第四章 燃料与燃烧化学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,基本思路：,一、燃料的基本知识,二、燃料燃烧时的化学反应和空然比的计量,三、燃料是如何着火和燃烧的？,汽油、柴油及代用燃料的性能,第四章 燃料与燃烧化学,过量空气系数与空然比,着火与燃烧的基本理论,第一节 发动机燃料,汽油：主要由,C,5,11,碳原子的烷烃、环烷烃和稀烃组成；,柴油：由,C,10,21,烃类混合物组成。它们几乎都是由石油炼制，热值高，便于运输储存,。,一、汽油,抗爆性 蒸发性,氧化安定性 清净性,二、柴油,自燃性 雾化和蒸发性 硫含量,安定性 低温流动性,第二节 代用燃料,代用燃料,气体代用燃料,液体代用燃料,醇类燃料,二甲醚,煤制油,生物柴油,液化石油气,天然气,氢气,代用燃料的分类,？,可燃化工液体副产品,一般按物态分类,按化学成分区分,烃燃料,C,n,H,m,含氧燃料,(,醇类燃料）,一、气体代用燃料,目前在内燃机上使用的气体燃料有,天然气、液化石油气、沼气、煤气、氢气,等，其中以压缩天然气（,Compressed Natural Gas,，缩写,CNG,）和液化石油气（,Liquefied Petroleum Gas,，缩写,LPG,）为主。,燃气汽车,单一燃料汽车（,Mono,Fuel Vehicle,）,两用燃料汽车（可切换）（,BI,Fuel Vehicle,）,混合燃料汽车（双燃料）（,Dual,Fuel Vehicle,）,指使用一种气体燃料的汽车,指可以在气体燃料和另一种液体燃料之间进行切换的汽车,指工作时同时使用一种气体燃料和一种（或一种以上）其他,燃料的汽车,LPG,的主要成分是丙烷和丁烷，发动机用的,LPG,一般是纯丙烷（,C,3,H,8,）或丙烷与丁烷（,C,4,H,10,）的混合物。,它的主要技术特点如下：,l,）汽化温度低。常温下，,石油气在,0,2,0,6MPa,的压力下即可液化（随组分不同而定），,因此，液化石油气的汽化较为容易，与空气混合的均匀性大大优于汽油，有利于燃料的完全燃烧，排放低，,2,）,LPG,的燃烧特性与汽油相当，其热值略高于汽油。,3,）,LPG,的辛烷值高（,102,105,），抗爆性能优于汽油，允许采用较高的压缩比，有利于提高发动机的热效率。,汽化的,LPG,对发动机的充量系数有不利影响，因此简单改装后的气体燃料发动机的功率会有所下降。,（一）液化石油气 （,LPG,）,(,二）天然气,NG,的主要成分是,甲烷,，,它的存储方式主要有两种，一是直接以气体方式储存，,即将其压缩至特制的容器中（压力为,20,30MPa,），,再经减压器减压后供给发动机。,另一种是以液体方式储存，由于甲烷的临界温度低，通常采用低压（或略高于常压）和,低温（,160,左右）下液化后储存,。因此,LNG,的储存要求高，相应的成本也较高,。,相比之下，,CNG,的应用要比,LN G,方便和广泛得多,。,CNG,发动机的主要技术特点如下：,l,）,CNG,发动机的排放特性、经济性要优于,LPG,发动机。同时，由于天然气资源较丰富，,CNG,汽车具有广阔的发展前景。,2,）,CNG,的辛烷值高（,130,），抗爆性好，有利于提高压缩比。,3,）,CNG,的,能量密度较小,(,单位体积）,，其续驶里程低于,LPG,汽车。,目前，,LPG,与,CNG,作为内燃机的代用燃料，大多是在常规汽车上采用加装气体燃料供给系统的方法来实现。这种方法没有充分发挥,LPG,和,CNG,的潜力，但这种两用燃料汽车具有燃料灵活性的优点。由主机厂开发的单一燃料或混合燃料汽车，其动力性经济性显著高于简单改装的汽车（广州采用公交车玉柴的发动机）。,LPG,及,C N G,的大规模使用取决于气体燃料的价格、环境保护的要求和供气网络的建立和完善,。,二、液体代用燃料,醇类燃料主要有甲醇（,CH,3,OH,）和乙醇（,C,2,H,5,OH,）。,甲醇可以从天然气、煤、生物中提取，乙醇主要是含有糖或淀粉的农作物经发酵后制成，它们都是液体燃料。,主要是醇类燃料,1,醇类燃料的物化特性和使用特性,常用的代用燃料与汽油、柴油的物理化学特性的比较,l,）,醇类燃料的低热值比汽油的低,，甲醇仅为汽油的,46,，乙醇为汽油的,62,；但甲醇、乙醇燃烧时的理论空气量也少，甲醇为汽油的,43,，乙醇为汽油的,60,。因此当在汽油机上燃用甲醇、乙醇时，,应增大循环供油量,（化油器发动机可增大主量孔直径或调大可调量孔，电控喷射的汽油机需要增加喷油脉宽）从而使混合气的热值大体与汽油空气混合气相等或略高，这样使发动机在燃用醇类燃料时动力性能不降低甚至可以提高。,2,）,醇类燃料的蒸发潜热比汽油大得多，,甲醇为,1101 kJ,kg,，乙醇为,862kJ,kg,，甲醇为汽油的,3,7,倍，乙醇为汽油的,2,9,倍，从而使混合气在燃料蒸发时温降大（甲醇为汽油的,7,倍，乙醇为汽油的,4,16,倍）。醇类燃料较大的混合气温降有利于提高发动机的充量系数和动力性，但不利于燃料在低温下的蒸发，,造成发动机冷起动困难（尤其是在冬季）和暖机时间长,。由于进,入,气缸的混合气温度低，滞燃期长，应适当增大点火提前角。,3,）,醇类燃料的辛烷值高，,甲醇为,109,，乙醇为,110,，在汽油机上使用时，可以提高压缩比，有利于提高发动机的动力性能和经济性能。醇类燃料的十六烷值低，在柴油机上使用时，需要采用助燃措施。,2,、醇类燃料的优缺点,（,1,）甲醇的优缺点,甲醇作为车用燃料有以下优点：,l,）甲醇可从煤或天然气中提炼，它可以大规模专门生产，也可以利用现有的氮肥厂设备联产，或采用多联产（热、电、化工产品如甲醇、二甲醚、合成气等联产，简称,IGCC,），生产成本低。,2,）甲醇是液体燃料，可以沿用石油燃料的运输储存系统，基础设施投人少。,3,）燃用甲醇燃料可以提高发动机动力性能、经济性能，有害排放物低，是一种清洁代用燃料。,甲醇的主要缺点是：,l,）有毒、不可饮,入,口中或溅入眼中，须对甲醇燃料加强管理并严格遵守操作规程。,2,）排气中有未燃醇和醛有害气体排放物，需进行排气后处理。其中未燃醇在环境中存在的时间短，可以被带氧微生物分解。,3,）甲醇对有色金属、橡胶有腐蚀作用，需对燃油系统在结构上与材料上采取措施，如采用耐溶胀的硫化橡胶、不锈钢制油箱及聚四氟乙烯燃油管道等。,（,2,）乙醇（酒精）,优缺点,乙醇的来源有三种，即剩余粮食、能源作物和秸秆。,巴西和美国分别利用本国生产的甘蔗和玉米大量生产乙醇作为车用燃料,。,乙醇作为内燃机代用燃料有以下,优点,：,l,）,辛烷值高（,110,左右），,可以代替目前正在使用的无铅抗爆添加剂甲基叔丁基醚（,MTBE,）。乙醇无毒，对环境无危害，而,MTBE,则被怀疑会污染地下水和致膀脱癌等，在美国一些州已被禁用，,2004,年全面禁用。,2,）,乙醇是含氧燃料，,蒸发潜热高，发动机燃用乙醇可以实现无烟排放，并能大幅度降低,CO,排放，,HC,、,NO,。也可以有不同程度的降低（取决于发动机结构及其调整状态）。,火花点火发动机可以燃用纯乙醇或乙醇和汽油的混合燃料（掺烧比例大时需加助溶剂），压燃式发动机也可以燃用乙醇，但需有助燃措施。,乙醇作为内燃机代用燃料的,缺点,是：,l,）,乙醇生产成本高，,虽然利用阶段性过剩、存放期过长甚至霉变的粮食制取酒精可以在一定程度上缓解粮食过剩和燃料不足的矛盾。但我国可耕地面积少（为世界的,7,），人口多（占全世界人口的,22,），粮食来源不稳定，生产乙醇过程中耗能大（生产乙醇的耗能量接近乙醇发出的能量）、耗粮大，生产乙醇过程中有大量,CO,。排放，利用粮食生产乙醇，只能适度开展。此外利用乙醇作为燃料或辛烷值添加剂时，政府要考虑给予补贴，否则在市场经济条件下难以推广应用。,2,）,利用能源作物,（如酣高粱的茎杆、木薯等）制乙醇也是可行的，生产成本比粮食制乙醇低,1000,元,/t,左右，秸秆制酒精是将秸秆通过酶水解成单糖，然后发酵成乙醇。由于酶成本高，秸秆收集比较困难，世界上未大规模生产。秸秆比较适宜在汽化生成沼气后，作为民用燃料。,第三节 燃烧化学,一、燃料的燃烧热值,单位量（固体和液体燃料用,1kg,，气体燃料,用,1m,3,）的燃料完全燃烧时所发出的热量交,热值,。,高热值,H,0,(KJ/kg),低热值,H,u,(KJ/kg),内燃机用低热值,请参阅教材,P70,二、燃油完全燃烧的化学反应,(,略,),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,g,C,、,g,H,、,g,O,分别表示,1,kg,燃油中所含碳、氢、氧的,kg,数，即质量成分,%,，则：,g,C,+,g,H,+,g,O,=1,汽油的平均质量成分：,g,C,=0.855,；,g,H,=0.145,；,g,O,=0.000,柴油的平均质量成分：,g,C,=0.870,；,g,H,=0.126,；,g,O,=0.004,发动机中，燃油燃烧所需要的氧气来自空气，以体积成分计，空气中氧占,21%,，氮占,79%,；以质量成分计，氧占,23%,，氮占,77%,。,三、燃油燃烧时所需空气量,根据化学反应原理，可以写出：,碳燃烧：,C +,O,2,CO,2,12,（,kg,）,32(kg)44(kg),1(kg),(kg),(kg),g,C,(kg,)(C)+,g,C,(kg)(O,2,)=,g,c,(kg)(CO,2,),或,12(,kg)(C)+1kmol(O,2,)=1kmol(CO,2,),1(kg),(,kmol,),(,kmol,),g,C,(kg)(C)+,(,kmol,)(O,2,)=(,kmol,)(CO,2,),先求出每千克燃料所需要的氧气,氢燃烧：,H,2,+O,2,H,2,O,2,（,kg,）,16(kg)18(kg),1(kg)8(kg)9(kg),g,H,(kg)(H,2,)+8g,H,(kg,)(O,2,)=,9,g,H,(kg)(H,2,O),2(kg)(H,2,)+,kmol,(O,2,)=1kmol(H,2,O),或,1(,kg)(,kmol,),(,kmol,),g,H,(kg)(H,2,)+,kmol,(O,2,)=,kmol,(H,2,O),在,1,kg,燃油中含有,g,o,kg,或,kmol,的氧，所以,1,kg,燃油完全燃烧时需要供应的氧为,+,-,（,kmol,）,或,g,c,+8g,H,g,o,（,kg,）,1,千克燃油完全燃烧理论所需的空气量，即理论空气量,L,o,为,L,o,=(+-),（,kmol,/kg,）,或,（,kg/kg,）,在,0,、,1,个标准大气压下，,1,千摩尔空气占有的体积为,22.4,m,3,。,以体积表示的理论空气量为：,m,3,/kg,分别将汽油，柴油的平均成分代入理论空气量的计算公式中，可得汽油的理论空气量为,14.9,（,kg/kg,）柴油的理论空气量为,14.5,（,kg/kg,）。,也称为化学计量空然比,空气中氧气的质量,23,四、过量空气系数与空燃比,理论空气量是指理论上使燃油完全燃烧所需要的空气量。在发动机实际循环中，为使燃油完全燃烧，,燃烧,1kg,燃油供给空气的数量应该等于理论空气量,L,o,。,但是,由于发动机不同情况的需要，实际,应该,供给的空气数量往往大于或小于理论空气量,。因此为评定发动机工作过程中实际供给空气的数量，引用,过量空气系数,这一概念。,为了实现对发动机工作进行控制，往往引入：,发动机工作过程中燃烧,1kg,燃油实际应该供给的空气数量,L,与理论空气量,L,o,之比，称为,过量空气系数,，用符号,a,表示，即,a=,过量空气系数是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时，则,L=L,o,a=1,；,a1,时，表示,L1,时，表示,LL,o,，,为稀混合气。,每,1kg,燃料的实际空气量,?,a,L,0,kg,进入气缸的空气质量为,m,a,kg,应该喷入的循环供油量,b,=,？,b,=m,a,/,a,L,0,根据,a,的概念，我们来求每循环的喷油量，,m,a,由空气流量计（,MAF,）测得每循环进入气缸的空气质量，求循环供油量,b,对于电控燃油系统，,a,储存,在,ECU,的脉图（与发动机各类传感器所检测到的工况相对应）中，,m,a,也由空气流量计,MAF,计量，因此，,b,实际上是由,c,决定。,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）、功率调节的方法等因素有关。,p,me,对于汽油机,，由于是属于量调节，,p,me,取决于某一工况下的,a,和,c,，因此，汽油机是属于量调节，即以进气量,c,来调节负荷！,p157,如果,a,太小会怎样？,即柴油机超负荷 ！,发动机冒黑烟,！,p157,对于柴油机,，由于没有节气门，则负荷调节属于质调节，即,调节循环供油量，,当喷油量,b,增大,a,因此，柴油机是属于质调节！即以喷油量,b,来调节负荷！,p159,a,=m,a,/,b,L,0,柴油机负荷是靠质调节的（即混合气浓度调节），,a,的变化范围很大。由于混合气形成不均匀，所以,a,总是大于,1,的。,在柴油机吸入气缸的空气量一定的情况下，,a,小就是意味着可以向气缸多喷油，缸内空气的利用程度高，发出的功率大。所以,a,是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个重要指标，应该力求减小,a,。,柴油机在全负荷时,a,的一般数值为：,高速柴油机,a=1.21.6,增压柴油机,a=1.82.2,汽油机电控喷射系统脉图示例,为了实现对喷射过程控制的优化，存储在,ECU,中的曲线和图标,包括一些在产品开发过程中通过大量试验总结出的综合各方面的,目标值，如,a,与,点火提前角,随转速与负荷（空气流量）变化的,三维曲面图，这种图形一般称为脉图（,MAP),。,除了运用,a,表示混合气浓度外，还可以应用燃烧时空气量与燃料量的比例（空燃比,）,来表示：,空燃比,=,设,0,为燃料完全燃烧时的理论空燃比，则汽油的,0,15,应用空燃比比较直观方便，其数值即为对,1,kg,燃料实际供给空气量的千克数。空燃比小于,15,的为浓混合气，空燃比大于,15,的为稀混合气,。,关于,与,a,的换算,每,1kg,燃料的实际空气量,a,L,0,kg,进入气缸的空气质量为,m,a,kg,应该喷入的循环供油量,b,=,？,b,=m,a,/,a,L,0,m,a,/,b,=,a,L,0,a=1.31.7,=?,2025,一般，柴油机冒烟界限,a,1.5,，浓限,汽油机燃烧稀限 均燃,a,1.51.6,稀燃,a,2,；浓限,0.5,第四节 燃烧的基本理论,探究燃烧的机理，究竟物质燃烧的过程是怎样的？,一切燃烧都是由,着火,和,燃烧,两个阶段组成,是物质燃烧的准备阶段，是燃料经过雾化、受热蒸发并与空气形成可燃混合气，发生氧化反应，逐渐积累热能和活化中心。,通过点燃或自燃着火燃烧。,生活中的燃烧物质的过程很像,先着火后燃烧,发动机内的燃烧,形成混合气,混合气被点燃或自燃,火源扩大，全面燃烧,一、着火机理,1,、热自然：如何解释热自燃现象？,按化学动力学的观点,热自然,链锁反应,压力,加热,积累热能、形成活化中心,自燃或,热爆,当温度压力达到临界值时,反应链,（链的继续反应,或链的传递）,2,、链锁反应：,如何解释锁链反应？,即可解释为一个发链反应引起许多基本反应。,自由基,H,2,H +O,2,O +H,2,OH +H,2,H +H +M,H +OH,M,H +O +M,断链反应,（链的中断即,活化中心的死亡）,2H,自由原子,OH +O,OH +H,H,2,O +H,H,2,+M,H,2,O +M,OH +M,锁,链,反,应,断链反应,引导反应,（发链反应）,（发链反应）,在混合气的着火,过程，上述两种,机理同时存在,二、发动机混合气的着火,研究指出：,发动机中碳氢化合物的自燃，均属于,链,热反应,燃油分子直接分裂成,自由原子和自由基,CH,（,1,）高温单阶段着火（汽油机）,混合气已经在压缩过程中,进行了一定的化学反应,火花塞自身高温加热,出现明火焰燃烧,火花塞跳火,（,2,）低温多阶段着火（柴油机）,压缩终了（,500,700,）前喷入燃油（此时无自由原子与自由基）,高温下氧化反应积累，出现,淡青色的火焰,冷焰,生成,CO/O/H/OH,等活化中心，缸内温度压力升高，积累热量,出现,蓝色火焰,整个焰前反应时间之和就叫做,着火延迟期（滞燃期）,。,热量和活化中心积累，反应加剧，在极短时间内产生热爆炸，出现,橘黄色的热火焰,自燃,物理和化学准备,三、发动机的燃烧方式：,同时爆炸燃烧、预混合燃烧、扩散燃烧,（,1,）同时爆炸燃烧,均匀混合气在燃烧室内燃烧前后一瞬间，燃烧室内,只有一个相,。,即爆炸前的可燃混合气相，爆炸后的燃烧产物相,。,（,2,）预混合燃烧,燃烧期间，燃烧室,存在未燃混合气相和燃烧产物两个相,。,（,3,）扩散燃烧,在燃烧期间，燃烧室内将,同时存在可燃混合气相、空气相和燃烧产物三个相,。（边喷射、边混合、边燃烧）,（其实是一种理想的燃烧，混合气均匀，燃烧迅速而彻底）,华南农业大学 车辆工程系,朱余清,