第四章 燃料與燃燒化學(xué)

第四章

燃料與燃燒化學(xué)主要內(nèi)容第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料第二節(jié)代用燃料及應(yīng)用第三節(jié)燃燒化學(xué)第四節(jié)燃燒的基本理論第一節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料汽油柴油抗爆性蒸發(fā)性氧化安定性抗腐蝕性清凈性

自燃性霧化和蒸發(fā)性硫含量安定性低溫流動(dòng)性

一、汽油1.抗爆性回顧汽油的抗爆性辛烷值的測量辛烷值測量的試驗(yàn)方法汽油避免發(fā)生“爆燃”的能力。異辛烷正庚烷測量汽油爆燃強(qiáng)度馬達(dá)法辛烷值MON研究法辛烷值RON標(biāo)準(zhǔn)混合液體積分?jǐn)?shù)（1）馬達(dá)法辛烷值MON（2）研究法辛烷值RON

以較高的混合氣溫度和較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的苛刻條件為其特征的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)測得的辛烷值。以較低的混合氣溫度和較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的中等苛刻條件為其特征的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)測得的辛烷值。2.蒸發(fā)性Def：汽油由液態(tài)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的性能。汽油的蒸發(fā)性越強(qiáng)，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(qiáng)，否則易形成供油系“氣阻”，甚至發(fā)生供油中斷現(xiàn)象。評(píng)定：汽油的蒸發(fā)性由燃料的蒸餾試驗(yàn)來決定。分別測出10％、50％和90％餾分時(shí)的溫度以及終餾溫度，分別定義為10％餾出溫度、50％餾出溫度和90％餾出溫度以及干點(diǎn)。

10%餾出溫度

50%餾出溫度

90%餾出溫度起動(dòng)性平均蒸發(fā)性含有難于揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量3.氧化安定性4.清凈性Def：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。清凈劑是一種具有清凈、分散、抗氧、破乳和防銹性能的多功能復(fù)合添加劑，一般是聚烯胺和聚醚胺類化合物。沒有清凈劑的汽油是“電噴殺手”。二、柴油1.自燃性回顧柴油的自燃性十六烷值的測量

:柴油的自燃能力。十六烷

a-甲基萘

測量柴油自燃性一般高速柴油機(jī)使用十六烷值為40~65的柴油。標(biāo)準(zhǔn)混合液體積分?jǐn)?shù)2.霧化和蒸發(fā)性3.硫含量閃點(diǎn):可燃性物質(zhì)表面上的蒸氣和空氣的混合氣與火接觸而初次發(fā)生閃火時(shí)的溫度。

柴油的閃點(diǎn):柴油蒸氣和空氣的混合氣與火焰接觸時(shí)發(fā)生閃火時(shí)的最低溫度。4.安定性5.低溫流動(dòng)性牌號(hào)：10#、0#、－10#、－20#、－35#、－50#。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、沼氣、二甲醚液體代用燃料：甲醇、乙醇、植物油按化學(xué)成分烴燃料含氧燃料一、天然氣主要成分是甲烷，基本不含硫，無色、無嗅、無毒、無腐蝕性，具有安全、熱值高、潔凈和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

天然氣作為汽車代用燃料的主要形式是壓縮天然氣CNG和液化天然氣LNG

。天然氣具有較高的辛烷值，研究法辛烷值為130，抗爆性好。二、液化石油氣主要成分是丙烷和丁烷，具有污染少、發(fā)熱量高、易于運(yùn)輸、壓力穩(wěn)定、儲(chǔ)存設(shè)備簡單，供應(yīng)方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。來源

油田液化氣煉油廠液化氣可直接用作車用一般烯烴含量低于6%才能用作車用

三、醇類燃料1.甲醇性質(zhì)：常溫常壓狀態(tài)下，甲醇為無色透明，易揮發(fā)、可燃，略帶醇香味的有毒液體；能無限溶于水，與烴類燃料相容性較差。原料：天然氣、煤炭、焦炭等。甲醇汽油Def：甲醇與汽油的混合燃料。

表示：Mx

缺點(diǎn)：低溫起動(dòng)性不好、潤滑性差，穩(wěn)定性主要取決于其中含水量。甲醇體積分?jǐn)?shù)2.乙醇性質(zhì)：常溫下，純乙醇是具有特殊香味的無色透明液體，易揮發(fā)，無限融于水，與烴類燃料相容性較差。獲得：目前，世界上生產(chǎn)的燃料乙醇大部分是以甘蔗、玉米、薯干和植物秸稈等為原料糖化發(fā)酵制造的。乙醇汽油：乙醇與汽油的混合燃料，Ex。使用特點(diǎn)：①使用乙醇汽油，不影響汽車的行駛性能，還可以減少有害氣體的排放量。②水的存在導(dǎo)致乙醇汽油儲(chǔ)運(yùn)難度加大。四、二甲醚二甲醚簡稱DME，是一種無毒含氧燃料，常溫常壓下為氣態(tài)?？梢詮拿?、天然氣等多種資源中，通過甲醇脫水工藝或合成氣直接合成工藝制取。

2005年，研制出我國第一臺(tái)以二甲醚為燃料的城市客車。二甲醚的經(jīng)濟(jì)性較差，成本偏高。六、氫氣性質(zhì)：氫氣是一種無色、無味、無嗅、無毒的可燃性氣體，其燃燒產(chǎn)物只有水。制?。簹錃饪梢岳盟⑸镔|(zhì)、天然氣或者煤炭制備。現(xiàn)階段，氫氣主要是通過甲烷蒸氣重整反應(yīng)從天然氣中分離提取。其中最有前途的方法是利用可再生能源制氫，而成本則是可再生能源制氫的最大障礙。五、生物柴油生物柴油是以大豆、油菜籽等油料作物，油棕、黃連木等油料林木果實(shí)，工程微藻等水生植物，以及動(dòng)物油脂、廢餐飲油等可再生物為原料制成的液體燃料，是優(yōu)質(zhì)的柴油代用品。美國利用大豆歐盟國家利用油菜籽東南亞國家利用棕櫚樹果實(shí)某些國家廢餐飲油回收

制取第三節(jié)燃燒化學(xué)一、燃料燃燒的熱值二、燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)三、燃料燃燒所需的空氣量四、過量空氣系數(shù)與空燃比燃料和空氣之間基本的數(shù)量關(guān)系燃燒后工質(zhì)的組成

一、燃料燃燒的熱值熱值：單位量的燃料完全燃燒時(shí)所發(fā)出的熱量。單位量：固體和液體燃料是指1kg，氣體燃料是指1m3。完全燃燒：某化合物被全部氧化，其中C生成

CO2，H生成H2O，其他元素生成高級(jí)氧化物。低位熱值

：完全燃燒時(shí)，當(dāng)生成的H2O為氣態(tài)時(shí)所發(fā)出的熱量，kJ/kg。高位熱值

：完全燃燒時(shí)，當(dāng)生成的H2O為液態(tài)時(shí)所發(fā)出的熱量，kJ/kg

。

發(fā)動(dòng)機(jī)用到的燃料燃燒的熱值都是低位熱值。單位質(zhì)量燃燒產(chǎn)物中水的含量（％）水蒸氣的汽化潛熱(KJ/Kg)三、燃料燃燒所需的空氣量1.理論空氣量：1kg燃料完全燃燒時(shí)所需的最少空氣量。2.計(jì)算過程：假設(shè)1kg燃料中碳、氫、氧的質(zhì)量分別為gc、gH、gO1kmol1kmol1kmol0.5kmol1kg2.667kg1kg8kg1kg燃料完全燃燒kmol：所需O2的量：kg：O2在空氣中的比例：以容積計(jì)，O2占21%，N2占79%

以質(zhì)量計(jì)，O2占23%，N2占77%1kg燃料完全燃燒時(shí)所需空氣的量：kmol：kg：m3：汽油的平均質(zhì)量成分：gC=0.855、gH=0.145、gO=0.000柴油的平均質(zhì)量成分：gC=0.870、gH=0.126、gO=0.004汽油的理論空氣量為：14.958kg/kg?柴油的理論空氣量為：14.45kg/kg?四、過量空氣系數(shù)與空燃比1.過量空氣系數(shù)

Def：發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，燃燒1kg燃油實(shí)際供給的空氣量與理論空氣量之比。Φa<1濃混合氣

Φa=1理論混合氣Φa>1稀混合氣柴油機(jī)：

Φa>1

汽油機(jī)：

Φa<1，Φa＝1，Φa>12.空燃比

空燃比：可燃混合氣中所含空氣與燃料的質(zhì)量之比。燃空比：可燃混合氣中所含燃料與空氣的質(zhì)量之比。汽油理論完全燃燒時(shí)的空燃比柴油理論完全燃燒時(shí)的空燃比14.814.714.3第四節(jié)燃燒的基本理論一切燃燒過程都是由著火和燃燒兩個(gè)階段組成的。

著火階段是物質(zhì)燃燒的準(zhǔn)備階段，是著火的物理和化學(xué)的準(zhǔn)備過程。使可燃混合氣從著火階段進(jìn)入燃燒階段的方法主要有兩種：①利用點(diǎn)火系向可燃混合物增加能量，迫使可燃混合物著火燃燒，即所謂的點(diǎn)燃。②依靠自身緩慢的化學(xué)反應(yīng)逐漸積累熱量或活化中心完成著火燃燒，即所謂的自燃。燃燒過程所經(jīng)歷的3個(gè)基本階段：（2）點(diǎn)燃可燃混合氣，或可燃混合氣在溫度和濃度合適的地區(qū)發(fā)生自燃，在一處或多處同時(shí)著火。（1）形成燃油與空氣的可燃混合氣。（3）火源擴(kuò)大到整個(gè)可燃混合氣，形成全面燃燒。一、著火機(jī)理1.熱自燃機(jī)理

可燃混合氣在充滿燃燒室容器后受熱，使混合氣達(dá)到一定溫度，由于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所釋放的熱量多于從容器壁面向外散失的熱量，產(chǎn)生熱量累積而使混合氣的溫度上升，進(jìn)而促使混合氣的反應(yīng)速率增加，放出更多熱，這種不斷相互促進(jìn)的結(jié)果，最終導(dǎo)致反應(yīng)速率急劇加快而達(dá)到著火。2.鏈鎖自燃機(jī)理可燃混合氣在外部能量的作用下，反應(yīng)物中產(chǎn)生活化中心使反應(yīng)持續(xù)下去，最重要的是出現(xiàn)分支反應(yīng)使活化中心數(shù)目迅速增多，造成反應(yīng)速率劇烈升高而達(dá)到著火。理解！二、發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的著火發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃燒過程中，不存在單獨(dú)的熱自燃或鏈鎖自燃，均是兩者同時(shí)存在又相互促進(jìn)。

發(fā)火條件高溫單階段著火低溫多階段著火柴油機(jī)汽油機(jī)三、發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式著火前，燃料氣體或燃料蒸氣與空氣已按一定比例形成混合氣，這種可燃混合氣的燃燒方式即預(yù)混合燃燒。著火前，燃料與空氣是分開的，著火后燃料邊蒸發(fā)邊與空氣混合，邊燃燒的燃燒方式即擴(kuò)散燃燒。預(yù)混合燃燒擴(kuò)散燃燒汽油機(jī)和氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

柴油機(jī)的燃燒基本上屬于擴(kuò)散燃燒（燃燒初期有不同程度的預(yù)混合燃燒）預(yù)混合燃燒與擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)對(duì)比：

(1)預(yù)混合燃燒時(shí)，因燃燒前已均勻混合，因而燃燒速度主要取決于化學(xué)反應(yīng)速度，即取決于混合氣溫度和過量空氣系數(shù)；擴(kuò)散燃燒時(shí)，由于燃料與空氣邊混合邊燃燒，因而燃燒速度取決于混合速度。(2)預(yù)混合燃燒時(shí)，一般，可燃混