燃料工質(zhì)與熱化學(xué)公開(kāi)課一等獎(jiǎng)優(yōu)質(zhì)課大賽微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、點(diǎn)燃式和壓燃式內(nèi)燃機(jī) 工作過(guò)程、燃燒理論、性能分析及參數(shù)調(diào)控 陳 勛 寧夏大學(xué) 汽車(chē)工程系 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理Automotive Engine Fundamentals第1頁(yè) 燃料理化特征決定了內(nèi)燃機(jī)混合氣形成和著火方式，是造成內(nèi)燃機(jī)不一樣工作方式?jīng)Q定原因 燃料熱值（混合氣熱值），既是內(nèi)燃機(jī)原理基礎(chǔ)之一，也是影響動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性“量”步驟主要原因之一(熱化學(xué)） 工質(zhì)熱力參數(shù)對(duì)循環(huán)熱效率有巨大影響，是決定內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性“質(zhì)”步驟主要原因 燃油組分對(duì)燃燒和排放有主要影響，是發(fā)動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足嚴(yán)格排放法規(guī)關(guān)鍵步驟之一講課內(nèi)容第一部分：動(dòng)力輸出與能量利用第1章 性能指標(biāo)與影響原因第2章 燃料、工質(zhì)與熱化學(xué)第

2、3章 工作循環(huán)與能量利用第4章 換氣過(guò)程與進(jìn)氣充量第5章 運(yùn)行特征與整車(chē)匹配第二部分：燃燒與排放第6章 燃燒基礎(chǔ)知識(shí)第7章 柴油機(jī)混合氣形成與燃燒第8章 汽油機(jī)混合氣形成與燃燒第9章 有害排放物生成與控制第10章 新燃燒方式與替換燃料動(dòng)力第2頁(yè)1.燃料及其理化特征2.汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式差異3.工質(zhì)及其熱力特征4.燃燒熱化學(xué)講課內(nèi)容第一部分：動(dòng)力輸出與能量利用第1章 性能指標(biāo)與影響原因第2章 燃料、工質(zhì)與熱化學(xué)第3章 工作循環(huán)與能量利用第4章 換氣過(guò)程與進(jìn)氣充量第5章 運(yùn)行特征與整車(chē)匹配第二部分：燃燒與排放第6章 燃燒基礎(chǔ)知識(shí)第7章 柴油機(jī)混合氣形成與燃燒第8章 汽油機(jī)混合氣形成與燃燒第9章

3、 有害排放物生成與控制第10章 新燃燒方式與替換燃料動(dòng)力第3頁(yè)分類(lèi)方法燃料種類(lèi)燃料按起源分礦物質(zhì)代用燃料壓縮天然氣（CNG），液化天然氣（LNG），液化石油氣（LPG）煤制甲醇，煤制二甲醚（DME），煤制柴油（CTL），天然氣制柴油（GTL）等生物質(zhì)代用燃料各種植物油，如菜籽油、豆油、棉籽油、棕櫚油、椰子油和葵花油等植物油或動(dòng)物油脂加工成酯類(lèi)化合物（生物柴油）生物燃料制柴油（BTL）植物或農(nóng)作物制取乙醇等按代用或著火方式分汽油（點(diǎn)燃）代用燃料CNG、LPG、甲醇、乙醇、氫氣等柴油（壓燃）代用燃料生物柴油，DME，CTL，GTL，BTL等按形態(tài)分氣體代用燃料氫氣，CNG，LNG，LPG，DME，

4、煤氣，沼氣等液體代用燃料甲醇，乙醇，生物柴油，BTL，CTL，GTL等固體代用燃料煤粉（與燃料油或乳化劑混合）按化學(xué)成份分烴類(lèi)代用燃料CNG，LNG，LPG，BTL，CTL，GTL等含氧代用燃料醇類(lèi)代用燃料甲醇，乙醇等醚類(lèi)代用燃料甲基叔丁基醚（MTBE），乙基叔丁基醚（ETBE），叔戊基甲醚（TAME），二甲醚（DME），二異丙基醚（DIPE），二正戊基醚（DNPE）等酯類(lèi)代用燃料生物柴油（甲酯），合成酯氫氣代用燃料氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)替換燃料分類(lèi)替換燃料除石油汽油、柴油以外烴類(lèi)/醇類(lèi)/醚類(lèi)/酯類(lèi)/氫氣等燃料第4頁(yè)Alkanes or Paraffins- single bonds between ca

5、rbons - CnH2n+2Alkenes or Olefins - one or more double bonds between carbons - CnH2nAlkynes or Acetylenes - one or more triple bonds between carbons - CnH2n-2烷烴 烯烴 炔烴 甲烷乙烷異辛烷乙烯丙烯丁二烯乙炔C-C單健CC雙健CC三健多鍵非飽和烴結(jié)合牢靠，不易斷鏈，不易自燃但不飽和烴安定性差，長(zhǎng)久存放輕易氧化變質(zhì)飽和烴，氧化安定性好；異構(gòu)體結(jié)構(gòu)緊湊, 不易斷鏈,不易自燃，理想汽油成份碳?xì)?hydrocarbon)燃料分類(lèi)第5頁(yè)碳?xì)?hyd

6、rocarbon)燃料分類(lèi)環(huán)烷烴 NapthenesC-C單健CnH2n環(huán)烷烴屬飽和烴，性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易斷鏈，不易氧化變質(zhì)，較為理想汽油組分芳烴 benzene苯toluene甲苯naphthalene萘環(huán)狀結(jié)構(gòu)緊湊, 不易斷鏈, 不易自燃Aromatics - one or more ring structures CnH2n-6/12第6頁(yè)Alcohols - contain one or more OH groups醇 甲醇乙醇燃料含氧促進(jìn)燃燒含氧(oxygenated)燃料分類(lèi)Ethers contain an oxygen atom connected to two alkyl o

7、r aryl groups (ROR)醚 甲醇二甲醚第7頁(yè)Esters - chemical compounds derived by reacting an oxoacid with a hydroxyl compound such as an alcohol酯含氧(oxygenated)燃料分類(lèi) （植物油/脂肪酸 ） （甲醇） （植物油甲酯/生物柴油） （甘油） 自學(xué)含氧燃料理化特征 第8頁(yè)烴燃料分子結(jié)構(gòu)、成份與理化特征1) 烴燃料結(jié)構(gòu)對(duì)理化特征影響 鏈與環(huán) 環(huán)化學(xué)穩(wěn)定性好，不易自燃 直鏈與支鏈(或正烷與異烷)支鏈(異烷)化學(xué)穩(wěn)定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18辛烷值分別

8、為0和100) 單鍵和多鍵多鍵非飽和烴不易斷鏈，不易自燃，但安定性差，貯存中易氧化結(jié)膠(如烯烴)燃料抗爆性比較：1) 環(huán)烷烴 正烷烴2) 烯烴 正烷烴3) 異烷烴 正烷烴4) 芳香烴 烷烴/烯烴第9頁(yè)烴燃料分子結(jié)構(gòu)、成份與理化特征燃料自燃性比較：1) 環(huán)烷烴 正烷烴2) 烯烴 正烷烴3) 芳香烴 烷烴/烯烴4) 1-甲基奈 壓不著1) 烴燃料結(jié)構(gòu)對(duì)理化特征影響 鏈與環(huán) 環(huán)化學(xué)穩(wěn)定性好，不易自燃 直鏈與支鏈(或正烷與異烷)支鏈(異烷)化學(xué)穩(wěn)定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18辛烷值分別為0和100) 單鍵和多鍵多鍵非飽和烴不易斷鏈，不易自燃，但安定性差，貯存中易氧化結(jié)膠(如烯烴)

9、第10頁(yè)烴燃料成份、分子結(jié)構(gòu)與理化特征2) 烴燃料成份對(duì)理化特征影響 C原子數(shù) C越多，化學(xué)穩(wěn)定性差，著火溫度低，易自燃；但物理穩(wěn)定性也好，不易氣化 H/C比 燃料熱值由H/C比決定, 因?yàn)镠比C熱值高 (約3.7:1)，柴油H/C 汽油H/C 柴油Hu (42500kJ/kg) 柴油Hum H/C大，則排放特征好： CCO、CO2 有害 HH2O 無(wú)害CNG、LPGH含量高(0.25和0.182)，所以其CO、黑煙、微粒、CO2低于汽、柴油 H/C越大，燃料越清潔第11頁(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料主要技術(shù)指標(biāo)1) 自燃性：可燃混合氣在一定溫度、壓力條件下自行著火燃燒能力 自燃性對(duì)柴油尤其主要，自燃性差，則起

10、動(dòng)性差，工作粗暴 十六烷值是評(píng)價(jià)柴油自燃性好壞指標(biāo)十六烷值Cetane C16H34HCCHHHH. . . . . . .HCCHHHHCetane NumberCN = 100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3Cetane NumberCN = 0 甲基萘 Methylnaphthalene C11H10 第12頁(yè)燃油十六烷值測(cè)量CFR engine was developed by the American Cooperative Fuel Research Committee.燃料研究聯(lián)合協(xié)會(huì)Waukesha Engine: F5 - Cetane Method Diesel F

11、uel Rating Unit第13頁(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料主要技術(shù)指標(biāo)2) 抗爆性：燃料不發(fā)生爆燃(Knocking)能力 抗爆性對(duì)汽油來(lái)說(shuō)非常主要，希望自燃性差，抗爆性好 辛烷值是評(píng)價(jià)汽油抗爆性好壞指標(biāo)CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH異辛烷Iso-OctaneC8H18 Octane Number 100ON100正庚烷n-HeptaneC7H16 Octane Number 0ON0CCCCCHHHHHHHHH第14頁(yè)辛烷值馬達(dá)法和研究法測(cè)量RON MON燃料敏感性Sa RONMON抗爆指數(shù)Ai=(RON+MON)/2MON與RON，誰(shuí)試驗(yàn)條件更苛刻？CN60.96-0.56MONCN

12、68.54-0.59RON 調(diào)整壓縮比蝸桿軸專(zhuān)用帶有爆震傳感器可變壓縮比單缸發(fā)動(dòng)機(jī)：缸徑/沖程85/115第15頁(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料主要技術(shù)指標(biāo)3) 蒸發(fā)性(1) 飽和蒸氣壓：在要求條件下燃油和燃油蒸氣到達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)，燃油蒸氣壓力(Reid飽和蒸氣壓 RVP) 蒸氣壓高，說(shuō)明燃油中輕質(zhì)組分多，發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能好，混合氣形成速度快，有利于燃燒 蒸氣壓過(guò)高，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中易產(chǎn)生蒸發(fā)損失，著火危險(xiǎn)性大；也輕易在燃油供給系統(tǒng)中形成“氣阻Choking”10個(gè)碳原子以上烴類(lèi)飽和蒸氣壓靠近于0柴油蒸氣壓靠近0夏季蒸氣壓(3月8月)： 65 kPa冬季蒸氣壓(9月2月)： 88 kPa第16頁(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料主要技術(shù)

13、指標(biāo)3) 蒸發(fā)性(2) 餾程：燃油在要求條件下蒸餾出某一百分比溫度(范圍) 初餾點(diǎn) 燃料中含有最輕餾分沸點(diǎn)，但不能判斷輕餾分含量 10餾程(T10) 燃料中含有輕餾分大約數(shù)量，反應(yīng)汽油機(jī)冷起動(dòng)性 50餾程(T50) 燃料平均蒸發(fā)性能，反應(yīng)汽油機(jī)工作穩(wěn)定性 90餾程(T90) 燃料中重質(zhì)餾分含量，反應(yīng)汽油機(jī)燃燒完全性 干點(diǎn)（終餾點(diǎn)） 燃料中含有最重餾分沸點(diǎn)駕駛性指數(shù) 蒸發(fā)駕駛性指數(shù) 第17頁(yè)每噸石油能產(chǎn)出油品百分比基本是一定(中國(guó)柴:汽=2:1),這一百分比也決定了二者誰(shuí)也不可能淘汰對(duì)方不一樣餾程碳?xì)涑煞菁袄砘卣鞯?8頁(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料主要技術(shù)指標(biāo)4) 低溫流動(dòng)性液體燃料低溫流動(dòng)性是指在低溫條件下，

14、燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)中能否順利地進(jìn)行泵送和經(jīng)過(guò)燃料過(guò)濾器，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常供油。 “濁點(diǎn)”是油品在要求冷卻過(guò)程中，開(kāi)始析出石蠟結(jié)晶最高溫度。 “冷濾點(diǎn)”是在200mm水柱抽力下，1min內(nèi)20mL油樣不能完全經(jīng)過(guò)一個(gè)350目金屬濾網(wǎng)過(guò)濾器時(shí)最高溫度。 “傾點(diǎn)”是燃料在要求冷卻過(guò)程中，能夠流動(dòng)最低溫度。 “凝點(diǎn)”是燃料在要求冷卻過(guò)程中，石蠟結(jié)晶析出、長(zhǎng)大，相互連接成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把油包在其中，使油失去流動(dòng)性最高溫度。我國(guó)采取凝點(diǎn)作為柴油標(biāo)號(hào)：10、5、0、-10、-20、-35、-50傾 點(diǎn)第19頁(yè)燃油組分與排放1) 硫(Sulfur) 硫天然存在于原油中。硫可顯著地降低催化轉(zhuǎn)化器中催化劑

15、功效，同時(shí)在高溫條件下對(duì)氧傳感器造成不良影響。高硫燃油會(huì)使車(chē)載診療系統(tǒng)(OBD)失靈，使催化轉(zhuǎn)化器監(jiān)控裝置發(fā)送錯(cuò)誤診療碼，并向司機(jī)發(fā)犯錯(cuò)誤故障信號(hào)。2) 烯烴(Olefins) 烯烴是汽油提升辛烷值理想成份。不過(guò)因?yàn)橄N有熱不穩(wěn)定性，造成它易形成膠質(zhì)，并沉積在進(jìn)氣系統(tǒng)中，影響燃燒效果，增加排放?；顫娤N蒸發(fā)排放到大氣中會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)光化學(xué)污染。3) 芳烴(Aromatics) 芳烴通常是汽油高辛烷值組分，含有高能量密度。不過(guò)，芳烴會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生沉積物，增加尾氣排放，包含CO2。4) 苯(Benzene) 苯是原油中天然組分，也是催化重整產(chǎn)物。盡管是高辛烷值組分，不過(guò)苯是一個(gè)致癌物

16、質(zhì)。第20頁(yè)世界燃油規(guī)范汽油質(zhì)量要求第21頁(yè)世界燃油規(guī)范柴油質(zhì)量要求第22頁(yè)中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)“油品與清潔燃料”分會(huì)第23頁(yè)1.燃料及其理化特征2.汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式差異3.工質(zhì)及其熱力特征4.燃燒熱化學(xué)講課內(nèi)容第一部分：動(dòng)力輸出與能量利用第1章 性能指標(biāo)與影響原因第2章 燃料、工質(zhì)與熱化學(xué)第3章 工作循環(huán)與能量利用第4章 換氣過(guò)程與進(jìn)氣充量第5章 運(yùn)行特征與整車(chē)匹配第二部分：燃燒與排放第6章 燃燒基礎(chǔ)知識(shí)第7章 柴油機(jī)混合氣形成與燃燒第8章 汽油機(jī)混合氣形成與燃燒第9章 有害排放物生成與控制第10章 新燃燒方式與替換燃料動(dòng)力第24頁(yè)1) 混合氣形成方式不一樣汽油易氣化，缸外低壓噴射蒸發(fā)，與空

17、氣形成預(yù)制均質(zhì)混合氣柴油難氣化，缸內(nèi)高壓噴霧成細(xì)小液滴，與空氣形成非均質(zhì)(分層)混合氣2) 著火及燃燒方式不一樣汽油難自燃，易點(diǎn)燃(SI)，用高壓電火花點(diǎn)燃 預(yù)混燃燒，火焰?zhèn)鬏??？稍赼 =1條件下完全燃燒柴油難點(diǎn)燃，易壓燃(CI) 擴(kuò)散燃燒，即邊噴-邊混-邊燃，為了完全燃燒， 必須a 1.0（1.2）3) 負(fù)荷調(diào)整方式不一樣汽油機(jī)預(yù)混合， a基本保持不變，量調(diào)整柴油機(jī)分層混合， a改變范圍大（0），質(zhì)調(diào)整汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式差異homogeneous mixturestratified mixture思索：柴油能采取點(diǎn)燃方式嗎？汽油能采取壓燃方式嗎？第25頁(yè)MixtureHomogeneou

18、s 均質(zhì)混合氣 SparkIgnition 火花點(diǎn)火 MixtureStratified 分層混合氣 CompressionIgnition 壓縮著火 SI 常規(guī)汽油機(jī) HCCI GDI CI 柴油機(jī) 內(nèi)燃機(jī)混合氣形成和燃燒模式組合Gasoline Direct Injection 汽油缸內(nèi)直噴 Homogeneous Charge Compression Ignition 均質(zhì)充量壓燃 第26頁(yè)1.燃料及其理化特征2.汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式差異3.工質(zhì)及其熱力特征4.燃燒熱化學(xué)講課內(nèi)容第一部分：動(dòng)力輸出與能量利用第1章 性能指標(biāo)與影響原因第2章 燃料、工質(zhì)與熱化學(xué)第3章 工作循環(huán)與能量利用第

19、4章 換氣過(guò)程與進(jìn)氣充量第5章 運(yùn)行特征與整車(chē)匹配第二部分：燃燒與排放第6章 燃燒基礎(chǔ)知識(shí)第7章 柴油機(jī)混合氣形成與燃燒第8章 汽油機(jī)混合氣形成與燃燒第9章 有害排放物生成與控制第10章 新燃燒方式與替換燃料動(dòng)力第27頁(yè)工質(zhì)主要熱力參數(shù) 比熱容與比熱容比(等熵指數(shù)) cp, cV 隨溫度T上升而增加 k 隨溫度T上升而下降 由分子物理學(xué)可知：分配到分子每一個(gè)自由度熱量是相同,則分子自由度(原子數(shù))，cp和cV，k k越大，cp和cV越小，相同加熱量下，工質(zhì)溫升越高，循環(huán)熱效率高第28頁(yè)1.燃料及其理化特征2.汽油機(jī)與柴油機(jī)工作模式差異3.工質(zhì)及其熱力特征4.燃燒熱化學(xué)講課內(nèi)容第一部分：動(dòng)力輸出

20、與能量利用第1章 性能指標(biāo)與影響原因第2章 燃料、工質(zhì)與熱化學(xué)第3章 工作循環(huán)與能量利用第4章 換氣過(guò)程與進(jìn)氣充量第5章 運(yùn)行特征與整車(chē)匹配第二部分：燃燒與排放第6章 燃燒基礎(chǔ)知識(shí)第7章 柴油機(jī)混合氣形成與燃燒第8章 汽油機(jī)混合氣形成與燃燒第9章 有害排放物生成與控制第10章 新燃燒方式與替換燃料動(dòng)力第29頁(yè)燃燒熱化學(xué)要處理問(wèn)題：燃燒需要多少空氣；發(fā)出多少熱量；燃燒前后工質(zhì)改變 設(shè)1kg燃料中有g(shù)C千克C、gH千克H、gO千克OH燃燒需要氧氣是C三倍C燃燒后體積不變H燃燒后體積增大第30頁(yè)燃燒熱化學(xué)1) 燃料完全燃燒所需空氣量設(shè)：(1) 1 kg燃料完全燃燒需要O2為：而O2在空氣中質(zhì)量百分比

21、為23.2%，即需空氣量為（實(shí)際中是測(cè)量空氣流量） ：也稱(chēng)之為 “質(zhì)量化學(xué)計(jì)量比”（mass stoichiometric ratio）第31頁(yè)燃燒熱化學(xué) (2) 1 kg燃料完全燃燒需要O2摩爾(mol)為：而O2在空氣中摩爾百分比為21.0%，即需空氣量為：也稱(chēng)之為 “摩爾化學(xué)計(jì)量比”（mole stoichiometric ratio）2) 分子改變系數(shù)汽油機(jī) 1.071.12 柴油機(jī) 1.031.06，因?yàn)椋?汽油H含量大，燃后體積增大多一些 柴油機(jī)a大，有些空氣不參加反應(yīng)，其前后體積不變第32頁(yè)3) 殘余廢氣(residual gas)系數(shù)殘余廢氣系數(shù)r是進(jìn)氣過(guò)程結(jié)束時(shí)，缸內(nèi)殘余廢氣量與新鮮充量質(zhì)量比:式中，mr每循環(huán)每缸殘余廢氣質(zhì)量 m1每循環(huán)每缸新鮮充量質(zhì)量 普通無(wú)廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation,簡(jiǎn)稱(chēng)EGR）機(jī)型r值范圍以下： 汽油機(jī)：0.060.16，柴油機(jī)：0.030.06 增壓柴油機(jī)：0.000.03 汽油機(jī)r偏高是因?yàn)樾?，壓縮容積大， 低負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣節(jié)流強(qiáng)使新