发动机原理第四章燃料与燃烧化学教学文案.ppt

第一节发动机燃料第二节代用燃料及其应用第三节燃烧化学第四节燃烧的基本理论,第四章燃料与燃烧化学,燃料是内燃机产生动力的来源，直接影响内燃机的发展、结构特点以及对环境的污染。,一、石油中烃的分类及性质传统燃料：汽油、柴油石油中提炼；石油：碳氢化合物主要成分：C，H；少量的S，O2，N2分子式：CnHm烃类代用燃料：CNG、LPG、DME、H2、醇类等,C1C4：气态石油气，相对分子质量1658；C5C23：液态，其中：C5C11：50200，汽油，分子质量95120；C11C19：180300，煤油，分子质量100180；C16C23:250360，轻重柴油，分子质量180200C23以上：360以上，渣油，分子质量220280,表4-1烃分子中碳原子数对烃性质的影响,轻质,易挥发,粘度增大,化学稳定性变好,易自燃,易点燃,碳、氢原子数和排列位置对燃料性质影很大：1）烷烃：分子式：CnH2n+2；化学结构：直链特点：饱和开链式，含C越高结构越不紧凑，常温下化学性质稳定，但热稳定性差，高温易分解，自燃性好柴油的好成分；,-C-C-C-C-；,支链(热稳定),直链,2.分子结构对化学性能的影响,2）烯烃：分子式：CnH2n；化学结构：-C=C-;-C=C-C-C-特点：非饱和开链式，自发火性差，汽油的成分；常温下化学稳定性差，易氧化胶质；不易储存,3）炔烃：分子式：CnH2n-2；化学结构：乙炔CC特点：非饱和开链，热裂化产物，不存在原油中；很不稳定，常温下易分解；不易作燃料。,4）环烷烃：分子式：CnH2n;化学结构：特点：饱和环状，不易分裂，热稳定性强，汽油机的燃料，石油的重要组成部分。,环丁环,5）芳香烃：CnH2n-6；基本化合物是苯：C6H6;石油中含量少，分子结构坚固；热稳定性高，高温下不易破裂；汽油的良好的抗爆剂；石油炼制中产生。其中，-甲基萘：C11H10，其抗爆性认为100%,原油的蒸馏(Distillation),蒸馏塔,沥青,润滑油,柴油,煤油,汽油,石油气,原油,第一节发动机燃料,基本燃料（汽油、柴油）,代用燃料：醇类燃料（甲醇、乙醇）、气体燃料（液化石油气、天然气、氢气）,汽油的主要性能有：抗爆性、蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。,一、汽油,1.抗爆性,汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力。,汽油的抗爆性用辛烷值来表示。辛烷值越高，其抗爆性越好。,辛烷值:在规定条件下,被测定汽油和标准燃料进行比较，标准燃料中所含异辛烷的百分数是被测定汽油的辛烷值。,测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用的为马达法与研究法。,马达法辛烷值（MON）是以较高的混合气温度（一般加热至149）和较高的发动机转速（一般达900r/min）的苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷值。它表示汽油在发动机常用工况下低速运转时的抗爆能力。,研究法辛烷值（RON）是以较低的混合气温度（一般不加热）和较低的发动机转速（一般在）的中等苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷值。它表示汽油在发动机重负荷条件下高速运转时的抗爆能力。,马达法辛烷值（MON）低于研究法辛烷值（RON）。一般采用研究法辛烷值来确定汽油的抗爆性。如要比较全面表示抗爆性时，同时标出RON和MON值。,2.蒸发性,液态汽油汽化的难易程度称为汽油的蒸发性。,汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有良好的蒸发性。但蒸发性也不能太强，否则易形成供油系“气阻”，甚至发生供油中断现象。,蒸发性很弱的汽油，难以形成良好的混合气，这样不仅会造成发动机起动困难、加速缓慢，而且未气化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳定，油耗上升。如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还会破坏润滑油膜，甚至窜入曲轴箱稀释润滑油，从而使发动机润滑遭破坏，造成机件磨损增大。,汽油的蒸发性用汽油蒸发量为10、50、90和100时所对应的温度来评定。,50馏出温度低，说明汽油的中间馏分容易蒸发，有利于汽油机的加速和由冷的状态很快转入工作状态。,90馏出温度高，表明汽油中不易蒸发的重质含量多。汽油中这些重质成分在混合气形成的过程中很难蒸发，它们附着在进气管和气缸壁上，将增加燃油消耗、稀释气缸壁上的润滑油和加大气缸磨损。,用10馏出温度低，汽油的起动品质越好。,3.氧化安定性,汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质不发生长久性变化的能力称为氧化安定性。,汽油氧化安定性直接影响汽油的储存、运输和在发动机上的应用。安定性不好的汽油，易发生氧化、缩合和聚合反应，生成酸性物质和胶状物质，将导致燃料供应系统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良，增大爆燃倾向。,4.清净性,采用喷射式汽油发动机的汽车最常发生的问题是在进气系统和喷油器上产生沉淀，其主要原因是汽油中不稳定的化合物。为了经常保持进气系统的清洁，充分发挥汽油喷射的优点，可向汽油中加入汽油清净剂。一般是聚烯胺和聚醚胺化合物。,汽油清净剂作为机内净化的手段，在发达国家早已普遍采用。,5.汽油规格,我国目前有两种规格，一种是车用汽油的国家标准（GB1793-1999），一种是无铅汽油的行业标准。,我国的无铅车用汽油国家标准见表4-1。,二、柴油,1.自燃性柴油的自燃性:柴油在没有外界火源的情况下能自行着火的能力。,柴油的自燃性好，柴油机工作较柔和，在低温时易于起动。,十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。,柴油的十六烷值：标准燃料是正十六烷和一甲基萘的混合物。正十六烷自燃性最好，作为自燃性好的标准，其十六烷值定为100。一甲基萘最不易自燃，作为自燃性差的标准，定其十六烷值为0。柴油的自燃性通常介于正十六烷与一甲基萘之间。,十六烷值过高或过低的柴油，都对柴油机的性能或工作不利。十六烷值越高，着火性越好。十六烷值过高，燃烧不完全。国产柴油的十六烷值规定为4065之间，不必要过分增大。,2.雾化和蒸发性,馏程、运动黏度、密度、闪点都是与雾化和蒸发性有关的油品指标。柴油的蒸发性影响滞燃期内柴油的蒸发量及燃烧的完全程度，用馏程表示。通常以馏出50的温度来评定。馏程低，说明这种燃轻馏分多，蒸发性好，有利于混合气形成，改善了燃烧过程。但是，馏程过低，燃料蒸发过快，则在着火延迟期内形成的混合气量过多，柴油机工作粗暴。车用柴油机的柴油馏程为200300。,柴油的粘度决定柴油的流动性。粘度流动性物化性好，过低，润滑性降低；粘度过滤清困难，喷雾不良，流动阻力增大。,3.硫含量1）对于装有催化转化器的汽车，硫使转化器的寿命降低；2）腐蚀零件，危害环境；3）硫还会增加柴油机的磨损。,4.安定性安定性是指柴油在运输、储存和使用过程中应保持其外观颜色、组成和使用性能不变的能力。影响安定性的因素有：柴油中所含的不安定组分（二烯烃、烯烃和环烷芳香烃）,标准要求，选用轻柴油牌号应遵循以下原则：1）10号轻柴油适用于有预热设备的柴油机；2）5号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在8以上的地区；3）0号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在4以上的地区；4）10号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在5以上的地区；5）20号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在14以上的地区；6）35号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在29以上的地区；7）50号轻柴油适用于风险率为10%的最低气温在44以上的地区；,5.低温流动性,石油会枯竭吗？,2015,没有石油内燃机还能转吗？,二次能源(能源载体),Diesel柴油,Gasoline汽油,LPG液化石油气,CNG压缩天然气,Methanol甲醇,Ethanol乙醇,RME菜籽油甲脂（生物柴油）,Hydrogen氢气,FossilEnergy化石能源,AlternativeFuels替代燃料,内燃机将高效、清洁地转下去！,CTL/GTL/BTL合成柴油,第二节代用燃料及其应用,一、代用燃料分类,二、天然气,天然气主要成分为甲烷CH4(容积比可达8399以上)，另外还包括乙烷C2H6以及丙烷C3H8等。天然气的热值和辛烷值均较高，在用作点燃式发动机的燃料时，通过适当的技术措施，如提高发动机的压缩比等，可以接近原发动机的动力性能。同时，天然气又是一种比较洁净的能源，排污低，使用比较方便，特别是压缩(CNGCompressedNaturalGas)，便于储存，配合相应的基础设施如加气站的建设，在城市车辆如公共汽车、出租车中具有广阔的应用前景。,世界CNG埋蔵量（2002年1月単位：兆m3),来源:油田气体气田气体海底气体,海底储存状态,油田气体,气田气体,三、液化石油气,液化石油气(LPG-LiquefiedPetroleumGas）主要成分是丙烷C3H8、丁烷C4H10、丙烯C3H6、丁烯C4H8及其异构物，在常温下加压，可以变成液体燃料，其单位容积热值高于天然气，可以作为汽油机的燃料，还可以获得较好的排放性能。,三、液化石油气,天然气和液化石油燃料相比具有以下特点：1）天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，液化石油则介于汽油和天然气之间；2）抗爆性能高；3）混合气着火界限宽；4）天然气和液化石油气比汽油的着火温度高，传播速度慢，因此需要较高的点火能量。5）天然气和液化石油气比汽油和柴油燃烧更“清洁”。,四、醇类燃料,醇类燃料主要是甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。甲醇可以从天然气、煤、生物质等原料中提取；乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。醇类燃料是液体燃料，可以沿用传统的石油燃料的运输、贮存系统，相关的基础设施建设投入少，而发动机的动力性与经济性可以接近或超过原有汽油机或柴油机，排气有害成分少，是一种很有发展前景的代用燃料。,四、醇类燃料,1.甲醇（或乙醇）作为发动机燃料须考虑的因素（1）化学成分及燃烧产物（2）沸点及凝点（3）热值（4）汽化潜热（5）辛烷值（6）十六烷值（7）着火极限（8）着火延迟期（9）火焰传播速度,2.醇类燃料在汽车发动机上的应用河南，使用车用乙醇汽油甲醇（或乙醇）与汽油的混合燃料称为甲醇（或乙醇）汽油或称汽醇。点燃式内燃机掺烧醇类燃料，与燃烧纯汽油相比:1）提高辛烷值，在无铅汽油中加入醇类燃料，可达到含铅汽油所具备的抗爆能力；2）可扩大混合气着火界限，燃用稀混合气，提高燃油经济性；3）可提高压缩比，提高动力性和经济性；4）减少燃烧室表面的燃烧沉积物；5）改善排放性能。,3.醇类燃料在应用中的主要问题（1）对金属腐蚀性防止醇类燃料腐蚀的基本途径：1）改变发动机金属材料2）在燃料中加防腐蚀添加剂（有效的）（2）对其他材料的影响（对橡胶、塑料的腐蚀）（3）发动机磨损,五、二甲醚,1）二甲醚是最简单的醚类化合物2）二甲醚着火性能优于柴油3）无毒4）可再生燃料5）二甲醚的低热值只有柴油的64.7%6）二甲醚在常温、常压下的饱和蒸气压为0.5MPa,1.二甲醚的性质,五、二甲醚,2.二甲醚在柴油机上的应用,DME在柴油机上的应用主要有以DME和柴油机掺烧与直接燃用纯液态DME两种方式。利用燃油喷射装置直接向气缸内喷射液态DME，靠发动机的活塞压燃着的方式是最常见的DME在发动机上的应用方法。,五、二甲醚,3.二甲醚实用化应解决的问题,1）供油系统成本高，且需专门的加油站2）二甲醚的黏度低，润滑性差，容易造成油泵柱塞和喷油器针阀等精密偶件磨损、卡死和泄露3）喷油量难以保证4）长时间接触会使橡胶制品老化5）用共轨（蓄压式）燃油系统代替传统的柱塞泵供油系统,六、燃料开发,燃料开发包含两方面：1.获得廉价的、有稳定来源的代用燃料2.“设计”新型燃料,1为什么对压燃式柴油机是优良的燃料，对点燃式汽油机则一般是差劣的燃料？综合考虑发动机的动力、经济性和排放要求，理想的汽油和柴油应由何种结构和成分的烃燃料组成？2甲醇的热值比汽油低得多，为什么混合气的热值却与汽油混合气热值相差不多？用甲醇替代汽油经过合理匹配后，其输出功率加大还是减小？为什么？,作业,第三节燃烧化学,一、燃料燃烧的热值单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。完全燃烧是指某化合物被所在氧气全部氧化，其中C生成CO2、H生成H2O，其它元素生成高级氧化物。,汽油:44100kJ/kg；柴油:42500kJ/kg,完全燃烧时，生成的水为气态时的热值为低位发热值。完全燃烧时，生成的水为液态时的热值为高位发热值。高位热值比低位热值大，其差值为水蒸气的汽化潜热。,二、燃料完全燃烧的化学反应,1.碳燃烧：,2.氢燃烧：,3.硫燃烧：,4.一氧化碳燃烧：,5.碳氢化合物：,三、燃料燃烧所需的空气量,1kg燃料完全燃烧所需要的空气量称理论空气量。1kg燃料中所含kg碳，kg氢气，kg氧气汽油:kg/kg，kg/kg，kg/kg柴油:kg/kg，kgkg，kg/kg,汽油的理论空气量为14.9（kg/kg），柴油的理论空气量为14.5（kg/kg）。,四、过量空气系数和空燃比,1过量空气系数表示混合气的浓稀程度。1混合气稀,稀混合气;1混合气浓,浓混合气;=1标准混合气一般，柴油机:1；汽油机:11。,过量空气系数是反映混合气形成和完善程度及整机性能的一个重要标志，在保证完全燃烧的前提下，应力求使过量空气系数小。,2空燃比、燃空比汽油理论上完全燃烧时的空燃比约为14.9。应用空燃比直观方便，其数值即为每千克燃料燃烧时实际供给空气量的千克数。14.9为浓混合气，14.9的为稀混合气。,1一种燃料由下列组分组成：Hexane(C6H14)40wtOctane(C8H18)30wtCyclohexane(C6H12)25wtBenzene(C6H6)5wt如果燃料的空燃比是17，计算燃料的过量空气系数。,作业,第四节燃烧的基本理论,一切燃烧过程都由着火和燃烧两个阶段组成。着火阶段是物质燃烧的准备阶段，是着火前的物理和化学的准备过程。使可燃混合所进入燃烧的第二阶段，有两种方法。一是强迫着火或点燃。另一种是自然着火。,第四节燃烧的基本理论,人类文明的起源、热能机械的基础燃烧过程包括：着火、燃烧着火,是指可燃混合气在一定压力、温度和浓度条件下，其氧化反应突然加速，以至出现火焰的现象。燃烧,是指燃料与氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。着火阶段也称滞燃期,燃烧持续期10-2ms、着火过程仅:0.3-0.03ms，着火至关重要,发动机内的燃烧过程一般说来，要经历三个基本步骤：(1)形成燃油与空气的可燃混合气；(2)点燃可燃混合气，或可燃混合气在混度和浓度适当的地区发生自燃，在一处或同时在数处着火着火过程；(3)火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧。,一、着火机理：,按化学动力学的观点，着火机理可分为热自燃机理和链锁自燃机理两类。(一)热自燃在着火的准备阶段，混合气进行着氧化过程，放出热量。放热的同时，由于温差的原因，会对周围介质散热。若化学反应所释放出的热量大于所散失的热量，混合气的温度升高，进而促使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。这就是热自燃，或称热爆。,燃烧反应时：放热速率dq1/dt=C1exp（-E/RT）即dq1/dt与T成指数关系散热速率dq2/dt=AF（T-T0）即dq2/dt与T成线性关系,热着火理论着火的原因在于热量的积累，当放热率散热率时，着火可能。,影响着火的因素,临界着火温度Tc受下列因素影响：（1）压力Pc，Tc（碰撞概率）（2）燃料理化特性自燃温度,影响着火的因素（续）,（3）aa=1时，Tc最低；对于某一Tci，存在浓限和稀限；对于所有Tc，存在贫油极限和富油极限；,热着火理论并不能解释所有着火现象，如低温时的着火现象、热以外的其他能量也能激发着火、多分子同时碰撞的概率（庚烷例）等。C7H16+11O27CO2+8H2O,(二)链锁反应所谓链锁反应是这样的化学反应，其中一个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。整个反应过程分为：引导反应(锁的引发)一反应链(链的继续反应或链的传递)一断链反应(链的中断即活化中心的死亡)。,二、发动机混合气的着火,有高温单阶段着火和低温多阶段着火。,汽油机,柴油机,（一）汽油机高温单级着火,1压缩的是燃料与空气的混合气体,在此过程中,已经进行了一些化学反应。2火花点火,局部温度高达20000以上,该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基,迅速反应出现热火焰,瞬间扩大到整个燃烧室内。所以,汽油机着火过程：压缩混合气点火（经短暂着火延迟期）热火焰高温单级点燃,（二）柴油机低温多级着火,1、阶段混合阶段在压缩过程终了时，燃料喷入汽缸内形成可燃混合气。燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。混合阶段，为着火做准备。,2阶段一阶段反应燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。经过时间后，反应加剧，出现淡青色火焰，缸内压力超过压缩压力。在这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。要求混合气较浓，=0.40.5。释放化学总能量的5%10%。,3阶段二阶段反应温度、压力升高较大，产生许多化学反应的活性中心CO,O,H,OH，出现蓝火焰。时间较短，产生高温，燃烧开始。混合气稀得多，略小于1。,4时间后三阶段反应活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，出现橘黄色热火焰。混合气更稀，1。着火延迟期,三、发动机的燃烧方式,（一）同时爆炸燃烧取某一部分为系统,着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。为单相系,均匀系。柴油机上,由于混合气分配不是十分均匀,总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）,取这一部分为系统,则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。汽油机上,由于火焰有传播速度（虽然很快,但相对同时爆炸燃烧却很小）,传播逐次进行,故显然不是同时爆炸燃烧。但火花塞间隙