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(nèi)燃機的燃料及其熱化學(xué)3-2 燃料的使用特性3-3 燃燒熱化學(xué)3-4 燃燒的基本知識3-1 內(nèi)燃機的燃料及其熱化學(xué) 一、內(nèi)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(shù)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(gòu)成不同分子量，不同沸點的物質(zhì)C原子數(shù)沸點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)輕易揮發(fā)化學(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)對燃料的

3、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(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CnH2n (例如:乙烯) H H HC CHC、炔烴CnH2n-2(乙炔) HCCH 非飽和開鏈結(jié)構(gòu)，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(zhì)。 非飽和開鏈結(jié)構(gòu)，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(jié)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(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(jié)構(gòu)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(xué)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(guān)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(zhuǎn)。（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(yīng)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(zhì)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(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。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(yīng)，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(zhì)

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。火焰的傳播速度大，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(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯×已趸磻?yīng)（燃燒）的瞬間叫“著火”，轉(zhuǎn)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(nèi)才燃燒三、固定碳的燃燒 C的燃燒是氧化反應(yīng)過程與擴散過程的結(jié)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(yīng),以燃燒反應(yīng)為例：H2H2OH+O2H+O2.OH+H2HO+H2HOH+H2H2OH按化學(xué)動力學(xué)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(xué)反應(yīng)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(yīng)速率和放熱速率增大，這種相互促進，最終導(dǎo)致極快的反應(yīng)速率而

9、著火。活化能：氣體分子要進行化學(xué)反應(yīng)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(nèi)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(yīng)能否自動加速。 （二）鏈鎖反應(yīng)(鏈爆炸 ) 反應(yīng)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(yīng)逐漸積累活化中心的方法也能使反應(yīng)自動加速，直至著火。鏈鎖反應(yīng)：其中一個活化作用能引起很多基本

10、反 應(yīng)，即反應(yīng)鏈。鏈鎖反應(yīng)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(nèi)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(xué)反應(yīng)。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(yīng)出現(xiàn)熱火焰, 瞬間擴大到整個燃燒室內(nèi)。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(nèi)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?；旌想A段，為著火做準備。 2、t2階段:一階段反應(yīng)燃燒的實質(zhì)是燃料的氧化反應(yīng)，當反應(yīng)速度很快時，火焰就會出現(xiàn)。經(jīng)過時間t2 后，反應(yīng)加劇，出現(xiàn)冷火焰，缸內(nèi)壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應(yīng)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(yīng)著火延遲期 活性中心劇增，化學(xué)反應(yīng)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(yīng) 溫度、壓力升高較大，產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)的活性中心，出現(xiàn)藍火焰。混合氣稀得多，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(nèi)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小）, 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(yù)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(yīng)，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(fù)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(shù)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(yù)混合燃燒）汽油機火焰?zhèn)鞑ァ上嘞祷旌蠚庀?（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(nèi)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