發(fā)動機(jī) 燃料燃燒

1、第四章第四章 燃料與燃燒化學(xué)燃料與燃燒化學(xué)廈門理工學(xué)院廈門理工學(xué)院 機(jī)械系 車輛工程教研室洪漢池洪漢池主要內(nèi)容主要內(nèi)容n第一節(jié) 發(fā)動機(jī)的燃料n第二節(jié) 代用燃料及其應(yīng)用n第三節(jié) 燃燒化學(xué)n第四節(jié) 燃燒的基本理論n作業(yè)及思考題第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)動機(jī)的燃料發(fā)動機(jī)的燃料n石油燃料石油燃料（汽油、柴油）煉制煉制方法方法（補(bǔ)（補(bǔ)）：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；。：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。其中，通過加溫加壓加溫加壓的方法進(jìn)行裂解的稱為，使用催化劑催化劑(觸媒)進(jìn)行裂解的稱為

2、代用燃料代用燃料一、汽油一、汽油 汽油的主要性能有：抗爆性、抗爆性、蒸發(fā)性蒸發(fā)性、氧化安定性、抗腐蝕性、氧化安定性、抗腐蝕性及清潔性。及清潔性。1、汽油的抗爆性、汽油的抗爆性n汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)燃燒是指汽油在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)燃燒時(shí)抵抗爆燃的能力時(shí)抵抗爆燃的能力。n汽油的抗爆性是以來表示的。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范的不同，所得的辛院值分別稱為。我國生產(chǎn)的汽油是按研究法辛烷值RON分級的。n汽油的辛烷值越高，其抗爆性越好。n汽油的牌號以辛烷值辛烷值劃分。2 2、汽油的蒸發(fā)性、汽油的蒸發(fā)性n液態(tài)汽油汽化的難易程度稱為汽油的液態(tài)汽油汽化的難易程度稱為汽油的蒸發(fā)性蒸發(fā)性。n汽油的蒸發(fā)性越強(qiáng)，

3、越容易汽化，要汽油的蒸發(fā)性越強(qiáng)，越容易汽化，要求汽油必須具有求汽油必須具有良好的蒸發(fā)性良好的蒸發(fā)性。但蒸發(fā)性也不能太強(qiáng)，否則易形成供油系“氣阻氣阻”，甚至發(fā)生供油中斷現(xiàn)象。二、柴油二、柴油1、柴油的、柴油的發(fā)火性發(fā)火性（自燃性）（自燃性）n柴油的發(fā)火性是指柴油的自燃能力自燃能力。n 十六烷值十六烷值是評定柴油自燃性好壞的指標(biāo)，對燃燒過程也有一定影響。十六烷值越高，著十六烷值越高，著火性越好火性越好。但是十六烷值過高，燃料分子量加大，使蒸發(fā)性變差、粘度增加，導(dǎo)致燃燒不完全等。因此，國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定為4065之間，不必要過分增大。2、柴油的、柴油的蒸發(fā)性蒸發(fā)性n柴油的蒸發(fā)性影響滯燃期內(nèi)柴油的

4、蒸發(fā)量及柴油的蒸發(fā)性影響滯燃期內(nèi)柴油的蒸發(fā)量及燃燒的完全程度，用燃燒的完全程度，用餾程餾程表示。表示。n餾程餾程指柴油蒸餾過程中餾出一定百分?jǐn)?shù)所處的溫度溫度，通常以餾出通常以餾出50的溫度來評定的溫度來評定。餾程低，說明這種燃輕餾分多，蒸發(fā)性好，有利于混合氣形成，改善了燃燒過程。但是，餾程過低，燃料蒸發(fā)過快，則在著火延遲期內(nèi)形成的混合氣量過多，柴油 機(jī) 工 作 粗 暴 。 車 用 柴 油 機(jī) 的 柴 油 餾 程 為200300。3、柴油的粘度粘度 柴油的粘度決定柴油的流動性。柴油的粘度決定柴油的流動性。粘度流動性物化性好，過低，潤滑性降低；粘度過濾清困難，噴霧不良，流動阻力增大。4、柴油的凝點(diǎn)

5、凝點(diǎn)柴油的凝點(diǎn)凝點(diǎn)指柴油冷卻到失去流動性的溫度指柴油冷卻到失去流動性的溫度。第二節(jié)第二節(jié) 代用燃料及其應(yīng)用代用燃料及其應(yīng)用代用燃料代用燃料按按物物態(tài)態(tài)氣體代用燃料：天然氣、液化石天然氣、液化石油油氣、氣、 氫氣、煤氣、沼氣氫氣、煤氣、沼氣等液體代用燃料：甲醇甲醇、乙醇、乙醇、植物油植物油 燃料等燃料等按化按化學(xué)成學(xué)成分分烴燃料含氧燃料一、天然氣一、天然氣 天然氣主要成分為甲烷 (容積比可達(dá)8399以上)，另外還包括乙烷以及丙烷等。 ，在用作點(diǎn)點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)燃式發(fā)動機(jī)的燃料時(shí)，通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，如提高發(fā)動機(jī)的壓縮比等，可以接近原發(fā)動機(jī)的動力性能。同時(shí)，天然氣又是一種比較潔凈的能源，排污低排污低，

6、使用比較方便，特別是壓縮壓縮天然氣天然氣(CNGCompressed Natural Gas)，便于儲存，配合相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施如加氣站的建設(shè)，在城市車輛如公共汽車、出租車中具有廣闊的應(yīng)用前景。二、液化石油氣二、液化石油氣 液化石油氣(LPG-Liquefied Petroleum Gas）主要成分是、，在常溫下加壓，可以變成液體燃料，其單位容積熱值高于天然氣，可以作為汽油機(jī)的燃料，還可以獲得較好的排放性能。 三、醇類燃料三、醇類燃料n醇類燃料主要是CH3OH和C2H5OH?？梢詮奶烊粴狻⒚?、生物質(zhì)等原料中提??；主要是將含有糖和淀粉的農(nóng)作物經(jīng)過發(fā)酵后制得。n醇類燃料是液體燃料，可以沿用傳統(tǒng)的石油燃

7、料的運(yùn)輸、貯存系統(tǒng)，相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入少，而發(fā)動機(jī)的動力性與經(jīng)濟(jì)性可以接近或超過原有汽油機(jī)或柴油機(jī)，排氣有害成分少，是一種很有發(fā)展前景的代用燃料。 乙醇汽油是一種由糧食及各種植物纖維加乙醇汽油是一種由糧食及各種植物纖維加工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成替代能源成替代能源。按照我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調(diào)和而成。 乙醇它以 玉米、薯類、糖蜜等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾制成。 試點(diǎn)檢測結(jié)果表明，使用車用乙醇汽油不影響汽車的行駛性能。其排放的尾氣中一氧化碳下降超過30、碳?xì)浠衔锵陆?0，苯系物明顯減少，氮氧化合物基

8、本不變。汽車使用乙醇汽油已被視為改善城市空氣質(zhì)量的重要手段。 對目前中國推廣乙醇汽油試點(diǎn)工作，有專家強(qiáng)調(diào)認(rèn)為，必須妥善解決好以下三個(gè)關(guān)鍵問關(guān)鍵問題題：一一是乙醇汽油百公里耗油量高于高于同牌號的汽油消耗量；二二是由于中國乙醇汽油的推廣剛剛起步，究竟乙醇汽油對加油機(jī)、汽車等零部件是否有影響及影響程度均不是很清楚；三三是由于乙醇汽油不宜長期儲存的特性，乙醇汽油的調(diào)配和銷售同普通汽油相比具有更大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。第三節(jié)第三節(jié) 燃燒化學(xué)燃燒化學(xué)一、燃料燃燒的熱值熱值 單位量的燃料完全燃燒時(shí)所發(fā)出的熱量單位量的燃料完全燃燒時(shí)所發(fā)出的熱量。 完全燃燒是指某化合物被所在氧氣全部氧化，其中C生成CO2、H生成H2O，

9、其它元素生成高級氧化物。wrHHou汽油: 44100 kJ/kg ；柴油: 42500 kJ/kg uHuH 完全燃燒時(shí)，生成的水為氣態(tài)時(shí)的熱值為低位發(fā)熱值低位發(fā)熱值 。 完全燃燒時(shí)，生成的水為液態(tài)時(shí)的熱值為高位發(fā)熱值高位發(fā)熱值 。uHoH二、燃料完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)二、燃料完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)1.碳燃燒：碳燃燒：2.氫燃燒：氫燃燒：3.硫燃燒：硫燃燒：4.一氧化碳燃燒：一氧化碳燃燒：5. 碳?xì)浠衔铮禾細(xì)浠衔铮喝⑷剂先紵璧目諝饬咳⑷剂先紵璧目諝饬縩1 kg燃料完全燃燒所需要的空氣量稱理論空氣理論空氣量量。n已知條件:1 kg燃料中所含 kg 碳， kg 氫氣， kg氧氣汽油: k

10、g/kg ， kg/kg ， kg/kg 柴油: kg/kg ， kgkg ， kg/kg gCgHgOgC 0855.gH 0145.gO 0gC 087.gH 0126.gO 0004. 化學(xué)反應(yīng)方程式 需要總的 量 COCO22HOH O22212O2 1Kg燃料中所含的 量 kg = kmol 所需空氣中的 量 = 總的 量燃料中所含的 量或gO32gOO2O2O2O2（2） kg 空氣中氧氣成分約占23%（3） 1 kmol 空氣 = 22.4 空氣，m3LgggCHO022 4021 12432.()kgm /3所需空氣量 （1） kmol：空氣中氧氣成分約占21%，所以LgggC

11、HO01021 12432.() kmol/kg 將平均質(zhì)量成分代入式可得四、過量空氣系數(shù)和空燃比四、過量空氣系數(shù)和空燃比1 過量空氣系數(shù) 表示混合氣的濃稀程度。 1 混合氣稀,稀混合氣; 1 混合氣濃,濃混合氣; =1 標(biāo)準(zhǔn)混合氣 一般，柴油機(jī)一般，柴油機(jī): 1: 1；汽油機(jī)；汽油機(jī): 1 : 1 1 1。a0LLa燃燒燃料實(shí)際供給的空氣量完全燃燒燃料理論上所需要的空氣量11kgkgatat過量空氣系數(shù)是反映混合氣形成和完善程度及整機(jī)性能的一個(gè)重要標(biāo)志，在保證完全燃燒的前提下，應(yīng)力求使過量空氣系數(shù)小。aaa2 空燃比、燃空比 汽油理論上完全燃燒時(shí)的空燃比約為14.9。 應(yīng)用空燃比空燃比直觀方

12、便，其數(shù)值即為每千克燃料燃燒時(shí)實(shí)際供給空氣量的千克數(shù)。 14.9為濃混合氣，為濃混合氣， 14.9的為稀混合氣的為稀混合氣。第四節(jié)第四節(jié) 燃燒的基本理論燃燒的基本理論n一切燃燒過程都由著火著火和燃燒燃燒兩個(gè)階段組成。n著火著火階段是物質(zhì)燃燒的準(zhǔn)備階段，是著火前的物理和化學(xué)的準(zhǔn)備過程。n燃燒燃燒的第二階段，有兩種方法。一是強(qiáng)迫著火或點(diǎn)燃。另一種是自然著火。n發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃燒過程一般說來，要經(jīng)歷三個(gè)發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃燒過程一般說來，要經(jīng)歷三個(gè)基本步驟：基本步驟：(1)形成燃油與空氣的可燃混合氣；(2)點(diǎn)燃可燃混合氣，或可燃混合氣在混度和濃度適當(dāng)?shù)牡貐^(qū)發(fā)生自燃，在一處或同時(shí)在數(shù)處著火 著火過程 ； (3)火

13、源擴(kuò)大到整個(gè)可燃混合氣，形成全面燃燒。一、著火機(jī)理：一、著火機(jī)理：n按化學(xué)動力學(xué)的觀點(diǎn)，著火機(jī)理可分為熱自熱自燃燃機(jī)理和鏈鎖自燃鏈鎖自燃機(jī)理兩類。(一一)熱自燃熱自燃在著火的準(zhǔn)備階段，混合氣進(jìn)行著氧化過程，放出熱量。放熱的同時(shí)，由于溫差的原因，會對周圍介質(zhì)散熱。若化學(xué)反應(yīng)所釋放出的熱量大于所失去的熱量，混合氣的溫度升高，進(jìn)而促使混合氣的反應(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。這就是熱自燃熱自燃，或稱熱爆熱爆。(二二)鏈鎖反應(yīng)鏈鎖反應(yīng) 所謂鏈鎖反應(yīng)鏈鎖反應(yīng)是這樣的化學(xué)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。整個(gè)反應(yīng)過程分為： 引導(dǎo)反應(yīng)(鎖的引發(fā))反應(yīng)鏈(鏈

14、的繼續(xù)反應(yīng)或鏈的傳遞)斷鏈反應(yīng)(鏈的中斷即活化中心的死亡)。二、發(fā)動機(jī)混合氣的著火二、發(fā)動機(jī)混合氣的著火 內(nèi)燃機(jī)中碳?xì)浠衔锏淖匀迹鶎儆阪溡粺嶙匀?，但由于發(fā)火的條件不同，有高溫單階段著火高溫單階段著火和低溫多階段著火低溫多階段著火。汽油機(jī)柴油機(jī)（一） 汽油機(jī)高溫單級著火汽油機(jī)高溫單級著火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)20000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： 壓縮混合氣壓縮混合氣 點(diǎn)火（經(jīng)短暫著火延遲期）點(diǎn)火（經(jīng)短暫著火延遲期）

15、 熱火焰熱火焰 高溫單級點(diǎn)燃高溫單級點(diǎn)燃（二）柴油機(jī)低溫多級著火（二）柴油機(jī)低溫多級著火1、 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。 t12 階段一階段一階段反應(yīng)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)，火焰就會出現(xiàn)。經(jīng)過時(shí)間后，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， = 0.40.5。3 階段二階段二階段反應(yīng)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?/p>

16、得多，略小于1。4 時(shí)間后三時(shí)間后三階段反應(yīng)反應(yīng) 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。 著火延遲期著火延遲期t2t3ttt123ttt123三、發(fā)動機(jī)的燃燒方式三、發(fā)動機(jī)的燃燒方式（一） 同時(shí)爆炸燃燒同時(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。為單相單相系, 均勻系homogeneous systemhomogeneous system。 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)爆炸燃燒同時(shí)爆炸燃燒。 汽油機(jī)上, 由于火焰有傳

17、播速度（雖然很快, 但相對同時(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)爆同時(shí)爆炸燃燒炸燃燒，從而形成火焰中心火焰中心。（二） 逐漸爆炸燃燒逐漸爆炸燃燒（預(yù)混合（預(yù)混合燃燒燃燒）汽油機(jī)火焰?zhèn)鞑?。兩相系混合氣相混合氣?（未（未燃區(qū)），燃燒產(chǎn)物相燃區(qū)），燃燒產(chǎn)物相 （已燃區(qū)）。（已燃區(qū)）。加熱從火花塞開始， 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。火焰前鋒面前方的未燃區(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有燃燒掉的燃料繼續(xù)燃燒。（三）（三） 擴(kuò)散燃燒擴(kuò)散燃燒柴油機(jī)的燃燒方式, 三相燃料相三相燃料相, , 空氣相空氣相, , 燃燒產(chǎn)物相。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