第四章_内燃机的燃料与燃烧

1、幻灯片1第四章 内燃机的燃料与燃烧4-1 发动机的燃料4-2 燃料的使用性能4-3 燃烧热化学4-4 燃烧的基本知识 幻灯片24-1 内燃机燃料及其提炼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。l 一、石油中烃的分类及性质l 传统燃料：汽油、柴油石油中提炼；l 石油：碳氢化合物l 主要成分：C，H；少量的S，O2，N2l 分子式：CnHm烃类l 代用燃料：CNG、LPG、 DME、 H2、 醇类等幻灯片31. 碳原子数的影响l 由烃分子C原子数的不同，其分子量、沸点不同；l 构成不同性质的燃料。l 燃料根据不同沸点分馏依次得到：l 石油气汽油煤油柴油渣油（重油

2、） l C1C4：气态石油气，相对分子质量1658；l C5C23：液态，其中：l C5C11：50200，汽油， 分子质量95120； l C11C19：180300 ，煤油， 100180；l C16C23: 250360， 轻、重柴油，180200l C23以上：360 以上，渣油，220280幻灯片4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幻灯片52. 分子的化学结构对性能的影响碳，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

3、差， 高温易分解，自然性好柴油的好成分；2）烯烃： 分子式：CnH2n ； 化学结构：-C=C-; -C=C-C-C-支链(热稳定)-C-C-C-C-CC-C-C-C-C-；直链幻灯片6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：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。-CC-CC-环丁环幻灯片75）芳香烃：CnH2n-6； 基本化合物是苯：C

4、6H6; 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，a-甲基萘：C11H10， 其抗爆性认为100%幻灯片8二、燃料的提炼方法及对燃料性能的影响 l 从石油原油中炼制燃料的典型工艺流程：l 直馏法：将原油在炼油塔中进行加热蒸馏；l 不同分馏温度得到不同成分的燃油l 这一部分燃料油约占原油的25%40%l 裂解法：通过加温加压方法进行裂解；l 催化重整：使用催化剂进行裂解；l 加氢精制：将蒸馏后的重油等一些高分子成分用不同手段裂解为分子量较轻的成分。幻灯片9 幻灯片10l 热裂解：工艺简单；l 但燃油的稳定性差，辛烷值低。l 催化

5、重整：使正构烷烃或环烷烃异构物烃和l 芳香烃；l 副产品氢气可作为加氢工艺的氢气来源。l 加氢精制：可使烯烃变成饱和烃，还可以脱碳，脱氮，脱氧以及脱金属等作用，满足油品的更高要求。l 为获得高品质燃料，常采用加氢精制或催化重整工艺。幻灯片11三、代用燃料及其特性l 1、气体燃料 l NG：自由态或与石油共存的天然气，主要成分是l 甲烷,CH4; 成为第三大支柱能源。l 汽车上的应用：l 压缩天然气(CNG)，20MPa 存于高压气瓶中；l 液化天然气(LNG)，-162低温液化储存；l 其密度为常态下气体密度的600倍；l 行驶距离长；但成本高。l LPG: 天然石油气或石油炼制中产生的液化石

6、油气l 主要成分：丙烷/丙烯/丁烷/丁烯及其异构物。幻灯片12l 天然气燃料的优点：l 主要成分是甲烷，CO、HC排放少，燃料中不含硫的成分，SO2排放量低于电动汽车。l 辛烷值高达130，可提高压缩比热效率。l 燃烧下限宽，稀燃优越，运转范围内可降低NOx。l 气体燃料，低温起动及低温运转性能良好。l 天然气燃料的缺点：l 气体燃料，常温常压下储运性能差，能流密度低，一次充气可行驶距离短。l 储气压达20MP，燃料容器加重。l 因气态吸入气缸，充气效率降低；单位体积的混合气热值低，功率降低近10%幻灯片13用于汽车的三种形式： CNG以20MPa压缩储存； 液化天然气 LNG -162以下储

7、存； 吸附天然气 ANG吸附材料幻灯片142. 醇类燃料：主要指甲醇和乙醇l 甲醇：从天然气、煤、生物质等原料中提取。l 乙醇：从含淀粉和糖的农作物中制取。 l 特点：相对汽油l 热值低，但醇中含氧量大，所需理论空气量比汽油少，所以两者混合气热值相近，保证发动机动力性能不降低l 醇的汽化潜热为汽油的三倍；燃料蒸发汽化可促使进气温度降低，增加充气量，但冷起动困难需要预热。l 辛烷值高，抗爆性能好，可提高压缩比。l 沸点低，产生气阻的倾向大。l 甲醇对视神经有损伤作用，有毒性，储运及使用中注意安全；甲醇对金属有一定腐蚀作用，需防腐蚀措施。原料来源广泛，可再生，有较好的燃料特性幻灯片15幻灯片16l

8、 3. 生物柴油l 由动物脂肪或植物油通过酯化反应得到的长链脂肪酸甲(乙)酯组成的新型燃料。具有与柴油相近的性能。l 特点：l 环保性优良。含S低，不含芳香烃，保持CO2平衡。l 十六烷值高，燃烧性能好，润滑性能好。l 闪点高，可溶解，对土地和水的污染小，可大大减轻意外泄漏时对环境的污染安全性好。l 可再生。资源不会枯竭。l 能与石油柴油以任何比例相溶，与柴油混烧或纯烧生物柴油，可直接应用现有的柴油机及供油系统和加油站系统。光合作用自然循环幻灯片17幻灯片184-2 传统燃料的使用特性一、柴油 高速柴油机：轻柴油；中低速柴油机：重柴油1. 柴油性能的评价指标：1）十六烷值：评价柴油的自燃性。

9、与发动机的粗暴性、起动性密切相关 十六烷值高：着火延迟期短，工作柔和，起动性好测定方法：单缸试验机，压缩比可调； 标准燃料：十六烷与 a-甲基萘不同比例制成的混 合液； 规定自燃性：十六烷：100%； a-甲基萘：0%定义：被测柴油的自燃性与标准燃料相同时，标准燃料 中十六烷的体积百分数为该柴油的十六烷值。幻灯片19 l 十六烷值：与燃料的分子结构有关；l 可通过原油种类、炼制方法、添加剂来控制;l 直链烷烃类、分子量、C数增加时十六烷值增加;l 所以，十六烷值高，便于起动，着火落后期缩短;l 但，分子量增加，蒸发性变差，粘度增加，冒黑烟，经济性恶化。l 一般，十六烷值：4565，不要过大l

10、过大：冒烟l 过小：不易着火幻灯片20燃料中不同成分对化学安全性的影响 幻灯片21l 2）馏程：评价柴油的蒸发性。l 用馏出某一百分比的温度范围表示。如：l 馏出50%的温度T50：表示平均蒸发性；l T50低，轻馏分多，蒸发快，有利于混合；l 主要影响暖机性能、加速性、工作稳定性。l 馏出90%或95%温度T90或T95：表明柴油中难以l 蒸发的重质成分含量；l 主要影响燃烧完全经济性。幻灯片223）粘度：表示燃料分子间的内聚力抵抗分子间相对运动的能力；评定柴油的稀稠度，影响燃料的流动性和喷雾质量; 温度高，粘度小，流动性强；反之相反。 4） 热值：1kg燃料完全燃烧所释放的热量。柴油hu=

11、42700kJ/kg5）凝点：表示柴油失去流动性，开始凝固的温度，评定柴油的低温流动性。柴油牌号用凝点表示。 如：RC10，RC0，RC-10，RC-20，RC-30等。幻灯片23二、汽油1. 汽油性能的评价指标：1）辛烷值：评价汽油的抗爆性 爆震现象：点火后，末端气体的自燃现象。 测定方法：专用试验台，压缩比可变 标准燃料：正庚烷易爆震，辛烷值为0%； 异辛烷抗爆性好，辛烷值为100% 按不同比列混合而成。 试验方法不同：研究法和马达法n和温度Tb不同 实验n及混合气Tb马达法研究法 定义：被测汽油的抗爆程度与标准燃料相同时，标准燃 料中异辛烷含量的体积百分数为被测汽油的辛烷值。幻灯片24l

12、 汽油辛烷值：取决于汽油组成、炼制方法、添加剂；l 辛烷值的高低：烷烃烯烃环烷烃芳烃l 2）馏程：指汽油馏出的温度范围，评价蒸发性。l 试验方法：l 加热器，量筒，l 冷凝器，温度计l 初馏点：第一滴l 凝结的燃料流入l 量筒时的温度。航空汽油车用汽油煤油轻柴油燃料蒸馏曲线幻灯片25l 10%馏出温度T10：评价低温蒸发性，影响起动性l T10低，低温蒸发性好，易于起动；l 过低，易产生“气阻”现象l 50%馏出温度T50：评价平均蒸发性，l 影响暖车、加速性，工作稳定性。l 90%馏出温度T90：评价难以挥发的重质成分数量l 影响燃烧完全程度、积碳等。l 汽油的牌号：表示其辛烷值大小。l 根

13、据压缩比选用牌号幻灯片26三、汽油、柴油性能差异对发动机性能的影响 1. 混合气形成和负荷调整上的差异 汽油挥发性强：低温度下，充分蒸发； 在缸外形成混合气，时间充足均匀混合气； 用混合气充量，控制发动机功率量调。 柴油蒸发性差： 200开始馏出，350 结束 粘性大，不能低温下形成混合气； 故 用喷嘴强制雾化，在缸内形成混合气； 进气量不变，喷油量调节功率质调40馏出，200 蒸发完纯空气幻灯片272. 着火和燃烧上的差异：自燃、点燃温度不同 汽油自燃点高，点燃温度低： 采用外部能源点燃的方式点火系； 点火后，混合气均匀，火焰传播方式燃烧； 为防自燃，压缩比不宜高柴油自燃点低，点燃温度高：

14、采用压缩自燃方式； 为促进自燃，压缩比不宜过低； 混合气不均匀，预混合燃烧和扩散燃烧。燃烧时间延长 幻灯片284-3 燃烧热化学l 了解燃烧过程，燃料、空气及产物及其数量关系l 一、1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量l 设燃料主要成分：C、H、O；各元素的质量成分l 空气成份：O2（21%）、N2（79%）； l 则 完全燃烧时的化学反应方程方式：引入kmol：以kg为单位的某元素数量等于其分子量幻灯片29l 1kg燃料（wC+wH+wO）完全燃烧时所需氧的kmol数：l 所需要的理论空气量：幻灯片30l 二、过量空气系数：评价混合气的性质l 定义：l 另：空然比=A/F； 当量比=(A/F)

15、0/(A/F)=1/fal fa =1或A/F=14.9理论混合气l fa 1或A/F1或A/F14.9稀混合气fa 与发动机类型、混合气形成方法、工况及功率调节方法等有关。 幻灯片31l 汽油机： fa=0.81.2l 电控+三效催化装置后：l 控制在 fa=1 附近l 柴油机： fam=1.21.6l 增压柴油机：l fam=1.82.2柴油汽油电控+三效幻灯片32l 三、 fa1时完全燃烧的产物l 1）燃烧前混合气量l 汽油机：l 柴油机：l 2）燃烧后的产物: 因fa1 ;l 产物为CO2和H2O，以及未燃的N2、剩余O2l 所以，喷入缸内的燃料体积1幻灯片34四、燃料的热值、混合气热

16、值1）燃料的热值： 定义： 1kg燃料完全燃烧所放出的热量。 低热值：产物中H2O以水蒸气状态存在； 高热值：产物中H2O以液体状态存在。2）混合气热值：单位混合气完全燃烧所放出的热量 设1kg燃料形成的混合气量为M1，燃料低热值hm;则，气化潜热幻灯片354-4 燃烧的基本知识l 燃烧过程：着火阶段燃烧准备过程 l 燃烧阶段放热过程 l 一、着火理论l 着火过程：指混合气自动加速反应，产生升温，最终某一时刻某一位置出现火焰的过程。l 特点：有明显的光和火焰效应l 着火理论(方式)：4着火热理论l 4链锁反应理论l 4点燃自燃理论幻灯片361、着火的热理论加热一充满空气和燃料混合气的容器受热燃

17、料分子和氧分子动能而相撞活化分子相撞能量反应活化能E时，打破化学键而引起化学反应幻灯片37设：容器中总分子数n； 超过活化能E的活化分子数n*；则 按照能量分配定律：R：气体常数；E：活化能；T：绝对温度 可见，T时，活化分子所占比例，化学反应加速 反应速度v：单位时间单位体积中出现的氧化产物的分子数，与n*/n成比例，即 幻灯片38又 燃料氧化反应放热速率与氧化反应速度成比例： C2：与分子的反应热及气体的压力有关的系数 反应时单位时间内向容器壁的传热量为： 放热率dq2/dt，反应可继续，但v 幻灯片39l 反应压力的影响：l 容器不变，压力，混合气密度 ，虽n*/n不变，l 但混合气中n

18、*的绝对数；l 反应速度 ；l 氧化反应放热量 ；l dq1/dtdq2/dt；l 热量积累着火。Tc着火温度Tc=临界温度幻灯片40l 结论：l TC与混合气的物理化学性质、环境温度、压力、容器形状及散热情况有关；l 同一种燃料，因条件不同，l 着火温度不同。l 临界Tc与压力pc明显影响l 着火域； pc低时需要Tc。幻灯片41l 存在混合气浓度的着火界限；随温度和压力，着火界限加宽，但有限。当温度和压力低于临界值时，无论在什么浓度下，均不能着火。下限上限幻灯片42l 在低温、低压区着火规律与l 高温区完全不同存在着火半岛。 l 烃燃料低温下着火过程(光谱分析)：l 冷焰t2蓝焰t3热焰t

19、4三个阶段。蓝焰期：甲醛的支链反应而产生CO；辉光较强，p、T；持续期短冷焰:过氧化物分解成甲醛,并积累热焰期:CO+氧生成CO2爆炸性热火焰，释放大量热冷焰诱导期t1: T低反应缓慢，形成过氧化物 低温多阶段着火幻灯片43l 烃燃料低温低压时的着火规律：退化支链反应的结果低温多阶段着火。l 烃燃料高温时：甲醛退化支链反应不经过冷焰期，而直接进入蓝焰-热焰期，因蓝焰-热焰期很难区分高温单阶段着火。高温时：甲醛退化支链反应不经冷焰，直接进入蓝焰-热焰期。高温单阶段着火幻灯片442、 链锁反应自燃着火理论 烃的氧化反应：始末自由原子或自由基H、O、OH等 最终燃烧产物，经一些列中间产物反应的结果；

20、中间产物形成过程活性中心、反应物再生链锁反应幻灯片45l 链锁反应机理：l 链引发：反应物受某种因素的激发，而产生的自由原子或自由基具有很强的反应能力；l 链传播：自由原子与反应物作用，推进反应，产生新的自由原子的过程；l 直链反应：一个自由原子生成新的一个自由原子，反应恒速;l 支链反应：一个活性中心同时生成两个以上的活性中心，反 l 应加速引爆l 链中断：活性中心与缸壁、惰性气体相碰撞无效碰撞，不再引致反应。幻灯片46链锁反应特点：1）诱导期ti：积累活性中心过程，量变；2）链爆炸的原因，是能激发活性中心，不一定高温; 3）反应自动加速；随温度急剧增高（AB）;随反应度浓度的减少而降低（B

21、C）4）加入惰性气体时， 反应速度迅速下降； 而加入添加剂时： 使反应速度加速。与反应物物性参数、浓度、温度、容器形状有关幻灯片47l 3、点燃：l 指用电火花产生火焰核心并引起火焰传播的过程l 点火过程：靠火花能量局部混合气升温引起电离形成活性中心加速化学反应形成火焰核。l 火焰成长、传播的必要条件：l 给靠近火焰核的未燃气供给足够的能量。l 这种能量的来源：点火能量、反应后释放的热量l 最小点火能量：受燃料种类、浓度，氧的浓度，l p, T；点火处气流状态；火花性质；l 电极形状，距离等的影响。幻灯片48l 电极间隙与点火能量关系：l 电极间隙过大需点火能量越大；l 间隙过小能量在大也不能

22、着火。l 熄火距离：指不能着火的最小电极间隙。l 混合气浓度限制：l 超出着火界限，不能着火。l 汽油机循环变动：火焰核形l 成过程中条件的随机性造成。幻灯片49二、内燃机的燃烧方式1、预混合燃烧 特点：4着火前预先混合而形成可燃混合气体；4在燃烧室空间压力和温度不均匀。火焰前锋燃烧区4局部点燃后形成火焰核，在预混合气中以火焰传播形式完成燃烧过程。 任一时刻温度大小分布:已燃区燃烧区未燃区 幻灯片50l 根据混合气的气流特性将预混合气的火焰传播过程分为层流火焰传播和湍流火焰传播过程。1）层流火焰传播: 特点：火焰前锋为球面，且很薄=1/10mm1/100mm 层流火焰将燃烧室分为已燃和未燃区传

23、播原理：层流火焰面内温度梯度和浓度梯度很大; 引起强烈的传热和传质现象； 促使邻近混合气快速化学反应； 造成火焰空间移动现象火焰传播幻灯片51l 影响层流火焰传播的因素：生成HC的主要原因l 混合气性质：l 4当fa=0.80.9时，反应温度高，传播速度最快；l 4当fa=11.15时，传播速度约降低10%15%；l 4过浓或过稀：反应温度过低不能维持火焰传播l 缝隙：火焰不能传播的最小缝隙称为淬熄距离； l 如气缸间隙、火花塞缝隙等火焰不能传播；l 温度：火焰传播到壁面时，T过低不能传播。汽油机一般：幻灯片52l 2）湍流火焰传播 l 湍流：气流中不同尺寸涡旋不断形成、发展、分解与消失的不稳

24、定过程。l 产生原因：粘性气流速度增加到一定值后，由于边界阻碍、外部干扰等，气流内部形成许多涡旋而造成。l 特点：涡旋套涡旋，各种不同尺寸的涡旋组成连续的涡旋谱。l 空间时间上紊乱无序变化，但有随机性质；l 评价方法：湍流尺度和湍流强度幻灯片53l 湍流尺度：指涡旋翻滚一个周期所作用的范围l 宏观湍流：决定其力学性质；l 微观湍流：在流体的粘性作用下将湍流能转化为热能而消失。l 宏观微观分子运动热能l 湍流强度：用脉动速度的均方根来表示湍流的能量，主要影响湍流火焰传播速度。幻灯片54l 湍流对火焰传播的作用：l 宏观湍流：使火焰前锋皱折，增大反应面积，但层流火焰前锋结构不变；l 微观湍流：加强

25、传质传热（扩散）相对层流导热系数增大100倍，由此提高紊流火焰传播速度。l 提高湍流强度：火焰前锋结构破裂，促进已燃气体与未燃气体迅速混合，缩短反应时间，提高放热速率。湍流火焰传播速度：幻灯片55l 2、扩散燃烧：l 压缩终了向缸内高温高压空气直喷燃料；l 燃料喷射需时间，燃料蒸发温度低于着火温度， l 故，后续喷入的燃料边混合边燃烧。l 扩散燃烧时缸内温度很高，只要燃料与空气混合，其化学反应就很快进行。扩散燃烧过程完全取决于燃料和空气的混合过程及速度。l 扩散燃烧期，燃烧室内同时存在三个相：l 可燃混合气、空气和燃烧产物。幻灯片56l 1）单滴油滴的扩散燃烧模型： l 扩散燃烧过程是气液两相

26、的混合燃烧过程，不是液体燃料的直接燃烧，故首先液体燃料充分气化l 油滴蒸发：表面形成浓度梯度l 着火条件：浓度，温度适当；l 着火后的燃烧过程：取决于l 燃料与空气的扩散速度；l 当火焰包围燃料时：l 造成高温缺氧，形成碳烟。幻灯片57l 扩散燃烧特点：l 燃烧过程受扩散、流动、混合与热交换的制约，l 反应速度要比流动、扩散、混合的速度快得多；l 浓度梯度的扩散：受流动、混合、热交换的影响l 气液两相的扩散燃烧先液体蒸发，在油滴表面形成可燃混合气（扩散与混合过程），适当温度条件即燃油蒸汽和空气的燃烧。l 所以，燃料的雾化、蒸发及气流特性起决定性作用。幻灯片58l 2）喷雾燃烧：l 无数个油滴相互干涉，汽化混合等，不同于单油滴蒸发燃烧。l 实际喷雾过程，由大大小小油滴组成预混合燃烧与扩散燃烧同时存在。l 高压喷射化：喷雾质量得到改善喷入后缸内直接雾化，混合气形成速率。l 所以扩散燃烧控制：温度及空气流的控制；l 温度受控于喷射规律幻灯片593稀薄混合气的均质低温压燃C/H燃料燃烧结果：高温高压对外做功 产物：CO、HC、NOx、PM污染环境对车用内燃机燃烧过程的要求：高效率、超低排放 高效率：经济性，节能； CO2超低排放： NOx 、CO、HC、PM措施：高效率化燃烧完全、及时 低排放化稀薄、低