燃料及其提煉一、石油中烴的分類及性質一、石油中烴的分類及性質傳統(tǒng)燃料：汽油、柴油傳統(tǒng)燃料：汽油、柴油石油中提煉；石油中提煉；石油：碳氫化合物石油：碳氫化合物 主要成分：主要成分：C，H；少量的；少量的S，O2，N2 分

2、子式：分子式：CnHm烴類烴類代用燃料：代用燃料：NG（LNG）LPG、醇類、醇類、 DME、 H2 和和生物柴油等生物柴油等結構和性質。此需要研究燃料的有關和燃料的性質有關，因是燃料的低熱值uu0acmitcmit0a0u0mmime1HHLLRTHpppo第五章燃料與燃燒由烴分子由烴分子C原子數的不同，其分子量、沸點不同；原子數的不同，其分子量、沸點不同； 構成不同性質的燃料。構成不同性質的燃料。燃料根據不同沸點分餾依次得到：燃料根據不同沸點分餾依次得到： 石油氣石油氣汽油汽油煤油煤油柴油柴油渣油渣油 vC1C4：氣態(tài)：氣態(tài)石油氣，相對分子質量石油氣，相對分子質量1658；vC5C23：液

3、態(tài)，其中：液態(tài)，其中： C5C11：50200，汽油，汽油， 分子質量分子質量95120； C11C19：180300 ，煤油，煤油， 100180； C16C23: 250360， 輕、重柴油，輕、重柴油，180200vC23以上：以上：360 以上，渣油，以上，渣油，2202801. 碳原子數的影響碳原子數的影響第五章燃料與燃燒表表5-1 烴分子中碳原子數對烴性質的影響烴分子中碳原子數對烴性質的影響C 原子數 沸點 品種 相對分子量 理化性質變化趨勢 C1C4 C5C11 C11C19 C16C23 C23以上 常溫 50200 180300 250360 360 以上 石油氣 汽油 煤油

4、 輕柴油 重油 1658 95120 100180 180200 220280 輕質輕質易揮發(fā)易揮發(fā)粘度增大粘度增大化學穩(wěn)定性變好化學穩(wěn)定性變好易自燃易自燃易點燃易點燃第五章燃料與燃燒碳，氫原子數和排列位置對燃料性質影很大碳，氫原子數和排列位置對燃料性質影很大：1）烷烴：分子式：）烷烴：分子式：CnH2n+2 ； 化學結構：化學結構： 直鏈（正構物）特點：飽和開鏈式，含直鏈（正構物）特點：飽和開鏈式，含C越高結構越不緊湊，越高結構越不緊湊， 常溫下化學性質穩(wěn)定，但熱穩(wěn)定性差，常溫下化學性質穩(wěn)定，但熱穩(wěn)定性差， 高溫易分解，自燃性好高溫易分解，自燃性好柴油的好成分；柴油的好成分；支鏈（異構物）特

5、點：常溫下化學性質穩(wěn)定，但熱穩(wěn)定性好，支鏈（異構物）特點：常溫下化學性質穩(wěn)定，但熱穩(wěn)定性好，抗爆性好的汽油成分抗爆性好的汽油成分2）烯烴：）烯烴： 分子式：分子式：CnH2n ； 化學結構：化學結構：-C=C-; -C=C-C-C-C-C-C-C-；-C-C-C-C-CC支鏈支鏈(熱穩(wěn)定熱穩(wěn)定)直鏈直鏈2. 分子的化學結構對性能的影響分子的化學結構對性能的影響第五章燃料與燃燒特點：非飽和開鏈式，自燃性差，抗爆性差汽油的成特點：非飽和開鏈式，自燃性差，抗爆性差汽油的成分；分； 常溫下化學穩(wěn)定性差，易氧化膠質；不易儲存常溫下化學穩(wěn)定性差，易氧化膠質；不易儲存3）炔烴：分子式：）炔烴：分子式：CnH

6、2n-2 ；化學結構：；化學結構：C C特點：非飽和開鏈，熱裂化產物，不存在原油中；特點：非飽和開鏈，熱裂化產物，不存在原油中； 很不穩(wěn)定，常溫下易分解；不易作燃料。很不穩(wěn)定，常溫下易分解；不易作燃料。4）環(huán)烷烴：分子式：）環(huán)烷烴：分子式：CnH2n; 化學結構：化學結構： 特點：飽和環(huán)狀，不易分裂，熱穩(wěn)定性強，特點：飽和環(huán)狀，不易分裂，熱穩(wěn)定性強， 汽油機的燃料，石油的重要組成部分。汽油機的燃料，石油的重要組成部分。-CC-CC-環(huán)丁環(huán)環(huán)丁環(huán)第五章燃料與燃燒5）芳香烴：）芳香烴：CnH2n-6； 基本化合物是苯：基本化合物是苯：C6H6; 石油中含量少，分子結構堅固；石油中含量少，分子結構堅

7、固； 熱穩(wěn)定性高，熱穩(wěn)定性高， 高溫下不易破裂；高溫下不易破裂； 汽油的良好的抗爆劑；汽油的良好的抗爆劑； 石油煉制中產生。石油煉制中產生。 其中，其中， -甲基萘：甲基萘：C11H10， 其抗爆性認為其抗爆性認為100%第五章燃料與燃燒二、燃料的提煉方法及對燃料性能的影響二、燃料的提煉方法及對燃料性能的影響 從石油原油中煉制燃料的典型工藝流程：從石油原油中煉制燃料的典型工藝流程： 直餾法：將原油在煉油塔中進行加熱蒸餾；直餾法：將原油在煉油塔中進行加熱蒸餾； 不同分餾溫度得到不同成分的燃油不同分餾溫度得到不同成分的燃油 這一部分這一部分燃料油約占原油的燃料油約占原油的25%40%裂解法：通過加

8、溫加壓方法進行裂解；裂解法：通過加溫加壓方法進行裂解；催化重整：使用催化劑進行裂解；催化重整：使用催化劑進行裂解；加氫精制：加氫精制：將蒸餾后的重油等一些高將蒸餾后的重油等一些高分子成分用不同手段裂解分子成分用不同手段裂解為分子量較輕的成分。為分子量較輕的成分。第五章燃料與燃燒 表 4-3 不同煉制方法對油料性質的影響 油料 直餾法 熱裂法 催化裂化法 汽油 穩(wěn)定性好，含 90%95%的烷烴與環(huán)烷烴，芳香烴不超過 5%9%，不含不飽和鏈狀烴，其 MON 辛烷值大致在 5070 含有較多的不飽和烴，儲存 中易產生膠質，抗爆性比直 餾汽油好，其 MON 辛烷值 約為 5868 范圍內 芳 香 烴

9、的 體 積 分 數 約32%40%， 烷烴為 50%60%，環(huán)烷烴為 8%10%，品質高，抗爆性好，辛烷值可達 7784，RON 可達 90 以上 柴油 含有20%30%的芳香烴具有較高的十六烷值 含有大量不飽和烴，十六烷值較低，一般用作中低速柴油機燃料 性能較好，可作高品質柴油使用，用于高速柴油機中 第五章燃料與燃燒 熱裂解：工藝簡單；熱裂解：工藝簡單； 但燃油的穩(wěn)定性差，辛烷值低。但燃油的穩(wěn)定性差，辛烷值低。 催化重整：使正構烷烴或環(huán)烷烴催化重整：使正構烷烴或環(huán)烷烴異構物烴和異構物烴和 芳香烴；芳香烴； 副產品氫氣可作為加氫工藝的氫氣來源。副產品氫氣可作為加氫工藝的氫氣來源。 加氫精制：可

10、使烯烴變成飽和烴，還可以脫碳，加氫精制：可使烯烴變成飽和烴，還可以脫碳，脫氮，脫氧以及脫金屬等作用，滿足油品的更高脫氮，脫氧以及脫金屬等作用，滿足油品的更高要求。要求。 為獲得高品質燃料，常采用加氫精制或催化重整為獲得高品質燃料，常采用加氫精制或催化重整工藝。工藝。第五章燃料與燃燒三、代用燃料及其特性三、代用燃料及其特性1、氣體燃料、氣體燃料 NG：自由態(tài)或與石油共存的天然氣，主要成分是：自由態(tài)或與石油共存的天然氣，主要成分是 甲烷甲烷,CH4; 成為第三大支柱能源。成為第三大支柱能源。 汽車上的應用：汽車上的應用： 壓縮天然氣壓縮天然氣(CNG)，20MPa 存于高壓氣瓶中；存于高壓氣瓶中；

11、 液化天然氣液化天然氣(LNG)，-162低溫液化儲存；低溫液化儲存； 其密度為常態(tài)下氣體密度的其密度為常態(tài)下氣體密度的600倍；倍； 行駛距離長；但成本高。行駛距離長；但成本高。LPG: 天然石油氣或石油煉制中產生的液化石油氣天然石油氣或石油煉制中產生的液化石油氣 主要成分：丙烷主要成分：丙烷/丙烯丙烯/丁烷丁烷/丁烯及其異構物。丁烯及其異構物。第五章燃料與燃燒天然氣燃料的優(yōu)點：天然氣燃料的優(yōu)點： 主要成分是甲烷，主要成分是甲烷，CO、HC排放少，燃料中不含硫的成分，排放少，燃料中不含硫的成分，SO2排放量低于電動汽車。排放量低于電動汽車。 辛烷值高達辛烷值高達130，可提高壓縮比，可提高壓

12、縮比熱效率熱效率 。 燃燒下限寬，稀燃優(yōu)越，運轉范圍內可降低燃燒下限寬，稀燃優(yōu)越，運轉范圍內可降低NOx。 氣體燃料，低溫起動及低溫運轉性能良好。氣體燃料，低溫起動及低溫運轉性能良好。天然氣燃料的缺點：天然氣燃料的缺點：氣體燃料，常溫常壓下儲運性能差，能流密度低氣體燃料，常溫常壓下儲運性能差，能流密度低，一次充一次充氣可行駛距離短。氣可行駛距離短。儲氣壓達儲氣壓達20MP，燃料容器加重。，燃料容器加重。因氣態(tài)吸入氣缸，充氣效率降低；單位體積的混合氣熱值因氣態(tài)吸入氣缸，充氣效率降低；單位體積的混合氣熱值低，功率降低近低，功率降低近10%第五章燃料與燃燒用于汽車的三種形式：用于汽車的三種形式： C

13、NG以以20MPa壓縮儲存；壓縮儲存； 液化天然氣液化天然氣 LNG -162以下儲存；以下儲存； 吸附天然氣吸附天然氣 ANG吸附材料吸附材料 液化液化天然氣天然氣汽車汽車 LNG 天然氣天然氣汽車汽車 壓縮壓縮天然氣天然氣汽車汽車 CNG 吸附吸附天然氣天然氣汽車汽車 ANG 天然氣天然氣專用專用汽車汽車： 以壓縮天然氣為以壓縮天然氣為單單一燃料一燃料 以汽油機以汽油機改進型改進型 和柴油機和柴油機改進型改進型 兩用燃料兩用燃料汽車汽車： 兩種兩種燃料燃料哪一種哪一種多能多能行駛的汽車行駛的汽車 天然氣天然氣/ /汽油、汽油、 LPGLPG 雙雙燃料燃料汽車汽車： 兩種兩種燃料燃料混合使混

14、合使用用的汽車的汽車 天然氣天然氣+ +柴油柴油 混合動力混合動力汽車汽車： 天然氣天然氣發(fā)動機和發(fā)動機和電機等電機等組合的汽組合的汽車車 第五章燃料與燃燒2. 醇類燃料：主要指甲醇和乙醇醇類燃料：主要指甲醇和乙醇 甲醇：從天然氣、煤、生物質等原料中提取。甲醇：從天然氣、煤、生物質等原料中提取。 乙醇：從含淀粉和糖的農作物中制取。乙醇：從含淀粉和糖的農作物中制取。 特點：相對汽油特點：相對汽油熱值低，但醇中含氧量大，所需理論空氣量比汽油少，所熱值低，但醇中含氧量大，所需理論空氣量比汽油少，所以兩者混合氣熱值相近，保證發(fā)動機動力性能不降低以兩者混合氣熱值相近，保證發(fā)動機動力性能不降低醇的汽化潛熱

15、為汽油的三倍；燃料蒸發(fā)汽化可促使進氣溫醇的汽化潛熱為汽油的三倍；燃料蒸發(fā)汽化可促使進氣溫度降低，增加充氣量，但冷起動困難需要預熱。度降低，增加充氣量，但冷起動困難需要預熱。辛烷值高，抗爆性能好，可提高壓縮比。辛烷值高，抗爆性能好，可提高壓縮比。沸點低，產生氣阻的傾向大。沸點低，產生氣阻的傾向大。甲醇對視神經有損傷作用，有毒性，儲運及使用中注意安甲醇對視神經有損傷作用，有毒性，儲運及使用中注意安全；甲醇對金屬有一定腐蝕作用，需防腐蝕措施。全；甲醇對金屬有一定腐蝕作用，需防腐蝕措施。原料來源廣泛，原料來源廣泛，可再生，有較好可再生，有較好的燃料特性的燃料特性第五章燃料與燃燒第五章燃料與燃燒3. 生

16、物柴油生物柴油 由動物脂肪或植物油通過酯化反應得到的長鏈脂肪酸甲由動物脂肪或植物油通過酯化反應得到的長鏈脂肪酸甲(乙乙)酯酯組成的新型燃料。具有與柴油相近的性能。組成的新型燃料。具有與柴油相近的性能。特點：特點：環(huán)保性優(yōu)良。含環(huán)保性優(yōu)良。含S低，不含芳香烴，保持低，不含芳香烴，保持CO2平衡。平衡。十六烷值高，燃燒性能好，潤滑性能好。十六烷值高，燃燒性能好，潤滑性能好。閃點高，可溶解，對土地和水的污染小，可大大減輕意外閃點高，可溶解，對土地和水的污染小，可大大減輕意外泄漏時對環(huán)境的污染泄漏時對環(huán)境的污染安全性好。安全性好?？稍偕?。資源不會枯竭?？稍偕?。資源不會枯竭。能與石油柴油以任何比例相溶，

17、與柴油混燒或純燒生物柴能與石油柴油以任何比例相溶，與柴油混燒或純燒生物柴油，可直接應用現有的柴油機及供油系統(tǒng)和加油站系統(tǒng)。油，可直接應用現有的柴油機及供油系統(tǒng)和加油站系統(tǒng)。光合作用自光合作用自然循環(huán)然循環(huán)第五章燃料與燃燒第五章燃料與燃燒一、汽油一、汽油汽油性能的評價指標：汽油性能的評價指標：1）辛烷值：評價汽油的抗爆性）辛烷值：評價汽油的抗爆性 爆震現象：點火后，末端氣體的自燃現象。爆震現象：點火后，末端氣體的自燃現象。 測定方法：專用試驗臺，壓縮比可變測定方法：專用試驗臺，壓縮比可變 標準燃料：正庚烷標準燃料：正庚烷易爆震，辛烷值為易爆震，辛烷值為0%； 異辛烷異辛烷抗爆性好，辛烷值為抗爆性

18、好，辛烷值為100% 按不同比列混合而成。按不同比列混合而成。 試驗方法不同：研究法和馬達法試驗方法不同：研究法和馬達法n和溫度和溫度Tb不同不同 定義：被測汽油的抗爆程度與標準燃料相同時，標準燃定義：被測汽油的抗爆程度與標準燃料相同時，標準燃 料中異辛烷含量的體積百分數為被測汽油的辛烷值。料中異辛烷含量的體積百分數為被測汽油的辛烷值。實驗實驗n及混合氣及混合氣Tb馬馬達法達法研究法研究法 5-2 傳統(tǒng)燃料的使用特性傳統(tǒng)燃料的使用特性第五章燃料與燃燒 汽油辛烷值：取決于汽油組成、煉制方法、添加劑；汽油辛烷值：取決于汽油組成、煉制方法、添加劑； 辛烷值的高低：烷烴辛烷值的高低：烷烴烯烴烯烴環(huán)烷烴

19、環(huán)烷烴芳烴芳烴2）餾程：指汽油餾出的溫度范圍，評價蒸發(fā)性。）餾程：指汽油餾出的溫度范圍，評價蒸發(fā)性。試驗方法：試驗方法： 加熱器，量筒，加熱器，量筒， 冷凝器，溫度計冷凝器，溫度計 初餾點：第一滴初餾點：第一滴 凝結的燃料流入凝結的燃料流入 量筒時的溫度。量筒時的溫度。航空汽油航空汽油車用汽油車用汽油煤油煤油輕柴油輕柴油燃料蒸餾曲線燃料蒸餾曲線第五章燃料與燃燒10%餾出溫度餾出溫度T10：評價低溫蒸發(fā)性，影響起動性：評價低溫蒸發(fā)性，影響起動性 T10低，低溫蒸發(fā)性好，易于起動；低，低溫蒸發(fā)性好，易于起動； 過低，易產生過低，易產生“氣阻氣阻”現象現象50%餾出溫度餾出溫度T50：評價平均蒸發(fā)性

20、，：評價平均蒸發(fā)性， 影響暖車、加速性，工作穩(wěn)定性。影響暖車、加速性，工作穩(wěn)定性。90%餾出溫度餾出溫度T90：評價難以揮發(fā)的重質成分數量：評價難以揮發(fā)的重質成分數量 影響燃燒完全程度、積碳等。影響燃燒完全程度、積碳等。汽油的牌號：表示其辛烷值大小。汽油的牌號：表示其辛烷值大小。 根據壓縮比選用牌號根據壓縮比選用牌號3）抗氧化安定性）抗氧化安定性-保持性質不發(fā)生長久性變化的能力保持性質不發(fā)生長久性變化的能力4）清凈性）清凈性-在進氣系統(tǒng)和噴油器上有膠質沉淀在進氣系統(tǒng)和噴油器上有膠質沉淀-汽油清凈劑汽油清凈劑第五章燃料與燃燒二、柴油二、柴油 高速柴油機：輕柴油；中低速柴油機：重柴油高速柴油機：輕

21、柴油；中低速柴油機：重柴油1. 柴油性能的評價指標：柴油性能的評價指標：1）十六烷值：評價柴油的自燃性。）十六烷值：評價柴油的自燃性。 與發(fā)動機的粗暴性、起動性密切相關與發(fā)動機的粗暴性、起動性密切相關 十六烷值高：著火延遲期短，工作柔和，起動性好十六烷值高：著火延遲期短，工作柔和，起動性好測定方法：單缸試驗機，壓縮比可調；測定方法：單缸試驗機，壓縮比可調； 標準燃料：十六烷與標準燃料：十六烷與 -甲基萘不同比例制成的混甲基萘不同比例制成的混 合液；合液； 規(guī)定自燃性：十六烷：規(guī)定自燃性：十六烷：100%； -甲基萘：甲基萘：0%5-2 傳統(tǒng)燃料的使用特性傳統(tǒng)燃料的使用特性定義：被測柴油的自燃性

22、與標準燃料相同時，標準燃料定義：被測柴油的自燃性與標準燃料相同時，標準燃料 中十六烷的體積百分數為該柴油的十六烷值。中十六烷的體積百分數為該柴油的十六烷值。第五章燃料與燃燒 十六烷值：與燃料的分子結構有關；十六烷值：與燃料的分子結構有關； 可通過原油種類、煉制方法、添加劑來控制可通過原油種類、煉制方法、添加劑來控制; 直鏈烷烴類、分子量、直鏈烷烴類、分子量、C數增加時十六烷值增加數增加時十六烷值增加; 所以，十六烷值高，便于起動，著火落后期縮短所以，十六烷值高，便于起動，著火落后期縮短; 但，分子量增加，蒸發(fā)性變差，粘度增加，冒黑但，分子量增加，蒸發(fā)性變差，粘度增加，冒黑煙，經濟性惡化。煙，經

23、濟性惡化。一般，十六烷值：一般，十六烷值：4565，不要過大，不要過大 過大：冒煙過大：冒煙 過?。翰灰字疬^?。翰灰字鸬谖逭氯剂吓c燃燒燃料中不同成分對化學安全性的影響燃料中不同成分對化學安全性的影響 第五章燃料與燃燒2）餾程：評價柴油的蒸發(fā)性。）餾程：評價柴油的蒸發(fā)性。 用餾出某一百分比的溫度范圍表示。如：用餾出某一百分比的溫度范圍表示。如：餾出餾出50%的溫度的溫度T50：表示平均蒸發(fā)性；：表示平均蒸發(fā)性； T50低，低，輕餾分多，蒸發(fā)快，有利于混合；輕餾分多，蒸發(fā)快，有利于混合； 主要影響暖機性能、加速性、工作穩(wěn)定性。主要影響暖機性能、加速性、工作穩(wěn)定性。餾出餾出90%或或95%溫度溫

24、度T90或或T95：表明柴油中難以：表明柴油中難以 蒸發(fā)的重質成分含量；蒸發(fā)的重質成分含量； 主要影響燃燒完全主要影響燃燒完全經濟性。經濟性。第五章燃料與燃燒3）粘度：表示燃料分子間的內聚力）粘度：表示燃料分子間的內聚力抵抗分子間相抵抗分子間相對運動的能力；評定柴油的稀稠度，影響燃料的對運動的能力；評定柴油的稀稠度，影響燃料的流動性和噴霧質量流動性和噴霧質量; 溫度高，粘度小，流動性強；反之相反。溫度高，粘度小，流動性強；反之相反。 4） 熱值：熱值：1kg燃料完全燃燒所釋放的熱量。柴油燃料完全燃燒所釋放的熱量。柴油hu=42700kJ/kg5）凝點：表示柴油失去流動性，開始凝固的溫度，）凝點

25、：表示柴油失去流動性，開始凝固的溫度，評定柴油的低溫流動性。柴油牌號用凝點表示。評定柴油的低溫流動性。柴油牌號用凝點表示。 如：如：RC10，RC0，RC-10，RC-20，RC-30等。等。第五章燃料與燃燒三、汽油、柴油性能差異對發(fā)動機性能的影響三、汽油、柴油性能差異對發(fā)動機性能的影響 1. 混合氣形成和負荷調整上的差異混合氣形成和負荷調整上的差異 汽油揮發(fā)性強：低溫度下，充分蒸發(fā)；汽油揮發(fā)性強：低溫度下，充分蒸發(fā)； 在在缸外形成缸外形成混合氣，時間充足混合氣，時間充足均勻混合氣均勻混合氣； 用混合氣充量，控制發(fā)動機功率用混合氣充量，控制發(fā)動機功率量調量調。 柴油蒸發(fā)性差：柴油蒸發(fā)性差： 2

26、00開始餾出，開始餾出，350 結束結束 粘性大，不能低溫下形成混合氣；粘性大，不能低溫下形成混合氣； 故故 用噴嘴強制霧化，在用噴嘴強制霧化，在缸內形成缸內形成混合氣；混合氣； 進氣量不變，噴油量調節(jié)功率進氣量不變，噴油量調節(jié)功率質調質調50餾出，餾出，200 蒸發(fā)完蒸發(fā)完純空氣純空氣第五章燃料與燃燒汽油、柴油機c隨負荷的變化曲線 第五章燃料與燃燒2. 著火和燃燒上的差異：自燃、點燃溫度不同著火和燃燒上的差異：自燃、點燃溫度不同 汽油自燃點高，點燃溫度低：汽油自燃點高，點燃溫度低： 采用外部能源點燃的方式采用外部能源點燃的方式點火系；點火系； 點火后，混合氣均勻，火焰?zhèn)鞑シ绞饺紵?；點火后，混

27、合氣均勻，火焰?zhèn)鞑シ绞饺紵?為防自燃，壓縮比不宜高為防自燃，壓縮比不宜高柴油自燃點低，點燃溫度高：柴油自燃點低，點燃溫度高： 采用壓縮自燃方式；采用壓縮自燃方式； 為促進自燃，壓縮比不宜過低；為促進自燃，壓縮比不宜過低； 混合氣不均勻，混合氣不均勻，預預混合燃燒和擴散燃燒?；旌先紵蛿U散燃燒。燃燒時間延長燃燒時間延長 第五章燃料與燃燒5-3 燃燒熱化學燃燒熱化學了解燃燒過程，燃料、空氣及產物及其數量關系了解燃燒過程，燃料、空氣及產物及其數量關系一、一、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 設設燃料燃料主要成分：主要成分：C、H、O；各元素的質量成分；各元素的質量成分

28、 空氣成份：空氣成份：O2（21%）、）、N2（79%）；）； 則則 完全燃燒時的化學反應方程方式：完全燃燒時的化學反應方程方式： 1 kggggoHcOHOHCOOC2222221引入引入kmol：以：以kg為單位的為單位的某元素數量等于其分子量某元素數量等于其分子量第五章燃料與燃燒1kg燃料（燃料（gc+gH+gO）完全燃燒時所需氧的）完全燃燒時所需氧的kmol數：數：所需要的理論空氣量：所需要的理論空氣量：OHkmolgOkmolgHkggCOkmolgOkmolgCkggHHHccc22222241212/83823. 01/3241221. 01kgkggggLkgkmolgggLO

29、HCOOHCO第五章燃料與燃燒二、過量空氣系數：評價混合氣的性質二、過量空氣系數：評價混合氣的性質 定義：定義： 另：空然比另：空然比=A/F； 燃空當量比燃空當量比=1/ a a =1或或A/F=14.9理論混合氣理論混合氣 a 1或或A/F1或或A/F14.9稀混合氣稀混合氣OaLL a 與發(fā)動機類型、混合氣形成方法、工況及功與發(fā)動機類型、混合氣形成方法、工況及功率調節(jié)方法等有關。率調節(jié)方法等有關。 第五章燃料與燃燒汽油機：汽油機： a=0.81.2 電控電控+三效催化裝置后：三效催化裝置后： 控制在控制在 a=1 附近附近柴油機：柴油機： am=1.21.6 增壓柴油機：增壓柴油機： a

30、m=1.82.2柴油柴油汽油汽油電控電控+三效三效第五章燃料與燃燒三、三、 a1時完全燃燒的產物時完全燃燒的產物 1）燃燒前混合氣量）燃燒前混合氣量 汽油機：汽油機： 柴油機：柴油機： 2）燃燒后的產物）燃燒后的產物: 因因 a1 ; 產物為產物為CO2和和H2O，以及未燃的，以及未燃的N2、剩余、剩余O2 所以，所以，rTaMLM10101LMa32402OHaggLM噴入缸內的燃料體噴入缸內的燃料體積積反應活化能反應活化能E時，打時，打破化學鍵而引起化學反應破化學鍵而引起化學反應第五章燃料與燃燒設：容器中總分子數設：容器中總分子數n； 超過活化能超過活化能E的活化分子數的活化分子數n*；則

31、則 按照能量分配定律：按照能量分配定律：RTEenn*R：氣體常數；：氣體常數；E：活化能；：活化能；T：絕對溫度：絕對溫度 可見，可見，T 時，活化分子所占比例時，活化分子所占比例 ，化學反應加速，化學反應加速 反應速度反應速度v：單位時間單位體積中出現的氧化產物：單位時間單位體積中出現的氧化產物的分子數，與的分子數，與n*/n成比例，即成比例，即 RTEeC1第五章燃料與燃燒又又 燃料氧化反應放熱速率與氧化反應速度成比例：燃料氧化反應放熱速率與氧化反應速度成比例： RTEeCdtdq21C2：與分子的反應熱及氣：與分子的反應熱及氣體的壓力有關的系數體的壓力有關的系數 反應時單位時間內向容器

32、壁的傳熱量為：反應時單位時間內向容器壁的傳熱量為： 02TTAdtdqA: 與容器材料、形狀及與容器材料、形狀及氣體導熱率有關的系數氣體導熱率有關的系數 放熱率放熱率=傳熱率傳熱率 放熱率放熱率dq2/dt，反反應可繼續(xù)，但應可繼續(xù)，但v 第五章燃料與燃燒Tc著火溫度著火溫度Tc=臨界溫度臨界溫度反應壓力的影響：反應壓力的影響： 容器不變，容器不變， 壓力，混合氣密度壓力，混合氣密度 ，雖，雖n*/n不變，不變， 但混合氣中但混合氣中n*的絕對數的絕對數 ； 反應速度反應速度 ； 氧化反應放熱量氧化反應放熱量 ； dq1/dtdq2/dt； 熱量積累熱量積累著火。著火。第五章燃料與燃燒結論：結

33、論：TC與混合氣的物理化學性質、環(huán)境溫度、壓力、與混合氣的物理化學性質、環(huán)境溫度、壓力、容器形狀及散熱情況有關；容器形狀及散熱情況有關； 同一種燃料，因條件不同，同一種燃料，因條件不同， 著火溫度不同。著火溫度不同。臨界臨界Tc與壓力與壓力pc明顯影響明顯影響 著火域；著火域； pc低時需要低時需要 Tc。第五章燃料與燃燒存在混合氣濃度的著火界限；隨溫度和壓力存在混合氣濃度的著火界限；隨溫度和壓力 ，著火界限加寬，但有限。當溫度和壓力低于臨界著火界限加寬，但有限。當溫度和壓力低于臨界值時，無論在什么濃度下，均不能著火。值時，無論在什么濃度下，均不能著火。上限上限下限下限第五章燃料與燃燒在低溫、

34、低壓區(qū)著火規(guī)律與在低溫、低壓區(qū)著火規(guī)律與高溫區(qū)完全不同高溫區(qū)完全不同存在著火半島。存在著火半島。 藍焰期：甲醛的支鏈反藍焰期：甲醛的支鏈反應而產生應而產生CO；輝光較強，；輝光較強，p、T ；持續(xù)期短；持續(xù)期短熱焰期熱焰期:CO+氧生成氧生成CO2爆炸性熱火爆炸性熱火焰，釋放大量熱焰，釋放大量熱冷焰冷焰:過氧化物分過氧化物分解成甲醛解成甲醛,并積累并積累低溫多階段著火低溫多階段著火冷焰誘導期冷焰誘導期 1: T低反應緩慢，形低反應緩慢，形成過氧化物成過氧化物 烴燃料低溫下著火過程烴燃料低溫下著火過程(光譜分析光譜分析)：冷焰冷焰 2藍焰藍焰 3熱焰熱焰 4三個階段。三個階段。第五章燃料與燃燒烴

35、燃料低溫低壓時的著火規(guī)律：退化支鏈反應烴燃料低溫低壓時的著火規(guī)律：退化支鏈反應的結果的結果低溫多階段著火低溫多階段著火。烴燃料高溫時：甲醛退化支鏈反應不經過冷焰烴燃料高溫時：甲醛退化支鏈反應不經過冷焰期，而直接進入藍焰期，而直接進入藍焰-熱焰期，因藍焰熱焰期，因藍焰-熱焰期熱焰期很難區(qū)分很難區(qū)分高溫單階段著火。高溫單階段著火。高溫單階段著火高溫單階段著火高溫時：甲醛退化支鏈高溫時：甲醛退化支鏈反應不經冷焰，直接進反應不經冷焰，直接進入藍焰入藍焰-熱焰期。熱焰期。第五章燃料與燃燒2、 鏈鎖反應自燃著火理論鏈鎖反應自燃著火理論 烴的氧化反應：始末烴的氧化反應：始末OHmnCOOmnHCmn2222

36、4最終燃燒產物，經一些列中間產物反應的結果；最終燃燒產物，經一些列中間產物反應的結果；中間產物形成過程中間產物形成過程活性中心、反應物再生活性中心、反應物再生鏈鎖反應鏈鎖反應自由原子或自由基自由原子或自由基H、O、OH等等 第五章燃料與燃燒鏈鎖反應機理：鏈鎖反應機理：鏈引發(fā)鏈引發(fā)：反應物受某種因素的激發(fā)，而產生的自由：反應物受某種因素的激發(fā)，而產生的自由原子或自由基原子或自由基具有很強的反應能力；具有很強的反應能力；鏈傳播鏈傳播：自由原子與反應物作用，推進反應，產生：自由原子與反應物作用，推進反應，產生新的自由原子的過程；新的自由原子的過程； 直鏈反應直鏈反應：一個自由原子生成新的一個自由原子

37、，反應恒速：一個自由原子生成新的一個自由原子，反應恒速; 支鏈反應支鏈反應：一個活性中心同時生成兩個以上的活性中心，反：一個活性中心同時生成兩個以上的活性中心，反 應加速應加速引引爆爆鏈中斷鏈中斷：活性中心與缸壁、惰性氣體相碰撞：活性中心與缸壁、惰性氣體相碰撞無效無效碰撞，不再引致反應。碰撞，不再引致反應。第五章燃料與燃燒鏈鎖反應特點：鏈鎖反應特點：1）誘導期）誘導期 i：積累活性中心過程，量變；：積累活性中心過程，量變；2）鏈爆炸的原因，是能激發(fā)活性中心，不一定高溫）鏈爆炸的原因，是能激發(fā)活性中心，不一定高溫; 3）反應自動加速；隨溫度急劇增高（）反應自動加速；隨溫度急劇增高（AB）;隨反應

38、隨反應度濃度的減少而降低（度濃度的減少而降低（BC）4）加入惰性氣體時，）加入惰性氣體時， 反應速度迅速下降；反應速度迅速下降； 而加入添加劑時：而加入添加劑時： 使反應速度加速。使反應速度加速。與反應物物性參數、濃度、與反應物物性參數、濃度、溫度、容器形狀有關溫度、容器形狀有關第五章燃料與燃燒 3、點燃：、點燃： 指用電火花產生指用電火花產生火焰核心火焰核心并引起火焰并引起火焰?zhèn)鞑鞑サ倪^程的過程點火過程：靠火花能量點火過程：靠火花能量局部混合氣升溫局部混合氣升溫引起電引起電離離形成活性中心形成活性中心加速化學反應加速化學反應形成火焰核。形成火焰核。火焰成長、傳播的必要條件：火焰成長、傳播的

39、必要條件： 給靠近火焰核的未燃氣供給足夠的能量。給靠近火焰核的未燃氣供給足夠的能量。 這種能量的來源：點火能量、反應后釋放的熱量這種能量的來源：點火能量、反應后釋放的熱量最小點火能量：受燃料種類、濃度，氧的濃度，最小點火能量：受燃料種類、濃度，氧的濃度， p, T；點火處氣流狀態(tài)；火花性質；點火處氣流狀態(tài)；火花性質； 電極形狀，距離等的影響。電極形狀，距離等的影響。第五章燃料與燃燒電極間隙與點火能量關系：電極間隙與點火能量關系： 電極間隙過大電極間隙過大需點火能量越大；需點火能量越大； 間隙過小間隙過小能量再大也不能著火。能量再大也不能著火。熄火距離：指不能著火的最小電極間隙。熄火距離：指不能

40、著火的最小電極間隙?；旌蠚鉂舛认拗疲夯旌蠚鉂舛认拗疲?超出著火界限，不能著火。超出著火界限，不能著火。汽油機循環(huán)變動：火焰核形汽油機循環(huán)變動：火焰核形成過程中條件的隨機性造成。成過程中條件的隨機性造成。第五章燃料與燃燒火焰前鋒火焰前鋒燃燒區(qū)燃燒區(qū)二、內燃機的燃燒方式二、內燃機的燃燒方式1、預混合燃燒、預混合燃燒 特點：特點：著火前預先混合而形成可燃混合氣體；著火前預先混合而形成可燃混合氣體；在燃燒室空間壓力和溫度在燃燒室空間壓力和溫度不均勻。不均勻。局部點燃后形成火焰核，局部點燃后形成火焰核，在預混合氣中以火焰?zhèn)鞑ピ陬A混合氣中以火焰?zhèn)鞑バ问酵瓿扇紵^程。形式完成燃燒過程。 任一時刻溫度大小分布

41、任一時刻溫度大小分布:已燃區(qū)已燃區(qū)燃燒區(qū)燃燒區(qū)未燃區(qū)未燃區(qū) 第五章燃料與燃燒根據混合氣的氣流特性將預混合氣的火焰?zhèn)鞑ミ^根據混合氣的氣流特性將預混合氣的火焰?zhèn)鞑ミ^程分為層流火焰?zhèn)鞑ズ屯牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ミ^程。程分為層流火焰?zhèn)鞑ズ屯牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ミ^程。1）層流火焰?zhèn)鞑ィ恿骰鹧鎮(zhèn)鞑? 特點：火焰前鋒為球面，且很薄特點：火焰前鋒為球面，且很薄=1/10mm1/100mm 層流火焰將燃燒室分為已燃和未燃區(qū)層流火焰將燃燒室分為已燃和未燃區(qū)傳播原理：層流火焰面內溫度梯度和濃度梯度很大傳播原理：層流火焰面內溫度梯度和濃度梯度很大; 引起強烈的傳熱和傳質現象；引起強烈的傳熱和傳質現象； 促使鄰近混合氣快速化學反應；促使鄰

42、近混合氣快速化學反應； 造成火焰空間移動現象造成火焰空間移動現象火焰?zhèn)鞑セ鹧鎮(zhèn)鞑サ谖逭氯剂吓c燃燒影響層流火焰?zhèn)鞑サ囊蛩兀荷捎绊憣恿骰鹧鎮(zhèn)鞑サ囊蛩兀荷蒆C的主要原因的主要原因混合氣性質：混合氣性質： 當當 a=0.80.9時，反應溫度高，傳播速度最快；時，反應溫度高，傳播速度最快； 當當 a=11.15時，傳播速度約降低時，傳播速度約降低10%15%； 過濃或過稀：反應溫度過低不能維持火焰?zhèn)鞑ミ^濃或過?。悍磻獪囟冗^低不能維持火焰?zhèn)鞑タp隙：火焰不能傳播的最小縫隙稱為淬熄距離；縫隙：火焰不能傳播的最小縫隙稱為淬熄距離； 如氣缸間隙、火花塞縫隙等火焰不能傳播；如氣缸間隙、火花塞縫隙等火焰不能傳播；

43、溫度：火焰?zhèn)鞑サ奖诿鏁r，溫度：火焰?zhèn)鞑サ奖诿鏁r，T過低不能傳播。過低不能傳播。smsmL/5 . 0/4 . 0汽油機一般：汽油機一般：第五章燃料與燃燒2）湍流火焰?zhèn)鞑ィ┩牧骰鹧鎮(zhèn)鞑?湍流：氣流中不同尺寸渦旋不斷形成、發(fā)展、分湍流：氣流中不同尺寸渦旋不斷形成、發(fā)展、分解與消失的不穩(wěn)定過程。解與消失的不穩(wěn)定過程。產生原因：粘性氣流速度增加到一定值后，由于產生原因：粘性氣流速度增加到一定值后，由于邊界阻礙、外部干擾等，氣流內部形成許多渦旋邊界阻礙、外部干擾等，氣流內部形成許多渦旋而造成。而造成。特點：渦旋套渦旋，各種不同尺寸的渦旋組成連特點：渦旋套渦旋，各種不同尺寸的渦旋組成連續(xù)的渦旋譜。續(xù)的渦旋

44、譜。 空間時間上紊亂無序變化，但有隨機性質；空間時間上紊亂無序變化，但有隨機性質；評價方法：湍流尺度和湍流強度評價方法：湍流尺度和湍流強度第五章燃料與燃燒湍流對火焰?zhèn)鞑サ淖饔茫和牧鲗鹧鎮(zhèn)鞑サ淖饔茫汉暧^湍流：使火焰前鋒皺折，增大反應面積，但宏觀湍流：使火焰前鋒皺折，增大反應面積，但層流火焰前鋒結構不變；層流火焰前鋒結構不變；微觀湍流：加強傳質傳熱（擴散）微觀湍流：加強傳質傳熱（擴散）相對層流導相對層流導熱系數增大熱系數增大100倍，倍，由此提高紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔纱颂岣呶闪骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣取Ｌ岣咄牧鲝姸龋夯鹧媲颁h結構破裂，促進已燃氣提高湍流強度：火焰前鋒結構破裂，促進已燃氣體與未燃氣體迅速混合，縮短

45、反應時間，提高放體與未燃氣體迅速混合，縮短反應時間，提高放熱速率。熱速率。smT/7020湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋和牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣龋旱谖逭氯剂吓c燃燒2、擴散燃燒：、擴散燃燒：壓縮終了向缸內高溫高壓空氣直噴燃料；壓縮終了向缸內高溫高壓空氣直噴燃料；燃料噴射需時間，燃料蒸發(fā)溫度低于著火溫度，燃料噴射需時間，燃料蒸發(fā)溫度低于著火溫度， 故，后續(xù)噴入的燃料故，后續(xù)噴入的燃料邊混合邊燃燒。邊混合邊燃燒。擴散燃燒時缸內溫度很高，只要燃料與空氣混合，擴散燃燒時缸內溫度很高，只要燃料與空氣混合，其化學反應就很快進行。其化學反應就很快進行。擴散燃燒過程完全取擴散燃燒過程完全取決于燃料和空氣的混合過程及速度。決于燃料和

46、空氣的混合過程及速度。擴散燃燒期，燃燒室內同時存在三個相：擴散燃燒期，燃燒室內同時存在三個相： 可燃混合氣、空氣和燃燒產物?？扇蓟旌蠚狻⒖諝夂腿紵a物。第五章燃料與燃燒1）單滴油滴的擴散燃燒模型：）單滴油滴的擴散燃燒模型： 擴散燃燒過程是氣液兩相的混合燃燒過程，不是擴散燃燒過程是氣液兩相的混合燃燒過程，不是液體燃料的直接燃燒，故首先液體燃料充分氣化液體燃料的直接燃燒，故首先液體燃料充分氣化油滴蒸發(fā)：表面形成濃度梯度油滴蒸發(fā)：表面形成濃度梯度著火條件：濃度，溫度適當；著火條件：濃度，溫度適當；著火后的燃燒過程：取決于著火后的燃燒過程：取決于燃料與空氣的擴散速度；燃料與空氣的擴散速度；當火焰包圍燃

47、料時：當火焰包圍燃料時：造成高溫缺氧，形成碳煙。造成高溫缺氧，形成碳煙。第五章燃料與燃燒擴散燃燒特點：擴散燃燒特點：燃燒過程受擴散、流動、混合與熱交換的制約，燃燒過程受擴散、流動、混合與熱交換的制約， 反應速度要比流動、擴散、混合的速度快得多；反應速度要比流動、擴散、混合的速度快得多；濃度梯度的擴散：受流動、混合、熱交換的影響濃度梯度的擴散：受流動、混合、熱交換的影響氣液兩相的擴散燃燒氣液兩相的擴散燃燒先液體蒸發(fā)，在油滴表面先液體蒸發(fā)，在油滴表面形成可燃混合氣（擴散與混合過程），適當溫度形成可燃混合氣（擴散與混合過程），適當溫度條件條件即燃油蒸汽和空氣的燃燒。即燃油蒸汽和空氣的燃燒。所以，燃料

48、的霧化、蒸發(fā)及氣流特性起決定性作所以，燃料的霧化、蒸發(fā)及氣流特性起決定性作用。用。第五章燃料與燃燒 2）噴霧燃燒：）噴霧燃燒：無數個油滴相互干涉，汽化混合等，不同于單油無數個油滴相互干涉，汽化混合等，不同于單油滴蒸發(fā)燃燒。滴蒸發(fā)燃燒。實際噴霧過程，由大大小小油滴組成實際噴霧過程，由大大小小油滴組成預混合燃預混合燃燒與擴散燃燒同時存在。燒與擴散燃燒同時存在。高壓噴射化：噴霧質量得到改善高壓噴射化：噴霧質量得到改善噴入后缸內直噴入后缸內直接霧化，接霧化， 混合氣形成速率?；旌蠚庑纬伤俾省?所以擴散燃燒控制：溫度及空氣流的控制；所以擴散燃燒控制：溫度及空氣流的控制； 溫度受控于噴射規(guī)律溫度受控于噴射規(guī)律第五章燃料與