第三章-燃料与燃烧

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1、3-1 3-1 内燃机的燃料及其热化学内燃机的燃料及其热化学 一、内燃机的燃料一、内燃机的燃料 汽油汽油传统燃料石油产品传统燃料石油产品 柴油柴油 液化石油气（液化石油气（LPGLPG）天然气（天然气（CNGCNG）石油的主要成分：碳氢化合物，占石油的主要成分：碳氢化合物，占96%99%96%99%，少量少量OO、NN、S S等，占等，占1%4%1%4%。石油产品是以多种碳氢化合物的混合物形石油产品是以多种碳氢化合物的混合物形式出现。分子式为式出现。分子式为CnHmCnHm通常称为烃。通常称为烃。石油燃料（汽油、柴油）石油燃料（汽油、柴油）炼制炼制方法方法（补）（补）：将原油在专用的炼油塔将原

2、油在专用的炼油塔(分馏塔分馏塔)中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的2525一一4040。：将蒸馏后的重油等一些高分子成分：将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成分。分。通过加温加压进行裂解通过加温加压进行裂解 使用催化剂使用催化剂(触媒触媒)进行裂解进行裂解 仅由碳、氢两种元素组成的化合物统称碳氢化合仅由碳、氢两种元素组成的化合物统称碳氢化合物，简称烃。物，简称烃。饱和烃饱和烃 烷烃烷烃 开链烃开链烃 不饱和烃

3、不饱和烃 烯烃、炔烃烯烃、炔烃 烃烃 环状烃环状烃 脂环烃脂环烃 芳香烃芳香烃1.1.根据烃分子中碳原子数的不同可构成不同分子量，根据烃分子中碳原子数的不同可构成不同分子量，不同沸点的物质不同沸点的物质质轻质轻易挥易挥发发化学化学稳稳定性变定性变好好易点易点燃燃粘度增大粘度增大易自燃易自燃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（异辛烷异辛烷C8H18）H H H H HCH H H CC C C CH

4、 H HCH H HCH H H 呈饱和的开链结构，呈饱和的开链结构，结构不紧凑常温结构不紧凑常温稳定，但热稳定性差，稳定，但热稳定性差，高温下易分解，滞燃期高温下易分解，滞燃期较短，是较短，是柴油燃料的良柴油燃料的良好成分好成分。高温下也较稳定，高温下也较稳定，是是汽油中抗爆性好的汽油中抗爆性好的燃料燃料。B、烯烃、烯烃CnH2n(例如:乙烯)H H HC CHC、炔烃、炔烃CnH2n-2(乙炔乙炔)HCCH 非饱和开链非饱和开链结构，有一个二结构，有一个二价键，它比烷烃价键，它比烷烃难于自燃，抗爆难于自燃，抗爆性好，但常温下性好，但常温下稳定性差，易于稳定性差，易于氧化生成胶质。氧化生成胶

5、质。非饱和开链结构，有一个三价链。炔烃不存在非饱和开链结构，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，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，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烃为高。环烷烃多的燃油适宜作为汽油机燃料，油机燃料，不适宜作柴油机燃料不适宜作柴油机燃

6、料，环，环烷烃与烷烃都是石油的重要组成部分。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，所基本化合物是苯，所有芳香烃都含有苯基的成有芳香烃都含有苯基的成分。在石油中含量较少，分。在石油中含量较少，分子结构坚固，热稳定性分子结构坚固，热稳定性比环烷烃高，在高温下分比环烷烃高，在高温下分子不易破裂，化学安定性子不易破裂，化学安定性较前者为高，较前者为高，是良好的防是良好的防爆剂。爆剂。3-2 3-2 燃料的使用特性燃料的使用特性 一、汽油的使用性能一、汽油的使用性能影响汽油机性能的关键性指标主要是影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程辛烷值和馏程等。等。1 1

7、、馏程：蒸发性、馏程：蒸发性 馏程：用燃油馏出某一百分比的馏程：用燃油馏出某一百分比的温度范围温度范围来表示。来表示。为了评价燃料的挥发性，以为了评价燃料的挥发性，以1010、5050和和9090的的馏出温馏出温度度作为几个有代表意义的点。作为几个有代表意义的点。（1 1）馏出）馏出1010的温度的温度T T1010(75)(75)标志着它的标志着它的起动性起动性。T T1010低低燃料容易冷车起动。燃料容易冷车起动。但但T T1010过低，在管路中输送时受发动过低，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，在机温度较高部位的加热而变成蒸气，在管路中形成管路中形成“气阻气阻”，使发动

8、机断火，影，使发动机断火，影响它的正常运转。响它的正常运转。（2 2）馏出）馏出5050的温度的温度 T T5050(145)(145)标志着汽油的标志着汽油的平均蒸发性平均蒸发性。缩短发动机的暖车时间；缩短发动机的暖车时间；温度温度 T T5050低低 提高加速性；提高加速性；工作稳定性。（从较低负荷向较高负荷过渡工作稳定性。（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。）时，能够及时供应所需的混合气。）（3 3）馏出）馏出9090的温度的温度T T9090(195)(11时完全燃烧产物的数量时完全燃烧产物的数量1、1kg燃料燃烧前混合气的数量燃料燃烧前混合气的数量 M1汽油机：

9、汽油机：（kmol/kg燃料）燃料）式中；式中；MMrTrT为燃料的分子质量为燃料的分子质量 柴油机：液态燃料的体积不及空气的柴油机：液态燃料的体积不及空气的1/100001/10000，即为纯空气即为纯空气 （kmol/kgkmol/kg燃料）燃料）.四、燃料热值与混合气热值四、燃料热值与混合气热值1 1、燃料热值：、燃料热值：1kg1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值。为燃料的热值。高热值：包括高热值：包括水蒸汽凝结后水蒸汽凝结后放出的汽化潜热；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。低热值：不包括水蒸汽凝结后放出的汽化潜热。rTML

10、M10101LM 2 2、混合气热值：单位数量的可燃混合气燃、混合气热值：单位数量的可燃混合气燃烧所产生的热量。烧所产生的热量。rTmixMLhMhQ1013-4 3-4 燃烧的基本知识燃烧的基本知识 燃烧的定义燃烧的定义：燃料中的可燃物与空气产生剧烈的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氧化反应，产生大量的热量，并伴有强烈的发光现象象。普通燃烧普通燃烧：正常燃烧，靠燃烧层的热气体传质、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，几播。火焰的传播速度较小，几

11、m/sm/s，属于等压过程。，属于等压过程。爆炸燃烧爆炸燃烧：靠压力波将冷可燃物加热至着火：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，温度以上而燃烧。火焰的传播速度大，10004000m/s10004000m/s，高温高压下进行。，高温高压下进行。燃烧的条件燃烧的条件：除了要有燃料、空气外，尚需达到除了要有燃料、空气外，尚需达到燃烧所需的最低温度燃烧所需的最低温度着火温度。着火温度。其中，其中，E是活化能，是活化能，T是混合气体温度，是混合气体温度，T0是器壁温度。是器壁温度。从图中可以看出：从图中可以看出：A是稳定点，是稳定点，B是不稳定点，是不稳定点，C是着火温度。是着

12、火温度。着火温度不是定值，着火温度不是定值，Q放放增大或增大或Q散散减少均能够使减少均能够使Tc 变少变少。QQs3Qs2Qs1Q放TATcCBT0 T01 T02)(0TTkQkeQRTE散放一、着火温度一、着火温度概念：由缓慢氧化反应转变为剧烈氧化反应（燃烧）的瞬间概念：由缓慢氧化反应转变为剧烈氧化反应（燃烧）的瞬间叫叫“着火着火”，转变时的最低温度叫作着火温度。，转变时的最低温度叫作着火温度。例子：例子：二、着火浓度范围二、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、固定碳的燃烧三、固定碳的燃烧 C C的燃烧是氧化反应过程与扩散过

13、程的结合。的燃烧是氧化反应过程与扩散过程的结合。要使要使C C迅速燃烧，迅速燃烧，OO2 2必必须须扩散扩散至至C C表面，在高温下表面，在高温下与与C C氧化生成碳氧化物，然氧化生成碳氧化物，然后这些碳氧化物必须迅速后这些碳氧化物必须迅速从从C C表面扩散出去，以使新表面扩散出去，以使新的的OO2 2再扩散至再扩散至C C表面表面。碳碳氧气氧气碳氧化物碳氧化物三、可燃气体的燃烧三、可燃气体的燃烧连锁反应连锁反应,以燃烧反应为例：以燃烧反应为例：H2H2OH+O2H+O2.OH+H2HO+H2HOH+H2H2OH按化学动力学的观点分：热自燃和链锁自燃机理按化学动力学的观点分：热自燃和链锁自燃机

14、理（一）热自燃（或热爆）（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，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。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，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。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。活化分子：能量超过活化能的分子。一、着火机理一、着火机理 能保证着火的缸内能保证着

15、火的缸内最低温度、压力称为着最低温度、压力称为着火临界温度和着火临界火临界温度和着火临界压力。压力。着火临界线着火临界线在一定在一定P P0 0下，只要外界下，只要外界温度低于温度低于T T0 0，混合气不，混合气不会发生热爆；在一定会发生热爆；在一定T T0 0下，只要压力低于下，只要压力低于P P0 0，也不会发生热爆。也不会发生热爆。图图3-2 3-2 着火临界线着火临界线着火临界温度和着火临界压力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。积累，氧化反应能否自动加速。（二）链锁反应（二）链锁反应(链

16、爆炸链爆炸)反应自动加速不一定要依靠热量的积累使大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。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。应，即反应链。链锁反应的过程：链引发链锁反应的过程：链引发链传播链传播链中断链中断二、发动机混合气的着火二、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，有高温单阶段着火高温单阶段着火和低温多阶段着火低温多阶段着火。汽油机

17、汽油机柴油机柴油机（一）（一）汽油机高温单级着火汽油机高温单级着火1 1 压缩的是燃料与空气的混合气体压缩的是燃料与空气的混合气体,在此过程中在此过程中,已经进行了一已经进行了一些化学反应。些化学反应。2 2 火花点火火花点火,局部温度高达局部温度高达20002000以上以上,该处燃料分子直接分裂成大该处燃料分子直接分裂成大量的自由原子与自由基量的自由原子与自由基,迅速反应迅速反应出现热火焰出现热火焰,瞬间扩大到整个燃烧瞬间扩大到整个燃烧室内。所以室内。所以,汽油机着火过程：汽油机着火过程：压缩混合气压缩混合气 点火（经短暂着点火（经短暂着火延迟期）火延迟期）热火焰热火焰 高温单级点燃高温单级

18、点燃（二）柴油机低温多级着火（二）柴油机低温多级着火1 1：t t1 1阶段阶段混合阶段混合阶段 在压缩过程终了时，燃在压缩过程终了时，燃料喷入汽缸内形成可燃混料喷入汽缸内形成可燃混合气。燃料遇到温度较高合气。燃料遇到温度较高的空气，开始氧化，但速的空气，开始氧化，但速度缓慢，示功图上的压缩度缓慢，示功图上的压缩线没有明显的变化。混合线没有明显的变化。混合阶段，为着火做准备。阶段，为着火做准备。2 2、t t2 2阶段阶段:一阶段反应一阶段反应 燃烧的实质是燃料的氧燃烧的实质是燃料的氧化反应，当反应速度很化反应，当反应速度很快时，火焰就会出现。快时，火焰就会出现。经过时间经过时间t2 t2 后

19、，反应加后，反应加剧，出现冷火焰，缸内剧，出现冷火焰，缸内压力超过压缩压力。在压力超过压缩压力。在这一阶段，反应生成醛这一阶段，反应生成醛类、过氧化物和一氧化类、过氧化物和一氧化碳等中间产物。要求混碳等中间产物。要求混合气较浓，合气较浓，=0.4=0.40.50.5。4 4：t t1 1+t+t2 2+t+t3 3时间后时间后:三阶段反三阶段反应应着火延迟期着火延迟期 活性中心剧增，化学反应加活性中心剧增，化学反应加速，热积累剧烈，发生爆炸，速，热积累剧烈，发生爆炸，出现热火焰。混合气更稀，出现热火焰。混合气更稀，1 1。3：t1+t2阶段阶段:二阶段反应二阶段反应 温度、压力升高较大，产生许

20、多化学反应的活性温度、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，中心，出现蓝火焰。混合气稀得多，略小于略小于1。三、发动机的燃烧方式三、发动机的燃烧方式（一）一）同时爆炸燃烧同时爆炸燃烧 取某一部分为系统取某一部分为系统,着火前后整个系统各个部分的相完全着火前后整个系统各个部分的相完全均匀一致。为单相系均匀一致。为单相系,均匀系。均匀系。柴油机上柴油机上,由于混合气分配不是十分均匀由于混合气分配不是十分均匀,总有某一部分总有某一部分混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）混合气最先着火（一般在喷油嘴附近）,取这一部分为系统取这一部分为系统,则系统内实现的就是同时爆炸燃烧。则

21、系统内实现的就是同时爆炸燃烧。汽油机上汽油机上,由于火焰有传播速度（虽然很快由于火焰有传播速度（虽然很快,但相对同时但相对同时爆炸燃烧却很小）爆炸燃烧却很小）,传播逐次进行传播逐次进行,故显然不是同时爆炸燃烧。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,可实现同时爆可实现同时爆炸燃烧，从而形成火焰中心。炸燃烧，从而形成火焰中心。HCCI均匀充气压燃发动机均匀充气压燃发动机 HCCIHCCI的基本原理是将燃料和空气预先混合成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，随后将其压缩到稀薄气体充入发动机的汽缸，随后将其压缩

22、到较高的压力和温度直到发生类似汽油机的敲缸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反应，爆发温度峰值不超过1850K1850K，燃烧过程，燃烧过程能够在不形成颗粒和能够在不形成颗粒和NOxNOx排放的情况下完成；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，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

23、油机相当，但不发生燃料经济性将与标准的汽油机相当，但不发生通常的污染；通常的污染；HCCIHCCI的爆发过程非常难以驾驭，控制系统非常复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；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；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能否开发出可行的系统，生产发动机仍需待以时日。日。（二）（二）逐渐爆炸燃烧逐渐爆炸燃

24、烧（预混合燃烧）（预混合燃烧）汽油机火焰传播。汽油机火焰传播。两相系混合气相两相系混合气相 （未（未燃区），燃烧产物相燃区），燃烧产物相 （已燃区）。（已燃区）。加热从火花塞开始，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紧靠火花塞的那一部分混合气首先被加热热,使氧化或活性中心增多使氧化或活性中心增多,发生燃烧。燃烧又加热下一层发生燃烧。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

25、焰前锋面中没有燃烧掉的燃料继续燃烧。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）（三）扩散燃烧扩散燃烧柴油机的燃烧方式柴油机的燃烧方式,三相燃料相三相燃料相,空气相空气相,燃烧产物相。燃烧产物相。柴油燃点比汽油低柴油燃点比汽油低,但在日常生活中汽油却比但在日常生活中汽油却比柴油易燃柴油易燃,原因就在于汽原因就在于汽油的挥发性好油的挥发性好,油与空气油与空气形成混合气较快形成混合气较快,物理准物理准备过程已经就绪备过程已经就绪,一点即一点即燃。柴油机中燃烧的快慢却主要取决于物理准备过程进行的快燃。柴油机中燃烧的快慢却主要取决于物理准备过程进行的快慢。油滴遇热蒸发形成燃料蒸汽慢。油滴

26、遇热蒸发形成燃料蒸汽,然后才能燃烧然后才能燃烧,并非油滴与并非油滴与空气接触就可燃烧。为防止燃烧产物将油滴与空气隔开空气接触就可燃烧。为防止燃烧产物将油滴与空气隔开,将组将组织空气相对于油滴的气流运动织空气相对于油滴的气流运动,将燃烧产物抛在后面。将燃烧产物抛在后面。汽油机的点火燃烧 预混合燃烧柴油机的点火燃烧初始燃烧 预混合燃烧燃烧后期 扩散燃烧作业1、什么叫低热值？、什么叫低热值？2、简述燃料的燃烧基理。、简述燃料的燃烧基理。3、什么叫、什么叫过量空气系数？过量空气系数？4、什么叫汽油的抗爆性及柴油的发火性？、什么叫汽油的抗爆性及柴油的发火性？分别用什么来衡量？分别用什么来衡量？5、发动机内的燃烧过程一般说来，要、发动机内的燃烧过程一般说来，要经历哪几个基本步骤？经历哪几个基本步骤？