内燃机原理课件notes-3.doc

内燃机原理 第三章 燃料与燃烧热化学第三章 燃料与燃烧热化学a) 缸内工质是热力循环中热功转换的传递物，其各种热力参数对循环热效率有着巨大影响；b) 缸内燃料与空气组成的可燃混合气是发动机能量输出的源泉，燃料的热值特别是可燃混合气的热值是决定动力经济性能“量”的环节中的主要因素；c) 燃料的理化特性在很大程度上决定了混合气形成、着火燃烧以及发动机负荷调节模式，对有害排放物的成分和数量产生影响。3.1 燃料及其理化特性一. 汽车发动机的常规燃料与代用燃料常规燃料：汽油和柴油 气体代用燃料：CNG，LPG，H2 按燃料物态分 液体代用燃料：甲醇，乙醇，动、植物油代用燃料 固体代用燃料：煤粉 除汽、柴油外的烃燃料 按化学成分 含氧燃料二. 石油燃料及其特性1 石油中烃的分类石油的主要成分是C、H两种元素，含量约占97%98%，还含有少量的硫、氧、氮及微量元素氯、碘、砷和钠等。石油中的C、H不是单质存在，而是组成不同的碳氢化合物即烃。按化学结构，烃分如下四类：1) 烷属烃特点 a) 每个碳原子的价键上都被H原子充满，因此称为饱和链状烃；b) 随碳原子数目增加，烷属烃的状态从气态 液态 固态。一般，在常温下，甲戊烷为气体，己十六烷为液体，十六烷以上为固体，即石蜡；c) 在常温下化学性质比较稳定，超过3000C时，容易产生过氧化物。C链愈长，形成过氧化物的倾向愈大，在汽油机上愈易产生爆然。此外，烷属烃中还有异构体的结构，如异辛烷。异辛烷+正庚烷用于测汽油的辛烷值。异构体比正构体结构紧凑，在高温下不易形成过氧化物，因而在汽油机上不易形成爆燃，适合作汽油机的燃料。2) 烯属烃特点 a) 为不饱和链状烃；b) 在常温下依C原子的不同，以气体、液体、固体形态存在；c) 在常温下化学稳定性较差，长期保存易产生胶质，在高温下形成过氧化物倾向小，适合作汽油机的燃料，但热值较低，着火性能差。3) 环烷烃特点：形成过氧化物的倾向小，自然温度高，在汽油中占有一定的比例。4) 芳香烃特点 a) 具有双价键和环状机构， b) 不易氧化成氧化物，抗爆性极强，自然温度高，凝点高（50C左右）。2 汽油及柴油的使用性能1) 汽油的使用性能a) 汽油的挥发性：表示液体燃料汽化的倾向。通常以汽油的蒸馏曲线相对地评价汽油的挥发性。馏出10%温度：标志着汽油机的起动行，10%温度低，冷车起动容易，但易受发动机高温零件的加热变成蒸汽在管路中形成“气阻”现象，使发动机断火，从而影响其正常运转。馏出50%温度：标志着汽油的平均蒸发性，影响着发动机的暖车时间、加速性及工作稳定性。此温度低，汽油的挥发性好，暖车时间短，从低负荷向高负荷过度时，能及时供给所需的混合气。馏出90%温度：标志着燃料中含难于挥发的重质成分的数量，此温度低，含重质成分少，进入气缸中能够完全挥发，有利于燃烧过程的进行。b) 汽油的抗爆性：燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力评定汽油的抗爆性指标是辛烷值。辛烷值分道路辛烷值、马达法辛烷值和研究法辛烷值。2) 柴油的使用性能a) 柴油的低温流动性混浊点：柴油中的高分子烷属烃（即石蜡）和燃料中夹杂的水分开始析出并结晶的温度。凝固点：柴油完全凝固时的温度。柴油以凝固点作标号。b) 柴油的雾化性：通常用黏度表示柴油的雾化性。c) 柴油的蒸发性：同汽油柴油机的自然性：自然性指标为十六烷值（一般为406065），此值越高，表明柴油的自行发火温度低，着火落后时间短，适合于高速柴油。（十六烷值用十六烷和甲基萘的标准燃料测试）3 传统汽油机、柴油机工作模式的差异由于汽油和柴油在成分及主要性能指标上的差异，使传统汽油机、柴油机在混合气形成、负荷调节方式以及着火燃烧模式上存在一系列差别，因而导致了两种机型在性能上的差异。1) 混合气形成方式的差异汽油沸点低，蒸发性能好，因而在常温和稍加热的条件下易于在缸外与空气形成预制均匀混合气；而柴油沸点高（1803600C），不适于在缸外混合。2) 着火、燃烧模式的差异汽油机实行缸外预制均匀混合气后，只能适用外源强制点火，在混合气中进行火焰传播燃烧。若采用压燃，会出现爆燃，且由于燃点高，着火准备时间长，即便实行喷雾压燃也是不合理的。3) 负荷调节方式的差异由于混合气形成方式上的差异，均匀混合气能点燃的过量空气系数范围小，因而只能靠变化节气门的开度，控制混合气进气量来调节负荷，即负荷的“量”调节。而柴油机在较大范围的过量空气系数条件下都可压燃着火，所以靠循环喷油量的多少调节负荷，而循环进气量基本不变，即负荷的“质”调节。三. 气体燃料1 天然气天然气主要成分是甲烷，还含有乙、丙、丁烷以及CO2。天然气与汽油、柴油相比，燃烧时的理论混合低热值及火焰温度等接近于汽油，辛烷值高于110，抗爆性优于汽油。2 氢气是一种取之不尽用之不竭的燃料，其单位质量热值在所有燃料中是最高的，有较宽的着火界限，火焰传播速度高，缺点是存储容积大，难于保存。3 液化石油气常温常压下是一种无色、无毒、无味的气体，主要成分是丁烷（占62%72%）；与汽油相比，汽化潜热高，相同压缩比时，压缩终点压力低，温度低，着火温度高，冷起动性及加速性差，沸点低（00C），在进气管中已雾化好，因而充量系数小。四. 液体燃料1 醇类燃料：甲醇，乙醇。特点是：辛烷值高、热值低，HC和CO 排放低。2 植物油燃料：菜籽油、棉籽油、花生油、蓖麻油、桐油、桉树油等。特点是：雾化性差，燃烧不完全，严重积碳，自然性低。3.2燃烧热化学一. 燃烧前后的工质变化1 燃料完全燃烧所需空气量组成发动机燃料的主要元素成分是碳（C）、氢（H）和氧（O），其它成分较少，计算时可略去。设1kg燃料中各元素质量组成为：式中，gc、gH、gO分别为1kg燃料中C、H、O的质量。C、H与空气中的氧完全燃烧生成CO2和H2O的组分间的化学反应方程式为：C + O2 CO2 H2 + 0.5 O2 H2O 12kg 32kg 44kg 2kg 16kg 18kg gc gc gc gH 8gH 9gH12kg 1kmol 1kmol 2kg kmol 1kmolgc gc gc gH gH gH1kg燃料完全燃烧所需的氧气量为：gc + 8gH -gO kg / kg 燃料已知氧占空气量的23.2%，于是，1kg燃料完全燃烧所需的空气量l0为l0 = （gc + 8gH -gO ） kg / kg 燃料 （2-1）L0 = （gc + gH -gO） kmol / kg 燃料 （2-2）l0=14.8 L0=0.512 (汽油)l0=14.3 L0=0.495 （柴油）2 燃烧前后工质摩尔值变化及分子变化系数燃烧前吸入的空气量为： kmol / kg 燃料 （柴油机） kmol / kg 燃料 （汽油机）式中，1/mT 燃料蒸汽的摩尔值燃烧后的工值摩尔值为：- 0.21L0 +gc + gH kmol / kg 燃料 -（gc + gH -gO）+gc + gH + gH + gO工质摩尔值的变化量：=gH + gO （柴油） （2-3）=gH + gO - （汽油） （2-4）理论分子变化系数0为：对于柴油机： （2-5）对于汽油机： （取mT=115） （2-6）实际分子变化系数为： （2-7）式中， 残余废气系数或r每循环每缸的残余废气量与新鲜充量的比值。汽油机、柴油机的分子变化系数值大于1，表明燃烧后总分子数增多，这一因素对作功有利，会提高循环热效率。3 可燃混合气的热值燃烧时的缸内工质是燃料与空气组成的可燃混合气。可燃混合气的质量热值：单位质量混合气在热标准状态下完全燃烧所释放的热量，即：。也可按单位摩尔或单位体积混合气的释放热量来定义，即： （2-8）或 3.3 可燃混合气的着火与着火理论一、 热着火理论1 着火条件假定容积为V的封闭容器中装有混合均匀的可燃混合气，环境温度为T0，反应放热量与容器向外散走的热量分别为q1、q2，则单位时间内反应放热量为：式中，C1与分子反应热及气体压力有关的系数 E反应活化能单位时间通过容器壁向外散走的热量为：式中，A传热系数 F容器表面积 T可燃混合气瞬时平均温度热着火理论认为，着火的原因在于热量的累积，当放热速率大于散热速率时可能着火。上述反应存在以下三种可能：1)时，肯定着火2) 相切时，处于I临界着火条件，Tc称为临界温度。3) 时，不可能着火。2 影响着火的因素 压力的影响 压力Tc a的影响 a=1时，Tc出现最低值，存在混合气着火的浓度上限和下限 燃料特性的影响二链式着火理论热着火理论是建立在分子碰撞理论的基础上的。由于（液体）燃料分子结构复杂，若完全燃烧需要许多氧分子与燃料分子间同时进行反应，这样多的分子同时碰撞的机会很少。着火的热理论并不能解释所有的着火现象。链式着火理论认为，高温并不是引起着火的唯一原因，只要以某种方式激发出活性中心就能引起着火。1链式反应的分类1) 直链反应 一个活性中心进行一次反应只产生一个新的活性中心，即整个反应以恒定速度进行。 2) 支链反应 一个活性中心进行一次反应产生两个及两个以上的活性中心，这样链反应就发生了分支，即反应可加速进行。快速燃烧和爆炸可看作是支链反应的结果。 链成长