第二章 燃燒化學(xué)基礎(chǔ)與內(nèi)燃機缸內(nèi)工質(zhì)-2014

1、1主講人：堯命發(fā)主講人：堯命發(fā)第二章：燃燒化學(xué)基礎(chǔ)與內(nèi)燃機缸第二章：燃燒化學(xué)基礎(chǔ)與內(nèi)燃機缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)工質(zhì)20112011年年3 3月月天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室2本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)1 1、燃燒與燃燒分類燃燒與燃燒分類2 2、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)4 4、熱力學(xué)第二定律應(yīng)用熱力學(xué)第二定律應(yīng)用5 5、考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒 產(chǎn)物產(chǎn)物6 6、燃燒是人類文明發(fā)展的主要驅(qū)動力3蒸汽機燃?xì)廨啓C、火箭發(fā)動機內(nèi)燃機氧化說燃燒熱化學(xué)、熱力學(xué)化學(xué)動力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)理論發(fā)現(xiàn)、技術(shù)理論影

2、響使用火燃素說1717世紀(jì)世紀(jì)1818世紀(jì)世紀(jì)1919世紀(jì)世紀(jì)2020世紀(jì)世紀(jì)史前史前燃燒與燃燒分類 燃燒是一種復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，根據(jù)燃料與氧氣物理準(zhǔn)燃燒是一種復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，根據(jù)燃料與氧氣物理準(zhǔn)備條件和燃燒過程的流動特性，燃燒可以分為：備條件和燃燒過程的流動特性，燃燒可以分為：4燃燒與燃燒分類 根據(jù)混合氣燃料與氧的比例，燃燒可分：5 燃燒的本質(zhì)是一種放熱的化學(xué)反應(yīng)，是燃料中可燃成分與空氣中的氧在高溫下進(jìn)行的快速氧化反應(yīng)。 燃燒的氧化反應(yīng)同樣會受到化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)因素的影響，燃燒過程與化學(xué)動力學(xué)有密切的關(guān)系。發(fā)動機燃燒發(fā)動機燃燒6燃燒的本質(zhì)燃燒的本質(zhì)78本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、內(nèi)燃機完

3、全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)1 1、燃燒與燃燒分類燃燒與燃燒分類2 2、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)4 4、熱力學(xué)第二定律應(yīng)用熱力學(xué)第二定律應(yīng)用5 5、考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒 產(chǎn)物產(chǎn)物化學(xué)反應(yīng)動力學(xué) 基本化學(xué)過程的理解是研究和認(rèn)識燃燒的基礎(chǔ)，許多燃燒過程中，化學(xué)反應(yīng)速率控制著燃燒速率。 化學(xué)反應(yīng)速率決定著污染物的形成和遷移過程 燃燒研究重大進(jìn)展的原因之一是因為化學(xué)家能夠定義詳細(xì)的從反應(yīng)過程到生成的化學(xué)反應(yīng)途徑，并測量或計算它們的反應(yīng)速率；從而建立模擬燃燒反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型。9化學(xué)反應(yīng)速度 簡單反應(yīng)：把能代表反應(yīng)機理，由反應(yīng)物一步直接實現(xiàn)的變化稱為基

4、元反應(yīng)。如果一個反應(yīng)僅由一個基元反應(yīng)構(gòu)成，則又稱為該反應(yīng)為簡單反應(yīng)（1）單分子反應(yīng)：只有一個分子參與者的反應(yīng)（2）雙分子反應(yīng)：兩個不同種類或相同種類的分子參與（3）三分子反應(yīng)：實際上，三個分子同時碰撞的機會非常少，多于三個分子概率極小10化學(xué)反應(yīng)速度 復(fù)雜反應(yīng)：反應(yīng)不是經(jīng)過簡單的一步完成，通過生成中間產(chǎn)物的許多步驟來完成，每一步反應(yīng)都是基元反應(yīng)。常見的復(fù)雜反應(yīng)有可逆反應(yīng)、平行反應(yīng)、串聯(lián)反應(yīng)和鏈反應(yīng)等。 實際上，通過所寫的化學(xué)反應(yīng)式絕大多數(shù)并不代表反應(yīng)的歷程，只代表反應(yīng)的總結(jié)果。如： 它的反應(yīng)歷程是： 可逆反應(yīng) 串聯(lián)反應(yīng) 再如H2和Cl2的反應(yīng)歷程是： （1） （2） （3） （4） 反應(yīng)（1）

5、一旦發(fā)生，則反應(yīng)（2）和（3）就會不斷地交替發(fā)生，如同鏈環(huán)一樣，一環(huán)扣一環(huán)，直到反應(yīng)物中的H2和Cl2全部轉(zhuǎn)化為HCI為止，這種反應(yīng)為鏈反應(yīng)。（1）是鏈開始，（2）、（3）是鏈傳遞，（4）是鏈中止。 總反應(yīng)為：11化學(xué)反應(yīng)速度 在化學(xué)反應(yīng)過程中，單位體積中的反應(yīng)物和生成物的數(shù)量在不斷地變化。單位體積中所含物質(zhì)的物質(zhì)量在化學(xué)中定義為濃度。 化學(xué)反應(yīng)速度可用單位時間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示。 在化學(xué)反應(yīng)中可能有幾種反應(yīng)物參加反應(yīng)并生成幾種生成物，它們之間有確定的定量關(guān)系，這種定量關(guān)系可以由化學(xué)反應(yīng)式求出。因此可以用任何一種反應(yīng)物或生成物濃度隨時間的變化率來表示化學(xué)反應(yīng)速度。12質(zhì)

6、量作用定律燃燒化學(xué)反應(yīng)是在一定條件下，燃料分子與氧化劑分子間彼此碰撞而燃燒化學(xué)反應(yīng)是在一定條件下，燃料分子與氧化劑分子間彼此碰撞而發(fā)生的，因此碰撞頻率影響著反應(yīng)速度，而碰撞次數(shù)與單位容符號中發(fā)生的，因此碰撞頻率影響著反應(yīng)速度，而碰撞次數(shù)與單位容符號中反應(yīng)物質(zhì)分子的數(shù)目，即濃度有關(guān)。反應(yīng)速度與濃度的定量關(guān)系可由反應(yīng)物質(zhì)分子的數(shù)目，即濃度有關(guān)。反應(yīng)速度與濃度的定量關(guān)系可由質(zhì)量作用定律來說明。質(zhì)量作用定律來說明。質(zhì)量作用定律：質(zhì)量作用定律：當(dāng)溫度不變時，簡單反應(yīng)（基元反應(yīng)）的化學(xué)反應(yīng)速當(dāng)溫度不變時，簡單反應(yīng)（基元反應(yīng)）的化學(xué)反應(yīng)速度與該瞬間各度與該瞬間各反應(yīng)物的濃度的化學(xué)計量數(shù)次方的乘積反應(yīng)物的濃度

7、的化學(xué)計量數(shù)次方的乘積成正比。成正比。A A、B B、C C等三種反應(yīng)物中進(jìn)行的簡單反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)速度可以寫等三種反應(yīng)物中進(jìn)行的簡單反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)速度可以寫 成成： （k k反應(yīng)速度常數(shù)，取決于溫度和反應(yīng)物的物理化學(xué)性反應(yīng)速度常數(shù)，取決于溫度和反應(yīng)物的物理化學(xué)性質(zhì)質(zhì)各反應(yīng)物濃度項的方次和各反應(yīng)物濃度項的方次和n=a+b+cn=a+b+c為該反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)為該反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)在復(fù)雜反應(yīng)中，由于反應(yīng)機理發(fā)現(xiàn)變化，反應(yīng)不是按照化學(xué)反應(yīng)計量在復(fù)雜反應(yīng)中，由于反應(yīng)機理發(fā)現(xiàn)變化，反應(yīng)不是按照化學(xué)反應(yīng)計量方程式一步完成的。大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)計量方程式并不等于該反應(yīng)的反方程式一步完成的。大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)計量方程式

8、并不等于該反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)，必須通過試驗決定它的級數(shù)。如碳?xì)浠衔锱c氧燃燒的反應(yīng)應(yīng)級數(shù)，必須通過試驗決定它的級數(shù)。如碳?xì)浠衔锱c氧燃燒的反應(yīng)級數(shù)為級數(shù)為1.7-2.2;1.7-2.2;有些反應(yīng)的動力學(xué)方程式不一定呈冪函數(shù)形式，因此有些反應(yīng)的動力學(xué)方程式不一定呈冪函數(shù)形式，因此無級數(shù)可言。無級數(shù)可言。13壓力對反應(yīng)速度的影響 對于可以用冪乘積表示基反應(yīng)速度的反應(yīng)，可以看出在定溫下壓力對反應(yīng)速率的影響 設(shè)有反應(yīng)：A+B+C 燃燒產(chǎn)物，其反應(yīng)速度 由氣體狀態(tài)方程pV=nRT： 聯(lián)立上式：可見，反應(yīng)速度和總壓的（a+b+c)次冪成比例 14ln(p)ln(W)a+b+c阿累尼烏斯定律 溫度是影響反應(yīng)速度

9、的重要因素之一，它主要影響反應(yīng)速度常數(shù)k值 阿累尼烏斯(Arrhenius)，揭示了反應(yīng)速度常數(shù)與溫度的關(guān)系為：15 或 式中：K0為頻率因子，它與分子碰撞數(shù)目有關(guān)的一個常數(shù)，E為反應(yīng)的活化能（J/mol 可以將化學(xué)反應(yīng)速度關(guān)系式寫成適用范圍廣，既適用于單相反應(yīng)，也適合一般的多相反應(yīng)，但不適用于鏈反應(yīng)阿累尼烏斯提出了活化分子和活化能基本概念K0為實際上與溫度相關(guān)，對于精密計算需要考慮溫度的影響溫度對反應(yīng)速度的影響 原則上阿累尼烏斯定律只適用于基元反應(yīng)，因為復(fù)雜反應(yīng)通常不能用一個速度常數(shù)確定。實際上，它也能適用于多數(shù)非基元反應(yīng)，非基元反應(yīng)的活化能稱為“表觀活化能”或“經(jīng)驗活化能”。 上式中的化學(xué)

10、反應(yīng)速度關(guān)系式描述了溫度對反應(yīng)速度的影響，但還有其它一些規(guī)律如下圖：16TW如酶催化反應(yīng)TW如碳的氧化TW爆炸反應(yīng)TW符合阿累尼斯方程TW如2NO+O2 2NO2全局反應(yīng)與基元反應(yīng) 1 mol燃料與a mol氧化劑生成b mol燃燒產(chǎn)物用全局反應(yīng)機理可以表示為： ，根據(jù)實驗測量，燃料消耗率為： 稱為全局反應(yīng)系數(shù)，是與溫度強相關(guān)的函數(shù)。正如前方所述，n和m與反應(yīng)級數(shù)有關(guān)，但不是計量方程式中的系數(shù)。如庚烷與氧的燃燒化學(xué)方程式：化學(xué)方程式僅僅描述轉(zhuǎn)化成什么，并不表示在分子尺度上發(fā)生什么。每一個分子事件稱為基元反應(yīng)，如已經(jīng)證實很多燃燒反應(yīng)的快慢都是由H原子和O2分子間的基元反應(yīng)決定的。用來描寫一個綜合

11、反應(yīng)所必需的基元反應(yīng)稱作為反應(yīng)機理，反應(yīng)機理可能涉及到幾步基元反應(yīng)或多至幾百種反應(yīng)。選擇最少數(shù)量的必要基元反應(yīng)步驟來描述一個全局反應(yīng)，即為簡化機理。17鏈反應(yīng)燃燒機理認(rèn)為，燃燒都是鏈反應(yīng)。鏈反應(yīng)的基本原理是：本步生成物作為下一步或下幾步的反應(yīng)物。通常反應(yīng)鏈的中心，或活性組分是單原子或分子碎片，即自由基。首先，燃燒反應(yīng)以H原子和O2分子的反應(yīng)開始：上式生成的OH基可與乙烷分子反應(yīng)形成穩(wěn)定的水和不穩(wěn)定的乙基，乙基可以快速分解為乙稀和氫原子繼續(xù)鏈反應(yīng)。上述四個基元反應(yīng)的聯(lián)合反應(yīng)效應(yīng)可看作以H原子開始和結(jié)束。包括：鏈引發(fā)、鏈傳遞和鏈終止三個階段。鏈中心數(shù)目增加的基元反應(yīng)稱為支鏈反應(yīng)，鏈中心數(shù)目保持不變

12、的反應(yīng)稱為鏈傳播反應(yīng)。過程的指數(shù)增長如下圖：18鏈反應(yīng)因為鏈中心的數(shù)目從1增加到3，下式稱作支鏈序。除了分支和鏈傳播外，還有其它重要類型的基元反應(yīng)，如果鏈中心是從穩(wěn)態(tài)分子產(chǎn)生，則被稱作鏈的初始反應(yīng)，如正庚烷：若鏈中心消耗，則被稱作重組反應(yīng)或鏈中止：19HOHO預(yù)混合可燃混合氣著火方式燃燒存在兩上最基本的階段：著火階段以主著火后的燃燒階段。著火階段是可燃物質(zhì)與氧在緩慢氧化的基礎(chǔ)上，不斷積累熱量和活性粒子，引起反應(yīng)的加速，到一定程度，燃料就會著火燃燒著火階段是一種典型的受化學(xué)動力學(xué)控制的燃燒現(xiàn)象，從化學(xué)動力學(xué)角度，著火的反應(yīng)機理有兩種：熱著火（熱自燃）：可燃混合物由于本身的氧化放熱，或外部熱源加熱

13、（壓縮），溫度為斷升高導(dǎo)致反應(yīng)加速，積累更多的能量，最終導(dǎo)致著火。化學(xué)鏈著火（鏈自燃）：可燃物反應(yīng)中存在鏈載體，當(dāng)鏈產(chǎn)生速度超過其銷毀速度，或者反應(yīng)本身是分支鏈鎖反應(yīng)，由于鏈載體的大量產(chǎn)生，使反應(yīng)速度加快，產(chǎn)生更多的鏈載體，使反應(yīng)物著火。實際燃燒過程中，它們是同時存在而且相互促進(jìn)的（熱-鏈?zhǔn)街穑??？扇蓟旌蠚庾孕屑訜岵粩嗉訌娏藷峄罨布訌娏嗣總€鏈反應(yīng)的基元反應(yīng)。自然現(xiàn)象不可能用單一的一種自燃理論來解釋。著火方式有自燃和點燃兩類。自燃是自發(fā)的著火，可燃混合物在放熱反應(yīng)基礎(chǔ)上，不斷積累熱量和活性粒子，當(dāng)混合物溫度升高后，反應(yīng)速度大大增加。點燃是強迫著火，借助于外部能源，如火花塞點燃，使局部升溫并

14、著火，通過火焰?zhèn)鞑サ秸麄€可燃混合物（除加熱區(qū)本身，火焰能否向四周傳播是判斷點火是否成功的標(biāo)志）20著火概念 著火：燃料與氧化劑分子混合后，從開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)加速，溫度升高達(dá)到激烈的燃燒反應(yīng)之前的一段過程。 著火的分類自燃自燃點燃點燃可燃物質(zhì)在沒有外部火花、火焰等火源的作用下，因受熱或自身發(fā)熱并蓄熱所產(chǎn)生的自然燃燒。用電火花、熾熱物體等外部熱源，使可燃混合物局部強烈加熱而達(dá)到燃燒狀態(tài)，然后火焰向其他地區(qū)傳播，使整個可燃混合物燃燒起來。 著火條件著火是反應(yīng)放熱因素和散熱因素相互作用的結(jié)果。放熱散熱:著火成功； 放熱 q1，散熱放熱，T，回到a點; 當(dāng)T，q2 q1, 散熱放熱，T，回到a點。

15、 b點不穩(wěn)定。輕微擾動將使b點失去平衡。若放熱率曲線與散熱率永不相交，不論在什么溫度下，放熱量總大于散熱量。因此容器內(nèi)不斷有著熱量積累，最后導(dǎo)致可燃混合氣自燃。c點是發(fā)生熱自燃的一個臨界狀態(tài)點。著火濃度界限（a）著火溫度與可燃混合氣的關(guān)系（b）著火壓力與可燃混合氣的關(guān)系NoImage212023020ln12lnAiiiExQVkSRTRETp Simonov方程式為 若取pi為常數(shù)，則可得到臨界溫度與混合氣組成的關(guān)系曲線；若取T0為常數(shù)，則可得到另一條臨界著火壓力與混合氣組成的關(guān)系曲線。這些曲線統(tǒng)稱為著火濃度界限。曲線呈U形。 存在著火濃度低限和高限。 當(dāng)溫度（壓力）降低時，這兩個極限相互靠

16、近，使著火范圍變窄。 如果溫度很低，在任何混合氣組成下都不能著火?？扇?xì)怏w混合物的點燃 在燃燒技術(shù)中，為了加速著火，往往由外界加入熱量，使局部地區(qū)的可燃混合物著火而燃燒，然后火焰向其它地區(qū)傳播，使全部可燃混合物著火和燃燒。這種由外界加入能源，使可燃混合物在加入能源的附近發(fā)生著火爆燃的方法稱為點燃著火法。（1）熾熱物體點燃（2）電火花或電弧點燃：從二電極之間的空隙所產(chǎn)生的電火花或電弧作為外加能源，使附近的可燃混合物溫度升高和活性分子濃度增加而點燃。（3）局部自燃的點燃: 現(xiàn)代柴油機常利用活塞的壓縮行程來提高氣缸內(nèi)的壓力和溫度，然后噴入燃油，可燃混合氣在氣缸局部地區(qū)自燃著火，從而將其它區(qū)域的未燃部

17、分點燃。 點燃方式內(nèi)燃機燃燒思考？ 柴油機著火？ 汽油機著火？ 柴油機燃燒與燃燒速度？ 汽油機燃燒速度與火焰?zhèn)鞑ィ?NOx隨EGR成份變化？2601020304050600102030405060708090100 NO NO2 N2Oinjection timing:-6.2deg.ATDC injection pressure:160MPacompression ratio:16 injection mass:50mg/cyc the proportion of NO,NO2 and N2O(%)EGR rate(%)27本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)

18、1 1、燃燒與燃燒分類燃燒與燃燒分類2 2、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)4 4、熱力學(xué)第二定律應(yīng)用熱力學(xué)第二定律應(yīng)用5 5、考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒 產(chǎn)物產(chǎn)物完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)燃燒反應(yīng)計算是以燃燒過程的質(zhì)量平衡為基礎(chǔ)進(jìn)行的；內(nèi)燃機燃油是一種碳?xì)浠衔铮紵^程就是碳?xì)涞难趸^程。燃燒反應(yīng)方程式2922COOCOHOH22222222276. 376. 3NCONOC2222276. 3276. 32NOHNOH222222)24(76. 32)24(76. 3)24(NlmnOOHmnCONlmnOlmnOHClmn過量空氣 由燃燒產(chǎn)物估計油耗

19、由燃燒產(chǎn)物估計油耗碳平衡法碳平衡法原理：基于碳元素質(zhì)量守恒原理：基于碳元素質(zhì)量守恒柴油主要由碳元素組成，排柴油主要由碳元素組成，排氣成份中含有碳元素的產(chǎn)物氣成份中含有碳元素的產(chǎn)物為為COCO2 2、COCO、HCHC等。等。這些產(chǎn)物中碳元素質(zhì)量總和這些產(chǎn)物中碳元素質(zhì)量總和應(yīng)為柴油中碳元素質(zhì)量。應(yīng)為柴油中碳元素質(zhì)量。假設(shè)每小時排出氣體物質(zhì)的假設(shè)每小時排出氣體物質(zhì)的量為量為x x（molmol），每小時的噴），每小時的噴油量為油量為y(g)y(g)，忽略竄氣則：，忽略竄氣則：空氣質(zhì)量+燃燒油質(zhì)量=排氣質(zhì)量：mair+y=x(CO28+CO244+O2 32+N228+HC13+NO32）碳元素質(zhì)量

20、守恒：y0.87=x(CO28+CO244+HC13)得出每小時噴油量的估算值兩方程聯(lián)立碳平衡法估計油耗舉例碳平衡法估計油耗舉例左圖所示為某柴油機中任取的6個工況點，估算值和實際值的最大誤差為1.8%，可見此方法是比較準(zhǔn)確和簡單的燃用空氣量的計算32理論空氣量0L21. 0324120oHcgggL2.實際空氣量L 0LLmm過量空氣系數(shù)，恰當(dāng)?shù)倪^量空氣系數(shù)值對于不同的內(nèi)燃機而不同，每臺內(nèi)燃機都有從經(jīng)驗上中得來的恰當(dāng)值，如能維持恰當(dāng)?shù)闹稻湍塬@得良好的燃燒性能。 當(dāng)燃油完全燃燒時，其燃燒產(chǎn)生將由CO2、H2O、O2和N2等氣體組成。燃燒過程瞬時分子改變系數(shù)1.1.理論分子改變系數(shù)理論分子改變系數(shù)

21、 液體燃料燃燒時，燃燒產(chǎn)物的容積總是大于可燃混合氣的容積。燃燒后摩爾數(shù)的增量為：33ToHmggM11642216422oHggM氣道預(yù)混合方式 缸內(nèi)噴射混合方式 理論或化學(xué)分子改變數(shù) 1111201MMMMMMM2.2.實際分子改變系數(shù)實際分子改變系數(shù) 1012rrMMMM關(guān)于分子改變系數(shù)討論 隨著燃料分子量提高，改變系數(shù)增大，對于小分子氣體燃料，燃燒產(chǎn)物的摩爾質(zhì)量實際是變小。 分子改變系數(shù)在一定程度上會影響燃燒溫度34 問題：請簡要分析自然吸氣氣道噴射點燃式汽油機改為自然吸氣氣道噴射天然氣發(fā)動機，最高功率損失大約是多少？ToHmggM116422燃燒過程瞬時分子改變系數(shù)353.3.燃燒過程

22、瞬時分子改變系數(shù)燃燒過程瞬時分子改變系數(shù) x曲軸轉(zhuǎn)角之前已燃燃料(kg),則此時的燃燒產(chǎn)物摩爾數(shù)為XMMMx1XMMMMMXMMrrx1/1111Xx1110討論：X0，X1兩種情況。瞬時過量空氣系數(shù)瞬時過量空氣系數(shù)36內(nèi)燃機實際的工作循環(huán)在燃燒時存在化學(xué)反應(yīng)，在吸氣時進(jìn)入缸內(nèi)的空氣與殘余廢氣相混合，內(nèi)燃機缸內(nèi)是一種多成份的混合氣體。在實際計算中，通常作出如下假設(shè)而使熱力過程得到簡化，如對于柴油機： 換氣的僅為新鮮空氣與殘余廢氣的混合物；缸內(nèi)燃燒完全燃燒；燃油只是在燃燒前不久和燃燒進(jìn)行中，按預(yù)定的燃燒規(guī)律噴入缸內(nèi)；缸內(nèi)燃油以已燃燃油的形式出現(xiàn)，不考慮已燃燃油和未燃燃油蒸汽之間的區(qū)別，也不考慮燃

23、油在高溫下的熱分解；以均質(zhì)氣體的假定進(jìn)行計算。 柴油機實際循環(huán)的工質(zhì)可看成由純?nèi)紵a(chǎn)物和純空氣兩部分組成，其性質(zhì)與這兩種組成有關(guān)，并以理想氣體予以計算。 瞬時過量空氣系數(shù)瞬時過量空氣系數(shù)37瞬時過量空氣系數(shù)的定義：某瞬時氣缸實際吸入的空氣量與其時缸內(nèi)所含燃燒產(chǎn)物相當(dāng)?shù)娜加土咳紵枰諝饬康谋戎?，即瞬時過量空氣系數(shù)不僅可以描述工質(zhì)的成份，描寫工質(zhì)的特性，而且通過它還可以反映缸內(nèi)熱力過程進(jìn)展的情況。fLxmLm0瞬時過量空氣系數(shù)瞬時過量空氣系數(shù)38設(shè)GZ瞬時缸內(nèi)氣體總質(zhì)量； Ga壓縮始點氣缸內(nèi)總氣體質(zhì)量 殘余廢氣所折算出的燃油量 x某一軸轉(zhuǎn)角之前已燃燒燃燒X與循環(huán)總噴油量gB之比，則有 壓縮始點

24、的名義過量空氣系數(shù) 0LggGrraa燃燒過程某一曲軸轉(zhuǎn)角瞬時過量空氣系數(shù) 00)()(LggxggxGLgXggxGrBrBzrrBzx瞬時過量空氣系數(shù)瞬時過量空氣系數(shù)39討論：(1)不計殘余廢氣時， 00LXXGLgxgxGzBBZx(2)不計殘余廢氣時，Ga為每循環(huán)吸入氣缸的空氣重量，并認(rèn)為G1是含有1kg燃油的可燃混合氣中實的空氣重量，即 01LLGXLGLGGza001,BxgxXLXL00當(dāng)x=0時，為純空氣；x=1時，燃燒結(jié)束 完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)計算40由于各種燃油燃燒產(chǎn)物的成分都十分接近，所以燃?xì)獾男再|(zhì)都可用瞬時過量空氣系數(shù)來加以描述。內(nèi)燃機的工質(zhì)可以認(rèn)為是純空氣和純?nèi)?/p>

25、燒產(chǎn)物的混合物，故工質(zhì)的內(nèi)能即為瞬時過量空氣系數(shù)和溫度的函數(shù)，),(Tfuxm該函數(shù)可利用該函數(shù)可利用JustJust經(jīng)驗公式可表示為：經(jīng)驗公式可表示為：1868. 410)273()36. 3768. 7(10)273(0485. 00975. 0428 . 06375. 0TTuxxmkmolkJTx/1868. 48 .135610)273)(4 .46896. 4(293. 0完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)計算41燃?xì)獾哪栙|(zhì)量燃?xì)獾哪栙|(zhì)量 iiimAmMmm為了簡化計算，也可以始終用純空氣的摩爾質(zhì)量進(jìn)行計算為了簡化計算，也可以始終用純空氣的摩爾質(zhì)量進(jìn)行計算。 缸內(nèi)工質(zhì)焓的計算缸內(nèi)工質(zhì)焓

26、的計算：RTuhmm kJ/kmol 燃?xì)獾臍怏w常數(shù)燃?xì)獾臍怏w常數(shù) 2884. 0LmAmRR內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)燃燒溫度計算42基本假設(shè) 燃燒室內(nèi)的工質(zhì)是一個熱力學(xué)平衡系統(tǒng)，缸內(nèi)壓力、溫度和組分分布均勻；服從理想氣體狀態(tài)方程；空燃比很大，混合氣很稀，產(chǎn)物的離解可以忽略。 缸瞬時燃燒溫度的計算 dEdWdQ0)()()()(211122wvsssdQdVpQwTETETETEfvsvsQq內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)燃燒溫度計算43molijiijijiRTaTuaTE5151512222)(molijiijijiRTbTubTE5151511111)(molijisijsijisRTaTuaTE5151

27、512)(molijisijsijisRTbTubTE5151511)(內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)燃燒溫度計算44已知條件： 某一曲軸轉(zhuǎn)角時刻的缸內(nèi)溫度、壓力和容積以及缸內(nèi)工質(zhì)成分以及熱力參數(shù)系數(shù)（ai,和bi） 任一時刻缸內(nèi)容積由運動學(xué)求得； 傳熱計算由經(jīng)驗公式計算，壁面溫度是經(jīng)驗數(shù)據(jù)； 燃燒率可以通過實驗測量或Webe等放熱率計算公式得到。補充條件：狀態(tài)方程；熱力學(xué)性質(zhì)E（T）；組分守恒方程。利用迭代法可以還求出瞬時燃燒溫度和氣缸壓力。內(nèi)燃機完全燃燒放熱率計算45燃燒放熱率 單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)釋放的燃料的熱量，稱為放熱率 ddMqddQfvs常采用所謂的?；艧崧剩?ddQqMddxvsf1累積放熱率

28、：ebdddxxbeb在內(nèi)燃機燃燒分析中，上述參數(shù)對于分析燃燒過程有十分重要的作用，燃燒持續(xù)角減小，表明燃燒速度加快，發(fā)動機經(jīng)濟(jì)性改善；初期放熱率增大，發(fā)動機壓力升高率增大，NOX排放和噪聲增大。 -30-20-1001020304002468101214050100150200250300350inj. tim.=-38CA ATDC; IMEP=9bar; Rg=84%; 1500rpm; Boost=1.8bar combustion pressure(MPa)crank angle(CA ATDC） EGR=36% EGR=40% EGR=43% rate of heat releas

29、e(J/deg）46本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)1 1、燃燒與燃燒分類燃燒與燃燒分類2 2、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)4 4、熱力學(xué)第二定律應(yīng)用熱力學(xué)第二定律應(yīng)用5 5、考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒 產(chǎn)物產(chǎn)物4 4、熱力學(xué)第二定律及應(yīng)用熱力學(xué)第二定律及應(yīng)用熱力學(xué)第二定律內(nèi)燃機燃燒反應(yīng)離解內(nèi)燃機燃燒反應(yīng)化學(xué)平衡及判斷依據(jù)內(nèi)燃機燃燒可得到的最大理論功熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律u熱力學(xué)第一定律說明了熱能和其它形式能量相互轉(zhuǎn)換時，能量在“數(shù)量”上守恒的客觀規(guī)律，但是它沒有涉及不同形式的能量存在著“質(zhì)”的差別。 u熱力學(xué)第二定律

30、正是從能量的品位上，揭示了不同形式的能量存在“質(zhì)”的差別，即能量總量在“質(zhì)”上必然降低的客觀規(guī)律，從而揭示了在轉(zhuǎn)換為功的能力上，熱能和其它形式的能量相比品位較低的特點。u在能量傳遞及轉(zhuǎn)換過程中，就呈現(xiàn)出一定的方向，條件及限度的特征。 u在一定的能質(zhì)下降的補償條件下，能質(zhì)升高的過程必定有一個最高的理論限度。只有在完全可逆的理想條件下，才能達(dá)到這個理論限度，這時，能質(zhì)升高值正好等于能質(zhì)下降的補償值，使總的能量保持不變。u“能質(zhì)衰貶”原理及熵增原理 u可逆過程是純理想化的能質(zhì)守恒過程；在不可逆過程中總的能質(zhì)必然下降；在任何情況下，都不可能實現(xiàn)使孤立系統(tǒng)總的能質(zhì)升高的過程。這是熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)，它

31、揭示了一切宏觀過程必須遵循的、有關(guān)過程的進(jìn)行方向、條件及限度的客觀規(guī)律。 u克勞修斯說法：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化，這指出了熱量傳遞過程的單向性。 u開爾文說法：不可能從單一熱庫吸取熱量使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其它影響，這個說法也可用普朗克說法來表示：第二類永動是不可能制成的。 u喀喇氏說法：在系統(tǒng)的任一平衡態(tài)附近，總存在著從該狀態(tài)出發(fā)經(jīng)絕熱過程所不可能達(dá)到的狀態(tài)。 u哈特索普洛斯-基南的穩(wěn)定平衡態(tài)定律：在外界不產(chǎn)生任何影響的條件下，系統(tǒng)從任何一個非平衡態(tài)出發(fā)，經(jīng)過足夠長的時間，總能達(dá)到一個，而且只有一個，穩(wěn)定的熱力學(xué)平衡狀態(tài)。 u熱力學(xué)第二定律還可概括為更一般的說法

32、：一切自發(fā)過程都是不可逆的。熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律閉口系統(tǒng)，熱力學(xué)第二定律的一般形式閉口系統(tǒng)，熱力學(xué)第二定律的一般形式 0revTdQdSrevTdqdsTpdvdudsTpdvTdTCdsvvdvRTdTCdsmolv對于等熵過程 （絕熱過程）， vpCCpv常數(shù) vpCCk 為絕熱指數(shù)， kpv常數(shù) molpRkkC1molvRkC11pdpRTdhdsmolRTpvdTcpdvv,化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量方程51dDcCbBaA當(dāng)量方程實際上就是質(zhì)量守恒定律的一種表達(dá)式。實際上，一般的化學(xué)反應(yīng)并不能完全進(jìn)行，其反應(yīng)程度取決于反應(yīng)物質(zhì)的性質(zhì)，以及化學(xué)反應(yīng)時的條件?？偟姆磻?yīng)過程，實際上是在正反兩個

33、方向的反應(yīng)過程同時發(fā)生的條件下，不斷地朝著化學(xué)勢的勢差減小的方向進(jìn)行的。在一定的條件下,化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向及限度,化學(xué)平衡的建立及平衡成分的確定，都必須遵循熱力學(xué)第二定律。在一定條件下，生成物中有些物質(zhì)會發(fā)生離解反應(yīng)，已經(jīng)離解的摩爾數(shù)，與該生成物在當(dāng)量方程中的總摩爾數(shù)的比值，稱為該生成物質(zhì)的離解度。 )()(1 (bBaAdDcCbBaA吉布斯函數(shù)與化學(xué)勢521.吉布斯（Gibbs)函數(shù)（又稱吉布斯自由能）定義為： TSHGTshg,吉布斯函數(shù)是一個重要的狀態(tài)參數(shù)，它與焓值和熵值有關(guān)。 2.化學(xué)勢反應(yīng)物質(zhì)之間存在化學(xué)勢差，是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的根本原因及必要條件?；瘜W(xué)反應(yīng)過程總是朝著消除化學(xué)勢差的方

34、向進(jìn)行的，直到勢差消失達(dá)到化學(xué)平衡，宏觀的化學(xué)反應(yīng)才結(jié)束。在不同條件下，化學(xué)勢的表現(xiàn)形式是不相同的，但它們的物理本質(zhì)是相同的。 injpTinjvTinjpSinjvSiiGnGnFnHnU,分別為內(nèi)能、焓、f亥姆茨函數(shù) GFHU,和吉布斯函數(shù) 其中最常用的是:injpTiiGnG,吉布斯函數(shù)與化學(xué)勢53化學(xué)勢與吉布斯函數(shù)是兩個密切相關(guān)的不同概念，化學(xué)勢是強度參數(shù)，而吉布斯函數(shù)是個容度參數(shù)，具有可加性。混合氣體的總吉布斯函數(shù)等于各個組成氣體的吉布斯函數(shù)的總和。對于等溫等壓燃燒過程，由熱力學(xué)第一定律有： dHQ TdSQ 由熱力學(xué)第二定律： 0GTdSdH即在恒溫恒壓條件下，只有當(dāng)生成物的吉布斯

35、自由能大于反應(yīng)物的自由能時，化學(xué)反應(yīng)才能進(jìn)行?；瘜W(xué)反應(yīng)總是向吉布斯自由能減小的方向進(jìn)行。只有當(dāng) 0G化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡。化學(xué)反應(yīng)速度與化學(xué)平衡54DCBAC或D的生成速率是： BAKfA或B的生成速率是： DCKb正反應(yīng)中A或B的離解速率為： BAKf逆反應(yīng)中C或D的離解速率為： DCKb將反應(yīng)的正向反應(yīng)速率加在一起，即可得到反應(yīng)物A、B、C、D的凈速率，即： DCKBAKdtAdbf DCKBAKdtBdbf DCKBAKdtCdbf DCKBAKdtDdbf在A、B、C、D不再變化時，反應(yīng)達(dá)到平衡，即： 0dtDddtCddtBddtAd化學(xué)反應(yīng)速度與化學(xué)平衡55 feebeefRDCKBA

36、K CbfeeeeKKKBADC引入化學(xué)當(dāng)量反應(yīng)： DvCvBvAvdcba根據(jù)熱力學(xué)的基本理論，在溫度為T的定溫條件下，上述化學(xué)反應(yīng)吉布斯函數(shù)可以推導(dǎo)為 0ln)()(0badcvbvavdvcTRPTRpPPPPTRGG若某一溫度下達(dá)到化學(xué)平衡，則由上式可以得出： RTGPPPPTRpvbvavdvcbadc0ln這個常數(shù)可以作為判斷一定種類化學(xué)反應(yīng)在一定的溫度條件下向什么方向進(jìn)行，以及判斷反應(yīng)是否已經(jīng)達(dá)到化學(xué)平衡的一種判據(jù)，定義平衡常數(shù)KP 化學(xué)反應(yīng)速度與化學(xué)平衡56TRGKTRpp)(exp0則化學(xué)定溫方程可以表達(dá)為： 0lnln)(pvbvavdvcTRpKPPPPTRGbadc b

37、adcvbvavdvcpPPPPK dcabadcvvvvvbvavdvcppppppK0對于任意化學(xué)反應(yīng)，可以得到平衡常如： iviipppK0化學(xué)反應(yīng)速度與化學(xué)平衡57Kp與Kc之間有如下關(guān)系)()(dcbavvvmolpCTRKK eeeeDDCCBBAA, eebeefDCKBAKdtid fRdtid 內(nèi)燃機燃燒可得到的最大理論功58HWQURPHHHSTQA)(STHWU通常反應(yīng)前的溫度和壓力與外界相等，當(dāng)反應(yīng)前后的溫度和壓力相等時，對外做的理論功最大，則有： AAPATAPATAPTRPUGTSHTSHW,)()()(,即最大理論功為： AAPTUGW,max)(即，燃料燃燒最大

38、理論功為在反應(yīng)物溫度和壓力條件下吉布斯函數(shù)增量的負(fù)值?？梢妰?nèi)燃機燃燒反應(yīng)的初如條件（溫度和壓力）和反應(yīng)的進(jìn)行程度都將影響內(nèi)燃機可輸出的最大理論功（熱效率），燃燒反應(yīng)中的離解將影響發(fā)動機熱效率。 第一定律與第二定律能量分析59Source from: 60本章內(nèi)容本章內(nèi)容3 3、內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)燃機完全燃燒缸內(nèi)工質(zhì)1 1、燃燒與燃燒分類燃燒與燃燒分類2 2、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)4 4、熱力學(xué)第二定律應(yīng)用熱力學(xué)第二定律應(yīng)用5 5、考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒 產(chǎn)物產(chǎn)物考慮化學(xué)平衡內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物燃燒化學(xué)平衡產(chǎn)物的計算 考慮平衡產(chǎn)物內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒溫度計算離解反應(yīng)對內(nèi)燃機性能的影響 燃燒化學(xué)平衡產(chǎn)物的計算 在發(fā)動