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1、汽車發(fā)動機原理,同學們好,第三章,燃料與燃燒,第三章 燃料與燃燒 概述,3. 1 概述,發(fā)動機的動力來自燃料的化學能。 燃料的品質(zhì)及特性，決定發(fā)動機性能。 選擇某種燃料作為發(fā)動機燃料，受到兩個方面的影響。 1）發(fā)動機型式 2）燃料的燃燒特性： 燃燒溫度、燃燒速度（混合氣形成速度、反應(yīng)速度）和燃燒程度（反應(yīng)進度）等。,第三章 燃料與燃燒,3. 1 概述,汽車發(fā)動機的主要型式還是往復活塞式內(nèi)燃機，發(fā)動機的燃料有許多種，燃料的不同決定了發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和性能方面的差異。 發(fā)動機燃料主要是有機化合物。 開發(fā)新型燃料是當前發(fā)動機領(lǐng)域的研究熱點之一。 這方面的研究涉及到新型發(fā)動機開發(fā)，甚至是

2、完全不同的動力裝置，如燃料電池。,第三章 燃料與燃燒,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 燃料部分成分的化學結(jié)構(gòu),烷烴：熱穩(wěn)定性差、化學穩(wěn)定性好，易著火，是燃料主要成分。有支鏈烷烴抗爆性好。,第三章 燃料與燃燒,3. 1 概述,烯烴和炔烴：熱穩(wěn)定性和化學穩(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。 環(huán)烷烴：熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好，不易著火，抗爆性好。 芳香烴：熱穩(wěn)定性和化學穩(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,3. 1 概述,因此，近幾年由于環(huán)境保護的

3、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。達到國家汽車排放第三、第四階段控制標準必須控制燃料質(zhì)量。,第三章 燃料與燃燒,3. 1 概述,燃料燃燒是劇烈的氧化反應(yīng)過程。在發(fā)動機中，對燃燒有時間和速度要求；為了充分利用燃料，還要求盡可能燃燒完全。 由于發(fā)動機空間和質(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，要改進發(fā)動機的性能，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)動機燃料,3.2 傳統(tǒng)發(fā)動機燃料 3.2.1 傳統(tǒng)發(fā)動機燃料 傳統(tǒng)發(fā)動機燃料是汽油和柴

4、油，是石油的煉制品。 石油的主要成分為碳氫（97%-98% ），其余為少量的硫、氧、氮等，分子式為：CnHm,常稱為烴。 汽油和柴油根據(jù)沸點的不同進行分餾，依次得到石油氣汽油煤油輕柴油、重柴油渣油,第三章 燃料與燃燒,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.1 傳統(tǒng)發(fā)動機燃料,傳統(tǒng)發(fā)動機燃料是汽油和柴油。,汽油汽油2201.MPG： 在常溫常壓下是液態(tài)； 分餾溫度為50200； 汽油抗爆性---辛烷值； 有機物的混合物，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，易點燃但不易自燃。,第三章 燃料與燃燒,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.1 傳統(tǒng)發(fā)動

5、機燃料,柴油： 常溫常壓下是液態(tài)，分為輕柴油和重柴油； 輕柴油分餾溫度為250360； 柴油自然性指標---十六烷值； 有機物混合物，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，但不易點燃。,第三章 燃料與燃燒,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.1 傳統(tǒng)發(fā)動機燃料,汽油、柴油的差異： 1、混和氣形成的差異： 汽油揮發(fā)性好（50 開始餾出，200蒸發(fā)完畢），可在較低溫度下與空氣混和，形成混和氣，控制混合氣數(shù)量，可調(diào)節(jié)發(fā)動機功率； 柴油蒸發(fā)性差(200 -350 ），粘性較好，采用高壓噴射，靠調(diào)節(jié)供油量調(diào)節(jié)發(fā)動機

6、功率。 2、著火與燃燒的差異：汽油自燃溫度高，適合點燃，壓縮比不宜過高，以防其自燃； 柴油易自燃，采用壓燃方式，壓縮比不宜低，燃油噴射與空氣混和時間短而不均勻，燃燒噴射燃燒，時間延長。,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,3. 柴油與汽油的性能比較,第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動機燃料,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.2 新型發(fā)動機燃料,已經(jīng)成熟并得到實際應(yīng)用的發(fā)動機燃料有石油氣、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)，液化石油氣；LPG易于攜帶； 碳原子數(shù)為C2C5，主要是丙烷、丁

7、烷； 極易揮發(fā)，粘度極小。,第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動機燃料,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.2 新型發(fā)動機燃料,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，要進行壓縮（CNG）； 碳原子數(shù)為C1C4，主要是甲烷、乙烷；CO，NOX排放低，適用性好，可采用油氣雙燃料方式，適應(yīng)柴油機、汽油機，可降低柴油機的微粒排放。 缺點是儲運差，與液體燃料相比，降低發(fā)動機效率10%以上。,第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動機燃料,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.2 新型發(fā)動機燃料,醇類燃料： 甲醇和乙醇的來源廣泛、生產(chǎn)成本低； 常溫常壓下是液

8、態(tài)； 蒸發(fā)潛熱大，沸點低，便于攜帶； 含氧元素，需要空氣少； 不易自燃和點燃，容易造成發(fā)動機腐蝕。,第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動機燃料,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.2 新型發(fā)動機燃料,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、粉末燃料。,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，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)動機燃料,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.2 新型發(fā)動機燃料,,氫氣： 氫氣燃燒基本沒有污染，燃燒速度快

9、，對提高發(fā)動機性能有利。氫氣可從水中提取，燃燒后成為水分子，可以循環(huán)使用。但氫氣很難儲存、運輸和攜帶，而且制備代價較高，目前仍在深入研究。氫氣是很有前途的新型燃料。,第三章 燃料與燃燒 汽車發(fā)動機燃料,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.2 新型發(fā)動機燃料,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)動機使用植物汽油和植物柴油時，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)動機燃料,3.2 汽車發(fā)動機燃料,3.2.2 新型發(fā)動機燃料

10、,水煤漿： 在石油能源短缺壓力下，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)動機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)動機磨損和燃料供應(yīng)等問題，目前仍在深入研究。,第三章 燃料與燃燒,3.3 燃料的使用特性,3.3.1 燃料使用特性指標,評價燃油品質(zhì)的指標很多。與發(fā)動機使用有關(guān)的評價燃油品質(zhì)的指標稱為燃料使用特性指標。其中和發(fā)動機性能有關(guān)的燃油理化指標主要有：,（1）反映燃燒性能的有關(guān)指標，如柴油的十六烷值、汽油的辛烷值,燃點，餾程等。 （2）反映燃油輸送性能、流動性能的有關(guān)指標，如粘度、凝點等。,第三章 燃料與燃燒 燃料的使用特

11、性,3.3 燃料的使用特性,3.3.1 燃料使用特性指標,（3）和發(fā)動機排放性能的有關(guān)指標。如雜質(zhì)、灰分、含硫量、殘?zhí)康取? 很多指標反映了多方面使用特性指標。例如燃點，它既反映安全性方面的要求，也是組織發(fā)動機燃燒過程中要考慮的燃油燃燒特點指標。 我國國家標準對所國產(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,3.3.3 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 熱值低，含氧量大； 汽化潛熱數(shù)值大，沸點低； 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

12、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? 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、密度、腐蝕性和含水量等 現(xiàn)在已有關(guān)于乙醇汽油品質(zhì)的國家標準。,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

13、使用特性,（1）氣體燃料的特點 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； 燃料電池。 （3）氣體燃料的使用特性 與使用方式有關(guān)；,,,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,燃油在氣缸中燃燒情況極為復雜，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行化學反應(yīng)的質(zhì)量關(guān)系。 發(fā)動機氣缸內(nèi)燃燒過程的復雜，其原因在于：

14、除了燃料的氧化反應(yīng)之外，實際還伴隨許多其他反應(yīng)；同時進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動而變化。,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,燃油成分的表示 發(fā)動機所用的汽油或柴油主要由碳、氫、氧組成，其它成分如氮、硫等含量不多，在熱計算時不考慮，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)量百分數(shù)%表示，則：,3.4.1 燃燒使用空氣量,1、理論空氣量,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,1、理論空氣量,1kg 燃料完全燃燒所需的理論空氣量 L0,根據(jù)化學反應(yīng)方程，碳燃燒：,第三章 燃料與燃燒,3

15、.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,1、理論空氣量,氫燃燒：,第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,1、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質(zhì)量,第三章 燃料與燃燒 燃燒熱化學,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,1、理論空氣量,以kmol 為單位計算理論空氣量，則,1 kg 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,3.4 燃燒熱化學,3.

16、4.1 燃燒使用空氣量,1、理論空氣量,1kg 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,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,2、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)動機實際循環(huán)中，1 kg 燃油實際供給的空氣數(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,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,2、過量空氣系數(shù),為使燃油完全燃燒，實際供給空氣的數(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)動機工作過程的

17、一個重要參數(shù)，當實際空氣量等于理論空氣量即 L= Lo ，則a =1； a 1時，表示稀混合氣。 過量空氣系數(shù) a 與發(fā)動機類型、混合氣形成方法、燃料的種類、工況（負荷與轉(zhuǎn)速）、功率調(diào)節(jié)的方式等因素有關(guān)。,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,2、過量空氣系數(shù),汽油機負荷調(diào)節(jié)方式是量調(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)進入氣缸的混合氣數(shù)量來適應(yīng)負荷變化。嚴格地說，這種情況下，混合氣濃度實際仍然是有變化的。 汽油機（電子控制汽油噴射發(fā)動機和化油器式）在大負荷時，總是使用濃混合氣；在中等負荷時，電子控制汽油噴射發(fā)動機

18、控制 a 1 或稍微低一些。,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,2、過量空氣系數(shù),柴油機負荷調(diào)節(jié)方式是質(zhì)調(diào)節(jié) a = 1.2 2.2 質(zhì)調(diào)節(jié)負荷方式是指通過改變混合氣濃度來調(diào)節(jié)負荷。柴油機的負荷調(diào)節(jié)是在基本保持氣缸進氣量不變情況下，改變氣缸噴油量調(diào)節(jié)負荷，a 的變化范圍很大。柴油機混合氣形成時間短，濃度不均勻，所以，a 總是大于1 的，即a 1。當然，隨著負荷變化，柴油機吸入氣缸的空氣量也有微小變動。,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,2、過量空氣系數(shù),對柴油機來說，a 越小，在同樣氣缸進氣量條件下，就可以向氣缸多噴油，缸內(nèi)

19、空氣的利用程度高，發(fā)出的功率大，發(fā)動機的升功率大；a 越大，意味著燃料燃燒比較完全，在同樣噴油量情況下，供應(yīng)的空氣充足。 無論對汽油機還是柴油機， a 都是反映混合氣形成和燃燒完善程度的一個重要指標。,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,3、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算公式中，可得汽油和柴油的理論空氣量分別為14.9（kg 空氣 /

20、 kg 汽油）和14.5（kg空氣 / kg柴油）。,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,4、空燃比1913空然比.MPG,除了過量空氣系數(shù)a 外，還常用燃燒時空氣質(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,3.4 燃燒熱化學,3.4.1 燃燒使用空氣量,4、空燃比,應(yīng)用空燃比比較直觀方便，其數(shù)值即為對實際供給空氣量的千克數(shù)。對 1 kg 燃料，有,當a = 1 ，即按理論空氣量燃燒時，該空燃比稱為理論空燃比。混合氣的空燃比大于理論空燃比時為稀混合氣，小于理論空燃比時為濃混合氣。,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3

21、.4.2 完全燃燒時的燃燒產(chǎn)物,1、進入氣缸的氣體數(shù)量,對汽油，在混合非常充分時，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,3.4 燃燒熱化學,3.4.2 完全燃燒時的燃燒產(chǎn)物,1、進入氣缸的氣體數(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)計算比較復雜。根據(jù)液體體積小，燃油量比空氣少的特點，忽略燃料蒸汽及液態(tài)燃料的體積，則過量空氣系數(shù)為 a 時混合氣的摩爾數(shù)M1為,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3.4.2 完全燃燒時的燃

22、燒產(chǎn)物,2、完全燃燒后的氣體數(shù)量,當燃料完全燃燒，則燃燒產(chǎn)物的主要成分是不參與燃燒氮氣 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,3.4 燃燒熱化學,3.4.2 完全燃燒時的燃燒產(chǎn)物,2、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，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,3.4 燃燒熱化學,3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值,1、燃料熱值,在標準狀態(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

23、量，稱為燃料的熱值，通常由實驗測定。 由于燃燒產(chǎn)物中有水蒸汽，在水蒸汽沒有凝結(jié)時，水的汽化潛熱也不會釋放，所以燃料熱值有兩個：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,3.4 燃燒熱化學,3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值,1、燃料熱值,兩者的關(guān)系為,式中， HV為標準狀態(tài)下水的汽化潛熱。 內(nèi)燃機排氣溫度較高，水的汽化潛熱不可能利用，故分析計算時多用低熱值。,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值,2、混合氣熱值,

24、發(fā)動機工作循環(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)動機循環(huán)燃料消耗量有一定的范圍，受到氣缸循環(huán)進氣量的制約。 混合氣濃度反映氣缸循環(huán)進氣量和循環(huán)燃料消耗量兩個因素對發(fā)動機工作循環(huán)吸收的熱量的影響。在氣缸進氣量一定時，循環(huán)燃料消耗量的變化即是混合氣濃度的變化,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,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，其計量單位為kJ / m3（標）或kJ / kmol 。 氣缸進氣量一定（即氣缸工作容積

25、和充氣效率都確定），則發(fā)動機工作循環(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)。,第三章 燃料與燃燒,3.4 燃燒熱化學,3.4.3 燃料的熱值與混合氣熱值,2、混合氣熱值,1 kg 燃料形成的可燃混合氣完全燃燒可放出的熱量為QL ，可燃混合氣的摩爾數(shù)為M1，故混合氣熱值Qmix為： Qmix=hu/M1=hu/（a Lo +I/Mrt）,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,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.1 概述,根據(jù)化學知識，燃料的燃燒是一

26、種氣相中進行的化學反應(yīng)。支配燃燒過程的規(guī)律有： 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：即反應(yīng)速度與反應(yīng)物的濃度或數(shù)量有密切聯(lián)系； 燃料著火燃燒的機理符合有退化分支的鏈反應(yīng)等規(guī)律。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.1 概述,燃料在燃燒的初期，存在一個物理和化學的準備階段，燃料從固相或液相變?yōu)闅庀?，并與空氣中的氧氣相混合。由于外部能量的引入如點火，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。在時間足夠長，反應(yīng)體系外部條

27、件穩(wěn)定不變等情況下，反應(yīng)體系的狀態(tài)進入化學反應(yīng)平衡和熱力平衡。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,全部燃燒過程，包括混合氣形成、著火準備、明顯燃燒和化學反應(yīng)平衡等四個階段。 在發(fā)動機中，由于轉(zhuǎn)速較高，并有排氣過程，因此發(fā)動機中的燃燒時不可能達到化學反應(yīng)平衡。 另外，在習慣上，把混合氣形成階段看作為獨立過程，稱作混合氣形成過程，并將著火準備階段稱為著火延遲階段。,3.5.1 概述,第三章 燃料與燃燒,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)，而化學反應(yīng)是在分子層面上通過分子的碰撞進行的，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

28、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高的擴散混合速度。為了能夠燃燒，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,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.2 混合氣形成過程,在發(fā)動機中，由于混合氣形成時間極其短暫，因此，采取霧化（噴射、 化油器）等手段增加燃料的表面積。 霧化是指燃料粉碎為細小的顆粒即油滴，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小的油滴時，油滴的平均直徑越小，空氣的溫度越高，蒸發(fā)時間越短，混合氣形成速度越

29、快。,第三章 燃料與燃燒,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，對燃料進行加熱。燃料受熱蒸發(fā)的速度取決于其汽化潛熱和蒸發(fā)溫度，并受到擴散速度的制約。 在汽車發(fā)動機中，為了加快燃料的蒸發(fā)速度，需要組織空氣的運動，促使已蒸發(fā)的燃料向外擴散，形成混合氣；同時使混合氣變得均勻。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.2 混合氣形成過程,汽油的沸點及飽和蒸汽壓低，汽化潛熱小，故蒸發(fā)性強，混合氣形成快，形成混合氣的手段多。汽油機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。 柴油的沸點及

30、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化以增加蒸發(fā)面積、組織進氣運動以加強燃料與空氣混合等輔助手段，幫助實現(xiàn)混合氣形成。,第三章 燃料與燃燒,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（可燃混和氣）時，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，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。 著火界限與混合氣的溫度、壓力以及其它一些因素有關(guān)。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,自燃：

31、是指在適當?shù)臏囟?、壓力的可燃混和氣，依靠自身的反?yīng)加速，而不借助外部能量，自發(fā)引起火焰的過程。自燃著火方式的著火階段從混合氣達到自燃溫度開始。著火階段到出現(xiàn)明顯燃燒，放出光和熱結(jié)束。 熱著火理論認為：自燃是熱量的積累。 放熱速度散熱速度 熱著火理論著火條件： 1、溫度：與混和氣的物理化學性質(zhì)、環(huán)境溫度、壓力、容器形狀等有關(guān)；,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.2 混合氣形成過程,,2、臨界溫度與壓力影響著火區(qū)域，低壓時，要很高的著火溫度；溫度或壓力極低時，任何濃度混合氣都不能著火。,3、著火濃度上限（富油）與下限（貧油） 隨溫度壓力的升高，范圍加寬； 溫度壓力過低，低于

32、臨界值，無論什么濃度也不能著火,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.2 混合氣形成過程,發(fā)動機的混合氣形成過程由霧化、蒸發(fā)和擴散混合三個階段組成，其中，蒸發(fā)階段是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這三個階段對單獨的液滴是有順序的，但在多個液滴時，卻是交叉進行的。因此，很難將混合氣形成過程分解研究。,第三章 燃料與燃燒,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)，稱為著火方式或點火方式?？梢杂枚喾N著火方式觸發(fā)燃燒過程。 汽車發(fā)動機的著火方式多為電火花點燃或壓縮自燃. 火花引燃或燃料加熱到自燃溫度以上時，可燃混合氣并不立即燃燒，需要經(jīng)過一定的延遲時間，才能出現(xiàn)明顯的火焰，放出

33、熱量。這個延遲現(xiàn)象稱為著火延遲，延遲時間稱為著火延遲過程或著火延遲階段,簡稱為 著火過程或著火階段。 點燃著火的著火階段從點燃開始；著火階段到出現(xiàn)明顯燃燒，放出光和熱結(jié)束。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.4 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)。實驗結(jié)果如圖所示。,圖右上方為著火區(qū)。著火區(qū)分為兩個部分，低溫著火區(qū)和高溫著火區(qū)，這兩個區(qū)域的著火規(guī)律很不相同。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.4 烴類燃料的著火過程,燃料溫度較低時，燃燒過程經(jīng)歷冷焰-藍焰-熱焰三個階段，著火過程稱為低溫多階段著火。,第一階段為冷焰誘導期

34、t1 。 因為溫度較低時，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。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.4 烴類燃料的著火過程,第二階段為 冷焰期 t2 。溫度等條件合適，過氧化物能夠積累，達到某一濃度后，開始分解，反應(yīng)加速，形成冷焰著火，冷焰反應(yīng)放出熱量不多，反應(yīng)速度低，要持續(xù)相當長時間，反應(yīng)產(chǎn)物主要是甲醛。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.4 烴類燃料的著火過程,第三階段為藍焰期t3 。 當甲醛達到某一濃度后，冷焰反應(yīng)加速，形成藍焰燃燒，藍焰反應(yīng)時間短，速度快，放出的熱量多，主要生成 CO 。 第四階段熱焰燃燒 反應(yīng)體

35、系溫度壓力升高快，反應(yīng)進一步加速，進入明顯燃燒。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.4 烴類燃料的著火過程,高溫著火： 在較高溫度下，烴燃料氧化反應(yīng)不經(jīng)過冷焰誘導期和冷焰期。,,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.4 烴類燃料的著火過程,甲醛達到一定濃度后，反應(yīng)加速，進入藍焰著火-熱焰燃燒。先是藍焰著火并放出熱量，反應(yīng)體系溫度、壓力快速升高，促使燃料氧化加快，然后進入熱焰燃燒。這種情況下，藍焰與熱焰很難區(qū)分，因此統(tǒng)稱為高溫單階段著火,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,結(jié)論： （1）在明顯燃燒之前，無

36、論用何種方式觸發(fā)燃燒，都存在誘導期即著火延遲階段。 （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；當反應(yīng)進行到一定階段，反應(yīng)物濃度減少，反應(yīng)速度迅速下降。,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 最低點火能量,點燃是指引入外部能量，激發(fā)燃燒體系產(chǎn)生活性粒子的著火方式及過程。 不是任何能量的點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

37、成燃燒。 顯然，要產(chǎn)生明顯的燃燒，必須在一定時間內(nèi)產(chǎn)生足夠多的活性粒子，點火能量必須達到相應(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 最低點火能量,能夠可靠著火所需要的最小能量稱為最低點火能量。,最小點火能量受很多因素影響。 在其它條件不變時，最小點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 最低點火能量,不同的混合氣濃度，其最小點火能量不同； 一定的點火能量有一個著火界限； 點火能量低于最小點火能量極限時，任何濃度的混合氣都不能點燃； 最小的點火能量出現(xiàn)在理論空燃比附近

38、。,第三章 燃料與燃燒,3.5 燃料的燃燒過程,3.5.5 最低點火能量,最小點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)是點火能量。 電火花的點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，火花塞電極間隙適中，發(fā)出點火能量最大。 電極間隙大，發(fā)出火花的點火能量較小；電極間隙小，發(fā)出火花的點火能量小。,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 最低點火能量,因此，在加大火花塞電極間隙時，應(yīng)該同時提高點火電壓，才能增加點火能量。 對應(yīng)于一定濃度、溫度和壓力的可燃混合氣，存在一個最小點火能量，相應(yīng)的

39、，有一個不能點燃混合氣的電極間隙極限，稱為熄火間隙 dcrit 。當電極間隙 d 與熄火間隙的關(guān)系為:,,不能可靠點火。,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,燃料的燃燒可分為兩種燃燒方式： 預混燃燒與擴散燃燒 著火之前，燃料蒸汽和空氣已經(jīng)充分混合，這種混合氣稱為預混合氣，這種混合氣的燃燒方式稱為預混燃燒； 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，同時仍有相當多的燃料保持液態(tài)，這種燃燒方式稱為擴散燃燒。,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,1 預混燃燒

40、 在預混燃燒過程中，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，預混合氣的燃燒自動進行，這個過程稱為火焰?zhèn)鞑ミ^程。 預混合氣中的火焰?zhèn)鞑ズ蜌怏w流動情況有很大關(guān)系，可分為層流火焰?zhèn)鞑ズ臀闪骰鹧鎮(zhèn)鞑?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,層流火焰?zhèn)鞑? 在靜止或流速極低的預混合氣中，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（稱為火焰前鋒）以近似圓球的形狀向整個混合氣空間擴展推進。火焰鋒面之前是未燃的預混合氣，火焰鋒面之后是已燃的、具有很高溫度的燃燒產(chǎn)物。火焰

41、鋒面僅有幾十到幾百微米厚，燃燒反應(yīng)就在這一薄層區(qū)域內(nèi)進行。,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,火焰鋒面厚度 d 分為混合氣預熱區(qū)厚度d p 和反應(yīng)區(qū)厚度 d c 兩個部分，預熱區(qū)厚度 dp 大，化學反應(yīng)速度低，反應(yīng)區(qū)厚度d c 小，但化學反應(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,火焰鋒面厚度 很小，其中溫度和濃度變化極大，引起強烈的傳熱，促使火焰鋒面之前的混合氣加快化學反應(yīng)，隨之變?yōu)榛鹧鎯?nèi)的混合氣預熱區(qū)，于是，火焰鋒面就移動即火焰?zhèn)鞑ァ?第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程,3

42、.5 燃料的燃燒過程,3.5.6 燃料的明顯燃燒,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于火焰鋒面內(nèi)混合氣的化學反應(yīng)速度?；旌蠚鉂舛葘恿骰鹧?zhèn)鞑ニ俣扔绊懽畲?。在略小于理論空燃比時，化學反應(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，化學反應(yīng)速度極慢，反應(yīng)溫度過低，火焰?zhèn)鞑袛?，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,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萔L低，（汽油為0.40.5m/s) 。 混和氣成分對其影響： 當a =0.80.9時，最大； a =1，下降10%； a =1.1時，下降15%； 當混和氣成分過稀或過濃，不能維持火焰

43、正常傳播。,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,紊流火焰?zhèn)鞑? 混合氣運動速度較大時，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，可達到20 70 m / s 。紊流本身的特點是流體性質(zhì)在時間與空間上有隨機性，氣流內(nèi)部有渦流運動。紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓脑蛟谟诹黧w的運動對火焰?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,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)在紊流強度較小時不變。 B宏觀紊流使火焰鋒面發(fā)生彎曲與皺折，

44、增大火焰鋒面的表面積。 C微觀紊流加強傳熱與傳質(zhì)作用，因此，加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣取? D紊流強度較大時，火焰鋒面就不斷破裂而后重新建立，其結(jié)果是已燃氣體和未燃混合物相互混合，從而加快了未燃混合物的反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時間。,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,預混燃燒過程的兩個燃燒現(xiàn)象,1、縫隙效應(yīng),當燃燒管直徑小于某一臨界尺寸，火焰?zhèn)鞑ゲ荒苓M行，燃燒管內(nèi)的混合氣不能燃燒，該臨界尺寸稱為淬熄距離。 該現(xiàn)象說明，在尺寸極小的縫隙中，混合氣不能燃燒。 產(chǎn)生未然HC的重要原因。,第三章 燃料與燃燒 燃料的燃燒過程,3.5 燃料的燃燒過程

45、,3.5.6 燃料的明顯燃燒,預混燃燒過程的兩個燃燒現(xiàn)象,2、壁面激冷效應(yīng),預混合氣點燃后，壁面附近某一厚度薄層內(nèi)的混合氣不能燃燒，火焰?zhèn)鞑サ皆搮^(qū)域時不能繼續(xù)推進，火焰?zhèn)鞑ブ兄?，這一現(xiàn)象稱為壁面激冷效應(yīng)。 壁面激冷效應(yīng)和縫隙效應(yīng)均導致不完全燃燒。,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,2 擴散燃燒 在相當部分燃料依然保持液態(tài)或固態(tài)，燃料沒有全部蒸發(fā)就開始著火燃燒，這種燃燒稱為擴散燃燒。 實質(zhì)上，擴散燃燒仍舊是燃料蒸汽和空氣形成的混合氣燃燒，燃燒過程中必須形成混合氣，只是一邊形成混合氣，一邊燃燒。由于混合氣形成依賴于燃料蒸汽和空氣的

46、相互擴散，故稱之為擴散燃燒。擴散燃燒時，混合氣濃度分布不均勻，所以混合氣燃燒界限比預混燃燒有所擴展。,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,擴散燃燒的典型實例為油滴燃燒。,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,氣流速度對火焰形狀有影響。,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,3、噴霧燃燒是油滴群的擴散燃燒和預混和氣的預混燃燒共存的一種復雜燃燒。,極其細小的油滴群的燃燒可視同為預混燃燒。當油滴直徑在10 m m 以下時，火焰鋒面為藍色的連續(xù)面

47、。油滴直徑越小，蒸發(fā)越快，越容易形成混合氣。所以，極其細小的油滴群的燃燒和預混燃燒一樣。,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,3 噴霧燃燒,油滴直徑在 20 40 m m 時，燃燒是典型復合燃燒。 在連續(xù)的藍色火焰鋒面中有分散而獨立的白色或黃色的亮點，表明在預混燃燒中存在較大油滴燃燒形成的獨立擴散火焰。 當油滴直徑大于40 m m 時，燃燒實際是擴散燃燒。 火焰面不再連續(xù)，白色或黃色的亮點在火焰中比例較大，燃燒可看作為許多單獨油滴燃燒的疊加，火焰面可以看作是各個油滴燃燒的微小擴散火焰面的集合體。 實際噴霧燃燒是預混燃燒和擴散燃燒共存的復

48、合燃燒。,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,3 噴霧燃燒,噴霧燃燒時，燃油分布都不均勻，容易出現(xiàn)局部缺氧現(xiàn)象。高溫并缺氧的條件通常導致烴燃料發(fā)生裂解、脫氫、聚合形成較大的顆粒炭煙，是限制柴油機功率的主要原因。 空燃比對烴燃料的氧化速度與裂解速度的影響如圖 。,第三章 燃料與燃燒 重點內(nèi)容,第三章重點內(nèi)容,1發(fā)動機燃料的種類。 2理論空氣量、過量空氣系數(shù)與空燃比 的定義，相互之間的關(guān)系。 3燃料及混合氣熱值概念。 4燃燒過程的階段劃分：混合氣形成、 著火和明顯燃燒。,第三章 燃料與燃燒 重點內(nèi)容,第三章重點內(nèi)容,5混合氣形成過程及其階段劃分、影響因素。 6著火方式與著火延遲現(xiàn)象；最低點火能量；著火界限、壓力與溫度對著火界限的影響。 7燃燒分類：預混燃燒、擴散燃燒和噴霧燃燒。,第三章 復習題,1、什么是空氣過量系數(shù)？與混和氣濃度是什么關(guān)系？ 2、什么是空燃比？與空氣過量系數(shù)是什么關(guān)系？ 3、何謂自燃、點燃？ 4、什么是縫隙效應(yīng)、壁面激冷效應(yīng)？ 5、限制柴油機功率及炭煙生成的主要原因是什么？,