第三章-燃料與燃燒優(yōu)秀文檔

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衔锏幕旌衔镄问匠霈F(xiàn)。分子式為CnHm通常稱為烴。石油燃料（汽油、柴油）煉制方法（補(bǔ)）直接蒸餾法：將原油在專用的煉油塔(分餾塔)中進(jìn)行加熱蒸餾，不同的分餾溫度，得到不同成分的燃油，最終獲得的燃料約占原油的25％一40％。裂解法：將蒸餾后的重油等一些高分子成分通過不同的技術(shù)手段裂解為分子量較輕的成分。熱裂解法:通過加溫加壓進(jìn)行裂解

催化裂解法:使用催化劑(觸媒)進(jìn)行裂解僅由碳、氫兩種元素組成的化合物統(tǒng)稱碳?xì)浠衔?，簡稱烴。飽和烴烷烴開鏈烴不飽和烴烯烴、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)C原子數(shù)沸點(diǎn)品種分子量理論物質(zhì)的變化趨勢C1常溫天然氣16

C2~C4常溫液化石油氣16~58C5~C1150~200汽油95~120C11~C19180~300煤油100~180C16~C23250~360輕重柴油180~200C23360以上渣油220以上①質(zhì)輕②易揮發(fā)③化學(xué)穩(wěn)定性變好④易點(diǎn)燃①粘度增大②易自燃很大，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）HHHHHHHH—C—C—C—C—C—C—C—HHHHHHHH支鏈（異辛烷C8H18）H

HHH

H—C—HH

H—C——C——C——C——C—HHH—C—HHH—C—HHH

呈飽和的開鏈結(jié)構(gòu)，Ｃ↑→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)

HH∣∣H－C﹦C－HC、炔烴CnH2n-2(乙炔)

H－C≡C－H

非飽和開鏈結(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，化學(xué)安定性較前者為高，是良好的防爆劑?！?-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?？s短發(fā)動(dòng)機(jī)的暖車時(shí)間；溫度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ε↑、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(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；

α—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)燃料。當(dāng)被測定柴油的自燃性=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。十六烷值過高→燃料分子量↑→蒸發(fā)性↓粘度↑排氣冒煙及bi↓。因此。國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定在40～50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?yàn)檩p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200～8）10－6m2／s。4、流動(dòng)性——凝點(diǎn)：指柴油失去流動(dòng)性開始凝結(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。我國生產(chǎn)的輕柴油規(guī)格，按凝點(diǎn)分為10#、0#、-10#、-20#、-35#五級(jí)?！?-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

柴油的平均質(zhì)量成分：

gC=0.870；gH=0.126；gO

燃油燃燒所需要的氧來自空氣，以體積成分計(jì)，空氣中氧占21%，氮占79%；以質(zhì)量成分計(jì)，氧占23%，氮占77%。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，可以寫出：碳燃燒：

C+O2＝CO212（kg）32(kg)44(kg)gC（kg）X(kg)→X=（8/3）gC（kgO2）

氫燃燒：

H2+1/2O2=H2O2（kg）16(kg)18(kg)gH(kg)Y(kg)→Y=8gH（kgO2）

1kg燃油完全燃燒理論所需的氧氣量，即理論氧氣量為(X+Y-go)（kgO2）。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、過量空氣系數(shù)α：提供的空氣量L與理論上所需空氣量L。之比，稱為過量空氣系數(shù)。汽油機(jī)（α=0．8～1.2）柴油機(jī)負(fù)荷是靠質(zhì)調(diào)節(jié)的（α=1.2～1.6）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)，；增壓柴油機(jī)，α=1.8～2.2.空燃比：A／F=空氣量÷燃料量

α=1時(shí)，三、α>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。一、內(nèi)燃機(jī)的燃料HH—C—HHH—C—HH2、t2階段:一階段反應(yīng)（2）餾出50％的溫度T50(<145℃)度越大，霧化后油滴的平均直徑也越大，使燃油和2、簡述燃料的燃燒基理。碳燃燒：C+O2＝CO2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。混合氣最先著火（一般在噴油嘴附近）,取這一部分為系統(tǒng),果重餾分過多，不易蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒亦不及時(shí)和完全。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。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。高溫下也較穩(wěn)定，是汽油中抗爆性好的燃料。2、混合氣熱值：單位數(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)怏w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。火焰的傳播速度大，1000~4000m/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。QQs3Qs2Qs1Q放TATcCBT0T01T02一、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)過程與擴(kuò)散過程的結(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從C表面擴(kuò)散出去，以使新的O2再擴(kuò)散至C表面。碳氧氣碳氧化物三、可燃?xì)怏w的燃燒連鎖反應(yīng),以燃燒反應(yīng)為例：H2H2OH+O2H+O2……..OH+H2HO+H2HOH+H2H2OH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?！窕罨肿樱耗芰砍^活化能的分子。一、著火機(jī)理在一定T0下，只要壓力低于P0，也不會(huì)發(fā)生熱爆。碳燃燒：C+O2＝CO2出現(xiàn)熱火焰,瞬間擴(kuò)大到整個(gè)燃燒普通燃燒：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)怏w混合物層而進(jìn)行的燃燒傳播。常溫下易分解，儲(chǔ)存中因氧化而結(jié)膠。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，化學(xué)安定性較前者為高，是良好的防爆劑。柴油機(jī)上,由于混合氣分配不是十分均勻,總有某一部分傳統(tǒng)燃料石油產(chǎn)品柴油混合階段，為著火做準(zhǔn)備。A、烷屬烴CnH2n+2直鏈（正庚烷C7H16）（一）汽油機(jī)－高溫單級(jí)著火§3-2燃料的使用特性燃料遇到溫度較高的空氣，開始氧化，但速度緩慢，示功圖上的壓縮線沒有明顯的變化?！?）10－6m2／s?！?-3燃燒熱化學(xué)汽油機(jī)：（kmol/kg燃料）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?！裰鹋R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?！矜滄i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?！矜滄i反應(yīng)的過程：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)燃機(jī)中碳?xì)浠衔锏淖匀?，均屬于鏈→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，開始氧化，但速度緩慢，示功圖上的壓縮線沒有明顯的變化?；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)過時(shí)間t2后，反應(yīng)加劇，出現(xiàn)冷火焰，缸內(nèi)壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應(yīng)生成醛類、過氧化物和一氧化碳等中間產(chǎn)物。要求混合氣較濃，=0.4～0.5。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?；旌蠚飧?，

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?。?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)的敲缸反應(yīng)，爆發(fā)溫度峰值不超過1850K，燃燒過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，是未來柴油機(jī)和汽油機(jī)的趨同，過程發(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