汽车发动机原理第三章燃烧学基础.ppt

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1、,第3章 燃烧学基础,3.1 发动机的燃料,汽油主要由511个碳原子的烷烃、环烷烃和烯烃组成，其沸点都在205以下。柴油是沸点170370的烃类混合物，通常从原油中分馏出来之后，即可直接使用。汽油的主要性能有抗爆性、蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清净性等。抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力。,汽油,马达法辛烷值（MON）是以较高的混合气温度（一般加热至149）和较高的发动机转速（一般达900r/min）的苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷值。它表示汽油在发动机常用工况下低速运转时的抗爆能力。研究法辛烷值（RON）是以较低的混合气温度（一般不加热）和较低的发动机转速（一般

2、在600r/min）的中等苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷值。它表示汽油在发动机重负荷条件下高速运转时的抗爆能力。抗爆指数（MON+RON）/2。,现在常用的抗爆添加剂有甲基叔丁基醚(methyl-t-butyl ether，MTBE)、乙基叔丁基醚(ethyl-t-butyl ether，ETBE)、甲醇、乙醇等。汽油的蒸发性用汽油蒸发量为10、50、90和100时所对应的温度来评定。分别称为10馏出温度、50馏出温度、90馏出温度和干点。汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质不发生长久性变化的能力称为氧化安定性。,汽油,由美国汽车制造商协会（AAMA）和欧洲汽车制造商协会（ACE

3、A）以及日本汽车制造商协公（JAMA）共同发起制定一个世界燃料规范。这个规范主要是汽车制造商针对环保要求对汽车燃料提出的基本要求，参加该标准制订的成员包括了世界上所有主要的汽车制造商。,汽油,3.1.2 柴油,柴油的自燃性常用十六烷值来评定。柴油的自燃性是与一种标准燃料进行比较来加以评定的。标准燃料是正十六烷和-甲基萘的混合物。硫天然地存在于原油中，柴油中的硫明显地增加排气中的微粒物。我国用于汽车的轻质柴油按凝点分为10、0、-10、-20、-35、-50号共6个牌号。如10号柴油，其凝点不高于10。,3.1.3 代用燃料,汽油、柴油习惯上被称为汽车发动机的常规燃料，而其余则叫做代用燃料。代用

4、燃料能否在汽车上得到应用，受到其理化特性、安全与环保特性、价格、供给等因素的影响。天然气可以用压缩天然气CNG(Compressed Natural Gas)、液化天然气LNG(liquefied Natural Gas)和吸附天然气技术ANG(Adsorbed Natural Gas)或水合物(Hydrate)的方式在汽车发动机中加以利用，其中CNG的利用方式采用的最多。,天然气的研究法辛烷值为130，十六烷值为零，只能点燃不能压燃。燃料分子中的碳原子数少，单位发热量的CO2排出量比较少，这对减少地球温室效应很有帮助。由于排放物中的未燃HC是甲烷，所以产生光化学烟雾的可能性小。但排放物中的甲

5、醛含量比汽油、柴油都要高。,3.1.3 代用燃料,丰田公司5SFNE型天然气发动机的燃料供给系统,3.1.3 代用燃料,混合器式LPG发动机燃料系统图,3.1.3 代用燃料,天然气和液化石油气燃料特点比较：a)天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，但理论混合气热值比汽油低，液化石油气则介于汽油和天然气之间。b)抗爆性能高。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的研究法辛烷值为130，液化石油气的研究法辛烷值为100110。c)混合气发火界限宽。天然气与空气混合气有很宽的着火界限，其过量空气系数的变化范围为，d)天然气和液化石油气比汽油的着火温度高，传播速度慢，因此需要较高的点火能量。,3.1.3 代

6、用燃料,醇类燃料主要是指甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)，它们都是分子量较小的单质，燃烧产物中基本没有碳烟，NOx的排放浓度也很低，是一种低污染性燃料。甲醇(或乙醇)与汽油的混合燃料称为甲醇(或乙醇)汽油或称汽醇。按照醇在燃料中所占的体积分数，甲醇汽油习惯上称为Mx(x为甲醇的体积分数)，如M5(指甲醇5%)、M10(含甲醇10%)、M85(含甲醇85%)等，乙醇汽油习惯上称为Ex(x为乙醇的体积分数)，如E10(含乙醇10%)、E20(含乙醇20)%等。,3.1.3 代用燃料,当点燃式内燃机使用纯醇类燃料时，需进行一系列设计修改：a)混合气的形成装置须与醇类燃料热值较低、所需的空气量

7、较少相适应；b)醇类燃料的辛烷值高，应采用高压缩比；c)选择合适的火花塞和火花塞间隙；d)采取措施解决冷起动不良，如：辅助喷射；电加热；火焰起动装置；热分解燃油；催化分解燃油；增加点火能量；促使燃油雾化；在燃油中添加低沸点添加剂等。,3.1.3 代用燃料,二甲醚DME(Dimethyl Ether)是重要的化工原料，化学分子式为CH3-O-CH3。它与甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)一样是含氧燃料，即分子结构中含有氧原子。含氧燃料燃烧时需要的空气少，易充分燃烧，基本不产生碳烟。二甲醚的十六烷值为5560，一般柴油的只有4055，二甲醚的着火温度为235，低于柴油的250，着火性能优于柴

8、油。,3.1.3 代用燃料,3.1.4 燃料特性引起的发动机工作模式上的差异,1.混合气形成方式的差异2.着火、燃烧模式的差异3.负荷调节方式的差异汽油机、柴油机工作模式的差别，既与燃料特性有关，也取决于当时科技发展水平，不是绝对不变。,汽油、柴油机c随负荷的变化曲线,3.2 燃烧热化学,1 kg燃料完全燃烧所需的理论空气量为,几种主要液体燃料的成分、热值及理论空气量,3.2.1 1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量,3.2.2 化学反应速度,在均相反应中，一般以单位时间、单位体积中反应物组分的减少或生成物组分的增加来定义反应速率。对于定量系统，物质浓度的变化与其化学计量系数成正比式中，代表系统

9、的化学反应速率，其数值是唯一的。,3.2.3 质量作用定律,基元反应：反应物分子在碰撞中一步转化为产物分子的反应。复杂反应：实际反应往往不是反应分子经简单的碰撞即能发生的，而是经过若干简单反应（基元反应）步骤最后转化为产物分子。质量作用定律：对于单相基元反应，反应速度与反应物浓度的幂乘积成正比，其中各浓度的幂为反应方程中各组成成分的化学计量系数。,3.2.4 化学平衡常数及其计算,化学平衡常数：化学反应达到平衡时，反应物和生成物浓度（或分压）之间存在一定的比例关系称为化学平衡常数。,浓度表示的化学平衡常数：,Kp为用分压力表示的平衡常数,例1 H2和过剩100%的空气进行下列燃烧反应，已知此反

10、应在p=1 atm，T=2000 K时的平衡常数Kp=3.495，试求此时平衡混合物的组成。解：由 知nH2O、nH2、nO2分别为平衡时H2O、H2、O2物质的量。,由于空气中含有N2，同时考虑空气的过剩，实际的反应式为：H2+O2+3.76N2 xH2+yO2+zH2O+3.76N2(空气中氮气与氧气的摩尔成分约为)根据H和O原子系数平衡条件，即方程两边氢原子系数相等：2=2x+2z方程两边氧原子系数相等：2=2y+z=2y+(1-x)即 z=1x，y=(1+x)/2，可以得出平衡时的反应物和生成物的物质的量为,带入Kp的表达式：利用试凑法（或用计算机数值求根）可求得 x=0.38，y=0

11、.69，z=0.62，方程式为：,3.2.5 反应速率的碰撞原理,活化能E：能打破化学链产生化学反应的分子所必需具备的最低能量。大于活化能的分子数，叫活化分子数。阿累尼乌斯定律：1889年，阿累尼乌斯由实验得出了基于反应速率常数和温度的定量关系式中，k0为碰撞频率因子；E为活化能化学反应产生热量，使温度上升，而温度上升又加快了反应速率，导致放出更多的热量，这种互为促进，最终产生剧烈的化学反应，称之为热爆炸。,3.2.6 链锁反应,1)链引发2)链传递链传递是链反应的主体。自由原子或自由基等活泼粒子称为“链的传递物”或“链载体”。3)链终止自由原子与惰性分子M相撞或与器壁相撞，均可失去能量而自由

12、相结合变为一般分子，从而使链传递中断。前者称为“空间中断”，后者称为“器壁中断”。,链锁反应分为直链反应与支链反应两大类。1)直链反应：一个自由原子或自由基（称为链载体）与原物质反应，其结果生成了产物，同时产生了一个新的链载体，新的载体与原物质反应又产生了一个载体。在链反应中，链载体数目不变，称为直链反应。2)支链反应：一个载体参加反应后生成两个或多个新的载体，使载体数不断增多，反应速率自动加速，称为支链反应。,3.2.6 链锁反应,链锁反应具有爆炸的特点。所谓“爆炸”，是一种非常迅速的能自行维持的化学反应。温度和压力对分支链反应的影响，可由“爆炸界限图”表示出来。,3.2.6 链锁反应,链锁

13、反应的特点：1）反应速度不仅取决于初始的反应物和最终产物的浓度，而且取决于中间产物的浓度，这些中间产物是反应的活化来源，但反应前和反应后都不存在。2）在等温条件下反应速度随时间变化的规律与双分子反应不同。3）链锁反应对其他物质的存在非常敏感，如惰性气体的存在能阻止器壁中断，增加空间中断；抑制剂可更快地与活性物质起作用，故能抑制链传播等。4）链反应对器壁面积与容积之比，亦即容器形状很敏感。,3.2.6 链锁反应,3.3 化学反应的热效应,Q=U2 U1+WevWev表示定温-定容反应时所得到的非体积功。Q=H2H1+WepWep表示定温-定压反应时所得到的非体积功。是根据热力学第一定律得出，对于

14、可逆与不可逆反应都是适用的。,3.3.2 热效应,物系发生化学反应（包括燃料的燃烧反应）时物系不做有用功，这时反应吸收或放出的热量，称为化学反应的热效应。在定温、定容条件称为定容热效应，以符号QV表示 在定温、定压条件称为定压热效应，以符号QP表示稳定单质或化学元素在定压下化合成1 mol化合物时的反应热效应，称为该化合物的生成焓。反之，1 mol化合物分解成单质时的反应热效应称为化合物的分解焓。,3.3.4 热效应与绝热理论燃烧温度的计算,某些化合物或元素在任意温度下，进行单位反应，定压反应热效应等于反应前后产物的焓差，这个焓差称为反应焓H。定压反应热效应示意图,Q=HPr HRe=H 式中

15、HRe是反应物的总焓，HPr是生成物的总焓。标准反应焓与生成物和反应物的焓之间的关系,3.3.4 热效应与绝热理论燃烧温度的计算,3.3.5 绝热理论燃烧温度,假定燃料在燃烧时为理想的完全绝热燃烧，燃烧所产生的热量全部用以加热燃烧产物本身，用以提高其温度。这时燃烧产物最后达到的温度称为绝热理论燃烧温度，以Tad表示。,由于不可能完全绝热、化学反应也不可能完全理想、化合物在高温时要分解等原因，实际上所能达到的绝热燃烧温度多少总是低于计算所得到的绝热理论燃烧温度。,例2 甲烷在一个大气压下与2倍于理论空气量的空气完全燃烧，设燃烧前燃料和空气都为298K，试求绝热理论燃烧温度T。解：该燃烧反应的化学

16、反应方程式为：CH4+4O2+43.76N2CO2+2H2O(g)+2O2+43.76N2查表得生成焓数值代入，得,因为,查表得热焓值计算Hm和Hb，得,整理得,最后用试算法确定绝热理论燃烧温度T。因为燃烧产物中氮气比例最大，占了约75%，所以第一个试算值可按全部燃烧产物都是氮气来估算，这时,按此值查表，T约为1550K，但因为燃烧产物中有三原子气体H2O和CO2，热焓值都比氮气大，故就以1500K来试算。结果式(c)等号左边为993639kJ（见下表），比右边大；再用1480K来试算，式(c)的等号左边为978727kJ，近似与右边相等。所以绝热理论燃烧温度为1480K。,3.4 燃料电池,燃料电池(Fuel Cell简称FC)是一种将储存在燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转化成电能的发电装置。依据燃料电池电解质的不同，可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等五类。燃料电池的燃料有氢气、甲醇和汽油三种。,3.4.1 燃料电池的工作原理,燃料电池在不同电解质时，内部电化学反应的示意图,