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1、会计学1燃料与燃烧解析燃料与燃烧解析第1节 发动机燃料石油的主要成分：石油燃料汽油：碳原子5-7的烃类，沸点60-205。柴油：碳原子10-22的烃类，沸点180-370。石油燃料馏分表碳氢化合物（烃），占96%-99%，少量O、N、S等，占1%-4%第1页/共31页一、汽油的使用特性1、蒸发性：强混合均匀，燃烧完全，起动加速性好，运转平稳；但易产生气阻，储存运输损失也大；差混合气形成不良，起动、加速性差，燃烧不完全，附在汽缸壁上的油滴易破坏润滑油膜。馏出温度：10%：低-起动性好；但过低易气阻。50%：低-挥发性好，加速性和平稳性好，暖机时间短。90%：标志含有难挥发的重质成分。高-则重质成
2、分多，易形成积炭，从而稀释机油。第2页/共31页2、抗暴性：汽油在气缸内燃烧抵抗爆震的能力。辛烷值：正庚烷（辛烷值0)异辛烷（辛烷值100）与汽油抗暴性比较混合液中异辛烷的体积百分数即为辛烷值。研究法（RON）和马达法（MON）辛烷值测定方法：二者之差为汽油的灵敏度，是衡量抗暴性随着燃烧条件而变化的尺度。我国汽油牌号按研究法辛烷值进行标定：如90#、93#和97#（其研究法辛烷值分别为90、93和97）。第3页/共31页3、氧化安定性：抵抗氧化长久保持性质不变的能力。氧化安定性差，易氧化、聚合，生成酸性或胶状物质，加重腐蚀、堵塞，积炭，爆震倾向加大。实际胶质诱导期4、添加剂：为改善汽油使用性能
3、（抗爆、抗氧等）。主要影响成分：不饱和烃。四乙基铅（TEL）甲基叔丁基醚（MTBE）乙基叔丁基醚（ETBE）乙醇 第4页/共31页二、柴油的使用特性1、自燃性：正十六烷（十六烷值100）-甲基萘（十六烷值0）与柴油自燃性比较在无外界火源时，柴油自行着火的能力。十六烷值：混合液中正十六烷的体积百分数即为十六烷值。十六烷值过高，柴油喷入后来不及混合便开始着火，燃烧不完全，冒黑烟；十六烷值过低，不仅起动困难，而且由于着火落后期长，工作粗暴。车用柴油的十六烷值通常在40-65范围内。第5页/共31页 浊点：柴油中所含石蜡开始结晶，变混浊的温度。凝点：柴油失去流动性开始凝结的温度。我国轻柴油按凝点分10
4、、0、-10、-20、-35号5个牌号（分别对应凝点10、0、-10-20和-35）。粘度高，供油和雾化不良，起动困难，燃烧不良（冒黑烟）。粘度低，喷油泵、喷油器等精密偶件易漏油，同时会因油膜承载能力差，磨损也加剧。2.低温流动性 流动性对使用性能的影响：流动性差（凝点高）：流动性过高：第6页/共31页 3.蒸发性 4.残炭值：指在无空气通入的情况下，柴油加热生成碳值残渣的性质。残炭值高，易产生积炭。硫会造成腐蚀、酸雨、碳烟、三元催化中毒（柴油的含硫量高于汽油）。5.含硫量：馏出温度：50%：低-轻质馏分多，起动性好。90%：低-重质馏分少，加速性和平稳性好，燃烧更充分，经济性和排放性好。磨损
5、和腐蚀。6.机械杂质和水：第7页/共31页第2节 代用燃料分类一、代用燃料分类液态：甲醇、乙醇、植物油等。物态气态：压缩天然气、氢气、沼气、液化石油气等。无氧：主要成分是C和H，如甲烷、天然气、氢气、液 化石油气等。成分含氧：除C和H外，还含有一定的O，如醇类、植物油、煤气等。第8页/共31页二、天然气：特点：主要成分甲烷（83%-99%）。1、密度低，燃烧时耗氧少，功率低（普通燃料的90%）；2、抗暴性好、可加大压缩比，但自然性差，只能点燃；3、气态易混合，燃烧完全，排放好；4、含碳量少，CO2排放少，基本无碳烟；5、便于实现稀薄燃烧。天然气发动机：纯天然气和双燃料（汽油、柴油起点燃作用）第
6、9页/共31页三、液化石油气：特点：各种烃类（稀烃6%）。1、热值略低于汽油（甲烷越高热值越低）；2、抗暴性好、可加大压缩比（甲烷含量越高抗暴性越好）；3、着火界限宽；4、着火温度高，燃烧速度慢，需要的点火能量大；5、气态易混合，燃烧完全，排放好；与柴油掺烧时可降低碳烟90%。第10页/共31页四、醇类燃料：优点：甲醇、乙醇。1、含氧高，燃烧所需空气少，燃烧基本无碳烟；2、燃烧速度快，抗爆性好，可采用大压缩比，并可用于汽油添加剂，改善其抗爆性；1、醇类对许多金属、非金属的腐蚀性强，同时生成水又多，腐蚀、磨损加重；2、热值低、汽化潜热大、高挥发性成份低，凝点又低，难起动；3、自然性差，只能点燃，
7、所需点火能量大。缺点：3、来源广泛。第11页/共31页第3节 燃烧化学一、燃料燃烧的热值热值：每千克燃油完全燃烧所放出的热量KJ/kg。高热值：燃烧生成的水为液态时的热值（用H0表示）。低热值：燃烧生成的水为气态时的热值（用Hu表示）。式中：生成水的汽化潜热。第12页/共31页二、燃料燃烧所需的空气量 用gC、gH、gO分别表示每千克燃油中C、H、O的千克数，则完全燃烧时有：对C：对H：则每千克燃油完全燃烧时需要供应的氧为：空气中氧的质量百分比为21%，则实际所需空气量为：理论空气量LO：1kg燃油完全燃烧所需的最少空气量。第13页/共31页根据：根据：g gC C g gH H g gO O
8、 汽油汽油 0.855 0.145 0.855 0.145 0.0 0.0 柴油柴油 0.8700.870 0.126 0.0040.126 0.004 可得实际1kg汽油完全燃烧需要的理论空气量为14.9kg，而1kg柴油完全燃烧需要的理论空气量为14.5kg.三、过量空气系数与空燃比 过量空气系数：发动机工作过程中，1kg燃油燃烧时实际供给的空气量L与理论空气量L0之比。可见：=1时为理论混合气,1时为稀混合气。=L/L0第14页/共31页 柴油机和汽油机过量空气系数比较：1、柴油机：挥发性差，缸内喷射雾化混合需加大燃油与空气接触的机率 多供给空气（组织进气涡流）一般范围为：1.2-2.1
9、(非增压）/1.5-2.3（增压）。过量空气系数1 2、汽油机：挥发性好，缸外预混合过量空气系数仅与工况有关1）起动：=0.2-0.62）怠速：=0.6-0.83）中等负荷：=0.95-1.15（1.1为经济经济混合气）4）大负荷：=0.85-0.95（0.9为功率混合气）第15页/共31页 空燃比：空气质量（流量）与燃料质量（流量）的比值。对于汽油：理论空燃比=14.914.9为稀混合气14.9为浓混合气 对于混合气浓度的调节：柴油机为“质调节”，而汽油机为“量调节”。第16页/共31页第4节 燃烧的基本理论 发动机混合气的燃烧，本质上是燃油激烈的氧化反应。根据氧化反应进行的激烈程度不同，燃
10、烧分为两个阶段：着火与燃烧。1、着火：是燃烧的物理和化学准备阶段。物理准备：化学准备：燃料的雾化、蒸发、与空气形成可燃混合气等。火焰前锋的缓慢氧化反应。逐渐积累热量或形成活化中心（速度很低，压力和温度无明显升高）。活化中心：在压缩终了高温作用下，燃油分子反应生成活性很强的自由原子或自由基（H、O、CH、OH等），加速反应进程（链锁反应）。第17页/共31页 3、发动机燃烧过程的三个步骤：2、燃烧：氧化反应加速至激化的结果。进入燃烧有两种方法：点燃（汽油机）利用火花塞点燃混合气。自燃（柴油机）利用自身积累的热量或活化中心着火。1）燃油与空气形成可燃混合气；2）点燃可燃混合气，或可燃混合气发生自燃
11、；3）火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧。点燃是在局部混合气内（火花塞附近）进行的，而自燃则是在混合内多处（甚至全部混合气内）同时发生的。第18页/共31页按化学动力学的观点分：热自燃和链锁自燃机理一、着火机理 1、热自燃（热爆）：反应活化能：燃烧实际上是分子间相互碰撞的结果，但要燃烧，分子必须具备一定大小的能量（活化分子）。氧化放热大于散热温度升高温度再升高反应速率高到一定程度而着火反应加剧、放热越多 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。第19页/共31页 着火临界温度和压力：能保证着火的缸内最低温度、压力称为着火临界温度和着火临界压力。着火临界线着火临界
12、线 2、链锁自燃：不依赖热量积累而通过链锁反应逐渐积累活化中心使反应加速，直至着火。链锁反应的过程：链的发生（反应物分解出自由原子或自由基，产生活化中心）链的传播（生成新的自由原子或自由基）链的中断（与冷壁面或惰性气体碰撞，活化中心的消亡）第20页/共31页链锁反应示例：氢的燃烧化学方程：2H2+O2=2H2O实际过程是：链的发生：H22H（活化中心）链的传播（链爆）：H+O2OH+OO+H2OH+H2OH+H22H2O+2H（新的活化中心）链的中断：H+H+MH2+M（M为惰性气体分子）H+OH+MH2O+M H+O+MOH+M注：热自燃与链锁自燃是共存的，相互促进（链-热自燃）。通常低温以
13、连锁自燃为主，而高温以热自燃为主。第21页/共31页1 1、柴油机、柴油机低温多阶段着火低温多阶段着火1 1）混合阶段t1:喷油雾化混合，由于温度和压强低，不能是烃燃料分裂成自由基，而是发生低温缓慢氧化反应。过氧化物（高温低浓度区）和醛（低温高浓度区）。由于反应速率慢，放热少，加之燃油雾化要吸热，故该阶段压强无明显变化。产物：低温多阶段着火低温多阶段着火二、发动机混合气的着火第22页/共31页1 2）冷焰区t2:一阶段反应 当过氧化物达到一定浓度时，在一定温度下产生爆炸，引发链锁反应（链爆），产生淡青色火焰。加速了过氧化物和醛的产生。由于放热量不大（约为燃料热值的10%-15%），冷焰的温度并
14、不高（约300，在500时基本结束）。产物：低温多阶着火低温多阶着火第23页/共31页1 3）蓝焰区t3:二阶段反应 当温度和压强达到一定值时（进入低温多阶自燃区），醛被氧化成CO（一氧化碳），产生蓝色火焰。大量的热和CO、O、OH等（活化分子）。缸内温度和压强开始明显升高，实现热量和活化中心（CO、0、OH等）的积累，导致反应速度迅速加快。产物：低温多阶着火低温多阶着火第24页/共31页1 4）热焰区:三阶段反应 当热量和活化中心积累到一定程度时，由于反应急剧加快，引发热爆，产生炽热火焰（橘黄色）。CO2（由CO进一步氧化而来）。着火落后期（延迟期或诱导期）：产物：低温多阶着火低温多阶着火
15、整个焰前反应时间之和（t1+t2+t3)，其长短与混合气压缩终了温度和压强有关（温度、压强越高，着火落后期越短）。第25页/共31页2 2、汽油机、汽油机高温单阶着火高温单阶着火 1）可燃混合气压缩过程中已进行一定的化学反应，但压缩终了温度和压强较低，无法自燃；2）火花塞跳火瞬间：局部温度高达2000-3000 一方面，高温使燃油分子直接分裂产生大量的活化中心发生链爆。另一方面，产生的热远大于散失的热，温度迅速上升引发热爆。（注：所有的点燃式发动机均属于高温单阶着火）第26页/共31页3 3、其它烃燃料的自燃、其它烃燃料的自燃 碳氢燃料自燃图碳氢燃料自燃图1 1）不着火区：）不着火区：当当T2
16、00T200时时，任任意意改改变变汽汽缸缸压压强强，不不会会引引起起自燃。自燃。2 2）冷焰区：）冷焰区：当当 200 200 T500T500、压强高于某一定值时，产生高温单阶自燃。第27页/共31页1 1、同时爆炸燃烧、同时爆炸燃烧 均匀混合气瞬间燃烧均匀混合气瞬间燃烧2 2、预混合燃烧、预混合燃烧三、发动机的燃烧方式 某瞬间只存在一个相某瞬间只存在一个相（可燃混合气或燃烧后的废气）（可燃混合气或燃烧后的废气）均匀混合气火焰传播燃烧均匀混合气火焰传播燃烧 燃烧期间存在两个相燃烧期间存在两个相（可燃混合气和燃烧后的废气）（可燃混合气和燃烧后的废气）思考：燃烧进程取决于什么？思考：燃烧进程取决
17、于什么？火焰传播距离与传播速度火焰传播距离与传播速度第28页/共31页3 3、扩散燃烧、扩散燃烧油滴边蒸发、边混合、边烧油滴边蒸发、边混合、边烧 燃烧期间存在三个相燃烧期间存在三个相（可燃混合气、空气和废气）（可燃混合气、空气和废气）加强空气运动加强空气运动（确保油滴与空气有效接触）（确保油滴与空气有效接触）汽油机的点火燃烧是预混合燃烧 柴油机初始燃烧属于预混合燃烧，后期为扩散燃烧。思考：扩散燃烧速率取决于什么？思考：扩散燃烧速率取决于什么？混合速率（扩散燃烧的显著特征）混合速率（扩散燃烧的显著特征）第29页/共31页复习思考题：1、我国汽油和轻柴油分别根据什么指标来确定牌号？2、蒸发性不好和太好的汽油，使用中会有什么问题？3、试述汽油辛烷值和柴油十六烷值的意义？4、什么是过量空气系数？什么是空燃比？5、发动机燃烧方式有哪些？汽油机和柴油机分别属于哪种方式？第30页/共31页