《燃料与燃烧》PPT课件.ppt

1、第三章 燃料与燃烧,3-1 内燃机的燃料及其热化学 3-2 燃料的使用特性 3-3 燃烧热化学 3-4 燃烧的基本知识,3-1 内燃机的燃料及其热化学,一、内燃机的燃料 汽油 传统燃料石油产品 柴油 液化石油气（LPG） 天然气（CNG） 石油的主要成分：碳氢化合物，占96%99%， 少量O、N、S等，占1%4%。 石油产品是以多种碳氢化合物的混合物形 式出现。分子式为CnHm通常称为烃。,石油燃料（汽油、柴油）,仅由碳、氢两种元素组成的化合物统称碳氢化合物，简称烃。 饱和烃 烷烃 开链烃 不饱和烃 烯烃、炔烃 烃 环状烃 脂环烃 芳香烃,1.根据烃分子中碳原子数的不同可构成不同分子量，不同沸

2、点的物质,质轻 易挥发 化学稳 定性变好 易点燃,粘度增大 易自燃,2.除碳原子数外分子的化学结构对燃料的性能影响 很大，按结构组成石油的烃主要有五类。 A、 烷属烃CnH2n+2 直链 （正庚烷C7H16） H H H H H H H H C C C C C C C H H H H H H H H 支链（异辛烷C8H18） H H H H HCH H H CC C C CH H HCH H HCH H H,呈饱和的开链结构，结构不紧凑常温稳定，但热稳定性差，高温下易分解，滞燃期较短，是柴油燃料的良好成分。,高温下也较稳定，是汽油中抗爆性好的燃料。,B、烯烃CnH2n (例如:乙烯) H H

3、HC CH C、炔烃CnH2n-2(乙炔) HCCH,非饱和开链结构，有一个二价键，它比烷烃难于自燃，抗爆性好，但常温下稳定性差，易于氧化生成胶质。,非饱和开链结构，有一个三价链。炔烃不存在于原油中，系热裂化的中间产物。由于氢不饱和，所以很不稳定。常温下易分解，储存中因氧化而结胶。含快烃多的产品不宜作为发动机燃料 .,D、环烷烃CnH2n,饱和的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和自发火的温度均比直链烷烃为高。环烷烃多的燃油适宜作为汽油机燃料，不适宜作柴油机燃料，环烷烃与烷烃都是石油的重要组成部分。,E、芳香烃CnH2n-6,基本化合物是苯，所有芳香烃都含有苯基的成分。在石油中含量较少，分子结构

4、坚固，热稳定性比环烷烃高，在高温下分子不易破裂，化学安定性较前者为高，是良好的防爆剂。,3-2 燃料的使用特性,一、汽油的使用性能 影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等。 1、馏程：蒸发性 馏程：用燃油馏出某一百分比的温度范围来表示。 为了评价燃料的挥发性，以10、50和90的馏出温度作为几个有代表意义的点。 （1）馏出10的温度T10(75) 标志着它的起动性。 T10低燃料容易冷车起动。 但T10过低，在管路中输送时受发动 机温度较高部位的加热而变成蒸气，在 管路中形成“气阻”，使发动机断火，影 响它的正常运转。,（2）馏出50的温度 T50(145) 标志着汽油的平均蒸发性。

5、缩短发动机的暖车时间； 温度 T50低 提高加速性； 工作稳定性。（从较低负荷向较高负荷过渡 时，能够及时供应所需的混合气。） （3）馏出90的温度T90(195) 标志着燃料中难挥发的重质成分的数量。 当 T90重质成分易挥发，利于燃烧。 当T90过高重质成分不易挥发燃烧而附着在气缸壁上 形成积碳或流入油底壳稀释机油破坏润滑。,2辛烷值：辛烷值是表示汽油抗爆性的指标。 爆震：在汽油机燃烧中，随着、气缸内气体（T+P) 可能出现一种不正常的自燃现象。 辛烷值，是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行。 标准燃料 异辛烷(C8H18) 辛烷值100， 正庚烷 (C7H16) 辛烷值为0。 按不同比

6、例混合可得不同辛烷值的标准燃料。 当被测定燃料的抗爆性=配制的标准燃料的抗爆性时，则标准燃料中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值。 辛烷值高低顺序为烷烃烯烃环烷烃芳烃。 实验方法不同 马达法试验值（MON）n=900r/min， 研究法试验值（ROM）n=600r/min，,二、柴油的使用特性,1、自燃性的指标十六烷值 十六烷值，是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行。 标准燃料 十六烷C16H34 十六烷值为100，易自燃； 甲基奈C11H10 十六烷值为0，不容易自燃。 按不同比例混合可得不同十六烷值的标准燃料。当被测定 柴油的自燃性=标准燃料的自燃性时，则混合液中十六烷的 体积

7、百分数就定为该种柴油的十六烷值。 十六烷值与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。 十六烷值自燃性好着火延迟时期着火后 工 作柔和。 冷起动性能亦随之改善。,十六烷值过高燃料分子量蒸发性 粘 度 排气冒烟及bi。 因此。国产柴油的十六烷值规定在4050之间。 2、蒸发性馏程： 50馏出温度表征平均蒸发性，低蒸发性好，说明轻馏 分多、蒸发快，有利于混合气形成。但馏分太轻也不好，因 为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦 着火 ，柴油机工作粗暴。 90和95馏出温度标志难于蒸发的重馏分的数量。如 果重馏分过多，不易蒸发和形成均匀混合气，燃烧亦不及时和完全。,3、雾化性用粘度评价 它影响

8、柴油的喷雾质量。当其它条件相同时，粘 度越大，雾化后油滴的平均直径也越大，使燃油和 空气混合不均匀，燃烧不及时或不完全，燃油消耗 率增加，排气带烟。 喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应 具有一定的粘度。一般轻柴油的运动粘度在 200C时为（2.5 8）106m2s。 4、流动性凝点：指柴油失去流动性开始凝结的温度。 T柴油中高分子烷烃和水分析出结晶、混浊（浊点） 失去流动性。 我国生产的轻柴油规格，按凝点分为10#、0#、-10#、 -20#、-35#五级。,3-3 燃烧热化学,一、燃油完全燃烧的化学反应 汽油或柴油主要由碳、氢、氧组成，其它成分 如氮、硫等含量少在计算时不考虑

9、，如以gC、gH、gO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 燃油燃烧所需要的氧来自空气，以体积成分计， 空气中氧占21%，氮占79%；以质量成分计，氧占 23%，氮占77%。,根据化学反应原理，可以写出： 碳燃烧： C + O2 CO2 12（kg） 32(kg) 44(kg) gC（kg） X(kg) X=（8/3）gC （kg O2 ） 氢燃烧： H2 + 1/2 O2

10、= H2O 2（kg） 16(kg) 18(kg) gH (kg) Y(kg) Y=8gH（kg O2 ） 1 kg燃油完全燃烧理论所需的氧气量，即理论氧气量为 (X+Y-go) （kg O2）。以质量成分计,氧占23%，氮占77%。 则，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=1/0.23(8/3）gC + 8gH go（kg/kg） 分别将汽油，柴油的成分代入上式计算，可得汽油的Lo =14.9（kg/kg）柴油的Lo=14.5（kg/kg）。,二、过量空气系数：提供的空气量L与理论上所需 空气量L。之比，称为过量空气系数。 汽油机（=081.2） 柴油机负荷是靠

11、质调节的（=1.21.6）由于 混合气形成不均匀，所以总是大于1的。 一般车用高速柴油机，=1.21.6；增压柴油 机，=1.82.2. 空燃比： AF=空气量燃料量 =1时，A/F=14.9 三、1时完全燃烧产物的数量 1、1kg燃料燃烧前混合气的数量 M1,汽油机： （kmol/kg燃料） 式中；MrT为燃料的分子质量 柴油机：液态燃料的体积不及空气的1/10000， 即为纯空气 （kmol/kg燃料）. 四、燃料热值与混合气热值 1、燃料热值：1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称 为燃料的热值。 高热值：包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热； 低热值：不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热。,2、混合

12、气热值：单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量。,3-4 燃烧的基本知识,燃烧的定义：燃料中的可燃物与空气产生剧烈的氧化反应，产生大量的热量，并伴有强烈的发光现象。 普通燃烧：正常燃烧，靠燃烧层的热气体传质、传热给邻近的冷可燃气体混合物层而进行的燃烧传播。火焰的传播速度较小，几m/s，属于等压过程。 爆炸燃烧：靠压力波将冷可燃物加热至着火温度以上而燃烧。火焰的传播速度大，10004000m/s，高温高压下进行。 燃烧的条件：除了要有燃料、空气外，尚需达到燃烧所需的最低温度着火温度。,其中，E是活化能， T是混合气体温度， T0是器壁温度。 从图中可以看出：A是稳定点， B是不稳定点，C是着火温度

13、。 着火温度不是定值， Q放增大或Q散减少均能够使Tc 变少。,一、着火温度,概念：由缓慢氧化反应转变为剧烈氧化反应（燃烧）的瞬间叫“着火”，转变时的最低温度叫作着火温度。,例子：,二、着火浓度范围 指燃料和空气的比例必须在一定的范围内才燃烧 三、固定碳的燃烧 C的燃烧是氧化反应过程与扩散过程的结合。,要使C迅速燃烧，O2必须扩散至C表面，在高温下与C氧化生成碳氧化物，然后这些碳氧化物必须迅速从C表面扩散出去，以使新的O2再扩散至C表面。,三、可燃气体的燃烧 连锁反应, 以燃烧反应为例：,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

14、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。 活化能：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。 活化分子：能量超过活化能的分子。,一、着火机理,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。,图3-2 着火临界线,着火临界温度和着火临界压力,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

15、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,二、发动机混合气的着火,内燃机中碳氢化合物的自燃，均属 于链热自燃，但由于发火的条件不同， 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2000 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

16、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：t1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、t2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t2 后，反应加剧，出现冷火焰，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。,4 ：t1+t2+t3时间后:三阶段反应着火延迟期 活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，

17、出现热火焰。混合气更稀， 1。,3：t1+t2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，出现蓝火焰。混合气稀得多，略小于1。,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。 但火花塞间隙处的少量混合气在电火花作用下, 可实现同时

18、爆 炸燃烧，从而形成火焰中心。,HCCI均匀充气压燃发动机,HCCI的基本原理是将燃料和空气预先混合成稀薄气体充入发动机的汽缸，随后将其压缩到较高的压力和温度直到发生类似汽油机的敲缸反应，爆发温度峰值不超过1850K，燃烧过程能够在不形成颗粒和NOx排放的情况下完成； 可使用多种燃料，是未来柴油机和汽油机的趋同，过程发生的温度和压力取决于所用燃料的燃烧特性，使用高辛烷值燃料如天然气，发动机效率接近柴油机，使用低辛烷值燃料如柴油，燃料经济性将与标准的汽油机相当，但不发生通常的污染；,HCCI的爆发过程非常难以驾驭，控制系统非常复杂，不仅要控制进气温度、压力，还要控制空燃比和燃料辛烷值等各种变量； 需要采用大规模高效率的电子信息技术逐个汽缸的实时控制