《燃料與燃燒》PPT課件.ppt

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1、第三章 燃料與燃燒,3-1 內(nèi)燃機(jī)的燃料及其熱化學(xué) 3-2 燃料的使用特性 3-3 燃燒熱化學(xué) 3-4 燃燒的基本知識(shí),3-1 內(nèi)燃機(jī)的燃料及其熱化學(xué),一、內(nèi)燃機(jī)的燃料 汽油 傳統(tǒng)燃料石油產(chǎn)品 柴油 液化石油氣（LPG） 天然氣（CNG） 石油的主要成分：碳?xì)浠衔?，?6%99%， 少量O、N、S等，占1%4%。 石油產(chǎn)品是以多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔镄?式出現(xiàn)。分子式為CnHm通常稱為烴。,,石油燃料（汽油、柴油）,,僅由碳、氫兩種元素組成的化合物統(tǒng)稱碳?xì)浠衔?，?jiǎn)稱烴。 飽和烴 烷烴 開(kāi)鏈烴

2、 不飽和烴 烯烴、炔烴 烴 環(huán)狀烴 脂環(huán)烴 芳香烴,,,,1.根據(jù)烴分子中碳原子數(shù)的不同可構(gòu)成不同分子量，不同沸點(diǎn)的物質(zhì),,質(zhì)輕 易揮發(fā) 化學(xué)穩(wěn) 定性變好 易點(diǎn)燃,粘度增大 易自燃,2.除碳原子數(shù)外分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)燃料的性能影響 很大，按結(jié)構(gòu)組成石油的烴主要有五類。 A、 烷屬烴CnH2n+2 直鏈 （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 支鏈（異辛烷C8H18）

3、 H H H H HCH H H CC C C CH H HCH H HCH H H,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,呈飽和的開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)不緊湊常溫穩(wěn)定，但熱穩(wěn)定性差，高溫下易分解，滯燃期較短，是柴油燃料的良好成分。,高溫下也較穩(wěn)定，是汽油中抗爆性好的燃料。,B、烯烴CnH2n (例如:乙烯) H H HC CH C、炔烴CnH2n-2(乙炔) HCC

4、H,非飽和開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，有一個(gè)二價(jià)鍵，它比烷烴難于自燃，抗爆性好，但常溫下穩(wěn)定性差，易于氧化生成膠質(zhì)。,非飽和開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，有一個(gè)三價(jià)鏈。炔烴不存在于原油中，系熱裂化的中間產(chǎn)物。由于氫不飽和，所以很不穩(wěn)定。常溫下易分解，儲(chǔ)存中因氧化而結(jié)膠。含快烴多的產(chǎn)品不宜作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 .,D、環(huán)烷烴CnH2n,,飽和的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)，不易分裂，熱穩(wěn)定性和自發(fā)火的溫度均比直鏈烷烴為高。環(huán)烷烴多的燃油適宜作為汽油機(jī)燃料，不適宜作柴油機(jī)燃料，環(huán)烷烴與烷烴都是石油的重要組成部分。,E、芳香烴CnH2n-6,基本化合物是苯，所有芳香烴都含有苯基的成分。在石油中含量較少，分子結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，熱穩(wěn)定性比環(huán)烷烴高，在高溫下分子不易破裂，

5、化學(xué)安定性較前者為高，是良好的防爆劑。,3-2 燃料的使用特性,一、汽油的使用性能 影響汽油機(jī)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)主要是辛烷值和餾程等。 1、餾程：蒸發(fā)性 餾程：用燃油餾出某一百分比的溫度范圍來(lái)表示。 為了評(píng)價(jià)燃料的揮發(fā)性，以10、50和90的餾出溫度作為幾個(gè)有代表意義的點(diǎn)。 （1）餾出10的溫度T10(<75) 標(biāo)志著它的起動(dòng)性。 T10低燃料容易冷車起動(dòng)。 但T10過(guò)低，在管路中輸送時(shí)受發(fā)動(dòng) 機(jī)溫度較高部位的加熱而變成蒸氣，在 管路中形成“氣阻”，使發(fā)動(dòng)機(jī)斷火，影 響它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。,（2）餾出50的溫度 T50(<145) 標(biāo)志著汽油的平均蒸發(fā)性。 縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的暖車時(shí)間； 溫度

6、 T50低 提高加速性； 工作穩(wěn)定性。（從較低負(fù)荷向較高負(fù)荷過(guò)渡 時(shí)，能夠及時(shí)供應(yīng)所需的混合氣。） （3）餾出90的溫度T90(<195) 標(biāo)志著燃料中難揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量。 當(dāng) T90重質(zhì)成分易揮發(fā)，利于燃燒。 當(dāng)T90過(guò)高重質(zhì)成分不易揮發(fā)燃燒而附著在氣缸壁上 形成積碳或流入油底殼稀釋機(jī)油破壞潤(rùn)滑。,,,2辛烷值：辛烷值是表示汽油抗爆性的指標(biāo)。 爆震：在汽油機(jī)燃燒中，隨著、氣缸內(nèi)氣體（T+P) 可能出現(xiàn)一種不正常的自燃現(xiàn)象。 辛烷值，是在特殊的單缸試驗(yàn)機(jī)上按規(guī)定的條件進(jìn)行。 標(biāo)準(zhǔn)燃料 異辛烷(C8H18) 辛烷值100， 正庚烷

7、(C7H16) 辛烷值為0。 按不同比例混合可得不同辛烷值的標(biāo)準(zhǔn)燃料。 當(dāng)被測(cè)定燃料的抗爆性=配制的標(biāo)準(zhǔn)燃料的抗爆性時(shí)，則標(biāo)準(zhǔn)燃料中異辛烷含量的體積百分?jǐn)?shù)就是被測(cè)定汽油的辛烷值。 辛烷值高低順序?yàn)橥闊N烯烴環(huán)烷烴芳烴。 實(shí)驗(yàn)方法不同 馬達(dá)法試驗(yàn)值（MON）n=900r/min， 研究法試驗(yàn)值（ROM）n=600r/min，,,,二、柴油的使用特性,1、自燃性的指標(biāo)十六烷值 十六烷值，是在特殊的單缸試驗(yàn)機(jī)上按規(guī)定的條件進(jìn)行。 標(biāo)準(zhǔn)燃料 十六烷C16H34 十六烷值為100，易自燃； 甲基奈C11H10 十六烷值為0，不容易自燃。 按不同比例混合可得不同十六烷值的標(biāo)準(zhǔn)

8、燃料。當(dāng)被測(cè)定 柴油的自燃性=標(biāo)準(zhǔn)燃料的自燃性時(shí)，則混合液中十六烷的 體積百分?jǐn)?shù)就定為該種柴油的十六烷值。 十六烷值與發(fā)動(dòng)機(jī)的粗暴性及起動(dòng)性均有密切關(guān)系。 十六烷值自燃性好著火延遲時(shí)期著火后 工 作柔和。 冷起動(dòng)性能亦隨之改善。,,,,十六烷值過(guò)高燃料分子量蒸發(fā)性 粘 度 排氣冒煙及bi。 因此。國(guó)產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定在4050之間。 2、蒸發(fā)性餾程： 50餾出溫度表征平均蒸發(fā)性，低蒸發(fā)性好，說(shuō)明輕餾 分多、蒸發(fā)快，有利于混合氣形成。但餾分太輕也不好，因 為輕質(zhì)燃料容易蒸發(fā)，在著火前形成大量油氣混合氣，一旦 著火 ，柴油機(jī)工

9、作粗暴。 90和95餾出溫度標(biāo)志難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如 果重餾分過(guò)多，不易蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒亦不及時(shí)和完全。,,,,3、霧化性用粘度評(píng)價(jià) 它影響柴油的噴霧質(zhì)量。當(dāng)其它條件相同時(shí)，粘 度越大，霧化后油滴的平均直徑也越大，使燃油和 空氣混合不均勻，燃燒不及時(shí)或不完全，燃油消耗 率增加，排氣帶煙。 噴油泵柱塞、噴油器的噴針都是靠燃油潤(rùn)滑，所以柴油應(yīng) 具有一定的粘度。一般輕柴油的運(yùn)動(dòng)粘度在 200C時(shí)為（2.5 8）106m2s。 4、流動(dòng)性凝點(diǎn)：指柴油失去流動(dòng)性開(kāi)始凝結(jié)的溫度。 T柴油中高分子烷烴和水分析出結(jié)晶、混濁（濁點(diǎn)） 失去流動(dòng)性。 我國(guó)生產(chǎn)的輕柴油規(guī)格，按凝點(diǎn)分為10

10、#、0#、-10#、 -20#、-35#五級(jí)。,3-3 燃燒熱化學(xué),一、燃油完全燃燒的化學(xué)反應(yīng) 汽油或柴油主要由碳、氫、氧組成，其它成分 如氮、硫等含量少在計(jì)算時(shí)不考慮，如以gC、gH、gO表示1kg燃油中所含碳、氫、氧的kg數(shù)，即質(zhì) 量成分%，則： gC + gH + gO=1 汽油的平均質(zhì)量成分： gC = 0.855；gH =0.145； gO=0.000 柴油的平均質(zhì)量成分： gC =0.870； gH =0.126； gO =0.004 燃油燃燒所需要的氧來(lái)自空氣，以體積成分計(jì)， 空氣中氧占21%，氮占79%；以質(zhì)量成分計(jì)

11、，氧占 23%，氮占77%。,,,,,,,根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，可以寫(xiě)出： 碳燃燒： C + O2 CO2 12（kg） 32(kg) 44(kg) gC（kg） X(kg) X=（8/3）gC （kg O2 ） 氫燃燒： H2 + 1/2 O2= H2O 2（kg） 16(kg) 18(kg) gH (kg) Y(kg) Y=8gH（kg O2 ） 1 kg燃油完全燃燒理論所需的氧氣量，即理論氧氣量為 (X+Y-go) （kg O2）。以質(zhì)量成分計(jì),氧占23%，氮占77%。 則，1千克燃油完全燃燒理論所

12、需的空氣量，即理論空氣量 Lo為： Lo=1/0.23(8/3）gC + 8gH go（kg/kg） 分別將汽油，柴油的成分代入上式計(jì)算，可得汽油的Lo =14.9（kg/kg）柴油的Lo=14.5（kg/kg）。,二、過(guò)量空氣系數(shù)：提供的空氣量L與理論上所需 空氣量L。之比，稱為過(guò)量空氣系數(shù)。 汽油機(jī)（=081.2） 柴油機(jī)負(fù)荷是靠質(zhì)調(diào)節(jié)的（=1.21.6）由于 混合氣形成不均勻，所以總是大于1的。 一般車用高速柴油機(jī)，=1.21.6；增壓柴油 機(jī)，=1.82.2. 空燃比： AF=空氣量燃料量 =1時(shí)，A/F=14.9 三、1時(shí)完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量 1、1kg燃料燃燒前混合氣的數(shù)量

13、 M1,汽油機(jī)： （kmol/kg燃料） 式中；MrT為燃料的分子質(zhì)量 柴油機(jī)：液態(tài)燃料的體積不及空氣的1/10000， 即為純空氣 （kmol/kg燃料）. 四、燃料熱值與混合氣熱值 1、燃料熱值：1kg燃料完全燃燒所放出的熱量，稱 為燃料的熱值。 高熱值：包括水蒸汽凝結(jié)后放出的汽化潛熱； 低熱值：不包括水蒸汽凝結(jié)后放出的汽化潛熱。,,,2、混合氣熱值：?jiǎn)挝粩?shù)量的可燃混合氣燃燒所產(chǎn)生的熱量。,,3-4 燃燒的基本知識(shí),燃燒的定義：燃料中的可燃物與空氣產(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量，并伴有強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象。 普通燃燒：正常燃燒，靠燃燒層的熱氣體傳質(zhì)、傳熱給鄰近的冷可燃?xì)?/p>

14、體混合物層而進(jìn)行的燃燒傳播?；鹧娴膫鞑ニ俣容^小，幾m/s，屬于等壓過(guò)程。 爆炸燃燒：靠壓力波將冷可燃物加熱至著火溫度以上而燃燒?；鹧娴膫鞑ニ俣却?，10004000m/s，高溫高壓下進(jìn)行。 燃燒的條件：除了要有燃料、空氣外，尚需達(dá)到燃燒所需的最低溫度著火溫度。,其中，E是活化能， T是混合氣體溫度， T0是器壁溫度。 從圖中可以看出：A是穩(wěn)定點(diǎn)， B是不穩(wěn)定點(diǎn)，C是著火溫度。 著火溫度不是定值， Q放增大或Q散減少均能夠使Tc 變少。,一、著火溫度,概念：由緩慢氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯×已趸磻?yīng)（燃燒）的瞬間叫“著火”，轉(zhuǎn)變時(shí)的最低溫度叫作著火溫度。,例子：,,,二、著火濃度范圍 指燃料和空氣的比例必

15、須在一定的范圍內(nèi)才燃燒 三、固定碳的燃燒 C的燃燒是氧化反應(yīng)過(guò)程與擴(kuò)散過(guò)程的結(jié)合。,要使C迅速燃燒，O2必須擴(kuò)散至C表面，在高溫下與C氧化生成碳氧化物，然后這些碳氧化物必須迅速?gòu)腃表面擴(kuò)散出去，以使新的O2再擴(kuò)散至C表面。,三、可燃?xì)怏w的燃燒 連鎖反應(yīng), 以燃燒反應(yīng)為例：,按化學(xué)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)分：熱自燃和鏈鎖自燃機(jī)理 （一）熱自燃（或熱爆） 定義：若化學(xué)反應(yīng)所釋放的熱量大于散失的熱量，混合氣的溫度升高，進(jìn)而促進(jìn)混合氣的反應(yīng)速率和放熱速率增大，這種相互促進(jìn)，最終導(dǎo)致極快的反應(yīng)速率而著火。 活化能：氣體分子要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)需要相互碰撞，碰撞分子所具備一定大小的能量。 活化分子：能量超過(guò)活化能的分子

16、。,一、著火機(jī)理,能保證著火的缸內(nèi)最低溫度、壓力稱為著火臨界溫度和著火臨界壓力。 著火臨界線 在一定P0下，只要外界溫度低于T0，混合氣不會(huì)發(fā)生熱爆；在一定T0下，只要壓力低于P0，也不會(huì)發(fā)生熱爆。,圖3-2 著火臨界線,著火臨界溫度和著火臨界壓力,發(fā)動(dòng)機(jī)能否著火，取決于著火階段有無(wú)熱量積累，氧化反應(yīng)能否自動(dòng)加速。 （二）鏈鎖反應(yīng)(鏈爆炸 ) 反應(yīng)自動(dòng)加速不一定要依靠熱量的積累使大量分子活化，通過(guò)鏈鎖反應(yīng)逐漸積累活化中心的方法也能使反應(yīng)自動(dòng)加速，直至著火。 鏈鎖反應(yīng)：其中一個(gè)活化作用能引起很多基本反 應(yīng)，即反應(yīng)鏈。 鏈鎖反應(yīng)的過(guò)程：鏈引發(fā)鏈傳播鏈中斷,二、發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的著火,內(nèi)燃

17、機(jī)中碳?xì)浠衔锏淖匀?，均?于鏈熱自燃，但由于發(fā)火的條件不同， 有高溫單階段著火和低溫多階段著火。,,汽油機(jī),,柴油機(jī),,（一） 汽油機(jī)高溫單級(jí)著火,1 壓縮的是燃料與空氣的混合氣體, 在此過(guò)程中, 已經(jīng)進(jìn)行了一些化學(xué)反應(yīng)。 2 火花點(diǎn)火, 局部溫度高達(dá)2000 以上, 該處燃料分子直接分裂成大 量的自由原子與自由基, 迅速反應(yīng) 出現(xiàn)熱火焰, 瞬間擴(kuò)大到整個(gè)燃燒 室內(nèi)。所以, 汽油機(jī)著火過(guò)程： 壓縮混合氣 點(diǎn)火（經(jīng)短暫著 火延遲期） 熱火焰 高溫單級(jí)點(diǎn)燃,（二）柴油機(jī)低溫多級(jí)著火,1：t1階段混合階段 在壓縮過(guò)程終了時(shí)，燃料噴入汽缸內(nèi)形成可燃混合氣。燃料遇到溫度較高的空氣，開(kāi)始氧化，但速度緩

18、慢，示功圖上的壓縮線沒(méi)有明顯的變化?；旌想A段，為著火做準(zhǔn)備。,2、t2階段:一階段反應(yīng) 燃燒的實(shí)質(zhì)是燃料的氧化反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)速度很快時(shí)，火焰就會(huì)出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)時(shí)間t2 后，反應(yīng)加劇，出現(xiàn)冷火焰，缸內(nèi)壓力超過(guò)壓縮壓力。在這一階段，反應(yīng)生成醛類、過(guò)氧化物和一氧化碳等中間產(chǎn)物。要求混合氣較濃， = 0.40.5。,4 ：t1+t2+t3時(shí)間后:三階段反應(yīng)著火延遲期 活性中心劇增，化學(xué)反應(yīng)加速，熱積累劇烈，發(fā)生爆炸，出現(xiàn)熱火焰。混合氣更稀， 1。,3：t1+t2階段:二階段反應(yīng) 溫度、壓力升高較大，產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)的活性中心，出現(xiàn)藍(lán)火焰?；旌蠚庀〉枚?，略小于1。,三、發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式,（一） 同時(shí)爆炸

19、燃燒 取某一部分為系統(tǒng), 著火前后整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的相完全 均勻一致。為單相系, 均勻系。 柴油機(jī)上, 由于混合氣分配不是十分均勻, 總有某一部分 混合氣最先著火（一般在噴油嘴附近）, 取這一部分為系統(tǒng), 則系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的就是同時(shí)爆炸燃燒。 汽油機(jī)上, 由于火焰有傳播速度（雖然很快, 但相對(duì)同時(shí) 爆炸燃燒卻很小）, 傳播逐次進(jìn)行, 故顯然不是同時(shí)爆炸燃燒。 但火花塞間隙處的少量混合氣在電火花作用下, 可實(shí)現(xiàn)同時(shí)爆 炸燃燒，從而形成火焰中心。,HCCI均勻充氣壓燃發(fā)動(dòng)機(jī),HCCI的基本原理是將燃料和空氣預(yù)先混合成稀薄氣體充入發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸，隨后將其壓縮到較高的壓力和溫度直到發(fā)生類似汽油機(jī)

20、的敲缸反應(yīng)，爆發(fā)溫度峰值不超過(guò)1850K，燃燒過(guò)程能夠在不形成顆粒和NOx排放的情況下完成； 可使用多種燃料，是未來(lái)柴油機(jī)和汽油機(jī)的趨同，過(guò)程發(fā)生的溫度和壓力取決于所用燃料的燃燒特性，使用高辛烷值燃料如天然氣，發(fā)動(dòng)機(jī)效率接近柴油機(jī)，使用低辛烷值燃料如柴油，燃料經(jīng)濟(jì)性將與標(biāo)準(zhǔn)的汽油機(jī)相當(dāng)，但不發(fā)生通常的污染；,HCCI的爆發(fā)過(guò)程非常難以駕馭，控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，不僅要控制進(jìn)氣溫度、壓力，還要控制空燃比和燃料辛烷值等各種變量； 需要采用大規(guī)模高效率的電子信息技術(shù)逐個(gè)汽缸的實(shí)時(shí)控制，是對(duì)控制系統(tǒng)的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)； 能否開(kāi)發(fā)出可行的系統(tǒng)，生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)仍需待以時(shí)日。,（二） 逐漸爆炸燃燒 （預(yù)混合燃燒） 汽油

21、機(jī)火焰?zhèn)鞑ァ?兩相系混合氣相 （未 燃區(qū)），燃燒產(chǎn)物相 （已燃區(qū)）。 加熱從火花塞開(kāi)始， 緊靠火花塞的那一部分混合氣首先被加 熱, 使氧化或活性中心增多, 發(fā)生燃燒。燃燒又加熱下一層, 一層一層傳播。燃燒主要在火焰前鋒面內(nèi)進(jìn)行?；鹧媲颁h面前 方的未燃區(qū)中是混合氣，火焰前鋒面后方的已燃區(qū)中為燃燒產(chǎn) 物和一小部分在火焰前鋒面中沒(méi)有燃燒掉的燃料繼續(xù)燃燒。,（三） 擴(kuò)散燃燒 柴油機(jī)的燃燒方式, 三相燃料相, 空氣相, 燃燒產(chǎn)物相。 柴油燃點(diǎn)比汽油低, 但在日常生活中汽油卻比 柴油易燃, 原因就在于汽 油的揮發(fā)性好, 油與空氣 形成混合氣較快, 物理準(zhǔn) 備過(guò)程已經(jīng)就緒, 一點(diǎn)即 燃。柴油機(jī)中燃燒的快慢卻主要取決于物理準(zhǔn)備過(guò)程進(jìn)行的快 慢。油滴遇熱蒸發(fā)形成燃料蒸汽, 然后才能燃燒, 并非油滴與 空氣接觸就可燃燒。為防止燃燒產(chǎn)物將油滴與空氣隔開(kāi), 將組 織空氣相對(duì)于油滴的氣流運(yùn)動(dòng), 將燃燒產(chǎn)物拋在后面。,汽油機(jī)的點(diǎn)火燃燒 預(yù)混合燃燒,,柴油機(jī)的點(diǎn)火燃燒,,初始燃燒 預(yù)混合燃燒,,燃燒后期 擴(kuò)散燃燒,,作業(yè),1、什么叫低熱值？ 2、簡(jiǎn)述燃料的燃燒基理。 3、什么叫過(guò)量空氣系數(shù)？ 4、什么叫汽油的抗爆性及柴油的發(fā)火性？分別用什么來(lái)衡量？ 5、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒過(guò)程一般說(shuō)來(lái)，要經(jīng)歷哪幾個(gè)基本步驟？,