第4章-燃料與燃燒化學(xué)

第四章燃料與燃燒化學(xué)王海偉西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院汽車發(fā)動機原理2主要內(nèi)容第一節(jié)發(fā)動機的燃料第二節(jié)代用燃料及其應(yīng)用第三節(jié)燃燒化學(xué)第四節(jié)燃燒的基本理論3第一節(jié)發(fā)動機的燃料石油燃料（汽油、柴油）代用燃料（醇類、氣體）

汽油的主要性能有：抗爆性、蒸發(fā)性、氧化安定性、抗腐蝕性及清凈性。一、汽油41、抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在發(fā)動機氣缸內(nèi)燃燒時抵抗爆燃的能力。汽油的抗爆性用辛烷值來表示。辛烷值越高，其抗爆性越好。辛烷值:在規(guī)定條件下，被測定汽油和標(biāo)準(zhǔn)燃料進行比較，標(biāo)準(zhǔn)燃料中所含異辛烷的百分數(shù)是被測定汽油的辛烷值。

測定汽油的辛烷值有不同的試驗方法，常用的為馬達法與研究法。5馬達法辛烷值（MON）是以較高的混合氣溫度

（一般加熱至149℃）和較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速（一般達900rpm）的苛刻條件為其特征的實驗室標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機測得的辛烷值。它表示汽油在發(fā)動機常用工況下低速運轉(zhuǎn)時的抗爆能力。研究法辛烷值（RON）是以較低的混合氣溫度

（一般不加熱）和較低的發(fā)動機轉(zhuǎn)速（一般在）的中等苛刻條件為其特征的實驗室標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)時的抗爆能力。馬達法辛烷值（MON）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。如要比較全面表示抗爆性時，同時標(biāo)出RON和MON值。62、蒸發(fā)性液態(tài)汽油汽化的難易程度稱為汽油的蒸發(fā)性。汽油的蒸發(fā)性越強，越容易汽化，要求汽油必須具有良好的蒸發(fā)性。但蒸發(fā)性也不能太強，否則易形成供油系“氣阻”，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，這樣不僅會造成發(fā)動機起動困難、加速緩慢，而且未氣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。7汽油的蒸發(fā)性用汽油蒸發(fā)量為10％、50％、90％和100％時所對應(yīng)的溫度來評定。用10％餾出溫度低，汽油的起動品質(zhì)越好。

50％餾出溫度低，說明汽油的中間餾分容易蒸發(fā)，有利于汽油機的加速和由冷的狀態(tài)很快轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。

90％餾出溫度高，表明汽油中不易蒸發(fā)的重質(zhì)含量多。汽油中這些重質(zhì)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，將增加燃油消耗、稀釋氣缸壁上的潤滑油和加大氣缸磨損。83、氧化安定性

汽油抵抗大氣或氧氣的作用而保持其性質(zhì)不發(fā)生長久性變化的能力稱為氧化安定性。汽油氧化安定性影響汽油的儲存、運輸和應(yīng)用。安定性差，易發(fā)生氧化、縮合和聚合反應(yīng)，生成酸性物質(zhì)和膠狀物質(zhì)，將導(dǎo)致燃料供應(yīng)系統(tǒng)堵塞，氣門關(guān)閉不嚴，氣缸散熱不良，增大爆燃傾向。氧化安定性評定項目：(1)實際膠質(zhì)；(2)誘導(dǎo)期。蒸發(fā)殘留物越多，質(zhì)量越差；誘導(dǎo)期越長，安定性越好。94、清凈性

由于汽油中不穩(wěn)定化合物存在，噴射式汽油發(fā)動機在進氣系統(tǒng)和噴油器上易產(chǎn)生沉淀。加入汽油清凈劑可使進氣系統(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復(fù)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20世紀(jì)50年代開始至今已經(jīng)經(jīng)歷了五代。105、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(biāo)準(zhǔn)（GB1793-1999），一種是無鉛汽油的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我國的無鉛車用汽油國家標(biāo)準(zhǔn)見表4-1。11二、柴油1、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，在低溫時易于起動。

十六烷值是評定柴油自燃性好壞的指標(biāo)。12柴油的十六烷值：標(biāo)準(zhǔn)燃料是正十六烷和一甲基萘的混合物。正十六烷自燃性最好，作為自燃性好的標(biāo)準(zhǔn)，其十六烷值定為100。一甲基萘最不易自燃，作為自燃性差的標(biāo)準(zhǔn)，定其十六烷值為0。柴油的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標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)燃料的自燃性相同，則該標(biāo)準(zhǔn)燃料的十六烷值即為該柴油的十六烷值。13十六烷值過高或過低的柴油，都對柴油機的性能或工作不利。十六烷值越高，著火性越好。十六烷值過高，燃燒不完全。國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定為40~65之間，不必要過分增大。142、柴油的蒸發(fā)性柴油的蒸發(fā)性影響滯燃期內(nèi)柴油的蒸發(fā)量及燃燒的完全程度，用餾程表示。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50﹪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(nèi)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200℃~300℃。153、柴油的粘度柴油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、柴油的凝點柴油的凝點指柴油冷卻到失去流動性的溫度。16第二節(jié)代用燃料及其應(yīng)用代用燃料按物態(tài)氣體代用燃料：天然氣、液化石油氣、氫氣、煤氣、沼氣等液體代用燃料：甲醇、乙醇、植物油燃料等按化學(xué)成分烴燃料含氧燃料17一、天然氣

天然氣主要成分為甲烷CH4(容積比可達83～99以上)，另外還包括乙烷C2H6以及丙烷C3H8等。

天然氣的熱值和辛烷值均較高，在用作點燃式發(fā)動機的燃料時，通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)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，使用比較方便，特別是壓縮天然氣(CNG——CompressedNaturalGas)，便于儲存，配合相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施〔如加氣站〕的建設(shè)，在城市車輛如公共汽車、出租車中具有廣闊的應(yīng)用前景。18二、液化石油氣

液化石油氣(LPG-LiquefiedPetroleumGas）主要成分是丙烷C3H8、丁烷C4H10、丙烯C3H6、丁烯C4H8及其異構(gòu)物，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、醇類燃料醇類燃料主要是甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。甲醇可以從天然氣、煤、生物質(zhì)等原料中提取；乙醇主要是將含有糖和淀粉的農(nóng)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(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調(diào)和而成。

乙醇它以玉米、薯類、糖蜜等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾制成。試點檢測結(jié)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30％、碳氫化合物下降10％，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空氣質(zhì)量的重要手段。21

對目前中國推廣乙醇汽油試點工作，必須妥善解決好以下三個關(guān)鍵問題：一、乙醇汽油百公里耗油量高于同牌號的汽油消耗量；二、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程度均不是很清楚；三、由于乙醇汽油不宜長期儲存，乙醇汽油的調(diào)配和銷售同普通汽油相比具有更大的質(zhì)量風(fēng)險。2223第三節(jié)燃燒化學(xué)一、燃料燃燒的熱值

單位量的燃料完全燃燒時所發(fā)出的熱量。

完全燃燒是指某化合物被所在氧氣全部氧化，其中C生成CO2、H生成H2O，其它元素生成高級氧化物。24汽油:44100[kJ/kg]柴油:42500[kJ/kg]

完全燃燒時，生成的水為氣態(tài)時的熱值為低位發(fā)熱值。完全燃燒時，生成的水為液態(tài)時的熱值為高位發(fā)熱值。高位熱值比低位熱值小，其差值為水蒸氣的汽化潛熱。25二、燃料完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)1.碳燃燒2.氫燃燒3.硫燃燒4.一氧化碳燃燒5.碳氫化合物P70-7126三、燃料燃燒所需的空氣量1kg燃料完全燃燒所需要的空氣量稱理論空氣量。1kg燃料中所含kg碳，kg氫氣，kg氧氣汽油:[kg/kg]，[kg/kg]，

[kg/kg]柴油:[kg/kg]，[kg/kg]，

[kg/kg]

汽油的理論空氣量為14.9（kg/kg），柴油的理論空氣量為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(biāo)準(zhǔn)混合氣

一般，柴油機:>1；汽油機:>1或

1。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(biāo)志，在保證完全燃燒的前提下，應(yīng)力求使過量空氣系數(shù)小。282、空燃比、燃空比汽油理論上完全燃燒時的空燃比約為14.9。應(yīng)用空燃比直觀方便，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)?？杖急龋?4.9，濃混合氣

空燃比＞14.9，稀混合氣

29第四節(jié)燃燒的基本理論一切燃燒過程都由著火和燃燒兩個階段組成。著火階段是物質(zhì)燃燒的準(zhǔn)備階段，是著火前的物理和化學(xué)的準(zhǔn)備過程。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(nèi)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)點燃可燃混合氣，或可燃混合氣在混度和濃度適當(dāng)?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：按化學(xué)動力學(xué)的觀點，著火機理可分為熱自燃機理和鏈鎖自燃機理兩類。(一)熱自燃在著火的準(zhǔn)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(zhì)散熱。若化學(xué)反應(yīng)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(yīng)速率和放熱速率增大。這種相互促進，最終導(dǎo)致極快的反應(yīng)速率而著火。這就是熱自燃，或稱熱爆。32(二)鏈鎖反應(yīng)所謂鏈鎖反應(yīng)是這樣的化學(xué)反應(yīng)，其中一個活化作用能引起很多基本反應(yīng)，即反應(yīng)鏈。整個反應(yīng)過程分為：引導(dǎo)反應(yīng)(鎖的引發(fā))——反應(yīng)鏈(鏈的繼續(xù)反應(yīng)或鏈的傳遞)——斷鏈反應(yīng)(鏈的中斷即活化中心的死亡)。

例：氫燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程（P73）33二、發(fā)動機混合氣的著火有高溫單階段著火和低溫多階段著火。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(xué)反應(yīng)。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(yīng)出現(xiàn)熱火焰,瞬間擴大到整個燃燒室內(nèi)。

汽油機著火過程：

壓縮混合氣點火（經(jīng)短暫著火延遲期）熱火焰－－高溫單階段點燃35（二）柴油機－低溫多階段著火1、階段——混合階段在壓縮過程終了時，燃料噴入汽缸內(nèi)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(zhǔn)備。362階段——一階段反應(yīng)

燃燒的實質(zhì)是燃料氧化反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)速度很快時，火焰就會出現(xiàn)。經(jīng)過一段時間后，反應(yīng)加劇，出現(xiàn)淡青色火焰，缸內(nèi)壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應(yīng)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——二階段反應(yīng)

溫度、壓力升高較大，產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)的活性中心，出現(xiàn)藍火焰?；旌蠚庀〉枚?。4時間后——三階段反應(yīng)

活性中心劇增，化學(xué)反應(yīng)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37三、發(fā)動機的燃燒方式（一）同時爆炸燃燒取某一部分為系統(tǒng),著火前后整個系統(tǒng)各個部分的相完全均勻一致。為單相系,均勻系。柴油機上,由于混合氣分配不是十分均勻,總有某一部分混合氣最先著火（一般在噴油嘴附近）,取這一部分為系統(tǒng),則系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)的就是同時爆炸燃燒。汽油機