第四章燃料与燃烧解析

第四章燃料与燃烧 本章要求 了解 石油的基本组成和各种燃料的基本性能 理解 燃烧热值 燃烧过程 发动机混合气的着火和燃烧方式 第1节发动机燃料 石油的主要成分 石油燃料 汽油 碳原子5 7的烃类 沸点60 205 柴油 碳原子10 22的烃类 沸点180 370 石油燃料馏分表 碳氢化合物 烃 占96 99 少量O N S等 占1 4 一 汽油的使用特性1 蒸发性 强 混合均匀 燃烧完全 起动加速性好 运转平稳 但易产生气阻 储存运输损失也大 差 混合气形成不良 起动 加速性差 燃烧不完全 附在汽缸壁上的油滴易破坏润滑油膜 馏出温度 10 低 起动性好 但过低易气阻 50 低 挥发性好 加速性和平稳性好 暖机时间短 90 标志含有难挥发的重质成分 高 则重质成分多 易形成积炭 从而稀释机油 2 抗暴性 汽油在气缸内燃烧抵抗爆震的能力 辛烷值 正庚烷 辛烷值0 异辛烷 辛烷值100 与汽油抗暴性比较 混合液中异辛烷的体积百分数即为辛烷值 研究法 RON 和马达法 MON 辛烷值测定方法 二者之差为汽油的灵敏度 是衡量抗暴性随着燃烧条件而变化的尺度 我国汽油牌号按研究法辛烷值进行标定 如90 93 和97 其研究法辛烷值分别为90 93和97 3 氧化安定性 抵抗氧化长久保持性质不变的能力 氧化安定性差 易氧化 聚合 生成酸性或胶状物质 加重腐蚀 堵塞 积炭 爆震倾向加大 实际胶质 诱导期 4 添加剂 为改善汽油使用性能 抗爆 抗氧等 主要影响成分 不饱和烃 四乙基铅 TEL 甲基叔丁基醚 MTBE 乙基叔丁基醚 ETBE 乙醇 二 柴油的使用特性1 自燃性 正十六烷 十六烷值100 甲基萘 十六烷值0 与柴油自燃性比较 在无外界火源时 柴油自行着火的能力 十六烷值 混合液中正十六烷的体积百分数即为十六烷值 十六烷值过高 柴油喷入后来不及混合便开始着火 燃烧不完全 冒黑烟 十六烷值过低 不仅起动困难 而且由于着火落后期长 工作粗暴 车用柴油的十六烷值通常在40 65范围内 浊点 柴油中所含石蜡开始结晶 变混浊的温度 凝点 柴油失去流动性开始凝结的温度 我国轻柴油按凝点分10 0 10 20 35号5个牌号 分别对应凝点10 0 10 20 和 35 粘度高 供油和雾化不良 起动困难 燃烧不良 冒黑烟 粘度低 喷油泵 喷油器等精密偶件易漏油 同时会因油膜承载能力差 磨损也加剧 2 低温流动性 流动性对使用性能的影响 流动性差 凝点高 流动性过高 3 蒸发性 4 残炭值 指在无空气通入的情况下 柴油加热生成碳值残渣的性质 残炭值高 易产生积炭 硫会造成腐蚀 酸雨 碳烟 三元催化中毒 柴油的含硫量高于汽油 5 含硫量 馏出温度 50 低 轻质馏分多 起动性好 90 低 重质馏分少 加速性和平稳性好 燃烧更充分 经济性和排放性好 磨损和腐蚀 6 机械杂质和水 第2节代用燃料 分类 一 代用燃料分类 液态 甲醇 乙醇 植物油等 物态 气态 压缩天然气 氢气 沼气 液化石油气等 无氧 主要成分是C和H 如甲烷 天然气 氢气 液化石油气等 成分 含氧 除C和H外 还含有一定的O 如醇类 植物油 煤气等 二 天然气 特点 主要成分甲烷 83 99 1 密度低 燃烧时耗氧少 功率低 普通燃料的90 2 抗暴性好 可加大压缩比 但自然性差 只能点燃 3 气态易混合 燃烧完全 排放好 4 含碳量少 CO2排放少 基本无碳烟 5 便于实现稀薄燃烧 天然气发动机 纯天然气和双燃料 汽油 柴油起点燃作用 三 液化石油气 特点 各种烃类 稀烃 6 1 热值略低于汽油 甲烷越高热值越低 2 抗暴性好 可加大压缩比 甲烷含量越高抗暴性越好 3 着火界限宽 4 着火温度高 燃烧速度慢 需要的点火能量大 5 气态易混合 燃烧完全 排放好 与柴油掺烧时可降低碳烟90 四 醇类燃料 优点 甲醇 乙醇 1 含氧高 燃烧所需空气少 燃烧基本无碳烟 2 燃烧速度快 抗爆性好 可采用大压缩比 并可用于汽油添加剂 改善其抗爆性 1 醇类对许多金属 非金属的腐蚀性强 同时生成水又多 腐蚀 磨损加重 2 热值低 汽化潜热大 高挥发性成份低 凝点又低 难起动 3 自然性差 只能点燃 所需点火能量大 缺点 3 来源广泛 第3节燃烧化学 一 燃料燃烧的热值 热值 每千克燃油完全燃烧所放出的热量 KJ kg 高热值 燃烧生成的水为液态时的热值 用H0表示 低热值 燃烧生成的水为气态时的热值 用Hu表示 式中 生成水的汽化潜热 二 燃料燃烧所需的空气量 用gC gH gO分别表示每千克燃油中C H O的千克数 则完全燃烧时有 对C 对H 则每千克燃油完全燃烧时需要供应的氧为 空气中氧的质量百分比为21 则实际所需空气量为 理论空气量LO 1kg燃油完全燃烧所需的最少空气量 根据 gCgHgO汽油0 8550 1450 0柴油0 8700 1260 004 可得实际1kg汽油完全燃烧需要的理论空气量为14 9kg 而1kg柴油完全燃烧需要的理论空气量为14 5kg 三 过量空气系数与空燃比 过量空气系数 发动机工作过程中 1kg燃油燃烧时实际供给的空气量L与理论空气量L0之比 可见 1时为理论混合气 1时为稀混合气 L L0 柴油机和汽油机过量空气系数比较 1 柴油机 挥发性差 缸内喷射雾化混合 需加大燃油与空气接触的机率 多供给空气 组织进气涡流 一般范围为 1 2 2 1 非增压 1 5 2 3 增压 过量空气系数 1 2 汽油机 挥发性好 缸外预混合 过量空气系数仅与工况有关 1 起动 0 2 0 6 2 怠速 0 6 0 8 3 中等负荷 0 95 1 15 1 1为经济经济混合气 4 大负荷 0 85 0 95 0 9为功率混合气 空燃比 空气质量 流量 与燃料质量 流量 的比值 对于汽油 理论空燃比 14 9 14 9为稀混合气 14 9为浓混合气 对于混合气浓度的调节 柴油机为 质调节 而汽油机为 量调节 第4节燃烧的基本理论 发动机混合气的燃烧 本质上是燃油激烈的氧化反应 根据氧化反应进行的激烈程度不同 燃烧分为两个阶段 着火与燃烧 1 着火 是燃烧的物理和化学准备阶段 物理准备 化学准备 燃料的雾化 蒸发 与空气形成可燃混合气等 火焰前锋的缓慢氧化反应 逐渐积累热量或形成活化中心 速度很低 压力和温度无明显升高 活化中心 在压缩终了高温作用下 燃油分子反应生成活性很强的自由原子或自由基 H O CH OH等 加速反应进程 链锁反应 3 发动机燃烧过程的三个步骤 2 燃烧 氧化反应加速至激化的结果 进入燃烧有两种方法 点燃 汽油机 利用火花塞点燃混合气 自燃 柴油机 利用自身积累的热量或活化中心着火 1 燃油与空气形成可燃混合气 2 点燃可燃混合气 或可燃混合气发生自燃 3 火源扩大到整个可燃混合气 形成全面燃烧 点燃是在局部混合气内 火花塞附近 进行的 而自燃则是在混合内多处 甚至全部混合气内 同时发生的 按化学动力学的观点分 热自燃和链锁自燃机理 一 着火机理 1 热自燃 热爆 反应活化能 燃烧实际上是分子间相互碰撞的结果 但要燃烧 分子必须具备一定大小的能量 活化分子 氧化放热大于散热 温度升高 温度再升高 反应速率高到一定程度而着火 反应加剧 放热越多 发动机能否着火 取决于 着火阶段有无热量积累 氧化反应能否自动加速 着火临界温度和压力 能保证着火的缸内最低温度 压力称为着火临界温度和着火临界压力 着火临界线 2 链锁自燃 不依赖热量积累而通过链锁反应逐渐积累活化中心使反应加速 直至着火 链锁反应的过程 链的发生 反应物分解出自由原子或自由基 产生活化中心 链的传播 生成新的自由原子或自由基 链的中断 与冷壁面或惰性气体碰撞 活化中心的消亡 链锁反应示例 氢的燃烧化学方程 2H2 O2 2H2O 实际过程是 链的发生 H2 2H 活化中心 链的传播 链爆 H O2 OH O O H2 OH H2OH H2 2H2O 2H 新的活化中心 链的中断 H H M H2 M M为惰性气体分子 H OH M H2O MH O M OH M 注 热自燃与链锁自燃是共存的 相互促进 链 热自燃 通常低温以连锁自燃为主 而高温以热自燃为主 1 柴油机 低温多阶段着火 1 1 混合阶段t1 喷油雾化混合 由于温度和压强低 不能是烃燃料分裂成自由基 而是发生低温缓慢氧化反应 过氧化物 高温低浓度区 和醛 低温高浓度区 由于反应速率慢 放热少 加之燃油雾化要吸热 故该阶段压强无明显变化 产物 低温多阶段着火 二 发动机混合气的着火 1 2 冷焰区t2 一阶段反应 当过氧化物达到一定浓度时 在一定温度下产生爆炸 引发链锁反应 链爆 产生淡青色火焰 加速了过氧化物和醛的产生 由于放热量不大 约为燃料热值的10 15 冷焰的温度并不高 约300 在500 时基本结束 产物 低温多阶着火 1 3 蓝焰区t3 二阶段反应 当温度和压强达到一定值时 进入低温多阶自燃区 醛被氧化成CO 一氧化碳 产生蓝色火焰 大量的热和CO O OH等 活化分子 缸内温度和压强开始明显升高 实现热量和活化中心 CO 0 OH等 的积累 导致反应速度迅速加快 产物 低温多阶着火 1 4 热焰区 三阶段反应 当热量和活化中心积累到一定程度时 由于反应急剧加快 引发热爆 产生炽热火焰 橘黄色 CO2 由CO进一步氧化而来 着火落后期 延迟期或诱导期 产物 低温多阶着火 整个焰前反应时间之和 t1 t2 t3 其长短与混合气压缩终了温度和压强有关 温度 压强越高 着火落后期越短 2 汽油机 高温单阶着火 1 可燃混合气压缩过程中已进行一定的化学反应 但压缩终了温度和压强较低 无法自燃 2 火花塞跳火瞬间 局部温度高达2000 3000 一方面 高温使燃油分子直接分裂产生大量的活化中心发生链爆 另一方面 产生的热远大于散失的热 温度迅速上升引发热爆 注 所有的点燃式发动机均属于高温单阶着火 3 其它烃燃料的自燃 碳氢燃料自燃图 1 不着火区 当T 200 时 任意改变汽缸压强 不会引起自燃 2 冷焰区 当200 T 500 压强高到某一值时 产生冷火焰 但不着火 3 低温多阶自然区 在冷焰区基础上进一步提高压力 进入低温多阶自燃区 4 高温单阶自然区 当T 500 压强高于某一定值时 产生高温单阶自燃 1 同时爆炸燃烧 均匀混合气瞬间燃烧 2 预混合燃烧 三 发动机的燃烧方式 某瞬间只存在一个相 可燃混合气或燃烧后的废气 均匀混合气火焰传播燃烧 燃烧期间存在两个相 可燃混合气和燃烧后的废气 思考 燃烧进程取决于什么 火焰传播距离与传播速度 3 扩散燃烧 油滴边蒸发 边混合