第三章-燃料與燃燒0809重點PPT課件.ppt

1、第三章 燃料與燃燒3-1 內燃機的燃料及其熱化學3-2 燃料的使用特性3-3 燃燒熱化學3-4 燃燒的基本知識3-1 內燃機的燃料及其熱化學 一、內燃機的燃料 汽油傳統(tǒng)燃料石油產(chǎn)品 柴油 液化石油氣（LPG） 天然氣（CNG）石油的主要成分：碳氫化合物，占96%99%， 少量O、N、S等，占1%4%。 石油產(chǎn)品是以多種碳氫化合物的混合物形式出現(xiàn)。分子式為CnHm通常稱為烴。石油燃料（汽油、柴油）煉制方法（補）直接蒸餾法：將原油在專用的煉油塔(分餾塔)中進行加熱蒸餾，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。裂解法：將蒸餾后的重油等一些高分子成分通過不同的技術手段裂

2、解為分子量較輕的成分。 熱裂解法:通過加溫加壓進行裂解 催化裂解法:使用催化劑(觸媒)進行裂解僅由碳、氫兩種元素組成的化合物統(tǒng)稱碳氫化合物，簡稱烴。 飽和烴 烷烴 開鏈烴 不飽和烴 烯烴、炔烴烴 環(huán)狀烴 脂環(huán)烴 芳香烴1.根據(jù)烴分子中碳原子數(shù)的不同可構成不同分子量，不同沸點的物質C原子數(shù)沸點品種分子量理論物質的變化趨勢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以上質輕易揮發(fā)化學穩(wěn)定性變好易點燃粘度增大易自燃2.除碳原子數(shù)外分子的化學結構對燃料的

3、性能影響很大，按結構組成石油的烴主要有五類。 A、 烷屬烴CnH2n+2 直鏈 （正庚烷C7H16） H H H H H H H H C C C C C C C H H H H H H H H 支鏈（異辛烷C8H18） H H H H HCH H H CC C C CH H HCH H HCH H H 呈飽和的開鏈結構，結構不緊湊常溫穩(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CnH2n (例如:乙烯) H H HC CHC、炔烴CnH2n-2(乙炔) HCCH 非飽和開鏈結構，有一個二價鍵，它比烷烴難于自燃，抗爆性好

4、，但常溫下穩(wěn)定性差，易于氧化生成膠質。 非飽和開鏈結構，有一個三價鏈。炔烴不存在于原油中，系熱裂化的中間產(chǎn)物。由于氫不飽和，所以很不穩(wěn)定。常溫下易分解，儲存中因氧化而結膠。含快烴多的產(chǎn)品不宜作為發(fā)動機燃料 . D、環(huán)烷烴CnH2n 飽和的環(huán)狀分子結構，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燃料，不適宜作柴油機燃料，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，分子結構堅固，熱穩(wěn)定性比環(huán)烷烴高，在高溫下分子不易破裂，化學安定性較前者為高，是良好的防爆劑。3-2 燃料的使用特性

5、一、汽油的使用性能影響汽油機性能的關鍵性指標主要是辛烷值和餾程等。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。為了評價燃料的揮發(fā)性，以10、50和90的餾出溫度作為幾個有代表意義的點。（1）餾出10的溫度T10(75) 標志著它的起動性。 T10低燃料容易冷車起動。 但T10過低，在管路中輸送時受發(fā)動機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)動機斷火，影響它的正常運轉。（2）餾出50的溫度 T50(145)標志著汽油的平均蒸發(fā)性。 縮短發(fā)動機的暖車時間；溫度 T50低 提高加速性； 工作穩(wěn)定性。（從較低負荷向較高負荷過渡 時，能夠及時供應所需的混合氣。）（3）餾

6、出90的溫度T90(1時完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量1、1kg燃料燃燒前混合氣的數(shù)量 M1汽油機： （kmol/kg燃料）式中；MrT為燃料的分子質量 柴油機：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：包括水蒸汽凝結后放出的汽化潛熱；低熱值：不包括水蒸汽凝結后放出的汽化潛熱。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。3-4 燃燒的基本知識燃燒的定義：燃料中的可燃物與空氣產(chǎn)生劇烈的氧化反應，產(chǎn)生大量的熱量，并伴有強烈的發(fā)光現(xiàn)象。普通燃燒：正常燃燒，靠燃燒層的熱氣體傳質

7、、傳熱給鄰近的冷可燃氣體混合物層而進行的燃燒傳播?；鹧娴膫鞑ニ俣容^小，幾m/s，屬于等壓過程。爆炸燃燒：靠壓力波將冷可燃物加熱至著火溫度以上而燃燒?；鹧娴膫鞑ニ俣却?，10004000m/s，高溫高壓下進行。燃燒的條件：除了要有燃料、空氣外，尚需達到燃燒所需的最低溫度著火溫度。 其中，E是活化能，T是混合氣體溫度，T0是器壁溫度。從圖中可以看出：A是穩(wěn)定點，B是不穩(wěn)定點，C是著火溫度。著火溫度不是定值，Q放增大或Q散減少均能夠使Tc 變少。 QQs3Qs2Qs1Q放TATcCBT0 T01 T02一、著火溫度概念：由緩慢氧化反應轉變?yōu)閯×已趸磻ㄈ紵┑乃查g叫“著火”，轉變時的最低溫度叫作著火

8、溫度。例子：二、著火濃度范圍 指燃料和空氣的比例必須在一定的范圍內才燃燒三、固定碳的燃燒 C的燃燒是氧化反應過程與擴散過程的結合。 要使C迅速燃燒，O2必須擴散至C表面，在高溫下與C氧化生成碳氧化物，然后這些碳氧化物必須迅速從C表面擴散出去，以使新的O2再擴散至C表面。碳氧氣碳氧化物三、可燃氣體的燃燒連鎖反應,以燃燒反應為例：H2H2OH+O2H+O2.OH+H2HO+H2HOH+H2H2OH按化學動力學的觀點分：熱自燃和鏈鎖自燃機理（一）熱自燃（或熱爆）定義：若化學反應所釋放的熱量大于散失的熱量，混合氣的溫度升高，進而促進混合氣的反應速率和放熱速率增大，這種相互促進，最終導致極快的反應速率而

9、著火。活化能：氣體分子要進行化學反應需要相互碰撞，碰撞分子所具備一定大小的能量?；罨肿樱耗芰砍^活化能的分子。一、著火機理 能保證著火的缸內最低溫度、壓力稱為著火臨界溫度和著火臨界壓力。著火臨界線在一定P0下，只要外界溫度低于T0，混合氣不會發(fā)生熱爆；在一定T0下，只要壓力低于P0，也不會發(fā)生熱爆。圖3-2 著火臨界線著火臨界溫度和著火臨界壓力 發(fā)動機能否著火，取決于著火階段有無熱量積累，氧化反應能否自動加速。 （二）鏈鎖反應(鏈爆炸 ) 反應自動加速不一定要依靠熱量的積累使大量分子活化，通過鏈鎖反應逐漸積累活化中心的方法也能使反應自動加速，直至著火。鏈鎖反應：其中一個活化作用能引起很多基本

10、反 應，即反應鏈。鏈鎖反應的過程：鏈引發(fā)鏈傳播鏈中斷二、發(fā)動機混合氣的著火 內燃機中碳氫化合物的自燃，均屬于鏈熱自燃，但由于發(fā)火的條件不同，有高溫單階段著火和低溫多階段著火。汽油機柴油機（一） 汽油機高溫單級著火1 壓縮的是燃料與空氣的混合氣體, 在此過程中, 已經(jīng)進行了一些化學反應。2 火花點火, 局部溫度高達2000以上, 該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基, 迅速反應出現(xiàn)熱火焰, 瞬間擴大到整個燃燒室內。所以, 汽油機著火過程： 壓縮混合氣 點火（經(jīng)短暫著火延遲期） 熱火焰 高溫單級點燃（二）柴油機低溫多級著火1：t1階段混合階段 在壓縮過程終了時，燃料噴入汽缸內形成可燃混合氣

11、。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。混合階段，為著火做準備。 2、t2階段:一階段反應燃燒的實質是燃料的氧化反應，當反應速度很快時，火焰就會出現(xiàn)。經(jīng)過時間t2 后，反應加劇，出現(xiàn)冷火焰，缸內壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應生成醛類、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。4 ：t1+t2+t3時間后:三階段反應著火延遲期 活性中心劇增，化學反應加速，熱積累劇烈，發(fā)生爆炸，出現(xiàn)熱火焰?；旌蠚飧?， 1。 3：t1+t2階段:二階段反應 溫度、壓力升高較大，產(chǎn)生許多化學反應的活性中心，出現(xiàn)藍火焰?；旌蠚庀〉枚?，略小于1。三、發(fā)

12、動機的燃燒方式（一） 同時爆炸燃燒 取某一部分為系統(tǒng), 著火前后整個系統(tǒng)各個部分的相完全均勻一致。為單相系, 均勻系。 柴油機上, 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)內實現(xiàn)的就是同時爆炸燃燒。 汽油機上, 由于火焰有傳播速度（雖然很快, 但相對同時爆炸燃燒卻很?。? 傳播逐次進行, 故顯然不是同時爆炸燃燒。但火花塞間隙處的少量混合氣在電火花作用下, 可實現(xiàn)同時爆炸燃燒，從而形成火焰中心。HCCI均勻充氣壓燃發(fā)動機HCCI的基本原理是將燃料和空氣預先混合成稀薄氣體充入發(fā)動機的汽缸，隨后將其壓縮到較高的壓力和溫度直到發(fā)生類似汽

13、油機的敲缸反應，爆發(fā)溫度峰值不超過1850K，燃燒過程能夠在不形成顆粒和NOx排放的情況下完成；可使用多種燃料，是未來柴油機和汽油機的趨同，過程發(fā)生的溫度和壓力取決于所用燃料的燃燒特性，使用高辛烷值燃料如天然氣，發(fā)動機效率接近柴油機，使用低辛烷值燃料如柴油，燃料經(jīng)濟性將與標準的汽油機相當，但不發(fā)生通常的污染；HCCI的爆發(fā)過程非常難以駕馭，控制系統(tǒng)非常復雜，不僅要控制進氣溫度、壓力，還要控制空燃比和燃料辛烷值等各種變量；需要采用大規(guī)模高效率的電子信息技術逐個汽缸的實時控制，是對控制系統(tǒng)的一個嚴峻挑戰(zhàn)；能否開發(fā)出可行的系統(tǒng)，生產(chǎn)發(fā)動機仍需待以時日。（二） 逐漸爆炸燃燒（預混合燃燒）汽油機火焰?zhèn)鞑?。兩相系混合氣?（未燃區(qū)），燃燒產(chǎn)物相 （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進行?；鹧媲颁h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） 擴散燃燒柴油機的燃燒方式, 三相燃料相, 空氣相, 燃燒產(chǎn)物相。 柴油燃點