燃料与燃烧PPT课件.pptx
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1、汽车发动机原理汽车发动机原理同学们好第三章 燃料与燃烧 第三章 燃料与燃烧 概述3. 1 概述概述 发动机的动力来自燃料的化学能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。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,受到两选择某种燃料作为发动机燃料,受到两个方面的影响。个方面的影响。 1 1)发动机型式)发动机型式 2)燃料的燃烧特性:燃料的燃烧特性: 燃烧温度、燃烧速度(混合气形成速度、燃烧温度、燃烧速度(混合气形成速度、反应速度)和燃烧程度(反应进度)等。反应速度)和燃烧程度(反应进度)等。 第三章 燃料与燃烧3. 1 概述概述 汽车发动机的主要型
2、式还是往复活塞式汽车发动机的主要型式还是往复活塞式内燃机,发动机的燃料有许多种,燃料的不内燃机,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。同决定了发动机的结构和性能方面的差异。 发动机燃料主要是有机化合物。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开发新型燃料是当前发动机领域的研究热点之一。热点之一。 这方面的研究涉及到新型发动机开发,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3. 1 概述概述 燃料成分对其品质和燃烧特性有决定性燃料成分对其品质和燃烧特性有决定性
3、影响:影响: 表表 3 3 1 1 燃料成分理化性质的变化燃料成分理化性质的变化 表表 3 3 2 2 燃料部分成分的化学结构燃料部分成分的化学结构 烷烃:热稳定性差、化学稳定性好,烷烃:热稳定性差、化学稳定性好,易着火,是燃料主要成分。有支链烷烃易着火,是燃料主要成分。有支链烷烃抗爆性好。抗爆性好。第三章 燃料与燃烧3. 1 概述概述 烯烃和炔烃:烯烃和炔烃:热稳定性和化学稳定性差,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。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。要控制它们在燃料中的比重。 环烷烃:环烷烃:热稳定性和化学稳定性好,不热稳定性和化学稳
4、定性好,不易着火,抗爆性好。易着火,抗爆性好。 芳香烃:芳香烃:热稳定性和化学稳定性最好,热稳定性和化学稳定性最好,不易着火,容易形成积碳,但抗爆性极好不易着火,容易形成积碳,但抗爆性极好。第三章 燃料与燃烧3. 1 概述概述 因此,近几年由于环境保护的需要,因此,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、第四阶段制。达到国家汽车排放第三、第四阶段控制标准必须控制燃料质量控制标准必须
5、控制燃料质量。第三章 燃料与燃烧3. 1 概述概述 燃料燃烧是剧烈的氧化反应过程。在发动机燃料燃烧是剧烈的氧化反应过程。在发动机中,对燃烧有中,对燃烧有时间和速度时间和速度要求;为了充分利用要求;为了充分利用燃料,还要求尽可能燃烧完全。燃料,还要求尽可能燃烧完全。 由于发动机由于发动机空间和质量空间和质量限制,对燃料还有限制,对燃料还有能量密度即热值、便于携带、安全等要求。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,不仅要研究因此,要改进发动机的性能,不仅要研究燃料,还要研究燃料,还要研究燃烧过程和燃烧条件燃烧过程和燃烧条件,找出完,找出完全燃烧的途径。全燃烧的途径。 第
6、三章 燃料与燃烧 汽车发动机燃料n3.2 3.2 传统发动机燃料传统发动机燃料3.2.1 3.2.1 传统发动机燃料传统发动机燃料 传统发动机燃料是传统发动机燃料是汽油和柴油汽油和柴油,是石油的炼,是石油的炼制品。制品。 石油的主要成分为碳氢(石油的主要成分为碳氢(97%-98% 97%-98% ),其),其余为少量的硫、氧、氮等,分子式为:余为少量的硫、氧、氮等,分子式为:CnHm,CnHm,常称为烃。常称为烃。 汽油和柴油根据沸点的不同进行分馏,依汽油和柴油根据沸点的不同进行分馏,依次得到石油气次得到石油气汽油汽油煤油煤油轻柴油、重柴轻柴油、重柴油油渣油渣油第三章 燃料与燃烧3.2 汽车发
7、动机燃料汽车发动机燃料3.2.1 传统发动机燃料传统发动机燃料传统发动机燃料是传统发动机燃料是汽油和柴油汽油和柴油。 汽油汽油汽油汽油2201.MPG2201.MPG: 在常温常压下是液态;在常温常压下是液态; 分馏温度为分馏温度为50200; 汽油抗爆性汽油抗爆性-辛烷值;辛烷值; 有机物的混合物,含碳原子数为有机物的混合物,含碳原子数为C5C11,包括部分芳香烃和环烷烃以及烯、炔烃。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,易点燃汽油易于挥发,粘度小,比重低,易点燃但不易自燃。但不易自燃。第三章 燃料与燃烧3.2 汽车发动机燃料汽车发动机燃料3.2.1 传统发动机
8、燃料 柴油:柴油: 常温常压下是液态,分为轻柴油和重柴油;常温常压下是液态,分为轻柴油和重柴油; 轻柴油分馏温度为轻柴油分馏温度为250360; 柴油自然性指标柴油自然性指标-十六烷值十六烷值; 有机物混合物,含碳原子数为有机物混合物,含碳原子数为C14C23,包括,包括 部分芳香烃和环烷烃以及烯、炔烃。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。汽油大,但不易点燃。第三章 燃料与燃烧3.2 汽车发动机燃汽车发动机燃料料3.2.1 传统发动机燃料 汽油、柴油的差异:汽油、柴油的差异: 1 1、混和气形成
9、的差异:、混和气形成的差异: 汽油汽油挥发性好(50 开始馏出,200蒸发完毕),可在较低温度下与空气混和,形成混和气,控制混合气数量,可调节发动机功率;柴油柴油蒸发性差(200 -350 ),粘性较好,采用高压喷射,靠调节供油量调节发动机功率。 2 2、着火与燃烧的差异:、着火与燃烧的差异:汽油汽油自燃温度高,适合点燃,压缩比不宜过高,以防其自燃;柴油柴油易自燃,采用压燃方式,压缩比不宜低,燃油喷射与空气混和时间短而不均匀,燃烧喷射燃烧,时间延长。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柴油与汽油的性能比较第三章 燃料
10、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、天然气和醇类石油气、天然气和醇类燃料。 石油气: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,液化石油气;LPG易于携带; 碳原子数为C2C5,主要是丙烷、丁烷; 极易挥发,粘度极小。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 天然气(包括煤层气和沼气):天然气(包括煤层气和沼气): 常温常压下是气态;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;常温下压缩不能液化,必须在低温下液化; 不便携带,
11、要进行压缩不便携带,要进行压缩(CNG);); 碳原子数为碳原子数为C1C4,主要是甲烷、乙烷;,主要是甲烷、乙烷;COCO,NOXNOX排放低,适用性好,可采用油气双燃料方式,适应柴油排放低,适用性好,可采用油气双燃料方式,适应柴油机、汽油机,可降低柴油机的微粒排放。机、汽油机,可降低柴油机的微粒排放。 缺点是储运差,与液体燃料相比,降低发动机效率缺点是储运差,与液体燃料相比,降低发动机效率10%10%以上。以上。 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 新型发动机燃料醇类燃料:醇类燃料:甲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
12、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正开发的燃料主要有二甲醚二甲醚(DME)、氢气、氢气、植物汽油、植物柴油和水煤浆、粉末燃料。植物汽油、植物柴油和水煤浆、粉末燃料。 二甲醚二甲醚(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 氢气:氢气: 氢气燃烧
13、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 植物汽油和植物柴油: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
14、3.2.2 新型发动机燃料 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3.3 燃料的使用特性燃料的使用特性3.3.1 燃料使用特性指标燃料使用特性指标 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理化指标主要有: (1 1)反映燃烧性能的有关指标,如柴油的)反映燃烧性能的有关指标,如柴油的十六烷值、汽油的辛烷值十六烷值、汽油
15、的辛烷值, ,燃点,馏程等。燃点,馏程等。 (2 2)反映燃油输送性能、流动性能的有关)反映燃油输送性能、流动性能的有关指标,如粘度、凝点等。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 燃料的使用特性燃料的使用特性3.3.1 燃料使用特性指标 (3 3)和发动机排放性能的有关指标。如杂)和发动机排放性能的有关指标。如杂质、灰分、含硫量、残炭等。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织发动机燃烧过
16、程中要考虑的燃油燃烧特点指标。标。 我国国家标准对所国产有燃油的品质作出我国国家标准对所国产有燃油的品质作出规定。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3.3.3 新型燃料的使用特性 1. 醇类燃料的使用特性醇类燃料的使用特性 (1 1)醇类燃料的特点)醇类燃料的特点 热值低,含氧量大;热值低,含氧量大; 汽化潜热数值大,沸点低;汽化潜热数值大,沸点低; 有毒性、腐蚀性;有毒性、腐蚀性; 抗爆震性好,润滑性差;抗爆震性好,润滑性差; 如以混合燃料方式使用,与汽、柴油的相溶如以混合燃料方式使用,与汽、柴油的相溶 性差。性差。第三章 燃料与燃烧 燃料的使用特性3.3 燃料的
17、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醇类燃料的使用特性 (2 2)醇类燃料的使用方式)醇类燃料的使用方式 混合燃料方式混合燃料方式 双燃料方式双燃料方式 纯燃料方式纯燃料方式 燃料电池燃料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醇类燃料的使用特性 (3 3)醇类燃料的使用特性与使用方式有关;)醇类燃料的使用特性与使用方式有关; 目前没有统一认识;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。对其固有的理化特性及品质应该有要求。 如热值、沸点、密度、腐蚀性和含水量等如热值、沸
18、点、密度、腐蚀性和含水量等 现在已有关于乙醇汽油品质的国家标准。现在已有关于乙醇汽油品质的国家标准。 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气体燃料的使用特性 (1 1)气体燃料的特点)气体燃料的特点 热值低;热值低; 常温下为气态,携带不方便;常温下为气态,携带不方便; 形成混合气容易;形成混合气容易; 抗爆震性好,润滑性差;抗爆震性好,润滑性差; 废气排放好废气排放好 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气体燃料的使用特性 (2 2)气体燃料
19、的使用方式)气体燃料的使用方式 纯燃料方式;纯燃料方式; 双燃料方式;双燃料方式; 混合燃料方式;混合燃料方式; 燃料电池。燃料电池。 (3 3)气体燃料的使用特性)气体燃料的使用特性 与使用方式有关;与使用方式有关; 第三章 燃料与燃烧3.4 燃烧热化学燃烧热化学 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。 发动机气缸内燃烧过程的复杂,其原因原因在于:除了燃料的氧化反应氧化反应之外,实际还伴随许多其他反应其他反应;同时进行的过程不仅有不仅有成分变化成分变化过程,还有过程,还有传热传热过程、过程、做功做功过程
20、;燃烧的条件过程;燃烧的条件随活塞运动而变化。随活塞运动而变化。第三章 燃料与燃烧 3.4 燃烧热化学燃烧热化学 燃油成分的表示燃油成分的表示 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 1 kg燃油中所含碳、氢、氧的kg数,即用质量百分数质量百分数%表示,则: 3.4.1 燃烧使用空气量燃烧使用空气量1、理论空气量理论空气量第三章 燃料与燃烧3.4 燃烧热化学燃烧热化学3.4.1 燃烧使用空气量燃烧使用空气量1、理论空气量理论空气量1kg 燃料完全燃烧所需的理论空气量燃料完全燃烧所需的理论空气量 L0根据化学反应方程
21、,根据化学反应方程,碳燃烧:碳燃烧:第三章 燃料与燃烧3.4 燃烧热化学燃烧热化学3.4.1 燃烧使用空气量1、理论空气量理论空气量氢燃烧:氢燃烧:第三章 燃料与燃烧 燃烧热化学3.4 燃烧热化学燃烧热化学3.4.1 燃烧使用空气量1、理论空气量理论空气量所以,所以,gC (kg)碳与碳与gH (kg)氢完全燃烧所用氧气为氢完全燃烧所用氧气为1kg 燃料完全燃烧理论空气质量燃料完全燃烧理论空气质量第三章 燃料与燃烧 燃烧热化学3.4 燃烧热化学燃烧热化学3.4.1 燃烧使用空气量1、理论空气量理论空气量以以kmol 为单位计算理论空气量,则为单位计算理论空气量,则1 kg 碳完全燃烧需要kmo
22、l 氧气1 kg 氢完全燃烧需要kmol 氧气所以,所以,gC (kg)碳与碳与gH (kg)完全燃烧所用氧气为完全燃烧所用氧气为第三章 燃料与燃烧 燃烧热化学3.4 燃烧热化学燃烧热化学3.4.1 燃烧使用空气量1、理论空气量理论空气量1kg 燃料完全燃烧理论空气量燃料完全燃烧理论空气量gO (kg) 氧折合为kmol 单位第三章 燃料与燃烧3.4 燃烧热化燃烧热化学学3.4.1 燃烧使用空气量2、过量空气系数过量空气系数 理论空气量理论空气量是指理论上使燃油完全燃烧所需要的是指理论上使燃油完全燃烧所需要的空气量。空气量。 发动机实际循环中,1 kg 燃油实际供给的空气数量并不总是等于理论空
23、气量Lo。 用过量空气系数用过量空气系数 a a 表示实际供给空气的数量表示实际供给空气的数量L与与理论空气量理论空气量Lo之比:之比:第三章 燃料与燃烧3.4 燃烧热化学燃烧热化学3.4.1 燃烧使用空气量燃烧使用空气量2、过量空气系数过量空气系数 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,即于理论空气量,即a 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理论空气量即 L= Lo ,则,则a a =1; a a 1时,表示稀混合气。时,表示稀混合气。 过量空气系数过量空气系数 a a 与发动
24、机类型、混合气形成方法、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)、功率调节的方式等燃料的种类、工况(负荷与转速)、功率调节的方式等因素有关。因素有关。第三章 燃料与燃烧3.4 燃烧热化学3.4.1 燃烧使用空气量2、过量空气系数过量空气系数 汽油机负荷调节方式是汽油机负荷调节方式是量调节量调节 a a = 0.8 1.2 所谓所谓量调节方式是指保持混合气浓度不变,通过调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。节进入气缸的混合气数量来适应负荷变化。严格地说,严格地说,这种情况下,混合气浓度实际仍然是有变化的。这种情况下,混合气浓度实际仍然
25、是有变化的。 汽油机汽油机(电子控制汽油喷射发动机和化油器式)在(电子控制汽油喷射发动机和化油器式)在大负荷时,总是使用浓混合气;在中等负荷时,电子控大负荷时,总是使用浓混合气;在中等负荷时,电子控制汽油喷射发动机控制制汽油喷射发动机控制 a a 1 1 或稍微低一些。或稍微低一些。第三章 燃料与燃烧3.4 燃烧热化学3.4.1 燃烧使用空气量燃烧使用空气量2、过量空气系数过量空气系数 柴油机负荷调节方式是柴油机负荷调节方式是质调节质调节 a = 1.2 2.2 质调节负荷方式是指通过改变混合气浓度来调节负质调节负荷方式是指通过改变混合气浓度来调节负荷。荷。柴油机的负荷调节是在基本保持气缸进气
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