第三章 燃料与燃烧.ppt

汽车发动机原理,同学们好,汽车发动机原理,第三章,燃料与燃烧,第三章燃料与燃烧概述,3.1概述,发动机的动力来自燃料的化学能。燃料的品质及特性，决定发动机性能。选择某种燃料作为发动机燃料，受到两个方面的影响。发动机型式热气机、燃气轮机还是内燃机等；燃料的燃烧特性燃烧温度、燃烧速度（反应速度、混合气形成速度）和燃烧程度（反应进度）等。,第三章燃料与燃烧概述,3.1概述,发动机的燃料有许多种，燃料的不同决定了发动机的结构和性能方面的差异。汽车发动机的主要型式还是往复活塞式内燃机。发动机燃料主要是有机化合物。开发新型燃料是当前发动机领域的研究热点之一。这方面的研究涉及到新型发动机开发，甚至是完全不同的动力装置，如燃料电池。,第三章燃料与燃烧概述,3.1概述,燃料成分对其品质和燃烧特性有决定性影响表3–1燃料成分理化性质的变化表3–2燃料部分成分的燃烧特性,烷烃热稳定性差、化学稳定性好，易着火，是燃料主要成分。有支链烷烃抗爆性好。烯烃和炔烃热稳定性和化学稳定性差，不易着火，易氧化形成胶质，但抗爆性好。要控制它们在燃料中的比重。,第三章燃料与燃烧概述,3.1概述,燃料成分对其品质和燃烧特性有决定性影响表3–1燃料成分理化性质的变化表3–2燃料部分成分的燃烧特性,环烷烃热稳定性和化学稳定性好，不易着火，抗爆性好。芳香烃热稳定性和化学稳定性最好，不易着火，容易形成积碳，但抗爆性极好。,第三章燃料与燃烧概述,3.1概述,燃料成分对其品质和燃烧特性有决定性影响表3–1燃料成分理化性质的变化表3–2燃料部分成分的燃烧特性,故此，近几年由于环境保护的需要，对燃料成分提出更高的要求，并出现配方燃料即环保燃料概念。所谓环保燃料是指对燃料各种成分按照给定的比例控制。达到国家汽车排放第三阶段控制标准必须控制燃料质量。,第三章燃料与燃烧概述,3.1概述,燃料燃烧是剧烈的氧化反应过程。在发动机中，对燃烧有时间和速度要求；为了充分利用燃料，还要求尽可能燃烧完全。由于发动机空间和质量限制，对燃料还有能量密度即热值、便于携带、安全等要求。因此，要改进发动机的性能，不仅要研究燃料，还要研究燃烧过程和燃烧条件，找出完全燃烧的途径。,第三章燃料与燃烧汽车发动机燃料,3.2汽车发动机燃料,3.2.1传统发动机燃料,传统发动机燃料是汽油和柴油。,汽油在常温常压下是液态；分馏温度为50～200℃；有机物的混合物，含碳原子数为C5～C11，包括部分芳香烃和环烷烃以及烯、炔烃。汽油易于挥发，粘度小，比重低，易点燃但不易自燃。,第三章燃料与燃烧汽车发动机燃料,3.2汽车发动机燃料,3.2.1传统发动机燃料,传统发动机燃料是汽油和柴油。,柴油常温常压下是液态，分为轻柴油和重柴油；轻柴油分馏温度为250～360℃；有机物混合物，含碳原子数为C14～C23，包括部分芳香烃和环烷烃以及烯、炔烃。不易挥发，粘度较高，比重较大，自燃倾向比汽油大，但不易点燃。,第三章燃料与燃烧汽车发动机燃料,3.2汽车发动机燃料,3.2.2新型发动机燃料,已经成熟并得到实际应用的发动机燃料有石油气、天然气和醇类燃料。,石油气常温常压下是气态；在低于50℃温度下，压缩后成为液态；LPG易于携带；碳原子数为C2～C5，主要是丙烷、丁烷；极易挥发，粘度极小，不易自燃和点燃。,第三章燃料与燃烧汽车发动机燃料,3.2汽车发动机燃料,3.2.2新型发动机燃料,已经成熟并得到实际应用的发动机燃料有石油气、天然气和醇类燃料。,天然气（包括煤层气和沼气）常温常压下是气态；常温下压缩不能液化，必须在低温下液化；不便携带，要进行压缩（CNG）；碳原子数为C1～C4，主要是甲烷、乙烷；不易自燃和点燃。,第三章燃料与燃烧汽车发动机燃料,3.2汽车发动机燃料,3.2.2新型发动机燃料,已经成熟并得到实际应用的发动机燃料有石油气、天然气和醇类燃料。,醇类燃料醇和乙醇的来源广泛、生产成本低；常温常压下是液态；蒸发潜热大，沸点低，便于携带；含氧元素，需要空气少；不易自燃和点燃，容易造成发动机腐蚀。,第三章燃料与燃烧汽车发动机燃料,3.2汽车发动机燃料,3.2.2新型发动机燃料,正开发的燃料主要有二甲醚（DME）、氢气、植物汽油、植物柴油和水煤浆。,二甲醚（DME）甲醇具有一定的对人体的危害性，因此研究用甲醇来生产二甲醚。二甲醚具有低污染，高热值，含氧元素、需要空气少，常温常压下为液态、便于携带等特点，极具潜力发展为一种新型燃料。,第三章燃料与燃烧汽车发动机燃料,3.2汽车发动机燃料,3.2.2新型发动机燃料,正开发的燃料主要有二甲醚（DME）、氢气、植物汽油、植物柴油和水煤浆。,氢气氢气燃烧基本没有污染，燃烧速度快，对提高发动机性能有利。氢气可从水中提取，燃烧后成为水分子，可以循环使用。但氢气很难储存、运输和携带，而且制备代价较高，目前仍在深入研究。氢气是很有前途的新型燃料。,第三章燃料与燃烧汽车发动机燃料,3.2汽车发动机燃料,3.2.2新型发动机燃料,正开发的燃料主要有二甲醚（DME）、氢气、植物汽油、植物柴油和水煤浆。,植物汽油和植物柴油利用植物油、废弃的烹调油生产汽油和柴油是近几年发展出来的技术。发动机使用植物汽油和植物柴油时，技术继承性好，而且植物汽油和植物柴油的成分简单，有利于控制有害排放物质。此外，油料作物是可再生的，故此植物汽油和植物柴油得到广泛的注意。,第三章燃料与燃烧汽车发动机燃料,3.2汽车发动机燃料,3.2.2新型发动机燃料,正开发的燃料主要有二甲醚（DME）、氢气、植物汽油、植物柴油和水煤浆。,水煤浆在石油能源短缺压力下，把注意力再次投放到煤炭上是极其自然的。由于工业中煤的洁净燃烧技术发展，开始研究发动机使用水煤浆燃烧技术。目前主要存在燃烧不完全、固体颗粒造成发动机磨损和燃料供应等问题，目前仍在深入研究。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.1燃料使用特性指标,评价燃油品质的指标很多。与发动机使用有关的评价燃油品质的指标称为燃料使用特性指标。其中，和发动机性能有关的燃油理化指标主要有,（1）反映燃烧性能的有关指标，如柴油的十六烷值、汽油的辛烷值,燃点，馏程等。（2）反映燃油输送性能、流动性能的有关指标，如粘度、凝点等。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.1燃料使用特性指标,（3）和发动机排放性能的有关指标。如杂质、灰分、含硫量、残炭等。很多指标反映了多方面使用特性指标。例如燃点，它既反映安全性方面的要求，也是组织发动机燃烧过程中要考虑的燃油燃烧特点指标。我国国家标准对所国产有燃油的品质作出规定。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,（1）辛烷值评价汽油抗爆性的指标。辛烷值测定在专门的试验发动机上按规定的条件进行试验评定。规定，容易爆震的正庚烷辛烷值为0，抗爆能力强的异辛烷辛烷值为100。按一定比例将正庚烷与异辛烷配制为混合燃料，比较混合燃料和被测汽油在试验机上燃烧并出现爆震的情况。混合燃料抗爆性和被测汽油相同时，混合燃料异辛烷的体积百分比就是所测汽油的辛烷值。,1.汽油,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,汽油牌号按辛烷值确定。辛烷值测定有两种方法马达法和研究法，其条件各不相同。,1.汽油,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,1.汽油,（2）馏程评价汽油蒸发性的指标。汽油的馏程中有三个温度具有特定意义，10馏出温度、50馏出温度和90馏出温度。汽油的10馏出温度越低，汽油蒸发性越强，容易汽化并形成可燃混合气，起动性好。50馏出温度低，汽油总体汽化容易，在较低的温度下汽化，形成可燃混合气，燃料燃烧快，动力性好，工作稳定，加速时间短，冷起动后升温快。90馏出温度高，燃油积炭倾向严重，容易稀释机油，使机油变质。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,1.汽油,馏程指燃油蒸馏的温度范围。馏程用蒸馏仪测定。将100mL待测燃油加入烧瓶并加热使之蒸发，燃蒸汽被导管引出，经冷凝器冷却凝结为液体，滴入量杯。试验过程中，测量并记录量杯内燃油数量和对应的温度，并表达为蒸馏曲线。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,1.汽油,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,2.柴油,柴油分轻柴油和重柴油两种，汽车和拖拉机主要用轻柴油。（1）凝点评价柴油的输送性和流动性的指标。轻柴油牌号按其凝点确定，柴油凝点是指其失去流动性时的摄氏温度。选用柴油时，按其凝点应比最低环境温度约高出5℃确定牌号。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,2.柴油,（2）十六烷值评价柴油自燃性的指标。十六烷值越大，柴油越容易自燃。轻柴油的十六烷值在40～50之间。规定，容易自燃着火的纯十六烷的十六烷值为100，不容易自燃的α-甲基萘的十六烷值为0。按一定比例将十六烷和α-甲基萘配制成混合燃料，在试验机上比较被测柴油与混合燃料燃烧情况。混合燃料的自燃性和被测柴油相同时，混合燃料中十六烷的体积百分数即所测柴油的十六烷值。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,2.柴油,（3）馏程评价柴油蒸发性的指标。柴油馏程中有三个温度具有特定意义。50馏出温度、90馏出温度和95馏出温度。50馏出温度低，柴油蒸发性好，轻馏分多，有利于混合气形成和着火，冷起动性能好。90和95馏出温度高，柴油中重馏分多，燃烧容易不完全易形成积炭，排气容易冒烟。从发动机工作要求来说，柴油中轻馏分要适当，重馏分要尽量少一些。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,2.柴油,（4）粘度表示流体内部摩擦力。粘度对柴油来说，具有双重意义。粘度大，柴油喷射时，雾化质量差，燃烧不完全，燃油消耗率高，排气冒烟。粘度低，喷油泵、喷油嘴的偶件润滑不良，磨损严重，寿命短。柴油必须具有一定的粘度。轻柴油的粘度为2.5～810-6m2/s（20℃时）。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.2传统燃料的使用特性,3.柴油与汽油的性能比较,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.3新型燃料的使用特性,1.醇类燃料的使用特性,（1）醇类燃料的特点热值低，含氧量大；汽化潜热数值大，沸点低；有毒性、腐蚀性；抗爆震性好，润滑性差；如以混合燃料方式使用，与汽、柴油的相溶性差。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.3新型燃料的使用特性,1.醇类燃料的使用特性,（2）醇类燃料的使用方式混合燃料方式双燃料方式纯燃料方式氧添加剂燃料电池燃料,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.3新型燃料的使用特性,1.醇类燃料的使用特性,（3）醇类燃料的使用特性与使用方式有关；目前没有统一认识；对其固有的理化特性及品质应该有要求。如热值、沸点、密度、腐蚀性和含水量等乙醇汽油有关于品质的国家标准。,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.3新型燃料的使用特性,2.气体燃料的使用特性,（1）气体燃料的特点热值低；常温下为气态，携带不方便；形成混合气容易；抗爆震性好，润滑性差；废气排放好,第三章燃料与燃烧燃料的使用特性,3.3燃料的使用特性,3.3.3新型燃料的使用特性,2.气体燃料的使用特性,（2）气体燃料的使用方式纯燃料方式；双燃料方式；混合燃料方式；燃料电池。（3）气体燃料的使用特性与使用方式有关；有国家标准，但使用性能指标不全面。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,燃油在气缸中燃烧情况极为复杂，本质上是激烈的氧化反应。这里只从质量守恒角度，研究燃油和空气中的氧进行化学反应的质量关系，不涉及化学反应的过程和机理。发动机气缸内燃烧过程的复杂，其原因在于除了燃料的氧化反应之外，实际还伴随许多其他反应；同时进行的过程不仅有成分变化过程，还有传热过程、做功过程；燃烧的条件随活塞运动而变化。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,燃油成分的表示发动机所用的汽油或柴油主要由碳、氢、氧组成，其它成分如氮、硫等含量不多，在热计算时不考虑，如以gC、gH、gO分别表示1kg燃油中所含碳、氢、氧的kg数，即用质量百分数表示，则,3.4.1燃烧使用空气量,1、理论空气量,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,空气成分的表示发动机中燃油燃烧所需要的氧气来自空气，以质量百分数表示,3.4.1燃烧使用空气量,1、理论空气量,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,1、理论空气量,以体积百分数表示,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,1、理论空气量,1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量L0,根据化学反应方程碳燃烧,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,1、理论空气量,1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量L0,氢燃烧,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,1、理论空气量,所以，gCkg碳与gHkg氢完全燃烧所用氧气为,1kg燃料完全燃烧理论空气量,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,1、理论空气量,以kmol为单位计算理论空气量，则,1kg碳完全燃烧需要,kmol氧气,1kg氢完全燃烧需要,kmol氧气,所以，gCkg碳与gHkg完全燃烧所用氧气为,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,1、理论空气量,1kg燃料完全燃烧理论空气量,gOkg氧折合为kmol单位,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,1、理论空气量,以m3为单位计算理论空气量，则在标准状态下，1kmol空气具有体积为22.4m3（标）。故,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,2、过量空气系数,理论空气量是指理论上使燃油完全燃烧所需要的空气量。发动机实际循环中，1kg燃油实际供给的空气数量并不总是等于理论空气量Lo。用过量空气系数a表示实际供给空气的数量L与理论空气量Lo之比,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,2、过量空气系数,为使燃油完全燃烧，实际供给空气的数量应该不小于理论空气量，即a1。过量空气系数是反映发动机工作过程的一个重要参数，当实际空气量等于理论空气量即LLo，则a1；a1时，表示稀混合气。过量空气系数a与发动机类型、混合气形成方法、燃料的种类、工况（负荷与转速）、功率调节的方式等因素有关。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,2、过量空气系数,汽油机负荷调节方式是量调节a0.81.2所谓量调节方式是指保持混合气浓度不变，通过调节进入气缸的混合气数量来适应负荷变化。严格地说，这种情况下，混合气浓度实际仍然是有变化的。电子控制汽油喷射发动机和化油器式汽油机在大负荷时，总是使用浓混合气；在中小负荷时，电子控制汽油喷射发动机控制a≈1或稍微低一些，化油器式汽油机则使用稀混合气a≥1。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,2、过量空气系数,柴油机负荷调节方式是质调节a1.22.2质调节负荷方式是指通过改变混合气浓度来调节负荷。柴油机的负荷调节是在基本保持气缸进气量不变情况下，改变气缸喷油量调节负荷，a的变化范围很大。柴油机混合气形成时间短，浓度不均匀，所以，a总是大于1的，即a＞1。当然，随着负荷变化，柴油机吸入气缸的空气量也有微小变动。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,2、过量空气系数,对柴油机来说，a越小，意味着燃烧完善程度越高，在同样气缸进气量条件下，就可以向气缸多喷油，缸内空气的利用程度高，发出的功率大，发动机的升功率大；a越大，意味着燃料燃烧比较完全，在同样喷油量情况下，供应的空气充足。无论对汽油机还是柴油机，a都是反映混合气形成和燃烧完善程度的一个重要指标。从追求燃烧过程完善的角度，应该力求使a接近于1。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,3、常规燃料的理论空气量,汽油的平均质量成分为gC0.855；gH0.145；gO0.000柴油的平均质量成分为gC0.870；gH0.126；gO0.004分别将汽油和柴油的平均成分代入理论空气量的计算公式中，可得汽油和柴油的理论空气量分别为14.9（kg空气/kg汽油）和14.5（kg空气/kg柴油）。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,4、空燃比,除了过量空气系数a外，还常用燃烧时空气质量与燃料质量的比例即空燃比（A/F）表示混合气浓度,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.1燃烧使用空气量,4、空燃比,应用空燃比比较直观方便，其数值即为对实际供给空气量的千克数。对1kg燃料，有,当a1，即按理论空气量燃烧时，该空燃比称为理论空燃比。汽油和柴油的理论空燃比分别为14.9和14.5。混合气的空燃比大于理论空燃比时为稀混合气，小于理论空燃比时为浓混合气。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.2完全燃烧时的燃烧产物,1、进入气缸的气体数量,对汽油，在混合非常充分时，燃料全部蒸发，混合气由空气和燃料蒸汽组成。若燃料平均分子量为MrT，混合气过量空气系数为a，则1kg燃料完全蒸发形成混合气的摩尔数为M1,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.2完全燃烧时的燃烧产物,1、进入气缸的气体数量,对柴油，燃烧体系中既有混合气，又有燃料液滴，只有部分燃料形成蒸汽，混合气的摩尔数计算比较复杂。根据液体体积小，燃油量比空气少的特点，忽略燃料蒸汽及液态燃料的体积，则过量空气系数为a时混合气的摩尔数M1为,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.2完全燃烧时的燃烧产物,2、完全燃烧后的气体数量,当燃料完全燃烧，则燃烧产物的主要成分是不参与燃烧氮气N2、二氧化碳CO2、水蒸气H2O和剩余氧气O2。若忽略次要的其它成分，则根据化学反应式，可求得燃烧产物的摩尔数为M2,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.2完全燃烧时的燃烧产物,2、完全燃烧后的气体数量,燃烧前后的燃烧体系有摩尔数增量DM,摩尔数增量DM＞0时，气缸可以因气体数量增加而额外多做功。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.3燃料的热值与混合气热值,1、燃料热值,在标准状态（压力为1.013105kPa，温度为25℃）下，1kg燃料完全燃烧所放出的热量，称为燃料的热值，通常由实验测定。由于燃烧产物中有水蒸汽，在水蒸汽没有凝结时，水的汽化潜热也不会释放，所以燃料热值有两个若水蒸汽没有凝结，燃烧热量不包含水的汽化潜热，则此燃料热值称为燃料低热值QL；水蒸汽凝结后，燃烧热量包含水的汽化潜热，则此燃料热值称为燃料高热值QH。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.3燃料的热值与混合气热值,1、燃料热值,两者的关系为,式中，HV为标准状态下水的汽化潜热。内燃机排气温度较高，水的汽化潜热不可能利用，故分析计算时多用低热值。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.3燃料的热值与混合气热值,2、混合气热值,发动机工作循环吸收的热量与燃料热值、循环燃料消耗量、混合气形成方式、混合气浓度及品质、燃烧方式和燃烧的完善程度等因素有关。在完全燃烧条件下，发动机循环燃料消耗量有一定的范围，受到气缸循环进气量的制约。混合气浓度反映气缸循环进气量和循环燃料消耗量两个因素对发动机工作循环吸收的热量的影响。在气缸进气量一定时，循环燃料消耗量的变化即是混合气浓度的变化。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.3燃料的热值与混合气热值,2、混合气热值,气缸进气量一定（即气缸工作容积和充气效率都确定），则发动机工作循环吸收的热量完全取决于燃料热值和可燃混合气浓度。燃料热值和可燃混合气浓度的综合影响以可燃混合气热值来体现。混合气热值是指单位体积或单位摩尔数的混合气在完全燃烧放出的热量，其计量单位为kJ/m3（标）或kJ/kmol。,第三章燃料与燃烧燃烧热化学,3.4燃烧热化学,3.4.3燃料的热值与混合气热值,2、混合气热值,1kg燃料形成的可燃混合气完全燃烧可放出的热量为QL，可燃混合气的摩尔数为M1，故混合气热值Qmix为,混合气热值与混合气浓度即过量空气系数a有关，a1的混合气热值称为理论混合气热值。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.1概述,根据化学知识，燃料的燃烧是一种气相中进行的化学反应。支配燃烧过程的规律有质量守恒定律，各种参与反应物质的元素量在燃烧前后是守恒的；质量作用定律，即反应速度与反应物的浓度或数量有密切联系；燃料着火燃烧的机理符合有退化分支的链反应等规律。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.1概述,燃料在燃烧的初期，存在一个物理和化学的准备阶段，燃料从固相或液相变为气相，并与空气或氧气相混合。由于外部能量的引入如点火或者吸热，使得反应体系本身积累起足够多的活性粒子，从而出现明显的燃烧现象，发出光和热。随后，因燃烧放出热量，反应体系的活性粒子数量急剧增加，燃烧反应得到加速。接下来，随着反应物减少，生成物增加，燃烧反应减速。在时间足够长，反应体系外部条件稳定不变等情况下，反应体系的状态进入化学反应平衡和热力平衡。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.1概述,全部燃烧过程，包括混合气形成、着火准备、明显燃烧和化学反应平衡等四个阶段。在发动机中，由于转速较高，并有排气过程，因此发动机中的燃烧时不可能达到化学反应平衡。另外，在习惯上，把混合气形成阶段看作为独立过程，称作混合气形成过程，并将着火准备阶段称为着火延迟阶段。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.2混合气形成过程,燃烧反应是气相反应，而化学反应是在分子层面上通过分子的碰撞进行的，因此，燃料的燃烧需要经过将燃料成分转变为气态的阶段。对液态燃料，由液态可以经过蒸发汽化转变为气态。在有限的时间内使一定数量的燃料完全蒸发，需要一定的条件，即燃料有足够的表面积、有足够高的温度和相当高的扩散混合速度。为了能够燃烧，所形成的混合气浓度必须在一定的浓度范围。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.2混合气形成过程,在发动机中，由于混合气形成时间极其短暂，因此，采取喷射雾化和化油器雾化等手段增加燃料的表面积。雾化是指燃料粉碎为细小的颗粒即油滴，极大地增加其表面积的过程。燃料雾化后，其表面积可以增加上千倍，大大地提高了蒸发速度。将燃料喷散为大量细小的油滴时，油滴的平均直径越小，空气的温度越高，蒸发时间越短，混合气形成速度越快。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.2混合气形成过程,为了使燃料具有足够高的温度，一般通过提高燃料粒子的环境温度，对燃料进行加热。燃料受热蒸发的速度取决于其汽化潜热和蒸发温度，并受到扩散速度的制约。在汽车发动机中，为了加快燃料的蒸发速度，需要组织空气的运动，促使已蒸发的燃料向外扩散，形成混合气；同时使混合气变得均匀。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.2混合气形成过程,汽油的沸点及饱和蒸汽压低，汽化潜热小，故蒸发性强，混合气形成快，形成混合气的手段多。汽油机用化油器方式或汽油喷射方式形成混合气，除加热外，一般不采取更多的辅助手段。柴油的沸点及饱和蒸汽压高，汽化潜热大，故蒸发性差，形成混合气速度慢。所以，柴油机采取较大的压缩比以提高压缩终了温度即蒸发温度、缸内高压喷射使燃油颗粒细化以增加蒸发面积、组织进气运动以加强燃料与空气混合等辅助手段，帮助实现混合气形成。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.2混合气形成过程,只有混合气浓度在一定浓度范围时，混合气才能够着火并燃烧，过浓或过稀的混合气不能着火或燃烧。着火燃烧的浓度范围称为着火界限或燃烧界限，浓度在着火界限或燃烧界限内的混合气称为可燃混合气。燃料燃烧之所以必须满足一定的浓度条件，是因为只有这种情况下，燃料分子和氧气分子才能具有足够高的碰撞概率，发生化学反应，释放热量，维持反应继续进行并保持相当的反应速度。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.2混合气形成过程,着火界限与混合气的温度、压力以及其它一些因素有关。,在其它条件不变时，对应于一定的压力或温度，存在确定的混合气着火界限。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.2混合气形成过程,着火界限与混合气的温度、压力以及其它一些因素有关。,提高温度或压力，混合气的着火界限有所拓展，但其作用极为有限。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.2混合气形成过程,着火界限与混合气的温度、压力以及其它一些因素有关。,温度或压力极低时，任何浓度混合气都不能着火。,可燃混合气的浓度范围具有相对性。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.2混合气形成过程,发动机的混合气形成过程由雾化、蒸发和扩散混合三个阶段组成，其中，蒸发阶段是关键环节。这三个阶段对单独的液滴是有顺序的，但在多个液滴时，却是交叉进行的。因此，很难将混合气形成过程分解研究。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.3着火延迟现象,燃料燃烧过程的触发，称为着火方式或点火方式。可以用多种着火方式触发燃烧过程。汽车发动机的着火方式多为电火花或压缩自燃。火花引燃或燃料加热到自燃温度以上时，可燃混合气并不立即燃烧，需要经过一定的延迟时间，才能出现明显的火焰，放出热量。这个延迟现象称为着火延迟，延迟时间称为着火延迟过程或着火延迟阶段，简称为着火过程或着火阶段。点燃着火的着火阶段从点燃开始；自燃着火方式的着火阶段从混合气达到自燃温度开始。着火阶段到出现明显燃烧，放出光和热结束。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.3着火延迟现象,可以用化学反应动力学的链反应理论解释着火延迟现象。燃烧反应是自动加速的、带有分支链的链式反应；燃烧反应开始需要有一定数量、具有高能量的活性粒子；过程进行中，活性粒子的数量急剧增加，反应出现分支而加速；随着反应的进行，能量不断转移，反应物被消耗，活性粒子数目减少，反应减速，直到结束；燃烧反应由一系列的中间反应组成。,,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.3着火延迟现象,以甲烷的燃烧反应为例。,这种化学反应式根据质量守恒定律得到，称为化学计量反应式。它反映化学反应过程中物质变化的等量关系，并不反映化学反应经过的历程。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.3着火延迟现象,以甲烷的燃烧反应为例。,根据化学反应动力学，上述反应需要一个甲烷分子能够同时与三个氧气分子碰撞，过程才能够进行。但是，在化学反应中，三个分子相互同时碰撞的机率几乎为零，而四个分子或更多分子相互同时碰撞可能完全不存在。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.3着火延迟现象,以甲烷的燃烧反应为例。,在甲烷燃烧的开始时刻，只存在一个氧气分子与一个甲烷分子碰撞的反应，并且其中一个分子应具有较高的能量，即具有活性。使反应物分子具有活性的过程称为链引发。导致链引发的因素很多，假设氧气分子因热运动而激发，于是,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.3着火延迟现象,以甲烷的燃烧反应为例。,在激发的氧气分子与甲烷分子反应时，下列结果都有可能,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.3着火延迟现象,以甲烷的燃烧反应为例。,CH3、CH3O、CH4O、OOH、OH和O等都是燃烧反应的中间产物，称为自由基（活性粒子）。反应生成产物取决于分子相互碰撞的部位和碰撞能量。链传递是一个活性粒子通过反应，至少产生一个新的活性粒子，使反应能够继续进行；同时，使反应向前推进一步。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.3着火延迟现象,以甲烷的燃烧反应为例。,若链传递过程中产生两个以上活性粒子。当自由基相互反应时，会减少活性粒子的数量，一部分分支链式反应就结束了，这种分支链式反应过程结束称为链中止。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.4烃类燃料的着火过程,燃料的着火过程和可燃混合气所处的温度、压力条件有关。实验结果如图所示。,图右上方为着火区。着火区分为两个部分，低温着火区和高温着火区，这两个区域的着火规律很不相同。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.4烃类燃料的着火过程,燃料温度较低时，燃烧过程经历冷焰-蓝焰-热焰三个阶段，着火过程称为低温多阶段着火。,因为温度较低时，燃烧体系不易形成大量活性粒子，燃料先自行缓慢氧化，生成过氧化物及乙醛等，这一阶段为冷焰诱导期t1。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.4烃类燃料的着火过程,温度等条件合适，过氧化物及乙醛能够积累，达到某一浓度后，过氧化物开始分解，反应加速，形成冷焰着火，这一阶段为冷焰期t2。冷焰反应放出热量不多，反应速度低，要持续相当长时间，反应产物主要是甲醛。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.4烃类燃料的着火过程,当甲醛达到某一浓度后，通过甲醛支链反应，冷焰反应加速，形成蓝焰燃烧，这个阶段为蓝焰期t3。蓝焰反应时间短，速度快，放出的热量多，主要生成CO，反应体系温度压力升高快，反应进一步加速，进入热焰燃烧，即通常意义的明显燃烧。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.4烃类燃料的着火过程,在较高温度下，烃燃料氧化反应不经过冷焰诱导期和冷焰期。,反应体系受到燃烧触发后，在最初的氧化过程中，形成过氧化物及乙醛并迅速转变为甲醛。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.4烃类燃料的着火过程,甲醛达到一定浓度后，反应加速，进入蓝焰着火-热焰燃烧。先是蓝焰着火并放出热量，反应体系温度、压力快速升高，促使燃料氧化加快，然后进入热焰燃烧。这种情况下，蓝焰与热焰很难区分，因此统称为高温单阶段着火。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.4烃类燃料的着火过程,结论（1）在明显燃烧之前，无论用何种方式触发燃烧，都存在诱导期即着火延迟阶段。（2）即使反应体系处于较低的温度，但只要能够激发足够的活性粒子，就能引起燃烧链反应。（3）烃氧化反应是自动加速的。在快速反应阶段，反应速度随着温度升高而加快；当反应进行到一定阶段，反应物浓度减少，反应速度迅速下降。此外，添加剂可以改变反应速度和燃烧特点。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.5最低点火能量,点燃是指引入外部能量，激发燃烧体系产生活性粒子的着火方式及过程。不是任何能量的点火都能成功引起可燃混合气的燃烧。只有活性粒子数量足够多，才能使氧化反应急剧加速，出现发光、发热的火焰核心。火焰核心放出的能量，又使混合气的链反应加快，形成燃烧。显然，要产生明显的燃烧，必须在一定时间内产生足够多的活性粒子，点火能量必须达到相应数值。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.5最低点火能量,能够可靠着火所需要的最小能量称为最低点火能量。,最小点火能量受很多因素影响。在其它条件不变时，最小点火能量与混合气浓度的关系见图。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.5最低点火能量,不同的混合气浓度，其最小点火能量不同；一定的点火能量有一个着火界限；加大点火能量，着火界限有所扩展，但作用有限；点火能量低于最小点火能量极限时，任何浓度的混合气都不能点燃；最小的点火能量出现在理论空燃比附近。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.5最低点火能量,最小点火能量是混合气的性质而不是电火花的性质，电火花的性质是点火能量。电火花的点火能量与火花塞性能、电极电压、火花塞电极间隙、及电极形状等因素有关。在其它因素一定时，火花塞电极间隙适中，发出点火能量最大。电极间隙大，电离电极间气体需要较高的电压，而在电压一定的限制下，发出火花的点火能量较小；电极间隙小，虽然电离电极间气体的电压低，但电极散热效果强，发出火花的点火能量小。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.5最低点火能量,因此，在加大火花塞电极间隙时，应该同时提高点火电压，才能增加点火能量。对应于一定浓度、温度和压力的可燃混合气，存在一个最小点火能量，相应的，有一个不能点燃混合气的电极间隙极限，称为熄火间隙dcrit。当电极间隙d与熄火间隙的关系为,,不能可靠点火。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.6燃料的明显燃烧,燃料的燃烧可分为两种燃烧方式。着火之前，燃料蒸汽和空气已经充分混合，这种混合气称为预混合气，这种混合气的燃烧预混合气的燃烧方式称为预混燃烧；着火之前，燃料未和空气形成混合充分的混合气，但已有部分可燃混合气形成，同时仍有相当多的燃料保持液态，这种燃烧方式称为扩散燃烧。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.6燃料的明显燃烧,1．预混燃烧在预混燃烧过程中，着火后，在火花附近形成大量活性粒子，促使这一区域的燃烧反应加速，并出现明显发热发光现象，形成火焰核心。在着火后，预混合气的燃烧自动进行，这个过程称为火焰传播过程。预混合气中的火焰传播和气体流动情况有很大关系，可分为层流火焰传播和紊流火焰传播。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.6燃料的明显燃烧,层流火焰传播在静止或流速极低的预混合气中，着火之后，火焰核心迅速发展为近似球形火焰，随后火焰表面（称为火焰前锋）以近似圆球的形状向整个混合气空间扩展推进。火焰锋面之前是未燃的预混合气，火焰锋面之后是已燃的、具有很高温度的燃烧产物。火焰锋面仅有几十到几百微米厚，燃烧反应就在这一薄层区域内进行。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.6燃料的明显燃烧,火焰锋面厚度d分为混合气预热区厚度dp和反应区厚度dc两个部分，预热区厚度dp大，化学反应速度低，反应区厚度dc小，但化学反应速度大。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.6燃料的明显燃烧,火焰锋面厚度D很小，其中温度和浓度变化极大，引起强烈的传热和传质，促使火焰锋面之前的混合气加快化学反应，随之变为火焰内的混合气预热区，于是，火焰锋面就移动即火焰传播。,第三章燃料与燃烧燃料的燃烧过程,3.5燃料的燃烧过程,3.5.6燃料的明显燃烧,层流火焰传播速度取决于火焰锋面内混合气的化学反应速度。混合气浓度对层流火焰传播速度影响最大。在略小于理论空燃比时，化学反应速度最快，火焰传播速度最大，反