李捷辉-发动机原理3燃料与燃烧end

第三章燃料与燃烧,第一节内燃机的燃料和性质,我国汽车产量今年将接近800万辆居世界第二位，预计2015年前将成为世界上最大的汽车制造国。汽车保有量已达4000万,2015年将会调节在1.5亿辆以内。,Source:GM,第三章燃料与燃烧,第三章燃料与燃烧,世界石油供需缺口,2050年的供需缺口相当于2000年产量的两倍,引自美国DOE,2008全球57%的石油消费在交通领域（其中美国达到67%）。预计到2020年交通用油占全球石油总消耗的62%以上。世界石油供不应求推动油价持续走高。,供需缺口,常规石油产量,美国08年石油消费8.8亿吨,其中一半被汽车消耗,第三章燃料与燃烧,第三章燃料与燃烧,0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,汽车用油需求,中国石油生产能力,供求缺口,中国石油总需求,亿吨,2008年汽车用油已达9千万吨，随着汽车用油需求急剧上升，国家能源安全面临严峻挑战。,我国汽车能源供需缺口,第三章燃料与燃烧,第三章燃料与燃烧,石油的主要成分：碳氢化合物，占96%99%，少量O、N、S等，占1%4%碳氢化合物简称“烃”，据组成和结构的不同分烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等，C和H的不同构成不同分子量、不同沸点物质，汽油和柴油通过石油蒸馏获得。,第三章燃料与燃烧,一、汽油的使用特性1.蒸发性指标：馏程和蒸汽压馏程：汽油馏出的温度范围10%的馏出温度：低，冷启动性好；过低，易气阻。50%的馏出温度：低，平均挥发性好，汽车的加速性和平稳性好，暖机时间短。90%的馏出温度：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。蒸汽压：高，蒸发性强，易起动，但易气阻和蒸发损失大。夏季不大于67KPa，冬季不大于80KPa。,第三章燃料与燃烧,混和油事故,第三章燃料与燃烧,2.抗暴性指标：辛烷值ON？正庚烷C7H16辛烷值定为ON0异辛烷C8H18辛烷值定为ON100二者混合液与汽油的爆燃程度进行比较汽油的辛烷值，即混合液中异辛烷体积研究法辛烷值RON马达法辛烷值MON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。MON=RON0.8+10车用汽油按MON分70、75、80、85号4种牌号新标准按RON分90、93、97号3个牌号,第三章燃料与燃烧,3.添加剂抗暴剂：四乙基铅+溴化乙烷四乙基铅已被禁止使用，现用一些含氧有机化合物，如甲基椒丁醚(MTBE)等来提高汽油的辛烷值,二、柴油的使用特性轻柴油高速柴油机重柴油中、低速柴油机1.凝点和浊点浊点：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轻柴油按凝点分10、0、-10、-20、-35号5个牌号,第三章燃料与燃烧,2.十六烷值CN？评价柴油着火性能的指标十六烷C16H34十六烷值定为CN=100，易自燃-甲基萘十六烷值定为CN=0，不易自燃二者混合液与柴油的自燃性比较，混合液中十六烷的体积百分数为柴油的十六烷值。车用柴油的CN：40603.残炭残炭值：无空气通入的情况下，柴油加热生成碳值残渣的性质。是燃料中胶质和不稳定化合物的间接指标残炭值高，易产生大量积炭,第三章燃料与燃烧,4.灰分：柴油燃烧剩余物有机酸和无机盐类5.含硫量：燃料中的硫和硫化物，燃烧生成二氧化硫、亚硫酸或硫酸6.机械杂质和水分：造成磨损、堵塞、锈蚀,三、代用燃料加,第三章燃料与燃烧,第三章燃料与燃烧,第二节燃油的燃烧,第三章燃料与燃烧,发动机所用的汽油或柴油主要由碳、氢、氧组成，其它成分如氮、硫等含量不多，在热计算时不考虑，如以gC、gH、gO分别表示1kg燃油中所含碳、氢、氧的kg数，即质量成分%，则：gC+gH+gO=1汽油的平均质量成分：gC=0.855；gH=0.145；gO=0.000柴油的平均质量成分：gC=0.870；gH=0.126；gO=0.004发动机中，燃油燃烧所需要的氧气来自空气，以体积成分计，空气中氧占21%，氮占79%；以质量成分计，空气中氧占23%，氮占77%。,一、燃油完全燃烧的化学反应,第三章燃料与燃烧,根据化学反应原理，可以写出：碳燃烧：C+O2CO212（kg）32(kg)44(kg)1(kg)(kg)(kg)gC(kg)(C)+gC(kg)(O2)=gc(kg)(CO2)或12(kg)(C)+1kmol(O2)=1kmol(CO2)1(kg)(kmol)(kmol)gC(kg)(C)+(kmol)(O2)=(kmol)(CO2),第三章燃料与燃烧,氢燃烧：H2+O2H2O2（kg）16(kg)18(kg)1(kg)8(kg)9(kg)gH(kg)(H2)+8gH(kg)(H2O)=9gH(kg)(H2O)2(kg)(H2)+kmol(O2)=1kmol(H2O)或1(kg)(kmol)(kmol)gH(kg)(H2)+kmol(O2)=kmol(H2O),第三章燃料与燃烧,二、燃油燃烧时所需空气量在1kg燃油中含有gokg或kmol的氧，所以1kg燃油完全燃烧时需要供应的氧为+（kmol）或gc+8gHgo（kg）1千克燃油完全燃烧理论所需的空气量，即理论空气量Lo为Lo=(+-)（kmol/kg）或（kg/kg）在0、1个标准大气压下，1千摩尔空气占有的体积为22.4m3。以体积表示的理论空气量为：m3/kg分别将汽油，柴油的平均成分代入理论空气量的计算公式中，可得汽油的理论空气量为14.7（kg/kg）柴油的理论空气量为14.3（kg/kg）。,三、过量空气系数,定义：发动机工作过程中，1kg燃油实际供给的空气数量L与理论空气量L0之比值。用表示：=L/L0,第三章燃料与燃烧,=1时为理论混合气,1时为稀混合气。=0.9，功率混合气；=1.1，经济混合气。,四、燃油和可燃混合气的热值,1燃油的热值：每千克燃油完全燃烧所放出的热量。用Hu表示,KJ/kg。2混合气的热值：每千克混合气完全燃烧放出的热量。用Hm表示,kJ/kg。Hm=Hu/（1+LO）一般混合气的热值均指理论混合气的热值。,第三节燃烧的基本知识,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。着火是燃烧的物理和化学准备阶段。物理准备：燃料的雾化、蒸发、与空气形成可燃混合气等化学准备：焰前的缓慢氧化反应。速度很低，压力和温度无明显升高。此过程逐渐积累热量或形成活化中心。活化中心在压缩终了高温作用下，燃油分子分裂成大量自由原子或自由基（如H、O、CH、OH等），它们具有很强的反应能力。,第三章燃料与燃烧,燃烧是氧化反应加速至激化的结果。进入燃烧有两种方法：点燃利用点火系向可燃混合气增加能量自燃利用自身积累的热量或活化中心着火点燃是在局部混合气内进行的，自燃是在全部混合气内同时发生的。发动机内的燃烧过程经历三个基本步骤：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,第三章燃料与燃烧,按化学动力学的观点分：热自燃和链锁自燃机理（一）热自燃（或热爆）定义：若化学反应所释放的热量大于散失的热量，混合气的温度升高，进而促进混合气的反应速率和放热速率增大，这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。气体分子要进行化学反应需要相互碰撞，碰撞分子所具备一定大小的能量，称为反应活化能。活化分子能量超过活化能的分子,一、着火机理,第三章燃料与燃烧,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。着火临界线在一定P0下，只要外界温度低于T0，混合气不会发生热爆；在一定T0下，只要压力低于P0，也不会发生热爆。,着火临界线,着火临界温度和着火临界压力,第三章燃料与燃烧,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。（二）链锁反应(链爆炸)反应自动加速不一定要依靠热量的积累使大量分子活化，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法也能使反应自动加速，直至着火。链锁反应：其中一个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。链锁反应的过程：链引发链传播链中断,第三章燃料与燃烧,链引发：反应物分子分解为自由原子或自由基，形成活化中心。链传播：反应进一步推进，生成新的自由原子或自由基。直链反应一个活化中心与反应物作用产生一个新的活化中心，反应以恒速进行。支链反应一个活化中心引起的反应，同时生成两个以上的活化中心，反应速度急剧增长。链中断:具有反应能力的自由原子或自由基与冷的壁面或惰性气体碰撞,使反应能力减小。,第三章燃料与燃烧,例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O22H2O实际过程是：链引发：H22H链传播(链爆炸)：H+O2OH+OO+H2OH+H2OH+H22H2O+2H链中断：H+H+MH2+M（M是惰性气体分子）H+OH+MH2O+MH+O+MOH+M混合气的着火往往不是单一机理进行，二者机理同时存在相互促进。一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链爆炸为主。,第三章燃料与燃烧,二、发动机混合气的着火,1、柴油机,低温多级着火过程,柴油机的着火为压燃式的低温多级着火,第三章燃料与燃烧,柴油机着火过程：喷油t1+冷焰t2+蓝焰t3热焰喷油进行物理化学准备，温度较高处开始缓慢氧化，压力没有明显变化。喷油时缸内温度为500700，不能裂解出链反应所需的自由原子或自由基。经历时间为t1。冷焰热量有初步积累但较慢，反应开始加剧，产生醛类和有机化合物等中间产物。当刚达到临界温度时，出现淡青色火焰，其热量不多。经历时间为t2，此时的反应为一级反应。蓝焰热量积累较多，链节活化中心较多，出现蓝色火焰。缸内温度和压力明显升高。经历时间为t3，此时的反应为二级反应。t1+t2+t3为着火延迟期热焰热量和活化中心同时大量积累，反应将激烈进行，在极短的时间内产生热爆炸，出现桔黄色热火焰，即产生自燃。热火焰的出现称为三级反应。,第三章燃料与燃烧,2、汽油机,燃油与空气的均匀混合气受到压缩，由于压缩比较小，压缩终了的温度、压力较低，不能自行着火，需要借助于火花塞点火来实现着火。汽油机在压缩过程已进行一定的化学反应，火花塞跳火，其电极附近混合气温度急剧上升，同时马上出现好多活化中心（OH、CH），并迅速开展自行加速的链反应，在很短时间内出现桔黄色火焰（热焰）。在出现热火焰之前，看不到明显的几个不同级的化学反应。,汽油机的着火为点燃式的高温单级着火过程。,第三章燃料与燃烧,1、同时爆炸燃烧,均匀可燃混合气在燃烧室内的燃烧前后一瞬间，燃烧室内只有一个相。燃烧前的可燃混合气相和燃烧后的燃烧产物相。,三、发动机的燃烧方式,2、预混合燃烧,过量空气系数是一个常数。燃