汽车发动机原理与汽车理论第5章课件.ppt

1、第一节发动机的燃料及使用特性第二节燃烧热化学第三节燃烧的基础知识第五章燃料与燃烧热化学 石油燃料石油燃料（汽油、柴油）代用燃料代用燃料 醇类燃料、生物柴油、合成柴油等液体燃料,氢气、天然气、液化石油气、二甲醚等气体燃料和煤浆等固体燃料。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 1.石油产品 柴油、汽油是石油炼制品。石油是由多种碳氢化合物组成的混合物,通称为烃。石油的主要成分是碳、氢两种元素,含量占97%98%,还含有少量的硫、氧、氮等。根据碳原子数的不同,可以构成不同分子量、不同沸点的物质。炼制汽油和柴油的最简便的方法是利用其沸点不同直接分馏得到

2、。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 1.石油产品 组成石油产品的烃,按其化学结构不同,可分为烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃四种:(1)烷烃它属于脂肪烃,呈饱和的开链式结构,有直链和支链两种结构。直链烷烃热稳定性低,高温时易分解,自行发火的滞燃期短,是柴油燃料的主要成分。支链烷烃分子结构紧凑,高温下较稳定,抗爆性好,适合作汽油机的燃料。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 1.石油产品(2)烯烃烯烃也属于脂肪烃,呈不饱和的开链式结构。它比烷烃难自行发火,是汽油中抗爆性好的成分。但因为烯烃含有不饱和的双键,故常温下化学稳定性差,在长期贮存中易氧化成胶质。第一节发动机的燃料及使用特性

3、一、发动机的燃料 1.石油产品(3)环烷烃它是呈饱和的环状分子结构,不易分解,热稳定性与自燃温度都比直链烷烃高,环烷烃多的燃料适宜作汽油机的燃料。(4)芳香烃芳香烃是一种碳原子为环状结构的不饱和烃。其分子结构坚固,热稳定性好。在高温下不易破裂,化学安定性强,是汽油中的良好抗爆剂。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 2.醇类燃料 醇类燃料主要是指甲醇和乙醇。甲醇可从天然气、煤、工业尾气、木质纤维及垃圾等原料中制取,乙醇主要是含糖和淀粉成分的农作物经过发酵后制得。表5-1列出了常用液体燃料和气体燃料的物理化学性质的有关数据。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料第一节发动机的燃料及

4、使用特性一、发动机的燃料 2.醇类燃料 1)醇类燃料的低热值比石油燃料低,但其理论空燃比也小,故可通过加大燃料供给量,使二者混合气热值基本一样,从而保证发动机燃用醇类燃料时动力性不致降低。2)醇类的汽化潜热比石油燃料的要大得多,这会导致混合气形成及起动困难,使压缩终点缸内温度较低,着火延迟期延长,着火性能下降。另一方面则可以降低压缩功,并可能提高充气效率。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 2.醇类燃料 3)醇类的辛烷值比汽油高,在汽油机上使用时,可以提高发动机压缩比,有利于提高发动机的动力性和经济性。4)醇类的十六烷值太低,着火性能差,这使得在柴油机中燃用醇类燃料相当困难。5)醇的

5、沸点低,产生气阻的倾向大。6)甲醇有一定的毒性,对视神经有损伤,对金属有腐蚀,因此使用中应采取相应措施。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 3.天然气及液化石油气 天然气(NG)是以自由状态或与石油共生于自然界的可燃气体,它的主要成分是甲烷,另外还有少量的CO2、N2、H2S等非烃气体。液化石油气(LPG)是从含重烃成分较多的天然气中提取的,或在石油炼制过程中产生的石油气,其主要成分是丙烷、丁烷、丙烯和丁烯等重分子烃,在常温下容易被液化贮存。近年来世界上天然气燃料发展很快,已成为第三大支柱性能源。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 3.天然气及液化石油气 天然气(NG)是以

6、自由状态或与石油共生于自然界的可燃气体,它的主要成分是甲烷,另外还有少量的CO2、N2、H2S等非烃气体。液化石油气(LPG)是从含重烃成分较多的天然气中提取的,或在石油炼制过程中产生的石油气,其主要成分是丙烷、丁烷、丙烯和丁烯等重分子烃,在常温下容易被液化贮存。近年来世界上天然气燃料发展很快,已成为第三大支柱性能源。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 3.天然气及液化石油气 天然气燃料具有以下优点:1)辛烷值高达130,可采用高压缩比,获得较高的热效率。2)天然气的主要成分是甲烷,CO排放量少,未燃HC成分引起的光化学反应低。3)由于是气体燃料,低温起动性和低温运转性能良好,进而在

7、暖机过程中,不需要额外供气,不完全燃烧成分减少。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 3.天然气及液化石油气 天然气燃料具有以下优点:4)天然气是一种高燃点的轻量气体,在常温常压下,比汽油更安全。5)燃烧下限宽,稀燃特性优越,在广泛的运转范围内,可降低NOx生成,进而也可提高热效率。6)天然气燃料适用性好,可采用油气双燃料供气方式,也可采用单一天然气燃料供气方式工作。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 4.生物柴油 生物柴油又称为脂肪酸甲酯,是以植物和动物脂肪油为原料,与低碳醇(甲醇或乙醇)经酯交换反应后生成的C12C24的脂肪酸单烷基酯。生物柴油来源广泛,最常用的有大豆油、

8、菜籽油、棉籽油、棕榈油等农作物植物油,其次是动物油脂,废餐饮油也是一个重要来源。另外,我国近年来为了不影响食用油的有效供给,开发麻风树果油、黄连树果油以及橡胶籽油等野生植物油作为生物柴油的原料。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 4.生物柴油 生物柴油的分子量和主要性能与柴油接近,可以任意比例混兑在柴油中使用,或单独使用来代替柴油。同时具有无硫、无芳烃、十六烷值高、润滑性好、闪点高的特点,而且生物降解性好。由于生物柴油含氧10%(质量分数)左右,因而可以显著降低炭烟和微粒的排放。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 5.二甲醚(DME)二甲醚可以由煤、天然气等多种原料生产,在

9、常温常压下是一种无色有轻微醚香味的气体,在高压下为液体,饱和蒸气压力与液化石油气相似。二甲醚作为发动机替代燃料具有以下特点:1)二甲醚的十六烷值比轻柴油高,自燃温度比轻柴油低,因此它特别适合作为轻柴油的替代燃料使用。它的滞燃期短,有利于降低燃烧噪声和NOx排放。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 5.二甲醚(DME)2)二甲醚分子结构中没有CC键,只有CH键和CO键,且燃料中含有较大比例的氧,因此燃烧后生成的不完全燃烧产物和炭烟极少,发动机能采用较高的废气再循环率。3)二甲醚的汽化潜热约为柴油的1.6倍,有利于降低缸内最高燃烧温度,使NOx 排放量降低。第一节发动机的燃料及使用特性一

10、、发动机的燃料 5.二甲醚(DME)4)由于二甲醚的滞燃期短,预混合比例减少,扩散燃烧的比例增加,使得整个燃烧持续时间比柴油长。5)二甲醚存在热值低、密度小、黏度低、润滑性差、对橡胶有溶胀性等问题,所以柴油机要进行适当改造或改型设计才能使用二甲醚作为燃料。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 6.合成柴油 用含碳原料通过费托合成法制成的液体烃燃料,具有与石油基柴油相近的性质,称为合成柴油。根据原料不同可以分为以天然气为原料的气制油(GTL)、以煤为原料的煤制油(CTL)及以生物质为原料的生物制油(BTL)。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 7.氢气 氢气的来源主要是从水或矿

11、物燃料中制取。尽管氢气不像石油、天然气等有较大自然储量,但作为氢气来源的水资源却是极其丰富的,而且氢气燃烧后生产水,又可形成资源的快速循环。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 7.氢气 氢气的分子组成为H2,表5-2列出了氢气(H2)的主要物理化学特性。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 7.氢气 氢气作为内燃机燃料有下列特点:1)质量低热值高,是汽油低热值的2.73倍。但由于氢的相对分子质量小,重量轻,以致其标态体积热值只有10.80MJ/m3,与驰放气的体积热值相近(10.95MJ/m3)。2)着火界限很宽。在空气中燃烧的着火界限为4.1%75%,比汽油和柴油的着火界限

12、大很多,这就是说可以稀薄燃烧。这对于降低发动机部分负荷的燃油消耗率有重要意义。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 7.氢气 氢气作为内燃机燃料有下列特点:3)有很高的火焰传播速度。氢气的火焰传播速度高达2.91m/s,是汽油的7.72倍,比乙炔还高87%。这就说明氢气在汽油机中燃烧时抗爆性比汽油好。表5-3列出了一些燃料最大火焰传播速度的比较。4)点火能量较低。最小可以低到0.0130.020MJ,比汽油低得很多。所以,汽油掺氢燃烧后,其所需点火能量可以降低。第一节发动机的燃料及使用特性一、发动机的燃料 7.氢气 氢气作为内燃机燃料有下列特点:第一节发动机的燃料及使用特性二、燃料的使

13、用特性 1.柴油的使用特性 轻柴油用于高速柴油机,重柴油用于中、低速柴油机。对柴油机性能有重要影响的柴油性能指标如下。(1)十六烷值十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标,它直接影响柴油机工作的粗暴性和起动性。自燃性好的燃料,着火落后期短,在着火落后期内形成混合气少,着火后压力升高速度低,工作柔和。而且,对于自燃性好的燃料,冷起动性能也得到改善。第一节发动机的燃料及使用特性二、燃料的使用特性 1.柴油的使用特性(1)十六烷值柴油的十六烷值测定是在专门的单缸试验机上按规定条件进行的。试验时选用由十六烷和-甲基萘混合制成的混合液,十六烷容易自燃,将它的十六烷值定为100,-甲基萘不容易自燃,将其十六烷

14、值定为0。当被测柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时,则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种燃料的十六烷值。第一节发动机的燃料及使用特性二、燃料的使用特性 1.柴油的使用特性(1)十六烷值十六烷值过高或过低,均对燃烧不利。十六烷值过高,燃料分子量加大,使燃油蒸发性变差、黏度增加,导致燃烧不完全,经济性变差,排气冒黑烟。十六烷值太低,使柴油机工作粗暴,起动困难。一般高速柴油机采用十六烷值为4050的柴油,低速柴油机则采用十六烷值为3040的柴油。第一节发动机的燃料及使用特性二、燃料的使用特性 1.柴油的使用特性(2)馏程馏程是表示柴油蒸发性的指标,它是用燃油馏出某一百分比的温度范围来表示的

15、。燃料馏出50%的温度低,说明轻馏分多,蒸发性好,易于形成可燃混合气。90%和95%馏出温度标志柴油中所含重质成分的数量。90%和95%馏出温度高,标志着柴油中难蒸发的重馏分多,混合气形成困难,燃烧不及时、不完全。所以高速柴油机使用轻馏分多的柴油。但轻馏分过多,柴油机工作粗暴。第一节发动机的燃料及使用特性二、燃料的使用特性 1.柴油的使用特性(3)黏度黏度是燃料流动性的尺度,它影响柴油的喷雾质量。当其他条件相同时,黏度越大,雾化质量越差,燃油越不易与空气均匀混合,使燃烧不完全,燃油消耗率增加,排气冒烟。可是,由于喷油泵柱塞偶件用柴油润滑,所以柴油应具有一定的黏度。柴油黏度过低时,柱塞偶件磨损加

16、大,通过柱塞副的燃油泄漏也会增大。第一节发动机的燃料及使用特性二、燃料的使用特性 1.柴油的使用特性(4)凝点凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度,用于评价柴油低温流动性。燃油凝点的高低,影响燃油在内燃机中的正常使用和储运过程,因而是商品燃油的一个重要参数。我国柴油的牌号是以其凝点大小命名的。GB 191472013规定,车用柴油按凝固点不同划分为5、0、-10、-20、-35和-50六种牌号,分别应用于温度不低于8、4、-5、-14、-29和-44的环境。第一节发动机的燃料及使用特性二、燃料的使用特性 2.汽油的使用特性 汽油对汽油机性能有影响的主要性能指标是辛烷值、馏程。(1)辛烷值辛烷值

17、是表示汽油抗爆性的指标。燃料的抗爆性是指燃料对汽油机发生自燃现象(称为爆燃)的抵抗能力。汽油的辛烷值高,则抗爆性好,有利于提高发动机压缩比。第一节发动机的燃料及使用特性二、燃料的使用特性 2.汽油的使用特性(1)辛烷值燃料的辛烷值是在专门的单缸试验机上按规定条件进行测定的。测定时,用容易爆燃的正庚烷(辛烷值定为0)和抗爆性好的异辛烷(辛烷值定为100)的混合液与被测的汽油作比较。当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时,则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值。由于试验方法的不同,燃料辛烷值有马达法辛烷值和研究法辛烷值两种。我国车用汽油是以研究法辛烷值来标号的。第一节发

18、动机的燃料及使用特性二、燃料的使用特性 2.汽油的使用特性(2)馏程馏程是评价汽油蒸发性的指标。在汽油规格中,常用汽油的10%、50%、90%等馏分的馏出温度来评定。10%的馏出温度标志着起动性能。汽油机使用10%馏出温度低的汽油,容易起动。但此温度过低,会使汽油在输送管路中形成气阻,使发动机断火。第一节发动机的燃料及使用特性二、燃料的使用特性 2.汽油的使用特性(2)馏程 50%的馏出温度标志着汽油的平均蒸发性。它影响着发动机的暖车时间、加速性和工作稳定性。若温度低,可以使暖车时间缩短,并且当发动机由低负荷向高负荷过渡时,能够及时供给所需浓混合气,使发动机加速性能良好。90%的馏出温度标志着

19、燃料中含有难于挥发的重成分的数量。此温度低,表明燃料中重质成分少,挥发性好,有利于完全燃烧。第一节发动机的燃料及使用特性三、汽油、柴油的质量标准 制定世界燃油规范的目的是在全球范围内协调汽车燃油的质量要求和标准制定,反映汽车技术进步对燃油品质不断提高的要求。该规范在全球汽车行业以及石油化工行业产生的影响越来越大,在普及应用先进汽车排放控制技术的过程中起到了重要的保证作用。世界燃油规范按不同的排放控制要求将车用燃油分为四类,适用于排放控制要求越来越严格的市场,如从第一类到第四类依次适用于欧、排放法规的市场。第一节发动机的燃料及使用特性三、汽油、柴油的质量标准 1.对汽油的质量要求 对影响燃烧排放

20、特性及后处理技术应用的汽油品质参数含量进行了限制,包括硫、烯烃、芳香烃、苯、馏程和终馏点等。从第一类到第四类汽油,燃料中的硫含量、烯烃含量、芳香烃含量、苯含量整体呈下降趋势。二、三、四类汽油的馏程低于一类汽油。第一节发动机的燃料及使用特性三、汽油、柴油的质量标准 1.对汽油的质量要求 我国汽油质量的升级经历了5个阶段。第5阶段是21世纪初至今,曾依次颁布实施了“车用汽油”标准GB 179301999、GB 179302006、GB 179302011,到现行的“车用汽油”标准GB 179302013,分别满足国二、三、四(2014年1月1日)、五(2018年1月1日)排放法规对汽油品质的要求。

21、第一节发动机的燃料及使用特性三、汽油、柴油的质量标准 2.对柴油的质量要求 影响燃烧排放特性的柴油品质参数主要有硫含量、十六烷值、密度、馏程、芳烃等,随着柴油等级的提高,柴油的十六烷值增加,密度呈下降趋势,硫含量则大幅度下降,馏程呈下降趋势,芳烃含量减少。第一节发动机的燃料及使用特性三、汽油、柴油的质量标准 2.对柴油的质量要求 2009年发布了满足国三排放法规的标准“车用柴油”标准(GB/T 191472009)、2013年2月和6月分别颁布实施了“车用柴油()”标准(GB 191472013)、“车用柴油()”标准(GB 191472013)。2015年1月1日起执行国四车用柴油标准,20

22、18年起执行国五车用柴油标准。不同阶段汽车尾气排放标准对应配套油品中的硫含量(质量分数)见表5-4。第一节发动机的燃料及使用特性三、汽油、柴油的质量标准 2011年我国制定颁布了GB 2522011普通柴油,取代原有的GB 2522000轻柴油,规定到2013年6月30日前柴油中硫含量降低到0.2%,2013年7月1日后不大于35010-6(0.035%)。此标准适用于三轮汽车、低速货车、拖拉机、内燃机车、工程机械、船舶和发电机组等压燃式发动机。第二节燃烧热化学一、理论空气量L0 理论空气量L0是指1kg燃料完全燃烧所必需的最低空气量。理论空气量的计算是根据燃料中可燃成分完全燃烧的化学反应方程

23、式及燃料与空气的组成成分而进行的。发动机燃料的主要成分是碳、氢、氧,其他成分很少,可以略去不计。设1kg燃料中有gCkg的C,gHkg的H和gOkg的O,即 gC+gH+gO=1第二节燃烧热化学一、理论空气量L0 空气的主要成分是氧和氮。按质量计算空气中含氧量约为23.2%,含氮量约为76.8%;按体积计算含氧量为21%,含氮量为79%。燃料中的C、H完全燃烧的化学反应方程式分别是 C+O2=CO2H2+O2=H2O 按照化学反应的当量关系,计算出1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量L0为 L0=(kg/kg燃料)(5-1)或 L0=(kmol/kg燃料)(5-2)第二节燃烧热化学二、混合气浓度

24、的表示方法 1.过量空气系数 在发动机工作过程中,实际所供给的空气量往往并不等于理论空气量。将燃烧1kg燃料实际供给的空气量L与燃烧1kg燃料理论上需要的空气量L0之比称为过量空气系数,以来表示,即 =(5-3)当=1时称为化学计量比混合气,1时称为稀混合气。值的大小与发动机的类型、混合气形成方法、燃料种类、发动机工况和功率调节的方法有关。第二节燃烧热化学二、混合气浓度的表示方法 1.过量空气系数 是反映混合气形成和燃烧完全程度及整机性能的一个重要参数,应该在保证发动机经济性较高的前提下力求减少值。减少,对高速小型柴油机来说主要受燃烧完全程度的限制,在大型及增压柴油机中主要受热负荷的限制。柴油

25、机在全负荷时的一般数值如下:低速柴油机=1.82.0 高速柴油机=1.21.5 增压柴油机=1.72.2第二节燃烧热化学二、混合气浓度的表示方法 1.过量空气系数 在发动机工作过程中,实际所供给的空气量往往并不等于理论空气量。将燃烧1kg燃料实际供给的空气量L与燃烧1kg燃料理论上需要的空气量L0之比称为过量空气系数,以来表示,即第二节燃烧热化学二、混合气浓度的表示方法1.过量空气系数 当=1时称为化学计量比混合气,1时称为稀混合气。值的大小与发动机的类型、混合气形成方法、燃料种类、发动机工况和功率调节的方法有关。2.空燃比除了用表示混合气浓度外,还可用空气燃料比A/F来表示。第二节燃烧热化学

26、二、混合气浓度的表示方法2.空燃比 单位质量的燃料完全燃烧需要的理论空气质量与实际供给的空气质量之比,定义为燃空当量比,用?表示。国外更多地用燃空当量比?表示混合气浓度。三种混合气浓度参数之间的关系为第二节燃烧热化学三、燃烧前后工质物质的量变化及分子变化系数 1完全燃烧时的情况：(1)燃烧前混合气的数量对于汽油机,新鲜混合气由空气和燃料蒸气组成,若燃料分子量为mT,则1kg燃料形成的混合气量M1(kmol/kg燃料)为：M1=L0+(5-5)对于柴油机,因其是在压缩终点向气缸内喷入液体状态的柴油,体积不及空气体积的万分之一,可略去不计。故可认为燃烧前的工质是纯空气,即M1=L0(5-6)第二节

27、燃烧热化学三、燃烧前后工质物质的量变化及分子变化系数 1完全燃烧时的情况：(2)燃烧产物的数量在1的情况下,完全燃烧产物是由CO2、H2O及剩余的O2和未参与反应的N2组成。根据前面的化学反应方程式可知,燃烧后工质的数量M2(kmol/kg燃料)为 M2=L0+(5-7)第二节燃烧热化学三、燃烧前后工质物质的量变化及分子变化系数 1完全燃烧时的情况：(3)燃烧前后工质数量的变化燃烧前后工质数量的变化为M=M2-M1。对于汽油机,对于柴油机,由于1/mT很小,所以M是正值,即燃烧后分子数目增多。由M的计算式可知,M与无关,仅与gH、gO有关。在1的情况下,还有CO生成,燃烧前后工质数量的变化M比

28、完全燃烧时还大。第二节燃烧热化学三、燃烧前后工质物质的量变化及分子变化系数 2.分子变化系数 为了方便地比较燃烧前后工质物质的量的变化,引入分子变化系数的概念,用其表示工质物质的量的相对改变量。(1)理论分子变化系数燃烧后工质的物质的量M2与燃烧前工质的物质的量M1之比,称为理论分子变化系数,以0表示,即 0=1+(5-8)柴油机的0在1.031.05之间变化,汽油机的则在1.071.12之间变化。第二节燃烧热化学三、燃烧前后工质物质的量变化及分子变化系数 2.分子变化系数(2)实际分子变化系数由于气缸内燃烧后总要残留部分废气,考虑残余废气的影响时,燃烧后工质的物质的量与燃烧前工质的物质的量之

29、比,称为实际分子变化系数,以来表示。设1kg燃料燃烧后在气缸中留下的残余废气量为Mr(kmol),则1kg燃料燃烧后气缸中工质总量为M2=M2+Mr(kmol/kg燃料);1kg燃料燃烧前气缸中工质总量为M1=M1+Mr(kmol/kg燃料)。则 式中,为残余废气系数。第二节燃烧热化学四、燃料热值与混合气热值 1.燃料热值 1kg燃料完全燃烧所释放出的热量称为燃料的热值,单位为kJ/kg。在高温的燃烧产物中,水以蒸汽形式存在,水的汽化潜热不能被利用,只有待冷却之后才能释放出来。故将水的汽化潜热计算在内的燃料热值称为燃料的高热值,不包括水的汽化潜热的燃料热值称为燃料的低热值。发动机排气温度较高,

30、水的汽化潜热不能利用,因此,发动机应用燃料的低热值。第二节燃烧热化学四、燃料热值与混合气热值 2.混合气热值 可燃混合气的热值是指燃料的低热值h与单位燃料形成可燃混合气数量之比,以hm(kJ/kmol)表示,即 由此可见,当发动机排量和进气条件一定时,每循环加给工质的热量取决于单位可燃混合气的热值,即取决于燃料的热值和过量空气系数值,而不仅仅是燃料的热值。第三节燃烧的基础知识 以形成火焰为界面,将燃烧过程划分为着火阶段和燃烧阶段两部分。一、着火方式及着火机理 所谓着火,是指可燃混合气在一定的压力、温度和浓度条件下,其氧化反应速度突然加速,以至出现火焰的现象。1.着火方式 燃料和氧化剂混合形成可

31、燃混合气后,其着火方式有两种,即自然着火(通常简称自燃)和强迫着火(简称点燃或点火)。第三节燃烧的基础知识 一、着火方式及着火机理 1.着火方式 自燃是一定体积的可燃混合气被预热,在一定温度下混合气的反应速率会自动加速,急剧增大而产生火焰的现象。着火后,可燃混合气所释放的能量足以使燃烧过程自行继续下去,不需要外部供给任何能量。第三节燃烧的基础知识 一、着火方式及着火机理 1.着火方式 点燃是在可燃混合气内的某一局部用火源引燃相邻一层的混合气后形成的燃烧波自动地传播到混合气其余部分。显然,点燃包括用火源在局部引燃和随之而来的火焰传播两个阶段。所使用的点火热源可以是电火花、电热丝、炽热物体和点火火

32、焰等。第三节燃烧的基础知识 一、着火方式及着火机理 2.着火机理 对于发动机着火过程的解释迄今有两种理论,即热着火理论和链式反应着火理论。热着火机理指出,可燃混合气在充满燃烧容器后受热,使混合气达到一定温度,由于进行化学反应所释放的热量多于从容器壁面向外散失的热量,产生热量累积而使混合气的温度上升,这又促使混合气的反应速率增加,放出更多热量,不断相互促进,导致反应速率急剧加快而达到着火。第三节燃烧的基础知识 一、着火方式及着火机理 2.着火机理 链式着火机理指出,可燃混合气在外部能量的作用下,反应物中产生活性中心使反应继续下去,最重要的是出现分支反应使活性中心数目迅速增多,造成反应速率剧烈升高

33、达到着火。即使在等温条件下,也会由于活性浓度急剧增大而造成自发着火。第三节燃烧的基础知识 一、着火方式及着火机理 2.着火机理 着火过程具有以下两个特征:1)具有一定的着火温度T0,当反应系统达到该温度时,反应速率急剧增大而产生着火,反应系统的压力急剧上升,出现放热和发光等着火现象。2)从反应开始到系统达到着火温度T0之前,有一段感应期,通常称为着火延迟期。在着火延迟期内,反应速率很缓慢,可燃混合气组分的浓度、温度及压力都变化不大。第三节燃烧的基础知识 一、着火方式及着火机理 3.烃类燃料的燃烧氧化反应 2)在通常燃烧反应条件下,支链反应是烃燃料氧化反应的主要特点之一。在反应过程中生成一些中间

34、产物,它们能在反应中生成惰性产物或自由基,使反应的活性中心增加而使反应速度加快。这些中间产物主要是一些过氧化物、过氧化氢和醛类物质等。第三节燃烧的基础知识 一、着火方式及着火机理 3.烃类燃料的燃烧氧化反应 3)在通常的压力、温度范围内,反应中产生的甲醛温度在573693K以上时会发出微弱的亮光,因这时反应尚未完全达到火焰温度,这一现象称为冷焰。冷焰过后反应被加速,有蓝色火焰闪过后就着火。第三节燃烧的基础知识 一、着火方式及着火机理 3.烃类燃料的燃烧氧化反应 4)上述的氧化特点称为低温多阶段着火。在较高温度下,着火过程会不经过冷焰而直接进入蓝焰阶段,蓝焰阶段持续较短,反应释放出的大量热量形成

35、高温热焰,即燃烧开始。由于这两个阶段很短,很难区分,因此称为高温单阶段着火。柴油机的压缩着火和汽油机的爆燃具有低温多阶段着火的特点;而汽油机的火花点火和柴油机着火后喷入气缸内的燃料着火具有高温单阶段着火的特点。第三节燃烧的基础知识 二、燃烧方式 所谓燃烧,是指燃料与氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。燃烧过程中往往伴有复杂的传热、传质、化学反应和流动现象。燃烧可分为气相燃烧和固相燃烧。气相燃烧是指燃料以气体状态与空气混合所进行的燃烧。固相燃烧是指固体燃料没有挥发而在表面与空气燃烧。内燃机中,汽油和柴油尽管都是液体燃料,但燃烧是以气相方式进行的。第三节燃烧的基础知识 二、燃烧方式 气相燃烧可分为预

36、混合燃烧和扩散燃烧两类。预混合燃烧是指着火前燃料气体或燃料蒸气与氧化剂(空气)已按一定比例形成混合气。扩散燃烧是指着火前燃料与氧化剂(空气)是相互分开的,着火后燃料边蒸发边与空气混合边燃烧。内燃机中所有燃烧都属于这两类燃烧中的某一类或两类燃烧的组合。例如,汽油机和气体燃料发动机的燃烧属于预混合燃烧方式;而柴油机的燃烧基本属于扩散燃烧方式,但其燃烧初期有不同程度的预混合燃烧。第三节燃烧的基础知识二、燃烧方式两种燃烧方式的主要特点对比如下:1)扩散燃烧时,由于燃料与空气边混合边燃烧,因而燃烧速度取决于混合速度;预混合燃烧时,因燃烧前已均匀混合,因而燃烧速度主要取决于化学反应速度,即取决于混合气温度

37、和过量空气系数。2)扩散燃烧时,为保证燃烧完全,一般要求过量空气系数1.2,并且在总体的6.8(相当于空燃比大于100)的条件下也能稳定燃烧;而预混合燃烧时,一般=0.81.2,可燃混合气浓度范围小,难以稀燃。第三节燃烧的基础知识二、燃烧方式3)扩散燃烧时,混合气浓度和燃烧温度分布极不均匀,易产生局部高温缺氧现象,生成炭烟;而预混合燃烧时,由于混合均匀,一般不产生炭烟。4)扩散燃烧时,由于有炭烟产生,碳粒的燃烧会发出黄或白色的强烈辐射光,因此也称为有焰燃烧;而预混合燃烧时,无碳粒燃烧问题,火焰呈均匀透明的蓝色,因此也称为无焰燃烧。5)预混合燃烧由于燃前已形成可燃混合气,有回火的危险;而扩散燃烧一般无此危险。