《燃燒技術(shù)》第四章 燃料及燃燒(第11.5次課)

上次課內(nèi)容回顧§4-3燃燒熱化學(xué)了解燃燒過程，燃料、空氣及產(chǎn)物及其數(shù)量關(guān)系一、1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量1kg燃料（gc+gH+gO）完全燃燒時(shí)所需要的理論空氣量：上次課內(nèi)容回顧§4-3燃燒熱化學(xué)二、過量空氣系數(shù)：評(píng)價(jià)混合氣的性質(zhì)定義：空燃比a=1或A/F=14.9——理論混合氣

a<1或A/F<14.9——濃混合氣

a>1或A/F>14.9——稀混合氣汽油機(jī)：a=0.8~1.2柴油機(jī)：am=1.2~1.6

增壓柴油機(jī)：

am=1.8~2.2柴油汽油電控+三效上次課內(nèi)容回顧§4-3燃燒熱化學(xué)三、a>1時(shí)完全燃燒的產(chǎn)物1）燃燒前混合氣量汽油機(jī)/柴油機(jī)2）燃燒后的產(chǎn)物3）燃燒后工質(zhì)摩爾數(shù)的增量4）理論分子變更系數(shù)0：C/H化合物構(gòu)成的液體燃料燃燒后0>1上次課內(nèi)容回顧§4-3燃燒熱化學(xué)四、燃料的熱值、混合氣熱值1）燃料的熱值：定義：1kg燃料完全燃燒所放出的熱量。低熱值：產(chǎn)物中H2O以水蒸氣狀態(tài)存在；高熱值：產(chǎn)物中H2O以液體狀態(tài)存在。2）混合氣熱值：單位混合氣完全燃燒所放出的熱量設(shè)1kg燃料形成的混合氣量為M1，燃料低熱值h;則，上次課內(nèi)容回顧§4-4燃燒的基本知識(shí)

燃燒過程：著火階段燃燒準(zhǔn)備過程

燃燒階段放熱過程

一、著火理論著火理論(方式)：著火熱理論

鏈鎖反應(yīng)理論

點(diǎn)燃1、著火的熱理論上次課內(nèi)容回顧§4-4燃燒的基本知識(shí)1、著火的熱理論加熱一充滿空氣和燃料混合氣的容器受熱燃料分子和氧分子動(dòng)能而相撞活化分子相撞能量>反應(yīng)活化能E時(shí)，打破化學(xué)鍵而引起化學(xué)反應(yīng)Tc著火溫度Tc=臨界溫度上次課內(nèi)容回顧§4-4燃燒的基本知識(shí)1、著火的熱理論T時(shí)，活化分子所占比例，化學(xué)反應(yīng)加速反應(yīng)壓力的影響：容器不變，壓力，混合氣密度，混合氣中n*的絕對(duì)數(shù)；反應(yīng)速度；存在混合氣濃度的著火界限；溫度和壓力低于臨界值時(shí)，無論在什么濃度下，均不能著火。在低溫、低壓區(qū)著火規(guī)律與高溫區(qū)完全不同存在著火半島。上次課內(nèi)容回顧§4-4燃燒的基本知識(shí)2、鏈鎖反應(yīng)自燃著火理論最終燃燒產(chǎn)物，經(jīng)一些列中間產(chǎn)物反應(yīng)的結(jié)果；中間產(chǎn)物形成過程活性中心、反應(yīng)物再生鏈鎖反應(yīng)鏈鎖反應(yīng)機(jī)理：鏈引發(fā)：反應(yīng)物受某種因素的激發(fā)，而產(chǎn)生的自由原子或自由基——具有很強(qiáng)的反應(yīng)能力；鏈傳播：自由原子與反應(yīng)物作用，推進(jìn)反應(yīng)，產(chǎn)生新的自由原子的過程；

直鏈反應(yīng)：一個(gè)自由原子生成新的一個(gè)自由原子，反應(yīng)恒速;

支鏈反應(yīng)：一個(gè)活性中心同時(shí)生成兩個(gè)以上的活性中心，反應(yīng)加速引爆鏈中斷：活性中心與缸壁、惰性氣體相碰撞—無效碰撞，不再引致反應(yīng)。上次課內(nèi)容回顧§4-4燃燒的基本知識(shí)3、點(diǎn)燃：指用電火花產(chǎn)生火焰核心并引起火焰?zhèn)鞑サ倪^程點(diǎn)火過程：靠火花能量局部混合氣升溫引起電離形成活性中心加速化學(xué)反應(yīng)形成火焰核。電極間隙與點(diǎn)火能量關(guān)系：電極間隙過大需點(diǎn)火能量越大；間隙過小能量在大也不能著火。熄火距離：指不能著火的最小電極間隙?；旌蠚鉂舛认拗疲撼鲋鸾缦?，不能著火。汽油機(jī)循環(huán)變動(dòng)：火焰核形成過程中條件的隨機(jī)性造成。上次課內(nèi)容回顧§4-4燃燒的基本知識(shí)3、點(diǎn)燃：指用電火花產(chǎn)生火焰核心并引起火焰?zhèn)鞑サ倪^程點(diǎn)火過程：靠火花能量局部混合氣升溫引起電離形成活性中心加速化學(xué)反應(yīng)形成火焰核。電極間隙與點(diǎn)火能量關(guān)系：電極間隙過大需點(diǎn)火能量越大；間隙過小能量在大也不能著火。熄火距離：指不能著火的最小電極間隙?；旌蠚鉂舛认拗疲撼鲋鸾缦?，不能著火。汽油機(jī)循環(huán)變動(dòng)：火焰核形成過程中條件的隨機(jī)性造成?；鹧媲颁h燃燒區(qū)二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式1、預(yù)混合燃燒特點(diǎn)：著火前預(yù)先混合而形成可燃混合氣體；在燃燒室空間壓力和溫度不均勻。局部點(diǎn)燃后形成火焰核，在預(yù)混合氣中以火焰?zhèn)鞑バ问酵瓿扇紵^程。任一時(shí)刻溫度大小分布:已燃區(qū)>燃燒區(qū)>未燃區(qū)根據(jù)混合氣的氣流特性將預(yù)混合氣的火焰?zhèn)鞑ミ^程分為層流火焰?zhèn)鞑ズ屯牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ミ^程。1）層流火焰?zhèn)鞑?特點(diǎn)：火焰前鋒為球面，且很薄=1/10mm~1/100mm

層流火焰將燃燒室分為已燃和未燃區(qū)傳播原理：層流火焰面內(nèi)溫度梯度和濃度梯度很大;引起強(qiáng)烈的傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象；

促使鄰近混合氣快速化學(xué)反應(yīng)；

造成火焰空間移動(dòng)現(xiàn)象火焰?zhèn)鞑ザ?、?nèi)燃機(jī)的燃燒方式影響層流火焰?zhèn)鞑サ囊蛩?生成HC的主要原因混合氣性質(zhì)：

當(dāng)a=0.8~0.9時(shí)，反應(yīng)溫度高，傳播速度最快；

當(dāng)a==1~1.15時(shí)，傳播速度約降低10%~15%；

過濃或過?。悍磻?yīng)溫度過低不能維持火焰?zhèn)鞑タp隙：火焰不能傳播的最小縫隙稱為淬熄距離；如氣缸間隙、火花塞縫隙等火焰不能傳播；溫度：火焰?zhèn)鞑サ奖诿鏁r(shí)，T過低不能傳播。汽油機(jī)一般：二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式2）湍流火焰?zhèn)鞑?/p>

湍流：氣流中不同尺寸渦旋不斷形成、發(fā)展、分解與消失的不穩(wěn)定過程。產(chǎn)生原因：粘性氣流速度增加到一定值后，由于邊界阻礙、外部干擾等，氣流內(nèi)部形成許多渦旋而造成。特點(diǎn)：渦旋套渦旋，各種不同尺寸的渦旋組成連續(xù)的渦旋譜。

空間時(shí)間上紊亂無序變化，但有隨機(jī)性質(zhì)；評(píng)價(jià)方法：湍流尺度和湍流強(qiáng)度二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式湍流尺度：指渦旋翻滾一個(gè)周期所作用的范圍宏觀湍流：決定其力學(xué)性質(zhì)；微觀湍流：在流體的粘性作用下將湍流能轉(zhuǎn)化為熱能而消失。宏觀微觀分子運(yùn)動(dòng)熱能湍流強(qiáng)度：用脈動(dòng)速度的均方根來表示湍流的能量，主要影響湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。二、?nèi)燃機(jī)的燃燒方式湍流對(duì)火焰?zhèn)鞑サ淖饔茫汉暧^湍流：使火焰前鋒皺折，增大反應(yīng)面積，但層流火焰前鋒結(jié)構(gòu)不變；微觀湍流：加強(qiáng)傳質(zhì)傳熱（擴(kuò)散）—相對(duì)層流導(dǎo)熱系數(shù)增大100倍，由此提高紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。提高湍流?qiáng)度：火焰前鋒結(jié)構(gòu)破裂，促進(jìn)已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w迅速混合，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高放熱速率。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋憾?、?nèi)燃機(jī)的燃燒方式2、擴(kuò)散燃燒：壓縮終了向缸內(nèi)高溫高壓空氣直噴燃料；燃料噴射需時(shí)間，燃料蒸發(fā)溫度低于著火溫度，故，后續(xù)噴入的燃料邊混合邊燃燒。擴(kuò)散燃燒時(shí)缸內(nèi)溫度很高，只要燃料與空氣混合，其化學(xué)反應(yīng)就很快進(jìn)行。擴(kuò)散燃燒過程完全取決于燃料和空氣的混合過程及速度。擴(kuò)散燃燒期，燃燒室內(nèi)同時(shí)存在三個(gè)相：可燃混合氣、空氣和燃燒產(chǎn)物。二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式1）單滴油滴的擴(kuò)散燃燒模型：

擴(kuò)散燃燒過程是氣液兩相的混合燃燒過程，不是液體燃料的直接燃燒，故首先液體燃料充分氣化油滴蒸發(fā)：表面形成濃度梯度著火條件：濃度，溫度適當(dāng)；著火后的燃燒過程：取決于燃料與空氣的擴(kuò)散速度；當(dāng)火焰包圍燃料時(shí)：造成高溫缺氧，形成碳煙。二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)：燃燒過程受擴(kuò)散、流動(dòng)、混合與熱交換的制約，反應(yīng)速度要比流動(dòng)、擴(kuò)散、混合的速度快得多；濃度梯度的擴(kuò)散：受流動(dòng)、混合、熱交換的影響氣液兩相的擴(kuò)散燃燒先液體蒸發(fā)，在油滴表面形成可燃混合氣（擴(kuò)散與混合過程），適當(dāng)溫度條件即燃油蒸汽和空氣的燃燒。所以，燃料的霧化、蒸發(fā)及氣流特性起決定性作用。二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式2）噴霧燃燒：無數(shù)個(gè)油滴相互干涉，汽化混合等，不同于單油滴蒸發(fā)燃燒。實(shí)際噴霧過程，由大大小小油滴組成預(yù)混合燃燒與擴(kuò)散燃燒同時(shí)存在。高壓噴射化：噴霧質(zhì)量得到改善噴入后缸內(nèi)直接霧化，混合氣形成速率。所以擴(kuò)散燃燒控制：溫度及空氣流的控制；

二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式3．稀薄混合氣的均質(zhì)低溫壓燃C/H燃料燃燒結(jié)果：高溫高壓對(duì)外做功產(chǎn)物：CO、HC、NOx、PM污染環(huán)境對(duì)車用內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的要求：高效率、超低排放高效率：經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能；CO2超低排放：NOx、CO、HC、PM措施：高效率化燃燒完全、及時(shí)低排放化稀薄、低溫燃燒二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式高效率超低排放的燃燒方式：稀薄均質(zhì)混合氣壓燃HCCI（HomogeneousChargeCompressionIgnition）或CAI(CompressionAutoIgnition)燃燒特點(diǎn)：燃燒室內(nèi)充量均質(zhì)：溫度/壓力空間上保持一致；壓燃：同時(shí)燃燒爆炸性，受化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制，各點(diǎn)反應(yīng)速度/加速度一致；t，但粗暴；燃燒室內(nèi)任一瞬間只存在一個(gè)相；均質(zhì)稀薄混合氣的低溫燃燒:O2充足，火焰T低。排放二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式HCCI燃燒方式的放熱規(guī)律：低溫燃燒放熱LTHR(Lowtemperatureheatrelease)

特點(diǎn)：低溫多階段反應(yīng)中間產(chǎn)物，放熱率很小直接影響HTHR及其始點(diǎn)。

高溫燃燒放熱HTHR(Hightemperatureheatrelease)

其放熱量占HCCI燃燒總放熱量的絕大部分。

HT50：放熱量為HTHR總放熱量的50%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角HCCI燃燒方式的重要控制參數(shù)。二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式為實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒，同時(shí)防止失火和爆燃：將HT50控制在0~6CA(BTDC)范圍;

將Tz控制在1500K~1800K。HTHRLTHR二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒的關(guān)鍵技術(shù)：混合氣在缸內(nèi)均質(zhì)化：

噴射時(shí)期；

內(nèi)部EGRVVT（Variablevalvetiming）技術(shù)低溫穩(wěn)定燃燒：

空然比的精確控制

壓縮比可變米勒循環(huán)

大量EGR率實(shí)現(xiàn)負(fù)氣門重疊現(xiàn)象NVOL二、內(nèi)燃機(jī)的燃燒方式VVT：實(shí)現(xiàn)NVOL（NegativeValveOverlap）實(shí)現(xiàn)高溫均勻的內(nèi)部EGR；噴射時(shí)期控制：早噴：膨脹過程噴中噴：進(jìn)氣過程噴后噴：