第4章-燃料與燃燒化學

1、第四章第四章 燃料與燃燒化學燃料與燃燒化學王海偉王海偉西北工業(yè)大學機電學院西北工業(yè)大學機電學院2主要內容主要內容 第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)動機的燃料發(fā)動機的燃料 第二節(jié)第二節(jié) 代用燃料及其應用代用燃料及其應用 第三節(jié)第三節(jié) 燃燒化學燃燒化學 第四節(jié)第四節(jié) 燃燒的基本理論燃燒的基本理論3第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)動機的燃料發(fā)動機的燃料 石油燃料石油燃料（汽油、柴油） 代用燃料代用燃料 （醇類、氣體） 汽油的主要性能有：抗爆性、蒸發(fā)性、抗爆性、蒸發(fā)性、氧化安定性、抗腐蝕性及清凈性。氧化安定性、抗腐蝕性及清凈性。一、汽油一、汽油41、抗爆性、抗爆性 汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在發(fā)動機氣缸內燃燒時抵抗是指汽油在發(fā)

2、動機氣缸內燃燒時抵抗爆燃的能力。爆燃的能力。 汽油的抗爆性用汽油的抗爆性用來表示。辛烷值越高，其抗來表示。辛烷值越高，其抗爆性越好。爆性越好。 測定汽油的辛烷值有不同的試驗方法，常用的為測定汽油的辛烷值有不同的試驗方法，常用的為與與。 5 馬達法辛烷值（馬達法辛烷值（MON）是以較高的混合氣溫度）是以較高的混合氣溫度 （一（一 般加熱至般加熱至149）和較高的發(fā)動機轉速（一般達）和較高的發(fā)動機轉速（一般達900rpm）的苛刻條件為其特征的實驗室標準發(fā)動機）的苛刻條件為其特征的實驗室標準發(fā)動機測得的辛烷值。它表示汽油在發(fā)動機常用工況下低測得的辛烷值。它表示汽油在發(fā)動機常用工況下低速運轉時的抗爆能

3、力。速運轉時的抗爆能力。 研究法辛烷值（研究法辛烷值（RON）是以較低的混合氣溫度）是以較低的混合氣溫度 （一（一 般不加熱）和較低的發(fā)動機轉速（一般在）的中等般不加熱）和較低的發(fā)動機轉速（一般在）的中等苛刻條件為其特征的實驗室標準發(fā)動機測得的辛烷苛刻條件為其特征的實驗室標準發(fā)動機測得的辛烷值。它表示汽油在發(fā)動機重負荷條件下高速運轉時值。它表示汽油在發(fā)動機重負荷條件下高速運轉時的抗爆能力。的抗爆能力。 馬達法辛烷值（馬達法辛烷值（MON）低于研究法辛烷（）低于研究法辛烷（RON）。）。一般采用研究法辛烷值來確定汽油的抗爆性。如要一般采用研究法辛烷值來確定汽油的抗爆性。如要比較全面表示抗爆性時，

4、同時標出比較全面表示抗爆性時，同時標出RON和和MON值。值。62 2、蒸發(fā)性、蒸發(fā)性 液態(tài)汽油汽化的難易程度稱為汽油的液態(tài)汽油汽化的難易程度稱為汽油的蒸發(fā)性蒸發(fā)性。 汽油的蒸發(fā)性越強，越容易汽化，要求汽油必須具汽油的蒸發(fā)性越強，越容易汽化，要求汽油必須具有有良好的蒸發(fā)性良好的蒸發(fā)性。但蒸發(fā)性也不能太強，否則易形。但蒸發(fā)性也不能太強，否則易形成供油系成供油系“氣阻氣阻”，甚至發(fā)生供油中斷現(xiàn)象。，甚至發(fā)生供油中斷現(xiàn)象。 蒸發(fā)性很弱的汽油，難以形成良好的混合氣，這樣蒸發(fā)性很弱的汽油，難以形成良好的混合氣，這樣不僅會造成發(fā)動機起動困難、加速緩慢，而且未氣不僅會造成發(fā)動機起動困難、加速緩慢，而且未氣化

5、的懸浮油粒還會使發(fā)動機工作不穩(wěn)定，油耗上升。化的懸浮油粒還會使發(fā)動機工作不穩(wěn)定，油耗上升。如果未燃盡的油粒附著在氣缸壁上，還會破壞潤滑如果未燃盡的油粒附著在氣缸壁上，還會破壞潤滑油膜，甚至竄入曲軸箱稀釋潤滑油，從而使發(fā)動機油膜，甚至竄入曲軸箱稀釋潤滑油，從而使發(fā)動機潤滑遭破壞，造成機件磨損增大。潤滑遭破壞，造成機件磨損增大。7 汽油的蒸發(fā)性用汽油蒸發(fā)量為汽油的蒸發(fā)性用汽油蒸發(fā)量為10、50、90和和100時所對應的溫度來評定。時所對應的溫度來評定。 用用10餾出溫度低，汽油的起動品質越好。餾出溫度低，汽油的起動品質越好。 50餾出溫度低，說明汽油的中間餾分容易蒸發(fā)，餾出溫度低，說明汽油的中間餾

6、分容易蒸發(fā)，有利于汽油機的加速和由冷的狀態(tài)很快轉入工作狀有利于汽油機的加速和由冷的狀態(tài)很快轉入工作狀態(tài)。態(tài)。 90餾出溫度高，表明汽油中不易蒸發(fā)的重質含量餾出溫度高，表明汽油中不易蒸發(fā)的重質含量多。汽油中這些重質成分在混合氣形成的過程中很多。汽油中這些重質成分在混合氣形成的過程中很難蒸發(fā)，它們附著在進氣管和氣缸壁上，將增加燃難蒸發(fā)，它們附著在進氣管和氣缸壁上，將增加燃油消耗、稀釋氣缸壁上的潤滑油和加大氣缸磨損。油消耗、稀釋氣缸壁上的潤滑油和加大氣缸磨損。83 3、氧化安定性氧化安定性 汽油抵抗大氣或氧氣的作用而保持其性質不發(fā)生汽油抵抗大氣或氧氣的作用而保持其性質不發(fā)生長久性變化的能力稱為長久性

7、變化的能力稱為氧化安定性氧化安定性。 汽油氧化安定性影響汽油的儲存、運輸和應用。汽油氧化安定性影響汽油的儲存、運輸和應用。安定性差，易發(fā)生氧化、縮合和聚合反應，生成安定性差，易發(fā)生氧化、縮合和聚合反應，生成酸性物質和膠狀物質，將導致燃料供應系統(tǒng)堵塞，酸性物質和膠狀物質，將導致燃料供應系統(tǒng)堵塞，氣門關閉不嚴，氣缸散熱不良，增大爆燃傾向。氣門關閉不嚴，氣缸散熱不良，增大爆燃傾向。 氧化安定性評定項目氧化安定性評定項目：(1)實際膠質實際膠質；(2)誘導期誘導期。蒸發(fā)殘留物越多，質量越差；誘導期越長，安定蒸發(fā)殘留物越多，質量越差；誘導期越長，安定性越好。性越好。94 4、清凈、清凈性性 由于汽油中不

8、穩(wěn)定化合物存在，噴射式汽油發(fā)動由于汽油中不穩(wěn)定化合物存在，噴射式汽油發(fā)動機在機在進氣系統(tǒng)進氣系統(tǒng)和和噴油器噴油器上易產(chǎn)生沉淀。上易產(chǎn)生沉淀。 加入加入汽油清凈劑汽油清凈劑可使進氣系統(tǒng)保持清潔。它是一可使進氣系統(tǒng)保持清潔。它是一種具有清凈、分散、抗氧、破乳和防銹的多功能種具有清凈、分散、抗氧、破乳和防銹的多功能復合添加劑，一般是聚烯胺和聚醚胺類化合物。復合添加劑，一般是聚烯胺和聚醚胺類化合物。 汽油清凈劑的研發(fā)從汽油清凈劑的研發(fā)從20世紀世紀50年代開始至今已經(jīng)年代開始至今已經(jīng)經(jīng)歷了經(jīng)歷了五代五代。105 5、汽油規(guī)格汽油規(guī)格 我國目前有兩種規(guī)格，一種是車用汽油的國家標我國目前有兩種規(guī)格，一種是

9、車用汽油的國家標準（準（GB 1793-1999），一種是無鉛汽油的行業(yè)標），一種是無鉛汽油的行業(yè)標準。準。 我國的無鉛車用汽油國家標準見表我國的無鉛車用汽油國家標準見表4-1。11二、柴油二、柴油1、柴油的自燃性、柴油的自燃性 柴油的自燃性柴油的自燃性: 柴油在沒有外界火源的情況下能自柴油在沒有外界火源的情況下能自行著火的能力。行著火的能力。 柴油的自燃性好，柴油機工作較柔和，在低溫時易柴油的自燃性好，柴油機工作較柔和，在低溫時易于起動。于起動。 十六烷值十六烷值是評定柴油自燃性好壞的指標。是評定柴油自燃性好壞的指標。12 柴油的十六烷值：柴油的十六烷值：標準燃料是正十六烷和一甲基萘標準燃料

10、是正十六烷和一甲基萘的混合物。正十六烷自燃性最好，作為自燃性好的的混合物。正十六烷自燃性最好，作為自燃性好的標準，其十六烷值定為標準，其十六烷值定為100。一甲基萘最不易自燃，。一甲基萘最不易自燃，作為自燃性差的標準，定其十六烷值為作為自燃性差的標準，定其十六烷值為0。柴油的。柴油的自燃性通常介于正十六烷與一甲基萘之間。將上述自燃性通常介于正十六烷與一甲基萘之間。將上述兩種成分按不同比例混合，可得出不同十六烷值的兩種成分按不同比例混合，可得出不同十六烷值的標準燃料，其十六烷值為該混合物中正十六烷所占標準燃料，其十六烷值為該混合物中正十六烷所占的體積百分數(shù)。如果某種柴油與某種標準燃料的自的體積百

11、分數(shù)。如果某種柴油與某種標準燃料的自燃性相同，則該標準燃料的十六烷值即為該柴油的燃性相同，則該標準燃料的十六烷值即為該柴油的十六烷值。十六烷值。13 十六烷值過高或過低的柴油，都對柴油機的性能或十六烷值過高或過低的柴油，都對柴油機的性能或工作不利。工作不利。十六烷值越高，著火性越好。十六烷值十六烷值越高，著火性越好。十六烷值過高，燃燒不完全。過高，燃燒不完全。 國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定為國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定為4065之間，不必要過之間，不必要過分增大。分增大。142、柴油的、柴油的蒸發(fā)性蒸發(fā)性 柴油的蒸發(fā)性影響滯燃期內柴油的蒸發(fā)量及燃燒柴油的蒸發(fā)性影響滯燃期內柴油的蒸發(fā)量及燃燒的完全程度，用的

12、完全程度，用餾程餾程表示。表示。 餾程指柴油蒸餾過程中餾出一定百分數(shù)所處的溫餾程指柴油蒸餾過程中餾出一定百分數(shù)所處的溫度，通常以餾出度，通常以餾出50的溫度來評定。餾程低，說的溫度來評定。餾程低，說明這種燃輕餾分多，蒸發(fā)性好，有利于混合氣形明這種燃輕餾分多，蒸發(fā)性好，有利于混合氣形成，改善了燃燒過程。但是，餾程過低，燃料蒸成，改善了燃燒過程。但是，餾程過低，燃料蒸發(fā)過快，則在著火延遲期內形成的混合氣量過多，發(fā)過快，則在著火延遲期內形成的混合氣量過多，柴油機工作粗暴。車用柴油機的柴油餾程為柴油機工作粗暴。車用柴油機的柴油餾程為200300。153、柴油的粘度粘度 柴油的粘度決定柴油的流動性。柴油

13、的粘度決定柴油的流動性。 粘度流動性物化性好，過低，潤滑性降低； 粘度濾清困難，噴霧不良，流動阻力增大。4、柴油的凝點凝點 柴油的凝點指柴油冷卻到失去流動性的溫度凝點指柴油冷卻到失去流動性的溫度。16第二節(jié)第二節(jié) 代用燃料及其應用代用燃料及其應用代用燃料代用燃料按按物物態(tài)態(tài)氣體代用燃料：天然氣、液化石油氣、天然氣、液化石油氣、 氫氣、煤氣、沼氣氫氣、煤氣、沼氣等液體代用燃料：甲醇甲醇、乙醇、乙醇、植物油植物油 燃料等燃料等按化學按化學成分成分烴燃料含氧燃料17一、天然氣一、天然氣 天然氣主要成分為甲烷 (容積比可達8399以上)，另外還包括乙烷以及丙烷等。 ，在用作點燃式發(fā)點燃式發(fā)動機動機的燃

14、料時，通過適當?shù)募夹g措施，如提高發(fā)動機的壓縮比等，可以接近原發(fā)動機的動力性能。同時，天然氣又是一種比較潔凈的能源，排污低排污低，使用 比 較 方 便 ， 特 別 是 壓 縮 天 然 氣壓 縮 天 然 氣 ( C N G Compressed Natural Gas)，便于儲存，配合相應的基礎設施如加氣站的建設，在城市車輛如公共汽車、出租車中具有廣闊的應用前景。18二、液化石油氣二、液化石油氣 液化石油氣(LPG-Liquefied Petroleum Gas）主要成分是、，在常溫下加壓，可以變成液體燃料，其單位容積熱值高于天然氣，可以作為汽油機的燃料，還可以獲得較好的排放性能。 19三、醇類燃

15、料三、醇類燃料 醇類燃料主要是CH3OH和C2H5OH?？梢詮奶烊粴狻⒚?、生物質等原料中提取；主要是將含有糖和淀粉的農作物經(jīng)過發(fā)酵后制得。 醇類燃料是液體燃料，可以沿用傳統(tǒng)的石油燃料的運輸、貯存系統(tǒng)，相關的基礎設施建設投入少，而發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性可以接近或超過原有汽油機或柴油機，排氣有害成分少，是一種很有發(fā)展前景的代用燃料。20 乙醇汽油是一種由糧食及各種植物纖維加工成的乙醇汽油是一種由糧食及各種植物纖維加工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成替代能源燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成替代能源。按照我國的國家標準，乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調和而成。 乙醇它以乙醇

16、它以 玉米、薯類、糖蜜等為原料，經(jīng)發(fā)酵、玉米、薯類、糖蜜等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾制成。蒸餾制成。 試點檢測結果表明，使用車用乙醇汽油不影響汽試點檢測結果表明，使用車用乙醇汽油不影響汽車的行駛性能。其排放的尾氣中一氧化碳下降超過車的行駛性能。其排放的尾氣中一氧化碳下降超過30、碳氫化合物下降、碳氫化合物下降10，苯系物明顯減少，氮氧化，苯系物明顯減少，氮氧化合物基本不變。汽車使用乙醇汽油已被視為改善城市合物基本不變。汽車使用乙醇汽油已被視為改善城市空氣質量的重要手段。空氣質量的重要手段。21 對目前中國推廣乙醇汽油試點工作，必須妥善對目前中國推廣乙醇汽油試點工作，必須妥善解決好以下三個關鍵問題：解

17、決好以下三個關鍵問題： 一、一、乙醇汽油百公里耗油量高于同牌號的汽油消乙醇汽油百公里耗油量高于同牌號的汽油消耗量；耗量； 二、二、由于中國乙醇汽油的推廣剛剛起步，究竟乙由于中國乙醇汽油的推廣剛剛起步，究竟乙醇汽油對加油機、汽車等零部件是否有影響及影響醇汽油對加油機、汽車等零部件是否有影響及影響程度均不是很清楚；程度均不是很清楚； 三、三、由于乙醇汽油不宜長期儲存，乙醇汽油的調由于乙醇汽油不宜長期儲存，乙醇汽油的調配和銷售同普通汽油相比具有更大的質量風險。配和銷售同普通汽油相比具有更大的質量風險。2223第三節(jié)第三節(jié) 燃燒化學燃燒化學一、燃料燃燒的熱值一、燃料燃燒的熱值 單位量的燃料完全燃燒時所

18、發(fā)出的熱量。單位量的燃料完全燃燒時所發(fā)出的熱量。 完全燃燒完全燃燒是指某化合物被所在氧氣全部氧化，是指某化合物被所在氧氣全部氧化，其中其中C生成生成CO2、H生成生成H2O，其它元素生成高級，其它元素生成高級氧化物。氧化物。24wrHHou汽油: 44100 kJ/kg 柴油: 42500 kJ/kg uHuH 完全燃燒時，生成的水為氣態(tài)時的熱值為完全燃燒時，生成的水為氣態(tài)時的熱值為低位發(fā)熱值低位發(fā)熱值 。 完全燃燒時，生成的水為液態(tài)時的熱值為完全燃燒時，生成的水為液態(tài)時的熱值為高位發(fā)熱值高位發(fā)熱值 。 高位熱值比低位熱值小，其差值為水蒸氣高位熱值比低位熱值小，其差值為水蒸氣的汽化潛熱。的汽化

19、潛熱。 uHoH25二、燃料完全燃燒的化學反應二、燃料完全燃燒的化學反應1.碳燃燒碳燃燒2.氫燃燒氫燃燒3.硫燃燒硫燃燒4.一氧化碳燃燒一氧化碳燃燒5. 碳氫化合物碳氫化合物P70-7126三、燃料燃燒所需的空氣量三、燃料燃燒所需的空氣量 1 kg燃料完全燃燒所需要的空氣量稱燃料完全燃燒所需要的空氣量稱理論空理論空氣量氣量。1 kg燃料中所含燃料中所含 kg 碳，碳， kg 氫氣，氫氣， kg氧氣氧氣汽油汽油: kg/kg ， kg/kg ， kg/kg 柴油柴油: kg/kg ， kg/kg ， kg/kg gCgHgOgC 0855.gH 0145.gO 0gC 087.gH 0126.g

20、O 0004. 汽油的理論空氣量為汽油的理論空氣量為14.9（kg/kg），柴），柴油的理論空氣量為油的理論空氣量為14.5（kg/kg）。）。 27四、過量空氣系數(shù)和空燃比四、過量空氣系數(shù)和空燃比1、 過量空氣系數(shù) 表示混合氣的濃稀程度。 1 混合氣稀,稀混合氣; 1 混合氣濃,濃混合氣; =1 標準混合氣 一般，柴油機一般，柴油機: 1: 1；汽油機；汽油機: 1: 1或或 1 1。0LL燃燒燃料實際供給的空氣量完全燃燒燃料理論上所需要的空氣量11kgkg過量空氣系數(shù)是反映混合氣形成和完善程度及整機性能的一個重要標志，在保證完全燃燒的前提下，應力求使過量空氣系數(shù)小。282、空燃比、燃空比

21、汽油理論上完全燃燒時的空燃比約為14.9。 應用空燃比空燃比直觀方便，其數(shù)值即為每千克燃料燃燒時實際供給空氣量的千克數(shù)。 空燃比14.9，濃混合氣濃混合氣 空燃比14.9，稀混合氣稀混合氣 29第四節(jié)第四節(jié) 燃燒的基本理論燃燒的基本理論 一切燃燒過程都由著火著火和燃燒燃燒兩個階段組成。 著火著火階段是物質燃燒的準備階段，是著火前的物理和化學的準備過程。 使可燃混合所進入燃燒使可燃混合所進入燃燒的第二階段，有兩種方法。一是強迫著火或點燃。另一種是自燃著火。30 發(fā)動機內的燃燒過程一般要經(jīng)歷三個基本步驟：發(fā)動機內的燃燒過程一般要經(jīng)歷三個基本步驟：(1)形成燃油與空氣的可燃混合氣；(2)點燃可燃混合

22、氣，或可燃混合氣在混度和濃度適當?shù)牡貐^(qū)發(fā)生自燃，在一處或同時在數(shù)處著火著火過程 ； (3)火源擴大到整個可燃混合氣，形成全面燃燒。31一、著火機理：一、著火機理： 按化學動力學的觀點，著火機理可分為熱自燃熱自燃機理和鏈鎖自燃鏈鎖自燃機理兩類。(一一)熱自燃熱自燃 在著火的準備階段，混合氣進行著氧化過程，放出熱量。放熱的同時，由于溫差的原因，會對周圍介質散熱。若化學反應所釋放出的熱量大于所散失的熱量，混合氣的溫度升高，進而促使混合氣的反應速率和放熱速率增大。這種相互促進，最終導致極快的反應速率而著火。這就是熱自燃，或稱熱爆。32(二二)鏈鎖反應鏈鎖反應 所謂鏈鎖反應是這樣的化學反應，其中一個活化

23、作用能引起很多基本反應，即反應鏈。整個反應過程分為： 引導反應(鎖的引發(fā))反應鏈(鏈的繼續(xù)反應或鏈的傳遞)斷鏈反應(鏈的中斷即活化中心的死亡)。 例：氫燃燒的化學反應過程（P73）33二、發(fā)動機混合氣的著火二、發(fā)動機混合氣的著火 有高溫單階段著火高溫單階段著火和低溫多階段著火低溫多階段著火。汽油機柴油機34（一） 汽油機高溫單階段著火汽油機高溫單階段著火1、壓縮的是燃料與空氣的混合氣體, 在此過程中, 已經(jīng)進行了一些化學反應。2、火花塞點火, 局部溫度高達20000以上, 該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基, 迅速反應出現(xiàn)熱火焰, 瞬間擴大到整個燃燒室內。 汽油機著火過程：汽油機著火

24、過程： 壓縮混合氣壓縮混合氣 點火（經(jīng)短暫著火延遲期）點火（經(jīng)短暫著火延遲期） 熱火焰熱火焰 高溫單階段點燃高溫單階段點燃35（二）柴油機低溫多階段著火（二）柴油機低溫多階段著火1、 階段階段混合階段 在壓縮過程終了時，燃料噴入汽缸內形成可燃混合氣。燃料遇到溫度較高的空氣，開始氧化，但速度緩慢，示功圖上的壓縮線沒有明顯的變化。混合階段，為著火做準備。 t1362 階段階段一一階段反應反應 燃燒的實質是燃料氧化反應，當反應速度很快時，火焰就會出現(xiàn)。經(jīng)過一段時間后，反應加劇，出現(xiàn)淡青色火焰，缸內壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應生成醛類、過氧化物和一氧化碳等中間產(chǎn)物。要求混合氣較濃。3 階段階段二二階段反應反應 溫度、壓力升高較大，產(chǎn)生許多化學反應的活性中心，出現(xiàn)藍火焰?；旌蠚庀〉枚唷? 時間后時間后三三階段反應反應 活性中心劇增，化學反應加速，熱積累劇烈，發(fā)生熱爆炸，出現(xiàn)橘黃色熱火焰?；旌蠚飧　?著火延遲期著火