燃烧的基础知识

第四章燃烧的基础知识本章要求：了解：石油的组成，燃料的性能。理解：燃烧值与发热值，燃烧的化学过程，发动机混合气的着火和燃烧方式。第一节内燃机的燃料和性质石油的主要成分：碳氢化合物，占96%~99%，少量O、N、S等，占1%~4%碳氢化合物简称“烃”，据组成和结构的不同分烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等，C和H的不同构成不同分子量、不同沸点的物质，汽油和柴油通过石油蒸馏获得。一、汽油的使用特性1.蒸发性指标：馏程和蒸汽压馏程：汽油馏出的温度范围10%的馏出温度：低，冷启动性好；过低，易气阻。50%的馏出温度：低，平均挥发性好，汽车的加速性和平稳性好，暖机时间短。90%的馏出温度：标志含有难挥发的重质成分。高，则重质成分多，易形成积炭，从而稀释机油。蒸汽压：高，蒸发性强，易起动，但易气阻和蒸发损失大。夏季不大于67KPa，冬季不大于80KPa。2.抗暴性指标：辛烷值—ON正庚烷C7H16—辛烷值定为0异辛烷C8H18—辛烷值定为100二者混合液与汽油的爆燃程度进行比较—汽油的辛烷值，即混合液中异辛烷的体积百分数研究法辛烷值—RON马达法辛烷值—MON二者之差为汽油的灵敏度，是衡量抗暴性随着燃烧条件而变化的尺度。MON=RON×0.8+10车用汽油按MON分70、75、80、85号4种牌号新标准按RON分90、97号2个牌号3.添加剂抗暴剂：四乙基铅+溴化乙烷四乙基铅已被禁止使用，现用一些含氧有机化合物，如甲基椒丁醚(MTBE)等来提高汽油的辛烷值二、柴油的使用特性轻柴油—高速柴油机重柴油—中、低速柴油机1.凝点和浊点浊点：柴油中所含石蜡开始结晶，变混浊的温度凝点：柴油失去流动性开始凝结的温度轻柴油按凝点分10、0、-10、-20、-35号5个牌号2.十六烷值CN评价柴油着火性能的指标十六烷C16H34—十六烷值定为100，易自燃-甲基萘—十六烷值定为0，不易自燃二者混合液与柴油的自燃性比较，混合液中十六烷的体积百分数为柴油的十六烷值。车用柴油的CN：40~603.残炭残炭值：无空气通入的情况下，柴油加热生成碳值残渣的性质。是燃料中胶质和不稳定化合物的间接指标残炭值高，易产生大量积炭4.灰分柴油燃烧剩余物—有机酸和无机盐类5.含硫量燃料中的硫和硫化物，燃烧生成二氧化硫、亚硫酸或硫酸6.机械杂质和水分造成磨损、堵塞、锈蚀二、代用燃料第二节燃油的燃烧一、燃油完全燃烧的化学反应用gc、gh、go分别表示每千克燃油中C、H、O的千克数，则：gcghgo汽油0.8550.1450.0柴油0.8700.1260.004对C：C+O2=CO2gckg(C)+8/3gckg(O2)=11/3gckg(CO2)对H：H2+1/2O2=H2Oghkg(H2)+8ghkg(O2)=9ghkg(H2O)二、理论空气量定义：1kg燃油完全燃烧所需的空气量，用LO表示。单位为[kg/kg]。在每千克燃油中，含有gokg的氧，所以每千克燃油完全燃烧时需要供应的氧为：8/3gc+8gh-go[kg]所以：LO=1/0.23（8/3gc+8gh-go）[kg/kg]汽油的理论空气量为14.７kg/kg，柴油的理论空气量为14.３kg/kg。三、过量空气系数定义：发动机工作过程中，1kg燃油实际供给的空气数量L与理论空气量L0之比值。用α表示：α=L/L0α=1时为理论混合气,α1时为浓混合气,α1时为稀混合气。α=0.9，功率混合气；α=1.1，经济混合气。四、燃油和可燃混合气的热值1．燃油的热值：每千克燃油完全燃烧所放出的热量。用Hu表示,[KJ/kg]。2．混合气的热值：每千克混合气完全燃烧放出的热量。用Hm表示,[kJ/kg]。Hm=Hu/（1+αLO）一般混合气的热值均指理论混合气的热值。第二节发动机混合气的着火发动机混合气的燃烧，本质上是燃油激烈的氧化反应。根据氧化反应进行的激烈程度不同，燃烧分为两个阶段：着火与燃烧。着火是燃烧的物理和化学准备阶段。物理准备：燃料的雾化、蒸发、与空气形成可燃混合气等化学准备：焰前的缓慢氧化反应。速度很低，压力和温度无明显升高。此过程逐渐积累热量或形成活化中心。活化中心—在压缩终了高温作用下，燃油分子分裂成大量自由原子或自由基（如H、O、CH、OH等），它们具有很强的反应能力。燃烧是氧化反应加速至激化的结果。进入燃烧有两种方法：点燃—利用点火系向可燃混合气增加能量自燃—利用自身积累的热量或活化中心着火点燃是在局部混合气内进行的，自燃是在全部混合气内同时发生的。发动机内的燃烧过程经历三个基本步骤：1）燃油与空气形成可燃混合气2）点燃可燃混合气，或可燃混合气发生自燃。3）火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃烧按化学动力学的观点分：热自燃和链锁自燃机理（一）热自燃（或热爆）定义：若化学反应所释放的热量大于散失的热量，混合气的温度升高，进而促进混合气的反应速率和放热速率增大，这种相互促进，最终导致极快的反应速率而着火。气体分子要进行化学反应需要相互碰撞，碰撞分子所具备一定大小的能量，称为反应活化能。活化分子—能量超过活化能的分子一、着火机理能保证着火的缸内最低温度、压力称为着火临界温度和着火临界压力。着火临界线在一定P0下，只要外界温度低于T0，混合气不会发生热爆；在一定T0下，只要压力低于P0，也不会发生热爆。图4-2着火临界线着火临界温度和着火临界压力发动机能否着火，取决于着火阶段有无热量积累，累，氧化反应能否自动加速。（二）链锁反应(链爆炸)反应自动加速不一定要依靠热量的积累使大量分子活化，通过链锁反应逐渐积累活化中心的方法也能使反应自动加速，直至着火。链锁反应：其中一个活化作用能引起很多基本反应，即反应链。链锁反应的过程：链引发→链传播→链中断链引发：反应物分子分解为自由原子或自由基，形成活化中心。链传播：反应进一步推进，生成新的自由原子或自由基。直链反应—一个活化中心与反应物作用产生一个新的活化中心，反应以恒速进行。支链反应—一个活化中心引起的反应，同时生成两个以上的活化中心，反应速度急剧增长。链中断:具有反应能力的自由原子或自由基与冷的壁面或惰性气体碰撞,使反应能力减小。例如：氢的燃烧化学方程：2H2+O2→2H2O实际过程是：链引发：H2→2H链传播(链爆炸)：H+O2→OH+OO+H2→OH+H2OH+H2→2H2O+2H链中断：H+H+M→H2+M（M是惰性气体分子）H+OH+M→H2O+MH+O+M→OH+M•混合气的着火往往不是单一机理进行，二者机理同时存在相互促进。•一般说，在高温下以热爆炸为主，在低温下以链爆炸为主。二、发动机混合气的着火1、柴油机图4-1低温多级着火过程柴油机的着火为压燃式的低温多级着火柴油机着火过程：喷油t1+冷焰t2+蓝焰t3→热焰喷油—进行物理化学准备，温度较高处开始缓慢氧化，压力没有明显变化。喷油时缸内温度为500~700℃，不能裂解出链反应所需的自由原子或自由基。经历时间为t1。冷焰—热量有初步积累但较慢，反应开始加剧，产生醛类和有机化合物等中间产物。当刚达到临界温度时，出现淡青色火焰，其热量不多。经历时间为t2，此时的反应为一级反应。蓝焰—热量积累较多，链节活化中心较多，出现蓝色火焰。缸内温度和压力明显升高。经历时间为t3，此时的反应为二级反应。t1+t2+t3为着火延迟期热焰—热量和活化中心同时大量积累，反应将激烈进行，在极短的时间内产生热爆炸，出现桔黄色热火焰，即产生自燃。热火焰的出现称为三级反应。2、汽油机燃油与空气的均匀混合气受到压缩，由于压缩比较小，压缩终了的温度、压力较低，不能自行着火，需要借助于火花塞点火来实现着火。汽油机在压缩过程已进行一定的化学反应，火花塞跳火，其电极附近混合气温度急剧上升，同时马上出现好多活化中心（OH、CH），并迅速开展自行加速的链反应，在很短时间内出现桔黄色火焰（热焰）。在出现热火焰之前，看不到明显的几个不同级的化学反应。汽油机的着火为点燃式的高温单级着火过程。1、同时爆炸燃烧均匀可燃混合气在燃烧室内的燃烧前后一瞬间，燃烧室内只有一个相。燃烧前的可燃混合气相和燃烧后的燃烧产物相。三、发动机的燃烧方式2、预混合燃烧过量空气系数是一个常数。燃烧传播到整个燃烧室内，燃烧室内压力基本一致，而温度各不相同。燃烧其间，燃烧室存在未然混合气和燃烧产物两个相。3、扩散燃烧混合气的过量空气系数各处不同，自燃后，空气和燃料从各个方向连续导入。为防止燃烧产物将燃料与空气隔开，需要组织空气与燃料的相对运动（一般采取措施使空气产生涡流运动）。燃烧其间。燃烧室同时存在可燃气体、空气和燃烧产物三个相。汽油机的点火燃烧是预混合燃烧柴油机的初始燃烧基本属于预混合燃烧，后期属于扩散燃烧。