《燃烧技术》第四章燃料与燃烧

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1、第四章 燃料与燃烧,4-1 发动机的燃料 4-2 燃料的使用性能 4-3 燃烧热化学 4-4 燃烧的基本知识,燃料是内燃机产生动力的来源，直接影响内燃机的发展、结构特点以及对环境的污染。,4-1 内燃机燃料及其提炼,一、石油中烃的分类及性质 传统燃料：汽油、柴油石油中提炼； 石油：碳氢化合物 主要成分：C，H；少量的S，O2，N2 分子式：CnHm烃类 代用燃料：CNG、LPG、 DME、 H2、 醇类等,由烃分子C原子数的不同，其分子量、沸点不同； 构成不同性质的燃料。 燃料根据不同沸点分馏依次得到： 石油气汽油煤油柴油渣油 C1C4：气态石油气，相对分子质量1658； C5C23：液态，其

2、中： C5C11：50200，汽油， 分子质量95120； C11C19：180300 ，煤油， 100180； C16C23: 250360， 轻、重柴油，180200 C23以上：360 以上，渣油，220280,1. 碳原子数的影响,表4-1 烃分子中碳原子数对烃性质的影响,碳，氢原子数和排列位置对燃料性质影很大： 1）烷烃：分子式：CnH2n+2 ； 化学结构： 直链特点：饱和开链式，含C越高结构越不紧凑， 常温下化学性质稳定，但热稳定性差， 高温易分解，自然性好柴油的好成分； 2）烯烃： 分子式：CnH2n ； 化学结构：-C=C-; -C=C-C-C-,-C-C-C-C-；,支链(

3、热稳定),直链,2. 分子的化学结构对性能的影响,特点：非饱和开链式，自发火性差，汽油的成分； 常温下化学稳定性差，易氧化胶质；不易储存 3）炔烃：分子式：CnH2n-2 ；化学结构：CC 特点：非饱和开链，热裂化产物，不存在原油中； 很不稳定，常温下易分解；不易作燃料。 4）环烷烃：分子式：CnH2n; 化学结构： 特点：饱和环状，不易分裂，热稳定性强， 汽油机的燃料，石油的重要组成部分。,环丁环,5）芳香烃：CnH2n-6； 基本化合物是苯：C6H6; 石油中含量少，分子结构坚固； 热稳定性高， 高温下不易破裂； 汽油的良好的抗爆剂； 石油炼制中产生。 其中，-甲基萘：C11H10， 其抗

4、爆性认为100%,二、燃料的提炼方法及对燃料性能的影响,从石油原油中炼制燃料的典型工艺流程： 直馏法：将原油在炼油塔中进行加热蒸馏； 不同分馏温度得到不同成分的燃油 这一部分燃料油约占原油的25%40% 裂解法：通过加温加压方法进行裂解； 催化重整：使用催化剂进行裂解； 加氢精制：,将蒸馏后的重油等一些高分子成分用不同手段裂解为分子量较轻的成分。,热裂解：工艺简单； 但燃油的稳定性差，辛烷值低。 催化重整：使正构烷烃或环烷烃异构物烃和 芳香烃； 副产品氢气可作为加氢工艺的氢气来源。 加氢精制：可使烯烃变成饱和烃，还可以脱碳，脱氮，脱氧以及脱金属等作用，满足油品的更高要求。 为获得高品质燃料，常

5、采用加氢精制或催化重整工艺。,三、代用燃料及其特性,1、气体燃料 NG：自由态或与石油共存的天然气，主要成分是 甲烷,CH4; 成为第三大支柱能源。 汽车上的应用： 压缩天然气(CNG)，20MPa 存于高压气瓶中； 液化天然气(LNG)，-162低温液化储存； 其密度为常态下气体密度的600倍； 行驶距离长；但成本高。 LPG: 天然石油气或石油炼制中产生的液化石油气 主要成分：丙烷/丙烯/丁烷/丁烯及其异构物。,天然气燃料的优点： 主要成分是甲烷，CO、HC排放少，燃料中不含硫的成分，SO2排放量低于电动汽车。 辛烷值高达130，可提高压缩比热效率。 燃烧下限宽，稀燃优越，运转范围内可降低

6、NOx。 气体燃料，低温起动及低温运转性能良好。 天然气燃料的缺点： 气体燃料，常温常压下储运性能差，能流密度低，一次充气可行驶距离短。 储气压达20MP，燃料容器加重。 因气态吸入气缸，充气效率降低；单位体积的混合气热值低，功率降低近10%,用于汽车的三种形式： CNG以20MPa压缩储存； 液化天然气 LNG -162以下储存； 吸附天然气 ANG吸附材料,2. 醇类燃料：主要指甲醇和乙醇,甲醇：从天然气、煤、生物质等原料中提取。 乙醇：从含淀粉和糖的农作物中制取。 特点：相对汽油 热值低，但醇中含氧量大，所需理论空气量比汽油少，所以两者混合气热值相近，保证发动机动力性能不降低 醇的汽化潜

7、热为汽油的三倍；燃料蒸发汽化可促使进气温度降低，增加充气量，但冷起动困难需要预热。 辛烷值高，抗爆性能好，可提高压缩比。 沸点低，产生气阻的倾向大。 甲醇对视神经有损伤作用，有毒性，储运及使用中注意安全；甲醇对金属有一定腐蚀作用，需防腐蚀措施。,原料来源广泛，可再生，有较好的燃料特性,3. 生物柴油 由动物脂肪或植物油通过酯化反应得到的长链脂肪酸甲(乙)酯组成的新型燃料。具有与柴油相近的性能。 特点： 环保性优良。含S低，不含芳香烃，保持CO2平衡。 十六烷值高，燃烧性能好，润滑性能好。 闪点高，可溶解，对土地和水的污染小，可大大减轻意外泄漏时对环境的污染安全性好。 可再生。资源不会枯竭。 能

8、与石油柴油以任何比例相溶，与柴油混烧或纯烧生物柴油，可直接应用现有的柴油机及供油系统和加油站系统。,光合作用自然循环,一、柴油 高速柴油机：轻柴油；中低速柴油机：重柴油 1. 柴油性能的评价指标： 1）十六烷值：评价柴油的自燃性。 与发动机的粗暴性、起动性密切相关 十六烷值高：着火延迟期短，工作柔和，起动性好 测定方法：单缸试验机，压缩比可调； 标准燃料：十六烷与 -甲基萘不同比例制成的混 合液； 规定自燃性：十六烷：100%； -甲基萘：0%,4-2 传统燃料的使用特性,定义：被测柴油的自燃性与标准燃料相同时，标准燃料 中十六烷的体积百分数为该柴油的十六烷值。,十六烷值：与燃料的分子结构有关

9、； 可通过原油种类、炼制方法、添加剂来控制; 直链烷烃类、分子量、C数增加时十六烷值增加; 所以，十六烷值高，便于起动，着火落后期缩短; 但，分子量增加，蒸发性变差，粘度增加，冒黑烟，经济性恶化。 一般，十六烷值：4565，不要过大 过大：冒烟 过小：不易着火,燃料中不同成分对化学安全性的影响,2）馏程：评价柴油的蒸发性。 用馏出某一百分比的温度范围表示。如： 馏出50%的温度T50：表示平均蒸发性； T50低，轻馏分多，蒸发快，有利于混合； 主要影响暖机性能、加速性、工作稳定性。 馏出90%或95%温度T90或T95：表明柴油中难以 蒸发的重质成分含量； 主要影响燃烧完全经济性。,3）粘度：

10、表示燃料分子间的内聚力抵抗分子间相对运动的能力；评定柴油的稀稠度，影响燃料的流动性和喷雾质量; 温度高，粘度小，流动性强；反之相反。 4） 热值：1kg燃料完全燃烧所释放的热量。柴油hu=42700kJ/kg 5）凝点：表示柴油失去流动性，开始凝固的温度，评定柴油的低温流动性。柴油牌号用凝点表示。 如：RC10，RC0，RC-10，RC-20，RC-30等。,二、汽油,1. 汽油性能的评价指标： 1）辛烷值：评价汽油的抗爆性 爆震现象：点火后，末端气体的自燃现象。 测定方法：专用试验台，压缩比可变 标准燃料：正庚烷易爆震，辛烷值为0%； 异辛烷抗爆性好，辛烷值为100% 按不同比列混合而成。

11、试验方法不同：研究法和马达法n和温度Tb不同,定义：被测汽油的抗爆程度与标准燃料相同时，标准燃 料中异辛烷含量的体积百分数为被测汽油的辛烷值。,实验n及混合气Tb马达法研究法,汽油辛烷值：取决于汽油组成、炼制方法、添加剂； 辛烷值的高低：烷烃烯烃环烷烃芳烃 2）馏程：指汽油馏出的温度范围，评价蒸发性。 试验方法： 加热器，量筒， 冷凝器，温度计 初馏点：第一滴 凝结的燃料流入 量筒时的温度。,10%馏出温度T10：评价低温蒸发性，影响起动性 T10低，低温蒸发性好，易于起动； 过低，易产生“气阻”现象 50%馏出温度T50：评价平均蒸发性， 影响暖车、加速性，工作稳定性。 90%馏出温度T90

12、：评价难以挥发的重质成分数量 影响燃烧完全程度、积碳等。 汽油的牌号：表示其辛烷值大小。 根据压缩比选用牌号,三、汽油、柴油性能差异对发动机性能的影响 1. 混合气形成和负荷调整上的差异 汽油挥发性强：低温度下，充分蒸发； 在缸外形成混合气，时间充足均匀混合气； 用混合气充量，控制发动机功率量调。 柴油蒸发性差： 200开始馏出，350 结束 粘性大，不能低温下形成混合气； 故 用喷嘴强制雾化，在缸内形成混合气； 进气量不变，喷油量调节功率质调,50馏出， 200 蒸发完,纯空气,2. 着火和燃烧上的差异：自燃、点燃温度不同 汽油自燃点高，点燃温度低： 采用外部能源点燃的方式点火系； 点火后，

13、混合气均匀，火焰传播方式燃烧； 为防自燃，压缩比不宜高 柴油自燃点低，点燃温度高： 采用压缩自燃方式； 为促进自燃，压缩比不宜过低； 混合气不均匀，预混合燃烧和扩散燃烧。,燃烧时间延长,4-3 燃烧热化学,了解燃烧过程，燃料、空气及产物及其数量关系 一、1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量 设燃料主要成分：C、H、O；各元素的质量成分 空气成份：O2（21%）、N2（79%）； 则 完全燃烧时的化学反应方程方式：,引入kmol：以kg为单位的某元素数量等于其分子量,1kg燃料（gc+gH+gO）完全燃烧时所需氧的kmol数： 所需要的理论空气量：,二、过量空气系数：评价混合气的性质 定义： 另：

14、空然比=A/F； 当量比=(A/F)0/(A/F)=1/a a =1或A/F=14.9理论混合气 a 1或A/F14.9稀混合气,a 与发动机类型、混合气形成方法、工况及功率调节方法等有关。,汽油机： a=0.81.2 电控+三效催化装置后： 控制在 a=1 附近 柴油机： am=1.21.6 增压柴油机： am=1.82.2,三、 a1时完全燃烧的产物 1）燃烧前混合气量 汽油机： 柴油机： 2）燃烧后的产物: 因a1 ; 产物为CO2和H2O，以及未燃的N2、剩余O2 所以，,喷入缸内的燃料体积空气的1/10000,3）燃烧后工质摩尔数的增量：由燃烧前后产物,4）理论分子变更系数0：,C/

15、H化合物构成的液体燃料燃烧后 01,四、燃料的热值、混合气热值 1）燃料的热值： 定义： 1kg燃料完全燃烧所放出的热量。 低热值：产物中H2O以水蒸气状态存在； 高热值：产物中H2O以液体状态存在。 2）混合气热值：单位混合气完全燃烧所放出的热量 设1kg燃料形成的混合气量为M1，燃料低热值h; 则，,气化潜热,4-4 燃烧的基本知识,燃烧过程：着火阶段燃烧准备过程 燃烧阶段放热过程 一、着火理论 着火过程：指混合气自动加速反应，产生升温，最终某一时刻某一位置出现火焰的过程。 特点：有明显的光和火焰效应 着火理论(方式)：着火热理论 链锁反应理论 点燃,1、着火的热理论,加热一充满空气和燃料

16、混合气的容器,受热燃料分子和氧分子动能而相撞,活化分子相撞能量反应活化能E时，打破化学键而引起化学反应,设：容器中总分子数n； 超过活化能E的活化分子数n*； 则 按照能量分配定律：,R：气体常数； E：活化能； T：绝对温度,可见，T时，活化分子所占比例，化学反应加速,反应速度v：单位时间单位体积中出现的氧化产物的分子数，与n*/n成比例，即,又 燃料氧化反应放热速率与氧化反应速度成比例：,C2：与分子的反应热及气体的压力有关的系数,反应时单位时间内向容器壁的传热量为：,A: 与容器材料、形状及气体导热率有关的系数,放热率=传热率,放热率传热率 热不能积累,dq1/dtdq2/dt，反应可继续，但v,反应压力的影响： 容器不变，压