第三章 燃料與燃燒講義

1、第三章第三章 燃料與燃燒燃料與燃燒 3-1 內(nèi)燃機(jī)的燃料及其熱化學(xué)內(nèi)燃機(jī)的燃料及其熱化學(xué) 一、內(nèi)燃機(jī)的燃料一、內(nèi)燃機(jī)的燃料 汽油汽油傳統(tǒng)燃料石油產(chǎn)品傳統(tǒng)燃料石油產(chǎn)品 柴油柴油 液化石油氣（液化石油氣（LPG） 天然氣（天然氣（CNG） 主要成分上碳、氫，占主要成分上碳、氫，占97 98% 含少量硫、氧、氮等。含少量硫、氧、氮等。 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)。分子式為式為CnHm通常稱為烴。通常稱為烴。第三章第三章 燃料與燃燒燃料與燃燒 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

2、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 C2C4常溫液化石油氣1658C5C1150200汽油95120C11C19180300煤油100180C16C23250360輕重柴油180200C23360以上渣油220以上質(zhì)輕質(zhì)輕易揮易揮發(fā)發(fā)化學(xué)化學(xué)穩(wěn)穩(wěn)定性變定性變好好易點(diǎn)易點(diǎn)燃燃粘度增大粘度增大易自燃易自燃2.除碳原子數(shù)外分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)對燃料的性能影響很大，按結(jié)構(gòu)組成石油的烴主要有五類。 A、 烷屬烴CnH2n+2 直鏈 （正庚烷正庚烷C7H16） H H H H H H H H C

3、C C C C C C H H H H H H H H 支鏈（異辛烷異辛烷C8H18） H H H H HCH H H CC C C CH H HCH H HCH H H 呈飽和的開鏈結(jié)構(gòu)，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、烯烴CnH2n (例如:乙烯) H H HCCHC、炔烴、炔烴CnH2n-2( (乙炔乙炔) ) HCCH 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。

4、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。石油煉制中常使產(chǎn)品的芳香烴增多。 3-2 3-2 燃料的使用特性燃料的使用特性 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

5、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。 縮短發(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(1時(shí)完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量1

6、、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。rTMLM10101LM 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。rTmixMLhMhQ1013-4 燃燒的基本知識(shí)燃燒的基本知識(shí)燃燒過程二個(gè)階段燃燒過程二個(gè)階段: : 著火階段，燃燒階段著火階段，燃燒階段可燃混合物著火的方法可燃混合物

7、著火的方法: : 強(qiáng)制著火強(qiáng)制著火( (汽油機(jī)汽油機(jī)) ) 自燃著火自燃著火( (柴油機(jī)柴油機(jī)) )自燃著火有兩個(gè)條件自燃著火有兩個(gè)條件: :(1)(1)可燃混合物應(yīng)有一定的能量儲(chǔ)存過程?？扇蓟旌衔飸?yīng)有一定的能量儲(chǔ)存過程。(2)(2)在可燃混合物的溫度不斷提高，以及活化分在可燃混合物的溫度不斷提高，以及活化分子的數(shù)量不斷積累后，其反應(yīng)從不顯著的反應(yīng)子的數(shù)量不斷積累后，其反應(yīng)從不顯著的反應(yīng)速度自動(dòng)地轉(zhuǎn)變到劇烈的反應(yīng)速度速度自動(dòng)地轉(zhuǎn)變到劇烈的反應(yīng)速度燃燒。燃燒。 著火:從無化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)的過渡過程。著火方式 鏈鎖（化學(xué)）自燃：不需要外界加熱，在常溫條件下依靠自身的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的著火過

8、程。 熱自燃：將燃料和氧化劑混合物迅速而均勻地加熱，當(dāng)混合物被加熱到某一溫度出現(xiàn)火焰點(diǎn)燃（強(qiáng)迫著火）：用電火花、電弧、熱板等高溫源使混合氣局部受到強(qiáng)烈地加熱而先著火，然后火焰?zhèn)鞑サ秸麄€(gè)空間。 著火方式的區(qū)別與聯(lián)系 鏈鎖自燃與熱自燃均為整個(gè)空間的著火過程，鏈鎖自燃基于鏈鎖反應(yīng)機(jī)理，熱自燃基于熱活化機(jī)理，但前者也有熱的作用，后者也有活性中間產(chǎn)物的作用。 熱自燃與點(diǎn)燃的區(qū)別在于整體加熱與局部加熱，著火機(jī)理均基于熱活化。 熱自燃與點(diǎn)燃的區(qū)別：熱自燃與點(diǎn)燃的區(qū)別： 熱自燃與點(diǎn)燃的本質(zhì)沒有差別，但在著火方式上熱自燃與點(diǎn)燃的本質(zhì)沒有差別，但在著火方式上有較大的區(qū)別：有較大的區(qū)別：熱自燃：整個(gè)混合氣的溫度較高

9、，反應(yīng)和著火熱自燃：整個(gè)混合氣的溫度較高，反應(yīng)和著火是在容器的整個(gè)空間進(jìn)行的。是在容器的整個(gè)空間進(jìn)行的。點(diǎn)燃：混合氣的溫度較低，混合氣的部分氣體點(diǎn)燃：混合氣的溫度較低，混合氣的部分氣體受到高溫點(diǎn)火源的加熱而反應(yīng)，而在混合氣的大受到高溫點(diǎn)火源的加熱而反應(yīng)，而在混合氣的大部分空間中其化學(xué)反應(yīng)為零，其著火是在局部地部分空間中其化學(xué)反應(yīng)為零，其著火是在局部地區(qū)首先發(fā)生，然后向空間傳播。區(qū)首先發(fā)生，然后向空間傳播。 常見的點(diǎn)燃方式：常見的點(diǎn)燃方式：熾熱固壁點(diǎn)火、火焰點(diǎn)火、電熾熱固壁點(diǎn)火、火焰點(diǎn)火、電火花點(diǎn)等火花點(diǎn)等二、電火花點(diǎn)火電火花點(diǎn)火的兩個(gè)階段 電火花加熱預(yù)混氣使混合氣局部著火，形成初始的火焰中心 初始的火焰中心向未著火的混合氣傳播 點(diǎn)火成功：1）初始的火焰中心形成； 2）出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑? 初始火焰中心的形成取決于： 電極間隙距離、間隙內(nèi)的混氣比、壓力、初溫、流動(dòng)狀況、混氣性質(zhì)及火花能量。 穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑トQ于：傳播區(qū)混氣壓力、溫度、初溫、混合比及流動(dòng)狀況等(一)著火的熱理論 設(shè)有一體積為V(m3)的容器，其中充滿有燃料與空氣的可燃混合氣，其濃度為C(kg/m3)，容器的壁溫為T0(K)，容器內(nèi)的可燃?xì)怏w混合物正