第三章 燃料与燃烧0809.ppt

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 HHHHHHHH C C C C C C C HHHHHHHH支链 异辛烷C8H18 HHHHH C HHH C C C C C HHH C HHH C HHH 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 HH H C C HC 炔烃CnH2n 2 乙炔 H C C H 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 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40 50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 10 6m2 s 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 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 CO212 kg 32 kg 44 kg gC kg X kg X 8 3 gC kgO2 氢燃烧 H2 1 2O2 H2O2 kg 16 kg 18 kg gH kg Y kg Y 8gH kgO2 1kg燃油完全燃烧理论所需的氧气量 即理论氧气量为 X Y go kgO2 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 0 8 1 2 柴油机负荷是靠质调节的 1 2 1 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 2 1 6 增压柴油机 1 8 2 2 空燃比 A F 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 1000 4000m 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 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 4 0 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 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 是对控制系统的一个严峻挑战 能否开发出可行的系统 生产发动机仍需待以时日 二 逐渐爆炸燃烧 预混合燃烧 汽油机 火焰传播 两相系 混合气相 未燃区 燃烧产物相 已燃区 加热从火花塞开始 紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热 使氧化或活性中心增多 发生燃烧 燃烧又加热下一层 一层一层传播 燃烧主要在火焰前锋面内进行 火焰前锋面前方的未燃区中是混合气 火焰前锋面后方的已燃区中为燃烧产物和一小部分在火焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧 三 扩散燃烧柴油机的燃烧方式 三相 燃料相 空气相 燃烧产物相 柴油燃点比汽油低 但在日常生活中汽油却