4-燃料與燃燒化學解析

4-燃料與燃燒(ránshāo)化學解析第一頁，共62頁。主要(zhǔyào)內(nèi)容第一節(jié)發(fā)動機的燃料第二節(jié)代用燃料及其應用(yìngyòng)〔自學〕第三節(jié)燃燒化學第四節(jié)燃燒的根本理論作業(yè)及思考題第二頁，共62頁。相關(guān)基礎知識燃燒過程基本要求燃燒過程是將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?rènéng)的過程，燃燒過程好壞，關(guān)系到能量轉(zhuǎn)換的效率的上下，從而直接影響發(fā)動機的性能指標。發(fā)動機實際燃燒過程的進展情況十分復雜，牽涉面很廣，影響因素多。對燃燒過程的根本要求：燃料的燃燒要完全，化學能熱能，影響作功能力

1燃燒過程進行要及時，影響作功時機2完全第三頁，共62頁。相關(guān)基礎知識燃料的組成汽車、拖拉機用的燃料主要是——液體燃料（汽油、柴油）是石油產(chǎn)品（幾乎是，少量的由煤焦油、油頁巖提煉），可據(jù)直餾法和裂化法得到。主要成分：C、H98%少量S、O、N及其它微量元素，C、H組成不同的碳氫化合物，稱為“烴”，按照化學結(jié)構(gòu)不同，烴可以分為：烷屬烴分子式烯屬烴分子式（炔）環(huán)烷烴分子式（抗爆性最差）芳香烴分子式（最低值為6，抗爆性最好）第四頁，共62頁。相關(guān)基礎知識一般將石油分餾可得到蒸發(fā)性不同的餾份（各種燃料），（直餾法）①汽油40～210℃②煤油140～240℃③柴油200～360℃④潤滑油350～500°⑤重油>500℃⑥剩余是難以揮發(fā)的渣油和瀝青直餾法得到汽油產(chǎn)量少，因此，用各種不同的裂化法熱裂化催化裂化將重成份裂化成輕成份（汽油、輕柴油）以提高汽油產(chǎn)量。第五頁，共62頁。第一節(jié)發(fā)動機的燃料(ránliào)石油燃料：汽油(qìyóu)、柴油代用燃料(ránliào)：甲醇、乙醇、液化石油氣、天然氣、氫氣

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、汽油第六頁，共62頁。汽油(qìyóu)的標號代表什么？根據(jù)什么(shénme)選擇汽油的標號？第七頁，共62頁。1、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,被測定汽油和標準燃料〔一定比例的異辛烷和正庚烷混合物〕進行比較，標準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(fāngfǎ)，常用的為馬達法與研究法。第八頁，共62頁。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〔一般到達900r/min〕的苛刻(kēkè)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(tèzhēng)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(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(biǎoshì)抗爆性時，同時標出RON和MON值。第九頁，共62頁。根據(jù)(gēnjù)什么選擇汽油的標號？高壓縮比的發(fā)動機選低標號的汽油，會再現(xiàn)什么(shénme)情況？第十頁，共62頁。2、蒸發(fā)(zhēngfā)性液態(tài)汽油(qìyóu)汽化的難易程度稱為汽油(qìyóu)的蒸發(fā)性。為什么把蒸發(fā)性作為評定汽油的一個(yīɡè)主要性能指標？第十一頁，共62頁。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，否那么易形成供油系“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(cóngér)使發(fā)動機潤滑遭破壞，造成機件磨損增大。第十二頁，共62頁。汽油的蒸發(fā)性用汽油蒸發(fā)量為10％、50％、90％和100％時所對應的溫度來評定。用10％餾出溫度低，汽油的起動品質(zhì)(pǐnzhì)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，說明汽油中不易蒸發(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。第十三頁，共62頁。3、氧化(yǎnghuà)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(chēnɡwéi)氧化安定性。汽油(qìyóu)的氧化安定性不好的后果？第十四頁，共62頁。3、氧化(yǎnghuà)安定性汽油抵抗大氣或氧氣的作用而保持(bǎochí)其性質(zhì)不發(fā)生長久性變化的能力稱為氧化安定性。汽油氧化安定性直接影響汽油的儲存、運輸和在發(fā)動機上的應用。安定性不好的汽油，易發(fā)生氧化、縮合和聚合反響，生成酸性物質(zhì)和膠狀物質(zhì)，將導致燃料供給系統(tǒng)堵塞，氣門關(guān)閉不嚴，氣缸散熱不良，增大爆燃傾向。第十五頁，共62頁。汽油氧化(yǎnghuà)安定性的評定工程：實際膠質(zhì)、誘導期實際膠質(zhì)：在規(guī)定(guīdìng)的條件下測得的發(fā)動機燃料的蒸發(fā)殘留物。誘導(yòudǎo)期：在規(guī)定的加速氧化條件下，油品處于穩(wěn)定狀況所經(jīng)歷的時間。為了提高汽油的氧化安定性，近代石油煉制工業(yè)除了采用催化重整和加氫精制等先進工藝外，還普遍向汽油中添加抗氧防膠劑和金屬鈍化劑。第十六頁，共62頁。4、清凈(qīngjìng)性采用噴射式汽油發(fā)動機的汽車最常發(fā)生的問題是在進氣系統(tǒng)和噴油器上產(chǎn)生沉淀，其主要原因(yuányīn)是汽油中不穩(wěn)定的化合物?，F(xiàn)代(xiàndài)汽車如何保持進氣系統(tǒng)的清潔？為了經(jīng)常保持進氣系統(tǒng)的清潔，充分發(fā)揮汽油噴射的優(yōu)點，可向汽油中參加汽油清凈劑。第十七頁，共62頁。4、汽油(qìyóu)規(guī)格各國根據(jù)自己國家(guójiā)的汽車發(fā)動機結(jié)構(gòu)特點、使用條件、石油煉制水平來制定本國的汽油規(guī)格。我國車用汽油的國家標準〔GB17930-2013〕。我國受能源(néngyuán)及環(huán)境等因素影響，近幾年在全國推廣使用車用乙醇汽油〔GB18351-2013〕第十八頁，共62頁。二、柴油(cháiyóu)柴油(cháiyóu)的主要性能:自然性、霧化和蒸發(fā)性、硫含量、安定性、低溫流動性。第十九頁，共62頁。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(qíngkuàng)下能自行著火的能力。為什么要強調(diào)(qiángdiào)柴油的自然性？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(píngdìng)柴油自燃性好壞的指標。第二十頁，共62頁。柴油的十六烷值(shíliùwánzhí)：標準燃料是正十六烷和—甲基萘的混合物。正十六烷自燃性最好，其十六烷值(shíliùwánzhí)定為100。-甲基萘最不易自燃，定其十六烷值(shíliùwánzhí)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(shíliùwánzhí)的標準燃料，其十六烷值(shíliùwánzhí)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燃性相同，那么該標準燃料的十六烷值(shíliùwánzhí)即為該柴油的十六烷值(shíliùwánzhí)。第二十一頁，共62頁。十六烷值過高或過低的柴油，對柴油機的性能和工作(gōngzuò)都不利。為什么柴油(cháiyóu)的十六烷值過高或過低都不好？第二十二頁，共62頁。十六烷值過高，噴入燃燒室的柴油來不及與空氣充分混合就著火，吏燃油不能得到及時而完全的燃燒，造成排氣冒黑煙，柴油機的經(jīng)濟性降低。十六烷值過低，使柴油機工作粗暴(cūbào)，起動較困難。高速柴油機的十六烷值(shíliùwánzhí)規(guī)定為40~65之間。第二十三頁，共62頁。2、霧化(wùhuà)和蒸發(fā)性餾程、運動黏度、密度、閃點都是與霧化和蒸發(fā)性有關(guān)的油品指標。餾程指柴油蒸餾過程中餾出一定(yīdìng)百分數(shù)時所處的溫度，通常以餾出50﹪的溫度來評定。餾程低，說明這種燃料輕質(zhì)餾分多，蒸發(fā)性好，有利于混合氣形成，發(fā)動機易于啟動。第二十四頁，共62頁。柴油(cháiyóu)的黏度表示其稀稠程度及流動性指標。柴油(cháiyóu)黏度對柴油(cháiyóu)機性能的影響？第二十五頁，共62頁。柴油的黏度(niándù)影響燃油的噴霧質(zhì)量、過濾性及在油道中的流動性。黏度過高，噴霧質(zhì)量差，使燃燒過程惡化，柴油機的功率(gōnglǜ)和經(jīng)濟性降低。黏度過低，柴油易通過噴油泵柱塞偶件和噴油器針閥偶件間的間隙漏出，使供油量不準確；黏度過低使上述偶件的摩擦外表上不易(bùyì)形成油膜，造成潤滑不良而加速磨損，縮短使用壽命。第二十六頁，共62頁。閃點指混合氣與火焰接觸(jiēchù)發(fā)生閃火的最低溫度。第二十七頁，共62頁。3、硫含量硫的危害：增加排氣中的微粒物，不利于環(huán)保；使催化轉(zhuǎn)化器的壽命降低(jiàngdī)；生成二氧化硫遇到水分形成亞硫酸，腐蝕零件，排到大氣中形成酸雨，造成環(huán)境危害；增加柴油機的磨損。柴油(cháiyóu)中硫的危害？第二十八頁，共62頁。4、安定性安定性指柴油在運輸、儲存和使用過程中應保持其外觀顏色、組成和使用性能不變能力(nénglì)。影響安定性的因素主要是：二烯烴、烯烴、環(huán)烷芳香烴。第二十九頁，共62頁。5、低溫(dīwēn)流動性低溫時，柴油中的石蠟成分會析出使柴油的流動性變差，堵塞柴油濾清器，使發(fā)動機起動不良(bùliáng)，甚至運轉(zhuǎn)中熄火。凝點：柴油失去流動性而開始凝固(nínggù)的溫度，是劃分柴油的牌號的依據(jù)。第三十頁，共62頁。第二節(jié)代用(dàiyòng)燃料及其應用(自學)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成分烴燃料含氧燃料第三十一頁，共62頁。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?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(néngyuán)，排污低，使用比較方便，特別是壓縮天然氣(CNG——CompressedNaturalGas)，便于儲存，配合相應的根底設施〔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。第三十二頁，共62頁。二、液化(yèhuà)石油氣液化石油氣(LPG-LiquefiedPetroleumGas〕主要成分是丙烷C3H8、丁烷(dīnɡwán)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。第三十三頁，共62頁。三、醇類燃料(ránliào)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??；乙醇主要是將含有糖和淀粉的農(nóng)作物經(jīng)過(jīngguò)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)的根底設施建設投入少，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，是一種很有開展前景的代用燃料。第三十四頁，共62頁。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(tìdài)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(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)果說明，使用車用乙醇汽油不影響汽車(qìchē)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，氮氧化合物根本不變。汽車(qìchē)使用乙醇汽油已被視為改善城市空氣質(zhì)量的重要手段。第三十五頁，共62頁。對目前中國推廣乙醇汽油試點工作，有專家強調(diào)認為，必須妥善解決好以下三個關(guān)鍵問題：一是乙醇汽油百公里耗油量高于同牌號的汽油消耗量；二是由于中國乙醇汽油的推廣剛剛起步，究竟(jiūjìng)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；三是由于乙醇汽油不宜長期儲存的特性，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)量風險。第三十六頁，共62頁。第三十七頁，共62頁。第三節(jié)燃燒(ránshāo)化學一、燃料燃燒的熱值熱值：單位量的燃料完全燃燒時所發(fā)出的熱量。完全燃燒：某化合物被氧氣全部氧化，其中(qízhōng)C生成CO2、H生成H2O，其它元素生成高級氧化物。第三十八頁，共62頁。汽油:44100[kJ/kg]柴油:42500[kJ/kg]

完全燃燒時，生成的水為氣態(tài)時的熱值為低位熱值。完全燃燒時，生成的水為液態(tài)時的熱值為高位熱值高位熱值比低位熱值小，其差值為水蒸氣的汽化潛熱。

第三十九頁，共62頁。二、燃料完全燃燒的化學(huàxué)反響1.碳燃燒(ránshāo)：第四十頁，共62頁。2.氫燃燒(ránshāo)：第四十一頁，共62頁。3.硫燃燒(ránshāo)：第四十二頁，共62頁。4.一氧化碳(yīyǎnghuàtàn)燃燒：5.碳氫化合物：第四十三頁，共62頁。三、燃料燃燒(ránshāo)所需的空氣量理論(lǐlùn)空氣量：1kg燃料完全燃燒所需要的空氣量。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(qìyóu)的理論空氣量為〔kg/kg〕，柴油的理論空氣量為〔kg/kg〕。第四十四頁，共62頁。四、過量(guò〃liàng)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(biāozhǔn)混合氣一般，柴油機:>1；汽油機:>11。過量空氣系數(shù)是反映混合氣形成、完善程度及整機性能的一個(yīɡè)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。第四十五頁，共62頁。2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)。＜14.9為濃混合氣，＞14.9的為稀混合氣。第四十六頁，共62頁。第四節(jié)燃燒(ránshāo)的根本理論一切燃燒過程(guòchéng)都由著火和燃燒兩個階段組成。著火階段是物質(zhì)燃燒的準備階段，是著火前的物理和化學的準備過程(guòchéng)。使可燃混合物進入燃燒的燃燒階段的方法：強迫著火/點燃、自然著火。第四十七頁，共62頁。發(fā)動機內(nèi)的燃燒過程的三個根本步驟：(1)形成燃油與空氣的可燃混合氣；(2)點燃可燃混合氣，或可燃混合氣在溫度(wēndù)和濃度適當?shù)牡貐^(qū)發(fā)生自燃，在一處或同時在數(shù)處；進入著火過程(3)火源擴大到整個可燃混合氣，形成全面燃燒。第四十八頁，共62頁。一、著火(zháohuǒ)機理：按化學動力學的觀點，著火機理可分為熱自燃機理和鏈鎖自燃機理兩類。(一)熱自燃在著火的準備階段，混合氣進行著氧化過程，放出熱量(rèliàng)。放熱的同時，由于溫差的原因，會對周圍介質(zhì)散熱。假設化學反響所釋放出的熱量(rèliàng)大于所散失的熱量(rèliàng)，混合氣的溫度升高，進而促使混合氣的反響速率和放熱速率增大。這種相互促進，最終導致極快的反響速率而著火。這就是熱自燃，或稱熱爆。第四十九頁，共62頁。(二)鏈鎖反響所謂鏈鎖反響是這樣的化學反響，其中一個活化作用能引起(yǐnqǐ)很多根本反響，即反響鏈。整個反響過程分為：引導反響(鎖的引發(fā))——反響鏈(鏈的繼續(xù)反響或鏈的傳遞)——斷鏈反響(鏈的中斷即活化中心的死亡)。第五十頁，共62頁。第五十一頁，共62頁。二、發(fā)動機混合氣的著火(zháohuǒ)高溫單階段著火(zháohuǒ)和低溫多階段著火(zháohuǒ)汽油機柴油機第五十二頁，共62頁?！惨弧称蜋C－高溫單階段(jiēduàn)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)進行了一些化學反響。2火花點火,局部溫度高達2000℃以上,該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基,迅速反響出現(xiàn)熱火焰,瞬間擴大到整個(zhěnggè)燃燒室內(nèi)。所以,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－－高溫單級點燃第五十三頁，共62頁?！捕巢裼蜋C－低溫(dīwēn)多階段著火1、階段－混合階段在壓縮(yāsuō)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(yāsuō)線沒有明顯的變化。混合階段，為著火做準備。第五十四頁，共62頁。2階段－一階段反響