第三章 燃料及燃燒

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理同學(xué)們好汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理第三章 燃料與燃燒 第三章 燃料與燃燒 概述3. 1 概述 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來自燃料的化學(xué)能。 燃料的品質(zhì)及特性，決定發(fā)動(dòng)機(jī)性能。 選擇某種燃料作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，受到兩個(gè)方面的影響。 發(fā)動(dòng)機(jī)型式： 熱氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)還是內(nèi)燃機(jī)等； 燃料的燃燒特性： 燃燒溫度、燃燒速度（反應(yīng)速度、混合氣形成速度）和燃燒程度（反應(yīng)進(jìn)度）等。 第三章 燃料與燃燒 概述3. 1 概述 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料有許多種，燃料的不同決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能方面的差異。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要型式還是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料主要是有機(jī)化合物。 開發(fā)新型燃料是當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究熱

2、點(diǎn)之一。 這方面的研究涉及到新型發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)，甚至是完全不同的動(dòng)力裝置，如燃料電池。第三章 燃料與燃燒 概述3. 1 概述 燃料成分對其品質(zhì)和燃燒特性有決定性影響： 表 3 1 燃料成分理化性質(zhì)的變化 表 3 2 燃料部分成分的燃燒特性 烷烴：熱穩(wěn)定性差、化學(xué)穩(wěn)定性好，易著火，是燃料主要成分。有支鏈烷烴抗爆性好。 烯烴和炔烴：熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性差，不易著火，易氧化形成膠質(zhì)，但抗爆性好。要控制它們在燃料中的比重。第三章 燃料與燃燒 概述3. 1 概述 燃料成分對其品質(zhì)和燃燒特性有決定性影響： 表 3 1 燃料成分理化性質(zhì)的變化 表 3 2 燃料部分成分的燃燒特性 環(huán)烷烴：熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，

3、不易著火，抗爆性好。 芳香烴：熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性最好，不易著火，容易形成積碳，但抗爆性極好。第三章 燃料與燃燒 概述3. 1 概述 燃料成分對其品質(zhì)和燃燒特性有決定性影響： 表 3 1 燃料成分理化性質(zhì)的變化 表 3 2 燃料部分成分的燃燒特性 故此，近幾年由于環(huán)境保護(hù)的需要，對燃料成分提出更高的要求，并出現(xiàn)配方燃料即環(huán)保燃料概念。所謂環(huán)保燃料是指對燃料各種成分按照給定的比例控制。達(dá)到國家汽車排放第三階段控制標(biāo)準(zhǔn)必須控制燃料質(zhì)量。第三章 燃料與燃燒 概述3. 1 概述 燃料燃燒是劇烈的氧化反應(yīng)過程。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，對燃燒有時(shí)間和速度要求；為了充分利用燃料，還要求盡可能燃燒完全。 由于發(fā)動(dòng)機(jī)空間和

4、質(zhì)量限制，對燃料還有能量密度即熱值、便于攜帶、安全等要求。 因此，要改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，不僅要研究燃料，還要研究燃燒過程和燃燒條件，找出完全燃燒的途徑。 第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料是汽油和柴油。 汽油： 在常溫常壓下是液態(tài)； 分餾溫度為50200； 有機(jī)物的混合物，含碳原子數(shù)為C5C11，包括部分芳香烴和環(huán)烷烴以及烯、炔烴。 汽油易于揮發(fā)，粘度小，比重低，易點(diǎn)燃但不易自燃。第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料是汽油和柴油。 柴油： 常溫常壓下是液態(tài)，分為輕柴油和重柴油

5、； 輕柴油分餾溫度為250360； 有機(jī)物混合物，含碳原子數(shù)為C14C23，包括部分芳香烴和環(huán)烷烴以及烯、炔烴。 不易揮發(fā)，粘度較高，比重較大，自燃傾向比汽油大，但不易點(diǎn)燃。第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 已經(jīng)成熟并得到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料有石油氣、天然氣和醇類燃料。 石油氣： 常溫常壓下是氣態(tài)； 在低于50溫度下，壓縮后成為液態(tài)； LPG易于攜帶； 碳原子數(shù)為C2C5，主要是丙烷、丁烷； 極易揮發(fā)，粘度極小，不易自燃和點(diǎn)燃。第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 已經(jīng)成熟并得到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料

6、有石油氣、天然氣和醇類燃料。 天然氣（包括煤層氣和沼氣）： 常溫常壓下是氣態(tài)； 常溫下壓縮不能液化，必須在低溫下液化； 不便攜帶，要進(jìn)行壓縮（CNG）； 碳原子數(shù)為C1C4，主要是甲烷、乙烷； 不易自燃和點(diǎn)燃。第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 已經(jīng)成熟并得到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料有石油氣、天然氣和醇類燃料。醇類燃料：醇和乙醇的來源廣泛、生產(chǎn)成本低；常溫常壓下是液態(tài)；蒸發(fā)潛熱大，沸點(diǎn)低，便于攜帶；含氧元素，需要空氣少；不易自燃和點(diǎn)燃，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)腐蝕。第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 正開發(fā)的燃料

7、主要有二甲醚（DME）、氫氣、植物汽油、植物柴油和水煤漿。 二甲醚（DME） ： 甲醇具有一定的對人體的危害性，因此研究用甲醇來生產(chǎn)二甲醚。二甲醚具有低污染，高熱值，含氧元素、需要空氣少，常溫常壓下為液態(tài)、便于攜帶等特點(diǎn)，極具潛力發(fā)展為一種新型燃料。第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 正開發(fā)的燃料主要有二甲醚（DME）、氫氣、植物汽油、植物柴油和水煤漿。 氫氣： 氫氣燃燒基本沒有污染，燃燒速度快，對提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能有利。氫氣可從水中提取，燃燒后成為水分子，可以循環(huán)使用。但氫氣很難儲(chǔ)存、運(yùn)輸和攜帶，而且制備代價(jià)較高，目前仍在深入研究。氫氣是很有前途的

8、新型燃料。第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 正開發(fā)的燃料主要有二甲醚（DME）、氫氣、植物汽油、植物柴油和水煤漿。 植物汽油和植物柴油： 利用植物油、廢棄的烹調(diào)油生產(chǎn)汽油和柴油是近幾年發(fā)展出來的技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)使用植物汽油和植物柴油時(shí)，技術(shù)繼承性好，而且植物汽油和植物柴油的成分簡單，有利于控制有害排放物質(zhì)。此外，油料作物是可再生的，故此植物汽油和植物柴油得到廣泛的注意。第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料3.2.2 新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料 正開發(fā)的燃料主要有二甲醚（DME）、氫氣、植物汽油、植物柴油和水煤漿。 水煤漿： 在石油能源短缺壓

9、力下，把注意力再次投放到煤炭上是極其自然的。由于工業(yè)中煤的潔凈燃燒技術(shù)發(fā)展，開始研究發(fā)動(dòng)機(jī)使用水煤漿燃燒技術(shù)。目前主要存在燃燒不完全、固體顆粒造成發(fā)動(dòng)機(jī)磨損和燃料供應(yīng)等問題，目前仍在深入研究。第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.1 燃料使用特性指標(biāo) 評價(jià)燃油品質(zhì)的指標(biāo)很多。與發(fā)動(dòng)機(jī)使用有關(guān)的評價(jià)燃油品質(zhì)的指標(biāo)稱為燃料使用特性指標(biāo)。其中，和發(fā)動(dòng)機(jī)性能有關(guān)的燃油理化指標(biāo)主要有： （1）反映燃燒性能的有關(guān)指標(biāo)，如柴油的十六烷值、汽油的辛烷值,燃點(diǎn)，餾程等。 （2）反映燃油輸送性能、流動(dòng)性能的有關(guān)指標(biāo)，如粘度、凝點(diǎn)等。第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性

10、3.3.1 燃料使用特性指標(biāo) （3）和發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的有關(guān)指標(biāo)。如雜質(zhì)、灰分、含硫量、殘?zhí)康取?很多指標(biāo)反映了多方面使用特性指標(biāo)。例如燃點(diǎn)，它既反映安全性方面的要求，也是組織發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中要考慮的燃油燃燒特點(diǎn)指標(biāo)。 我國國家標(biāo)準(zhǔn)對所國產(chǎn)有燃油的品質(zhì)作出規(guī)定。第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 （1）辛烷值 評價(jià)汽油抗爆性的指標(biāo)。 辛烷值測定在專門的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上按規(guī)定的條件進(jìn)行試驗(yàn)評定。 規(guī)定，容易爆震的正庚烷辛烷值為0，抗爆能力強(qiáng)的異辛烷辛烷值為100。 按一定比例將正庚烷與異辛烷配制為混合燃料，比較混合燃料和被測汽油在試驗(yàn)機(jī)上燃燒并出現(xiàn)爆

11、震的情況。 混合燃料抗爆性和被測汽油相同時(shí)，混合燃料異辛烷的體積百分比就是所測汽油的辛烷值。 1. 汽油第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 汽油牌號按辛烷值確定。 辛烷值測定有兩種方法：馬達(dá)法和研究法，其條件各不相同。 1. 汽油第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 1. 汽油 （2）餾程 評價(jià)汽油蒸發(fā)性的指標(biāo)。 汽油的餾程中有三個(gè)溫度具有特定意義，10% 餾出溫度、50% 餾出溫度和 90% 餾出溫度。 汽

12、油的10% 餾出溫度越低，汽油蒸發(fā)性越強(qiáng)，容易汽化并形成可燃混合氣，起動(dòng)性好。 50% 餾出溫度低，汽油總體汽化容易，在較低的溫度下汽化，形成可燃混合氣，燃料燃燒快，動(dòng)力性好，工作穩(wěn)定，加速時(shí)間短，冷起動(dòng)后升溫快。 90% 餾出溫度高，燃油積炭傾向嚴(yán)重，容易稀釋機(jī)油，使機(jī)油變質(zhì)。第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 1. 汽油 餾程指燃油蒸餾的溫度范圍。 餾程用蒸餾儀測定。 將100 mL待測燃油加入燒瓶并加熱使之蒸發(fā)，燃蒸汽被導(dǎo)管引出，經(jīng)冷凝器冷卻凝結(jié)為液體，滴入量杯。試驗(yàn)過程中，測量并記錄量杯內(nèi)燃油數(shù)量和對應(yīng)的溫度，并表達(dá)為蒸餾曲線。第三章

13、 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 1. 汽油第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 2. 柴油 柴油分輕柴油和重柴油兩種，汽車和拖拉機(jī)主要用輕柴油。 （1）凝點(diǎn) 評價(jià)柴油的輸送性和流動(dòng)性的指標(biāo)。 輕柴油牌號按其凝點(diǎn)確定，柴油凝點(diǎn)是指其失去流動(dòng)性時(shí)的攝氏溫度。 選用柴油時(shí)，按其凝點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度約高出5 確定牌號。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 2. 柴油 （2）十六烷值 評價(jià)柴油自燃性的指標(biāo)。 十六烷值越大，柴油越容易自燃。 輕柴油的十六烷

14、值在40 50之間。 規(guī)定，容易自燃著火的純十六烷的十六烷值為100，不容易自燃的-甲基萘的十六烷值為0。 按一定比例將十六烷和-甲基萘配制成混合燃料，在試驗(yàn)機(jī)上比較被測柴油與混合燃料燃燒情況。 混合燃料的自燃性和被測柴油相同時(shí)，混合燃料中十六烷的體積百分?jǐn)?shù)即所測柴油的十六烷值。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 2. 柴油 （3）餾程 評價(jià)柴油蒸發(fā)性的指標(biāo)。 柴油餾程中有三個(gè)溫度具有特定意義。50%餾出溫度、90%餾出溫度和95%餾出溫度。 50% 餾出溫度低，柴油蒸發(fā)性好，輕餾分多，有利于混合氣形成和著火，冷起動(dòng)性能好。 90% 和 9

15、5% 餾出溫度高，柴油中重餾分多，燃燒容易不完全易形成積炭，排氣容易冒煙。 從發(fā)動(dòng)機(jī)工作要求來說，柴油中輕餾分要適當(dāng)，重餾分要盡量少一些。第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使用特性 2. 柴油 （4）粘度 表示流體內(nèi)部摩擦力。 粘度對柴油來說，具有雙重意義。 粘度大，柴油噴射時(shí)，霧化質(zhì)量差，燃燒不完全，燃油消耗率高，排氣冒煙。 粘度低，噴油泵、噴油嘴的偶件潤滑不良，磨損嚴(yán)重，壽命短。 柴油必須具有一定的粘度。輕柴油的粘度為 2.5 8 10 -6 m2/ s（20 時(shí)）。第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.2 傳統(tǒng)燃料的使

16、用特性 3. 柴油與汽油的性能比較第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.3 新型燃料的使用特性 1. 醇類燃料的使用特性 （1）醇類燃料的特點(diǎn) 熱值低，含氧量大； 汽化潛熱數(shù)值大，沸點(diǎn)低； 有毒性、腐蝕性； 抗爆震性好，潤滑性差； 如以混合燃料方式使用，與汽、柴油的相溶性差。第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.3 新型燃料的使用特性 1. 醇類燃料的使用特性 （2）醇類燃料的使用方式 混合燃料方式 雙燃料方式 純?nèi)剂戏绞?氧添加劑 燃料電池燃料第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.3 新型燃料的使用特性 1. 醇類

17、燃料的使用特性 （3）醇類燃料的使用特性 與使用方式有關(guān)； 目前沒有統(tǒng)一認(rèn)識； 對其固有的理化特性及品質(zhì)應(yīng)該有要求。如 熱值、沸點(diǎn)、密度、腐蝕性和含水量等 乙醇汽油有關(guān)于品質(zhì)的國家標(biāo)準(zhǔn)。 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.3 新型燃料的使用特性 2. 氣體燃料的使用特性 （1）氣體燃料的特點(diǎn) 熱值低； 常溫下為氣態(tài)，攜帶不方便； 形成混合氣容易； 抗爆震性好，潤滑性差； 廢氣排放好 第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特性3.3 燃料的使用特性3.3.3 新型燃料的使用特性 2. 氣體燃料的使用特性 （2）氣體燃料的使用方式 純?nèi)剂戏绞剑?雙燃料方式； 混合燃料方式；

18、燃料電池。 （3）氣體燃料的使用特性 與使用方式有關(guān)； 有國家標(biāo)準(zhǔn)，但使用性能指標(biāo)不全面。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué) 燃油在氣缸中燃燒情況極為復(fù)雜，本質(zhì)上是激烈的氧化反應(yīng)。這里只從質(zhì)量守恒角度，研究燃油和空氣中的氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量關(guān)系，不涉及化學(xué)反應(yīng)的過程和機(jī)理。 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒過程的復(fù)雜，其原因在于：除了燃料的氧化反應(yīng)之外，實(shí)際還伴隨許多其他反應(yīng)；同時(shí)進(jìn)行的過程不僅有成分變化過程，還有傳熱過程、做功過程；燃燒的條件隨活塞運(yùn)動(dòng)而變化。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué) 燃油成分的表示燃油成分的表示 發(fā)動(dòng)機(jī)所用的汽油或柴油主要由碳、氫、氧組成，其它成分如氮

19、、硫等含量不多，在熱計(jì)算時(shí)不考慮，如以gC、gH、gO分別表示 1 kg燃油中所含碳、氫、氧的kg數(shù)，即用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%表示，則： 3.4.1 燃燒使用空氣量1、理論空氣量理論空氣量第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué) 空氣成分的表示空氣成分的表示 發(fā)動(dòng)機(jī)中燃油燃燒所需要的氧氣來自空氣，以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%表示3.4.1 燃燒使用空氣量1、理論空氣量理論空氣量第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量1、理論空氣量理論空氣量以體積百分?jǐn)?shù)%表示第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量1、理論空氣量理論空氣量1kg 燃料完全燃燒

20、所需的理論空氣量燃料完全燃燒所需的理論空氣量 L0根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程碳燃燒：第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量1、理論空氣量理論空氣量1kg 燃料完全燃燒所需的理論空氣量燃料完全燃燒所需的理論空氣量 L0氫燃燒：第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量1、理論空氣量理論空氣量所以，gC (kg)碳與gH (kg)氫完全燃燒所用氧氣為1kg 燃料完全燃燒理論空氣量燃料完全燃燒理論空氣量第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量1、理論空氣量理論空氣量以kmol 為單位計(jì)算理論空氣量，則1 kg

21、 碳完全燃燒需要kmol 氧氣1 kg 氫完全燃燒需要kmol 氧氣所以，gC (kg)碳與gH (kg)完全燃燒所用氧氣為第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量1、理論空氣量理論空氣量1kg 燃料完全燃燒理論空氣量燃料完全燃燒理論空氣量gO (kg) 氧折合為kmol 單位第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量1、理論空氣量理論空氣量 以m3為單位計(jì)算理論空氣量，則在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1 kmol空氣具有體積為 22.4 m3 （標(biāo)）。故第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量2、過量空氣系數(shù)

22、過量空氣系數(shù) 理論空氣量是指理論上使燃油完全燃燒所需要的空氣量。 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)中，1 kg 燃油實(shí)際供給的空氣數(shù)量并不總是等于理論空氣量Lo。 用過量空氣系數(shù) a 表示實(shí)際供給空氣的數(shù)量L與理論空氣量Lo之比第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量2、過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù) 為使燃油完全燃燒，實(shí)際供給空氣的數(shù)量應(yīng)該不小于理論空氣量，即a 1。 過量空氣系數(shù)是反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)實(shí)際空氣量等于理論空氣量即 L= Lo ，則a =1； a 1時(shí)，表示稀混合氣。 過量空氣系數(shù) a 與發(fā)動(dòng)機(jī)類型、混合氣形成方法、燃料的種類、工況（負(fù)荷與轉(zhuǎn)速）、功率

23、調(diào)節(jié)的方式等因素有關(guān)。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量2、過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù) 汽油機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)方式是量調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié) a = 0.8 1.2 所謂量調(diào)節(jié)方式是指保持混合氣濃度不變，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的混合氣數(shù)量來適應(yīng)負(fù)荷變化。嚴(yán)格地說，這種情況下，混合氣濃度實(shí)際仍然是有變化的。 電子控制汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)和化油器式汽油機(jī)在大負(fù)荷時(shí)，總是使用濃混合氣；在中小負(fù)荷時(shí)，電子控制汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)控制 a 1 或稍微低一些，化油器式汽油機(jī)則使用稀混合氣 a 1 。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量2、過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù) 柴油

24、機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)方式是質(zhì)調(diào)節(jié)質(zhì)調(diào)節(jié) a = 1.2 2.2 質(zhì)調(diào)節(jié)負(fù)荷方式是指通過改變混合氣濃度來調(diào)節(jié)負(fù)荷。柴油機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)是在基本保持氣缸進(jìn)氣量不變情況下，改變氣缸噴油量調(diào)節(jié)負(fù)荷，a 的變化范圍很大。柴油機(jī)混合氣形成時(shí)間短，濃度不均勻，所以，a 總是大于1 的，即a 1。當(dāng)然，隨著負(fù)荷變化，柴油機(jī)吸入氣缸的空氣量也有微小變動(dòng)。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量2、過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù) 對柴油機(jī)來說，a 越小，意味著燃燒完善程度越高，在同樣氣缸進(jìn)氣量條件下，就可以向氣缸多噴油，缸內(nèi)空氣的利用程度高，發(fā)出的功率大，發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率大；a 越大，意味著燃料燃燒比

25、較完全，在同樣噴油量情況下，供應(yīng)的空氣充足。 無論對汽油機(jī)還是柴油機(jī)， a a 都都是反映混合氣是反映混合氣形成和燃燒完善程度的一個(gè)重要指標(biāo)形成和燃燒完善程度的一個(gè)重要指標(biāo)。從追求燃燒過程完善的角度，應(yīng)該力求使 a 接近于1。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量3、常規(guī)燃料的理論空氣量常規(guī)燃料的理論空氣量 汽油的平均質(zhì)量成分為： gC = 0.855；gH =0.145； gO=0.000 柴油的平均質(zhì)量成分為： gC =0.870； gH =0.126； gO =0.004 分別將汽油和柴油的平均成分代入理論空氣量的計(jì)算公式中，可得汽油和柴油的理論空氣量

26、分別為14.9（kg 空氣 / kg 汽油）和14.5（kg空氣 / kg柴油）。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量4、空燃比空燃比 除了過量空氣系數(shù)a 外，還常用燃燒時(shí)空氣質(zhì)量與燃料質(zhì)量的比例即空燃比（ A / F ）表示混合氣濃度：第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.1 燃燒使用空氣量4、空燃比空燃比 應(yīng)用空燃比比較直觀方便，其數(shù)值即為對實(shí)際供給空氣量的千克數(shù)。對 1 kg 燃料，有 當(dāng)a = 1 ，即按理論空氣量燃燒時(shí)，該空燃比稱為理論空燃比。汽油和柴油的理論空燃比分別為14.9和14.5 。混合氣的空燃比大于理論空燃比時(shí)為稀混

27、合氣，小于理論空燃比時(shí)為濃混合氣。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.2 完全燃燒時(shí)的燃燒產(chǎn)物1、進(jìn)入氣缸的氣體數(shù)量進(jìn)入氣缸的氣體數(shù)量 對汽油，在混合非常充分時(shí)，燃料全部蒸發(fā)，混合氣由空氣和燃料蒸汽組成。若燃料平均分子量為MrT ，混合氣過量空氣系數(shù)為a ，則1 kg 燃料完全蒸發(fā)形成混合氣的摩爾數(shù)為M1第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.2 完全燃燒時(shí)的燃燒產(chǎn)物1、進(jìn)入氣缸的氣體數(shù)量進(jìn)入氣缸的氣體數(shù)量 對柴油，燃燒體系中既有混合氣，又有燃料液滴，只有部分燃料形成蒸汽，混合氣的摩爾數(shù)計(jì)算比較復(fù)雜。根據(jù)液體體積小，燃油量比空氣少的特點(diǎn)，忽略燃料蒸汽及液態(tài)燃

28、料的體積，則過量空氣系數(shù)為 a 時(shí)混合氣的摩爾數(shù)M1為第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.2 完全燃燒時(shí)的燃燒產(chǎn)物2、完全燃燒后的氣體數(shù)量完全燃燒后的氣體數(shù)量 當(dāng)燃料完全燃燒，則燃燒產(chǎn)物的主要成分是不參與燃燒氮?dú)?N2 、二氧化碳CO2 、水蒸氣H2O和剩余氧氣O2。若忽略次要的其它成分，則根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式，可求得燃燒產(chǎn)物的摩爾數(shù)為M2第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.2 完全燃燒時(shí)的燃燒產(chǎn)物2、完全燃燒后的氣體數(shù)量完全燃燒后的氣體數(shù)量 燃燒前后的燃燒體系有摩爾數(shù)增量DM 摩爾數(shù)增量 DM 0 時(shí)，氣缸可以因氣體數(shù)量增加而額外多做功。第三章 燃料與燃燒

29、燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值1、燃料熱值燃料熱值 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（ 壓力為1.013105 k Pa，溫度為25 ）下，1 kg 燃料完全燃燒所放出的熱量，稱燃料完全燃燒所放出的熱量，稱為燃料的熱值為燃料的熱值，通常由實(shí)驗(yàn)測定。 由于燃燒產(chǎn)物中有水蒸汽，在水蒸汽沒有凝結(jié)時(shí)，水的汽化潛熱也不會(huì)釋放，所以燃料熱值有兩個(gè)：若水蒸汽沒有凝結(jié)，燃燒熱量不包含水的汽化潛熱，則此燃料熱值稱為燃料低熱值 QL ；水蒸汽凝結(jié)后，燃燒熱量包含水的汽化潛熱，則此燃料熱值稱為燃料高熱值 QH 。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值1、燃料熱值

30、燃料熱值 兩者的關(guān)系為式中， HV為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的汽化潛熱。 內(nèi)燃機(jī)排氣溫度較高，水的汽化潛熱不可能利用，故分析計(jì)算時(shí)多用低熱值。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值2、混合氣熱值混合氣熱值 發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)吸收的熱量與燃料熱值、循環(huán)燃料消耗量、混合氣形成方式、混合氣濃度及品質(zhì)、燃燒方式和燃燒的完善程度等因素有關(guān)。在完全燃燒條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)燃料消耗量有一定的范圍，受到氣缸循環(huán)進(jìn)氣量的制約。 混合氣濃度反映氣缸循環(huán)進(jìn)氣量和循環(huán)燃料消耗量兩個(gè)因素對發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)吸收的熱量的影響。在氣缸進(jìn)氣量一定時(shí)，循環(huán)燃料消耗量的變化即是混合氣濃度的變化。第三章 燃料

31、與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值2、混合氣熱值混合氣熱值 氣缸進(jìn)氣量一定（即氣缸工作容積和充氣效率都確定），則發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)吸收的熱量完全取決于燃料熱值和可燃混合氣濃度。燃料熱值和可燃混合氣濃度的綜合影響以可燃混合氣熱值來體現(xiàn)?；旎旌蠚鉄嶂凳侵竼挝惑w積或單位摩爾數(shù)的混合氣在完合氣熱值是指單位體積或單位摩爾數(shù)的混合氣在完全燃燒放出的熱量全燃燒放出的熱量，其計(jì)量單位為kJ / m3（標(biāo)）或kJ / kmol 。第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學(xué)3.4 燃燒熱化學(xué)3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值2、混合氣熱值混合氣熱值 1 kg 燃料形成的可燃混合氣完全燃燒可放出

32、的熱量為QL ，可燃混合氣的摩爾數(shù)為M1，故混合氣熱值Qmix為 混合氣熱值與混合氣濃度即過量空氣系數(shù)a 有關(guān)， a = 1 的混合氣熱值稱為理論混合氣熱值。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.1 概述 根據(jù)化學(xué)知識，燃料的燃燒是一種氣相中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。支配燃燒過程的規(guī)律有 質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律，各種參與反應(yīng)物質(zhì)的元素量在燃燒前后是守恒的； 質(zhì)量作用定律質(zhì)量作用定律，即反應(yīng)速度與反應(yīng)物的濃度或數(shù)量有密切聯(lián)系； 燃料著火燃燒的機(jī)理符合有退化分支的鏈反應(yīng)退化分支的鏈反應(yīng)等規(guī)律。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.1 概述 燃料在燃燒的初

33、期，存在一個(gè)物理和化學(xué)的準(zhǔn)備階段，燃料從固相或液相變?yōu)闅庀啵⑴c空氣或氧氣相混合。由于外部能量的引入如點(diǎn)火或者吸熱，使得反應(yīng)體系本身積累起足夠多的活性粒子，從而出現(xiàn)明顯的燃燒現(xiàn)象，發(fā)出光和熱。隨后，因燃燒放出熱量，反應(yīng)體系的活性粒子數(shù)量急劇增加，燃燒反應(yīng)得到加速。接下來，隨著反應(yīng)物減少，生成物增加，燃燒反應(yīng)減速。在時(shí)間足夠長，反應(yīng)體系外部條件穩(wěn)定不變等情況下，反應(yīng)體系的狀態(tài)進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)平衡和熱力平衡。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.1 概述 全部燃燒過程，包括混合氣形成、著火準(zhǔn)備、明混合氣形成、著火準(zhǔn)備、明顯燃燒和化學(xué)反應(yīng)平衡顯燃燒和化學(xué)反應(yīng)平衡等四個(gè)階段。在發(fā)

34、動(dòng)機(jī)中，由于轉(zhuǎn)速較高，并有排氣過程，因此發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒時(shí)不可能達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡不可能達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡。另外，在習(xí)慣上，把混合氣形成階段看作為獨(dú)立過程，稱作混合氣形成過程，并將著火準(zhǔn)備階段稱為著火延遲著火延遲階段。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.2 混合氣形成過程 燃燒反應(yīng)是氣相反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)是在分子層面上通過分子的碰撞進(jìn)行的，因此，燃料的燃燒需要經(jīng)過將燃料成分轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的階段。 對液態(tài)燃料，由液態(tài)可以經(jīng)過蒸發(fā)汽化轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。在有限的時(shí)間內(nèi)使一定數(shù)量的燃料完全蒸發(fā)，需要一定的條件，即燃料有足夠的表面積、有足夠高的溫度和相當(dāng)高的擴(kuò)散混合速度。為了能

35、夠燃燒，所形成的混合氣濃度必須在一定的濃度范圍。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.2 混合氣形成過程 在發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于混合氣形成時(shí)間極其短暫，因此，采取噴射霧化和化油器霧化等手段增加燃料的表面積。霧化是指燃料粉碎為細(xì)小的顆粒即油滴，極大地增加其表面積的過程。燃料霧化后，其表面積可以增加上千倍，大大地提高了蒸發(fā)速度。將燃料噴散為大量細(xì)小的油滴時(shí)，油滴的平均直徑越小，空氣的溫度越高，蒸發(fā)時(shí)間越短，混合氣形成速度越快。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.2 混合氣形成過程 為了使燃料具有足夠高的溫度，一般通過提高燃料粒子的環(huán)境溫度，對燃料進(jìn)行

36、加熱。燃料受熱蒸發(fā)的速度取決于其汽化潛熱和蒸發(fā)溫度，并受到擴(kuò)散速度的制約。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了加快燃料的蒸發(fā)速度，需要組織空氣的運(yùn)動(dòng)，促使已蒸發(fā)的燃料向外擴(kuò)散，形成混合氣；同時(shí)使混合氣變得均勻。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.2 混合氣形成過程 汽油的沸點(diǎn)及飽和蒸汽壓低，汽化潛熱小，故蒸發(fā)性強(qiáng)，混合氣形成快，形成混合氣的手段多。汽油機(jī)用化油器方式或汽油噴射方式形成混合氣，除加熱外，一般不采取更多的輔助手段。柴油的沸點(diǎn)及飽和蒸汽壓高，汽化潛熱大，故蒸發(fā)性差，形成混合氣速度慢。所以，柴油機(jī)采取較大的壓縮比以提高壓縮終了溫度即蒸發(fā)溫度、缸內(nèi)高壓噴射使燃油顆粒細(xì)化以增加

37、蒸發(fā)面積、組織進(jìn)氣運(yùn)動(dòng)以加強(qiáng)燃料與空氣混合等輔助手段，幫助實(shí)現(xiàn)混合氣形成。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.2 混合氣形成過程 只有混合氣濃度在一定濃度范圍時(shí)，混合氣才能夠著火并燃燒，過濃或過稀的混合氣不能著火或燃燒。著火燃燒的濃度范圍稱為著火界限或燃燒界限著火燃燒的濃度范圍稱為著火界限或燃燒界限，濃度在著火界限或燃燒界限內(nèi)的混合氣稱為可燃混合氣可燃混合氣。燃料燃燒之所以必須滿足一定的濃度條件，是因?yàn)橹挥羞@種情況下，燃料分子和氧氣分子才能具有足夠高的碰撞概率，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放熱量，維持反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行并保持相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)速度。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃

38、料的燃燒過程3.5.2 混合氣形成過程 著火界限與混合氣的溫度、壓力以及其它一些因素有關(guān)。 在其它條件不變時(shí)，對應(yīng)于一定的壓力或溫度，存在確定的混合氣著火界限。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.2 混合氣形成過程 著火界限與混合氣的溫度、壓力以及其它一些因素有關(guān)。 提高溫度或壓力，混合氣的著火界限有所拓展，但其作用極為有限。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.2 混合氣形成過程 著火界限與混合氣的溫度、壓力以及其它一些因素有關(guān)。 溫度或壓力極低時(shí)，任何濃度混合氣都不能著火。 可燃混合可燃混合氣的濃度范圍氣的濃度范圍具有相對性具有相對性。

39、第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.2 混合氣形成過程 發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣形成過程由霧化、蒸霧化、蒸發(fā)和擴(kuò)散混合發(fā)和擴(kuò)散混合三個(gè)階段組成，其中，蒸發(fā)階段是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這三個(gè)階段對單獨(dú)的液滴是有順序的，但在多個(gè)液滴時(shí)，卻是交叉進(jìn)行的。因此，很難將混合氣形成過程分解研究。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 燃料燃燒過程的觸發(fā)，稱為著火方式或點(diǎn)火方式。 可以用多種著火方式觸發(fā)燃燒過程。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的著火方式多為電火花或壓縮自燃。 火花引燃或燃料加熱到自燃溫度以上時(shí)，可燃混合氣并不立即燃燒，需要經(jīng)過一定的延遲時(shí)間，才能出現(xiàn)明顯的火焰，

40、放出熱量。這個(gè)延遲現(xiàn)象稱為著火延遲著火延遲，延遲時(shí)間稱為著火延遲過程著火延遲過程或著火延遲階段著火延遲階段，簡稱為著著火過程火過程或著火階段著火階段。 點(diǎn)燃著火的著火階段從點(diǎn)燃開始點(diǎn)燃開始；自燃著火方式的著火階段從混合氣達(dá)到自燃溫度開始混合氣達(dá)到自燃溫度開始。著火階段到出現(xiàn)到出現(xiàn)明顯燃燒，放出光和熱結(jié)束明顯燃燒，放出光和熱結(jié)束。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 可以用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的鏈反應(yīng)理論解釋著火延遲現(xiàn)象。 燃燒反應(yīng)是自動(dòng)加速的、帶有分支鏈的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；燃燒反應(yīng)開始需要有一定數(shù)量、具有高能量的活性粒子；過程進(jìn)行中，活性粒子的數(shù)量急劇增加，反應(yīng)出

41、現(xiàn)分支而加速；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，能量不斷轉(zhuǎn)移，反應(yīng)物被消耗，活性粒子數(shù)目減少，反應(yīng)減速，直到結(jié)束；燃燒反應(yīng)由一系列的中間反應(yīng)組成。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 這種化學(xué)反應(yīng)式根據(jù)質(zhì)量守恒定律得到，稱為化學(xué)計(jì)量反應(yīng)式。它反映化學(xué)反應(yīng)過程中物質(zhì)變化的等量關(guān)系，并不反映化學(xué)反應(yīng)經(jīng)過的歷程 。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，上述反應(yīng)需要一個(gè)甲烷分子能夠同時(shí)與三個(gè)氧氣分子碰撞，過程才能夠進(jìn)行。但是，在化學(xué)反應(yīng)中，三個(gè)分子相互同時(shí)碰撞的機(jī)率

42、幾乎為零，而四個(gè)分子或更多分子相互同時(shí)碰撞可能完全不存在。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 在甲烷燃燒的開始時(shí)刻，只存在一個(gè)氧氣分子與一個(gè)甲烷分子碰撞的反應(yīng)，并且其中一個(gè)分子應(yīng)具有較高的能量，即具有活性。使反應(yīng)物分子具有活性的過程稱為鏈引鏈引發(fā)發(fā)。導(dǎo)致鏈引發(fā)的因素很多，假設(shè)氧氣分子因熱運(yùn)動(dòng)而激發(fā)，于是 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 在激發(fā)的氧氣分子與甲烷分子反應(yīng)時(shí)，下列結(jié)果都有可能 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.

43、3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 CH3、CH3O、 CH4O、OOH、OH和 O等都是燃燒反應(yīng)的中間產(chǎn)物，稱為自由基（活性粒子）。 反應(yīng)生成產(chǎn)物取決于分子相互碰撞的部位和碰撞能量。 鏈傳遞鏈傳遞是一個(gè)活性粒子通過反應(yīng)，至少產(chǎn)生一個(gè)新的活性粒子，使反應(yīng)能夠繼續(xù)進(jìn)行；同時(shí)，使反應(yīng)向前推進(jìn)一步。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.3 著火延遲現(xiàn)象 以甲烷的燃燒反應(yīng)為例。 若鏈傳遞過程中產(chǎn)生兩個(gè)以上活性粒子。 當(dāng)自由基相互反應(yīng)時(shí)，會(huì)減少活性粒子的數(shù)量，一部分分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就結(jié)束了，這種分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程結(jié)束稱為鏈中止鏈中止。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5

44、燃料的燃燒過程3.5.4 烴類燃料的著火過程烴類燃料的著火過程 燃料的著火過程和可燃混合氣所處的溫度、壓力條件有關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。 圖右上方為著火區(qū)。著火區(qū)分為兩個(gè)部分，低低溫著火區(qū)和高溫著火區(qū)溫著火區(qū)和高溫著火區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域的著火規(guī)律很不相同。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.4 烴類燃料的著火過程烴類燃料的著火過程 燃料溫度較低時(shí)，燃燒過程經(jīng)歷冷焰-藍(lán)焰-熱焰三個(gè)階段，著火過程稱為低溫多階段著火低溫多階段著火。 因?yàn)闇囟容^低時(shí)，燃燒體系不易形成大量活性粒子，燃料先自行緩慢氧化，生成過氧化物及乙醛等，這一階段為冷焰誘導(dǎo)冷焰誘導(dǎo)期期 t t1 。第三章 燃料與

45、燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.4 烴類燃料的著火過程烴類燃料的著火過程 溫度等條件合適，過氧化物及乙醛能夠積累，達(dá)到某一濃度后，過氧化物開始分解，反應(yīng)加速，形成冷焰著火，這一階段為 冷焰期冷焰期 t t2 。冷焰反應(yīng)放出熱量不多，反應(yīng)速度低，要持續(xù)相當(dāng)長時(shí)間，反應(yīng)產(chǎn)物主要是甲醛。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.4 烴類燃料的著火過程烴類燃料的著火過程 當(dāng)甲醛達(dá)到某一濃度后，通過甲醛支鏈反應(yīng)，冷焰反應(yīng)加速，形成藍(lán)焰燃燒，這個(gè)階段為藍(lán)焰期藍(lán)焰期t t3 。藍(lán)焰反應(yīng)時(shí)間短，速度快，放出的熱量多，主要生成 CO ，反應(yīng)體系溫度壓力升高快，反應(yīng)進(jìn)一步加

46、速，進(jìn)入熱焰燃燒熱焰燃燒，即通常意義的明顯燃燒。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.4 烴類燃料的著火過程烴類燃料的著火過程 在較高溫度下，烴燃料氧化反應(yīng)不經(jīng)過冷焰誘導(dǎo)期和冷焰期。 反應(yīng)體系受到燃燒觸發(fā)后，在最初的氧化過程中，形成過氧化物及乙醛并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榧兹?。第三?燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.4 烴類燃料的著火過程烴類燃料的著火過程 甲醛達(dá)到一定濃度后，反應(yīng)加速，進(jìn)入藍(lán)焰著火-熱焰燃燒。先是藍(lán)焰著火并放出熱量，反應(yīng)體系溫度、壓力快速升高，促使燃料氧化加快，然后進(jìn)入熱焰燃燒。這種情況下，藍(lán)焰與熱焰很難區(qū)分，因此統(tǒng)稱為高溫單高溫單階段著

47、火階段著火 。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.4 烴類燃料的著火過程烴類燃料的著火過程 結(jié)論： （1）在明顯燃燒之前，無論用何種方式觸發(fā)燃燒，都存在誘導(dǎo)期即著火延遲階段。 （2）即使反應(yīng)體系處于較低的溫度，但只要能夠激發(fā)足夠的活性粒子，就能引起燃燒鏈反應(yīng)。 （3）烴氧化反應(yīng)是自動(dòng)加速的。在快速反應(yīng)階段，反應(yīng)速度隨著溫度升高而加快；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定階段，反應(yīng)物濃度減少，反應(yīng)速度迅速下降。 此外，添加劑可以改變反應(yīng)速度和燃燒特點(diǎn) 。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.5 最低點(diǎn)火能量最低點(diǎn)火能量 點(diǎn)燃是指引入外部能量，激發(fā)燃燒體系產(chǎn)生活性

48、粒子的著火方式及過程。 不是任何能量的點(diǎn)火都能成功引起可燃混合氣的燃燒。只有活性粒子數(shù)量足夠多，才能使氧化反應(yīng)急劇加速，出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱的火焰核心。火焰核心放出的能量，又使混合氣的鏈反應(yīng)加快，形成燃燒。 顯然，要產(chǎn)生明顯的燃燒，必須在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生足夠多的活性粒子，點(diǎn)火能量必須達(dá)到相應(yīng)數(shù)值。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.5 最低點(diǎn)火能量最低點(diǎn)火能量 能夠可靠著火所需要的最小能量稱為最低點(diǎn)火能量。 最小點(diǎn)火能量受很多因素影響。 在其它條件不變時(shí)，最小點(diǎn)火能量與混合氣濃度的關(guān)系見圖 。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.5 最低點(diǎn)火能量

49、最低點(diǎn)火能量 不同的混合氣濃度，其最小點(diǎn)火能量不同； 一定的點(diǎn)火能量有一個(gè)著火界限； 加大點(diǎn)火能量，著火界限有所擴(kuò)展，但作用有限； 點(diǎn)火能量低于最小點(diǎn)火能量極限時(shí)，任何濃度的混合氣都不能點(diǎn)燃； 最小的點(diǎn)火能量出現(xiàn)在理論空燃比附近。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.5 最低點(diǎn)火能量最低點(diǎn)火能量 最小點(diǎn)火能量是混合氣的性質(zhì)而不是電火花的性最小點(diǎn)火能量是混合氣的性質(zhì)而不是電火花的性質(zhì)，電火花的性質(zhì)是點(diǎn)火能量。質(zhì)，電火花的性質(zhì)是點(diǎn)火能量。 電火花的點(diǎn)火能量與火花塞性能、電極電壓、火花塞電極間隙、及電極形狀等因素有關(guān)。 在其它因素一定時(shí)，火花塞電極間隙適中，發(fā)出點(diǎn)火能量最

50、大。 電極間隙大，電離電極間氣體需要較高的電壓，而在電壓一定的限制下，發(fā)出火花的點(diǎn)火能量較?。浑姌O間隙小，雖然電離電極間氣體的電壓低，但電極散熱效果強(qiáng)，發(fā)出火花的點(diǎn)火能量小。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.5 最低點(diǎn)火能量最低點(diǎn)火能量 因此，在加大火花塞電極間隙時(shí)，應(yīng)該同時(shí)提高在加大火花塞電極間隙時(shí)，應(yīng)該同時(shí)提高點(diǎn)火電壓，才能增加點(diǎn)火能量。點(diǎn)火電壓，才能增加點(diǎn)火能量。 對應(yīng)于一定濃度、溫度和壓力的可燃混合氣，存在一個(gè)最小點(diǎn)火能量，相應(yīng)的，有一個(gè)不能點(diǎn)燃混合氣的電極間隙極限，稱為熄火間隙熄火間隙 dcrit 。當(dāng)電極間隙 d 與熄火間隙的關(guān)系為critdd 不能可

51、靠點(diǎn)火不能可靠點(diǎn)火。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 燃料的燃燒可分為兩種燃燒方式。著火之前，燃料蒸汽和空氣已經(jīng)充分混合，這種混合氣稱為預(yù)混合氣，這種混合氣的燃燒預(yù)混合氣的燃燒方式稱為預(yù)混燃燒預(yù)混燃燒；著火之前，燃料未和空氣形成混合充分的混合氣，但已有部分可燃混合氣形成，同時(shí)仍有相當(dāng)多的燃料保持液態(tài)，這種燃燒方式稱為擴(kuò)散燃燒。 第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 1 預(yù)混燃燒預(yù)混燃燒 在預(yù)混燃燒過程中，著火后，在火花附近形成大量活性粒子，促使這一區(qū)域的燃燒反應(yīng)加速，并

52、出現(xiàn)明顯發(fā)熱發(fā)光現(xiàn)象，形成火焰核心。 在著火后，預(yù)混合氣的燃燒自動(dòng)進(jìn)行，這個(gè)過程稱為火焰?zhèn)鞑ミ^程。 預(yù)混合氣中的火焰?zhèn)鞑ズ蜌怏w流動(dòng)情況有很大關(guān)系，可分為層流火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ズ臀闪骰鹧鎮(zhèn)鞑ノ闪骰鹧鎮(zhèn)鞑ァ５谌?燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 層流火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑?在靜止或流速極低的預(yù)混合氣中，著火之后，火焰核心迅速發(fā)展為近似球形火焰，隨后火焰表面（稱為火焰前火焰前鋒鋒）以近似圓球的形狀向整個(gè)混合氣空間擴(kuò)展推進(jìn)。火焰鋒面之前是未燃的預(yù)混合氣，火焰鋒面之后是已燃的、具有很高溫度的燃燒產(chǎn)物。火焰鋒面僅有幾十到幾百微米厚，燃燒反應(yīng)就在這一

53、薄層區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 火焰鋒面厚度 d 分為混合氣預(yù)熱區(qū)厚度d p 和反應(yīng)區(qū)厚度 d c 兩個(gè)部分，預(yù)熱區(qū)厚度 dp 大，化學(xué)反應(yīng)速度低，反應(yīng)區(qū)厚度d c 小，但化學(xué)反應(yīng)速度大。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 火焰鋒面厚度 D 很小，其中溫度和濃度變化極大，引起強(qiáng)烈的傳熱和傳質(zhì)，促使火焰鋒面之前的混合氣加快化學(xué)反應(yīng)，隨之變?yōu)榛鹧鎯?nèi)的混合氣預(yù)熱區(qū)，于是，火焰鋒面就移動(dòng)即火焰?zhèn)鞑?。第三?燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5

54、.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于火焰鋒面內(nèi)混合氣的化學(xué)反應(yīng)速度?；旌蠚鉂舛葘恿骰鹧?zhèn)鞑ニ俣扔绊懽畲蟆Ｔ诼孕∮诶碚摽杖急葧r(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度最快，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，反?yīng)溫度最高；混合氣過稀或過濃，化學(xué)反應(yīng)速度極慢，反應(yīng)溫度過低，火焰?zhèn)鞑?huì)中斷，不能維持燃燒。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 紊流火焰?zhèn)鞑ノ闪骰鹧鎮(zhèn)鞑?混合氣運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，火焰?zhèn)鞑サ囊?guī)律和層流火焰?zhèn)鞑ズ懿幌嗤?。在紊流火焰?zhèn)鞑ブ校鹧驿h面速度大大加快，可達(dá)到20 70 m / s 。紊流本身的特點(diǎn)是流體性質(zhì)在時(shí)間與空間上有隨機(jī)性，氣流內(nèi)部有渦流運(yùn)動(dòng)。紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓脑蛟谟诹黧w的運(yùn)動(dòng)對火焰?zhèn)鞑グl(fā)生影響。第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程3.5 燃料的燃燒過程3.5.6 燃料的明顯燃燒燃料的明顯燃燒 表面皺折理論表面皺折理論 A紊流火焰?zhèn)鞑ブ幸廊淮嬖诨鹧驿h面，且速度和基本結(jié)構(gòu)在紊流強(qiáng)度較小時(shí)不變。 B宏觀紊流使火焰鋒面發(fā)生彎曲與皺折，增大火焰鋒面的表面積。 C微觀紊流加強(qiáng)傳熱與傳質(zhì)作