《燃燒技術》第四章燃料與燃燒

第四章燃料與燃燒§4-1發(fā)動機的燃料§4-2燃料的使用性能§4-3燃燒熱化學§4-4燃燒的基本知識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?！?-1內燃機燃料及其提煉一、石油中烴的分類及性質傳統(tǒng)燃料：汽油、柴油石油中提煉；石油：碳氫化合物主要成分：C，H；少量的S，O2，N2

分子式：CnHm——烴類代用燃料：CNG、LPG、DME、H2、醇類等由烴分子C原子數的不同，其分子量、沸點不同；構成不同性質的燃料。燃料根據不同沸點分餾依次得到：石油氣汽油煤油柴油渣油C1~C4：氣態(tài)——石油氣，相對分子質量16~58；C5~C23：液態(tài)，其中：

C5~C11：50~200℃，汽油，分子質量95~120；

C11~C19：180~300℃，煤油，100~180；

C16~C23:250~360，輕、重柴油，180~200C23以上：360℃以上，渣油，220~2801.碳原子數的影響表4-1烴分子中碳原子數對烴性質的影響輕質易揮發(fā)粘度增大化學穩(wěn)定性變好易自燃易點燃碳，氫原子數和排列位置對燃料性質影很大：1）烷烴：分子式：CnH2n+2；化學結構：直鏈特點：飽和開鏈式，含C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，高溫易分解，自然性好—柴油的好成分；2）烯烴：分子式：CnH2n

；

化學結構：-C=C-;-C=C-C-C--C-C-C-C-；-C-C-C-C-CC支鏈(熱穩(wěn)定)直鏈2.分子的化學結構對性能的影響特點：非飽和開鏈式，自發(fā)火性差，汽油的成分；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：CnH2n-2

；化學結構：—CC—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。4）環(huán)烷烴：分子式：CnH2n;

化學結構：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。-C—C--C—C-環(huán)丁環(huán)5）芳香烴：CnH2n-6；基本化合物是苯：C6H6;

石油中含量少，分子結構堅固；熱穩(wěn)定性高，高溫下不易破裂；汽油的良好的抗爆劑；石油煉制中產生。其中，-甲基萘：C11H10，其抗爆性認為100%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：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這一部分燃料油約占原油的25%~40%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；加氫精制：將蒸餾后的重油等一些高分子成分用不同手段裂解為分子量較輕的成分。

熱裂解：工藝簡單；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)烷烴異構物烴和芳香烴；副產品氫氣可作為加氫工藝的氫氣來源。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，滿足油品的更高要求。為獲得高品質燃料，常采用加氫精制或催化重整工藝。三、代用燃料及其特性1、氣體燃料NG：自由態(tài)或與石油共存的天然氣，主要成分是甲烷,CH4;成為第三大支柱能源。汽車上的應用：壓縮天然氣(CNG)，20MPa存于高壓氣瓶中；液化天然氣(LNG)，-162℃低溫液化儲存；其密度為常態(tài)下氣體密度的600倍；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主要成分：丙烷/丙烯/丁烷/丁烯及其異構物。天然氣燃料的優(yōu)點：主要成分是甲烷，CO、HC排放少，燃料中不含硫的成分，SO2排放量低于電動汽車。辛烷值高達130，可提高壓縮比熱效率。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。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，一次充氣可行駛距離短。儲氣壓達20MP，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低，功率降低近10%用于汽車的三種形式：

CNG—以20MPa壓縮儲存；液化天然氣LNG—-162℃以下儲存；

吸附天然氣ANG—吸附材料2.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。乙醇：從含淀粉和糖的農作物中制取。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。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。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。原料來源廣泛，可再生，有較好的燃料特性3.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(乙)酯組成的新型燃料。具有與柴油相近的性能。特點：環(huán)保性優(yōu)良。含S低，不含芳香烴，保持CO2平衡。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，可大大減輕意外泄漏時對環(huán)境的污染安全性好。可再生。資源不會枯竭。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)。光合作用自然循環(huán)一、柴油高速柴油機：輕柴油；中低速柴油機：重柴油1.柴油性能的評價指標：1）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；

標準燃料：十六烷與-甲基萘不同比例制成的混合液；規(guī)定自燃性：十六烷：100%；-甲基萘：0%§4-2傳統(tǒng)燃料的使用特性定義：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。

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;

直鏈烷烴類、分子量、C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;

但，分子量增加，蒸發(fā)性變差，粘度增加，冒黑煙，經濟性惡化。一般，十六烷值：45~65，不要過大過大：冒煙過?。翰灰字鹑剂现胁煌煞謱瘜W安全性的影響

2）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：餾出50%的溫度T50：表示平均蒸發(fā)性；

T50低，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。餾出90%或95%溫度T90或T95：表明柴油中難以蒸發(fā)的重質成分含量；主要影響燃燒完全經濟性。3）粘度：表示燃料分子間的內聚力抵抗分子間相對運動的能力；評定柴油的稀稠度，影響燃料的流動性和噴霧質量;

溫度高，粘度小，流動性強；反之相反。4）熱值：1kg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，評定柴油的低溫流動性。柴油牌號用凝點表示。如：RC10，RC0，RC-10，RC-20，RC-30等。二、汽油1.汽油性能的評價指標：1）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。

測定方法：專用試驗臺，壓縮比可變標準燃料：正庚烷—易爆震，辛烷值為0%；異辛烷—抗爆性好，辛烷值為100%

按不同比列混合而成。試驗方法不同：研究法和馬達法——n和溫度Tb不同定義：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。實驗n及混合氣Tb馬達法>研究法汽油辛烷值：取決于汽油組成、煉制方法、添加劑；辛烷值的高低：烷烴<烯烴<環(huán)烷烴<芳烴2）餾程：指汽油餾出的溫度范圍，評價蒸發(fā)性。試驗方法：加熱器，量筒，冷凝器，溫度計初餾點：第一滴凝結的燃料流入量筒時的溫度。航空汽油車用汽油煤油輕柴油燃料蒸餾曲線10%餾出溫度T10：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；過低，易產生“氣阻”現象50%餾出溫度T50：評價平均蒸發(fā)性，影響暖車、加速性，工作穩(wěn)定性。90%餾出溫度T90：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。汽油的牌號：表示其辛烷值大小。根據壓縮比選用牌號三、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汽油揮發(fā)性強：低溫度下，充分蒸發(fā)；在缸外形成混合氣，時間充足均勻混合氣；用混合氣充量，控制發(fā)動機功率——量調。柴油蒸發(fā)性差：200℃開始餾出，350℃結束粘性大，不能低溫下形成混合氣；

故用噴嘴強制霧化，在缸內形成混合氣；進氣量不變，噴油量調節(jié)功率——質調50℃餾出，200℃蒸發(fā)完純空氣2.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：

采用外部能源點燃的方式——點火系；

點火后，混合氣均勻，火焰?zhèn)鞑シ绞饺紵?；為防自燃，壓縮比不宜高柴油自燃點低，點燃溫度高：采用壓縮自燃方式；

為促進自燃，壓縮比不宜過低；

混合氣不均勻，預混合燃燒和擴散燃燒。燃燒時間延長§4-3燃燒熱化學了解燃燒過程，燃料、空氣及產物及其數量關系一、1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量

設燃料主要成分：C、H、O；各元素的質量成分

空氣成份：O2（21%）、N2（79%）；則完全燃燒時的化學反應方程方式：引入kmol：以kg為單位的某元素數量等于其分子量1kg燃料（gc+gH+gO）完全燃燒時所需氧的kmol數：所需要的理論空氣量：二、過量空氣系數：評價混合氣的性質

定義：另：空然比=A/F；當量比=(A/F)0/(A/F)=1/a

a=1或A/F=14.9——理論混合氣

a<1或A/F<14.9——濃混合氣

a>1或A/F>14.9——稀混合氣a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。汽油機：a=0.8~1.2

電控+三效催化裝置后：

控制在a=1附近柴油機：am=1.2~1.6

增壓柴油機：

am=1.8~2.2柴油汽油電控+三效三、a>1時完全燃燒的產物

1）燃燒前混合氣量汽油機：柴油機：

2）燃燒后的產物:因a>1;

產物為CO2和H2O，以及未燃的N2、剩余O2

所以，噴入缸內的燃料體積<空氣的1/10000

3）燃燒后工質摩爾數的增量：由燃燒前后產物4）理論分子變更系數0：C/H化合物構成的液體燃料燃燒后0>1四、燃料的熱值、混合氣熱值1）燃料的熱值：定義：1kg燃料完全燃燒所放出的熱量。

低熱值：產物中H2O以水蒸氣狀態(tài)存在；高熱值：產物中H2O以液體狀態(tài)存在。2）混合氣熱值：單位混合氣完全燃燒所放出的熱量設1kg燃料形成的混合氣量為M1，燃料低熱值h;則，氣化潛熱§4-4燃燒的基本知識燃燒過程：著火階段燃燒準備過程

燃燒階段放熱過程

一、著火理論著火過程：指混合氣自動加速反應，產生升溫，最終某一時刻某一位置出現火焰的過程。特點：有明顯的光和火焰效應著火理論(方式)：著火熱理論

鏈鎖反應理論

點燃自燃理論1、著火的熱理論加熱一充滿空氣和燃料混合氣的容器受熱燃料分子和氧分子動能而相撞活化分子相撞能量>反應活化能E時，打破化學鍵而引起化學反應設：容器中總分子數n；超過活化能E的活化分子數n*；則按照能量分配定律：R：氣體常數；E：活化能；T：絕對溫度可見，T時，活化分子所占比例，化學反應加速反應速度v：單位時間單位體積中出現的氧化產物的分子數，與n*/n成比例，即又燃料氧化反應放熱速率與氧化反應速度成比例：C2：與分子的反應熱及氣體的壓力有關的系數反應時單位時間內向容器壁的傳熱量為：A:與容器材料、形狀及氣體導熱率有關的系數放熱率=傳熱率

放熱率<傳熱率熱不能積累

dq1/dt>dq2/dt，反應可繼續(xù)，但v

Tc著火溫度Tc=臨界溫度反應壓力的影響：容器不變，壓力，混合氣密度，雖n*/n不變，但混合氣中n*的絕對數；反應速度；氧化反應放熱量；

dq1/dt>dq2/dt；熱量積累著火。結論：TC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；同一種燃料，因條件不同，著火溫度不同。臨界Tc與壓力pc明顯影響著火域；pc低時需要Tc。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值時，無論在什么濃度下，均不能著火。上限下限在低溫、低壓區(qū)著火規(guī)律與高溫區(qū)完全不同存在著火半島。藍焰期：甲醛的支鏈反應而產生CO；輝光較強，p、T；持續(xù)期短熱焰期:CO+氧生成CO2爆炸性熱火焰，釋放大量熱冷焰:過氧化物分解成甲醛,并積累低溫多階段著火冷焰誘導期1:T低反應緩慢，形成過氧化物烴燃料低溫下著火過程(光譜分析)：冷焰2－藍焰3－熱焰4三個階段。烴燃料低溫低壓時的著火規(guī)律：退化支鏈反應的結果低溫多階段著火。烴燃料高溫時：甲醛退化支鏈反應不經過冷焰期，而直接進入藍焰-熱焰期，因藍焰-熱焰期很難區(qū)分高溫單階段著火。高溫單階段著火高溫時：甲醛退化支鏈反應不經冷焰，直接進入藍焰-熱焰期。2、

鏈鎖反應自燃著火理論烴的氧化反應：始末最終燃燒產物，經一些列中間產物反應的結果；中間產物形成過程活性中心、反應物再生鏈鎖反應自由原子或自由基H、O、OH等鏈鎖反應機理：鏈引發(fā)：反應物受某種因素的激發(fā)，而產生的自由原子或自由基——具有很強的反應能力；鏈傳播：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；

直鏈反應：一個自由原子生成新的一個自由原子，反應恒速;

支鏈反應：一個活性中心同時生成兩個以上的活性中心，反應加速引爆鏈中斷：活性中心與缸壁、惰性氣體相碰撞—無效碰撞，不再引致反應。鏈鎖反應特點：1）誘導期i：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;3）反應自動加速；隨溫度急劇增高（A~B）;隨反應度濃度的減少而降低（B~C）4）加入惰性氣體時，反應速度迅速下降；而加入添加劑時：使反應速度加速。與反應物物性參數、濃度、溫度、容器形狀有關

3、點燃：指用電火花產生火焰核心并引起火焰?zhèn)鞑サ倪^程點火過程：靠火花能量局部混合氣升溫引起電離形成活性中心加速化學反應形成火焰核。火焰成長、傳播的必要條件：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；電極形狀，距離等的影響。電極間隙與點火能量關系：電極間隙過大需點火能量越大；間隙過小能量在大也不能著火。熄火距離：指不能著火的最小電極間隙?；旌蠚鉂舛认拗疲撼鲋鸾缦?，不能著火。汽油機循環(huán)變動：火焰核形成過程中條件的隨機性造成?；鹧媲颁h燃燒區(qū)二、內燃機的燃燒方式1、預混合燃燒特點：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不均勻。局部點燃后形成火焰核，在預混合氣中以火焰?zhèn)鞑バ问酵瓿扇紵^程。任一時刻溫度大小分布:已燃區(qū)>燃燒區(qū)>未燃區(qū)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。1）層流火焰?zhèn)鞑?特點：火焰前鋒為球面，且很薄=1/10mm~1/100mm

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;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；

造成火焰空間移動現象火焰?zhèn)鞑ビ绊憣恿骰鹧鎮(zhèn)鞑サ囊蛩兀荷蒆C的主要原因混合氣性質：

當a=0.8~0.9時，反應溫度高，傳播速度最快；

當a==1~1.15時，傳播速度約降低10%~15%；

過濃或過?。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；如氣缸間隙、火花塞縫隙等火焰不能傳播；溫度：火焰?zhèn)鞑サ奖诿鏁r，T過低不能傳播。汽油機一般：2）湍流火焰?zhèn)鞑?/p>

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。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而造成。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?？臻g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湍流尺度：指渦旋翻滾一個周期所作用的范圍宏觀湍流：決定其力學性質；微觀湍流：在流體的粘性作用下將湍流能轉化為熱能而消失。宏觀微觀分子運動熱能湍流強度：用脈動速度的均方根來表示湍流的能量，主要影響湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｍ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，但層流火焰前鋒結構不變；微觀湍流：加強傳質傳熱（擴散）—相對層流導熱系數增大100倍，由此提高紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。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，縮短反應時間，提高放熱速率。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?、擴散燃燒：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，故，后續(xù)噴入的燃料邊混合邊燃燒。擴散燃燒時缸內溫度很高，只要燃料與空氣混合，其化學反應就很快進行。擴散燃燒過程完全取決于燃料和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：可燃混合氣、空氣和燃燒產物。1）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)：表面形成濃度梯度著火條件：濃度，溫度適當；著火后的燃燒過程：取決于燃料與空氣的擴散速度；當火焰包圍燃料時：造成高溫缺氧，形成碳煙。擴散燃燒特點：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；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），適當溫度條件即燃油蒸汽和空氣的燃燒。所以，燃料的霧化、蒸發(fā)及氣流特性起決定性作用。

2）噴霧燃燒：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。實際噴霧過程，由大大小小油滴組成預混合燃燒與擴散燃燒同時存在。高壓噴射化：噴霧質量得到改善噴入后缸內直接霧化，混合氣形成速率。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3．稀薄混合氣的均質低溫壓燃C/H燃料燃燒結果：高溫高壓對外做功

產物：CO、HC、NOx、PM污染環(huán)境對車用內燃機燃燒過程的要求：高效率、超低排放高效率：經濟性，節(jié)能；CO2超低排放：NOx

、CO、HC、PM措施：高效率化燃燒完全、及時低排放化稀薄、低溫燃燒高效率超低排放的