乙醇燃料和汽油燃料燃烧废气之比较

1、乙醇燃料和汽油燃料燃烧废气之比较摘 要 乙醇和汽油的易燃性和高热值使之成为应用广泛的优质燃料。在被用做汽车燃料使用时，欲输出相同的动力（热量），则所需二者的用量不等；因不完全燃烧均可产生污染性物质，虽因其组成、结构和性质的差异使之分别燃烧后产生的有害物质的多少与种类有所差别，但经计算这种差别实际上不是很明显，人教版义务教育课程标准实验教科书化学九年级（上册）中的 “在汽油中加入适量乙醇作为汽车燃料（车用乙醇汽油），减少汽车尾气的污染”的说法是不准确的。关键词 燃料 能量 体积功 废气排放在指导学生高考迎考复习中，就社会热点之一的资源开发和能源安全为话题，关于乙醇汽油的说法涉及到了如下的题目：

2、题目 我国决定推广使用车用乙醇汽油，它是在汽油中加入适量的乙醇形成的混合燃料。下列相关叙述错误的是（ ）（A）使用乙醇汽油能减少有害气体的排放 （B）乙醇汽油是一种新型的化合物 （C）燃料中的乙醇能够通过粮食发酵或化工合成等方法制得 （D）乙醇汽油的推广使用能够缓解石油资源短缺对经济发展造成的压力答案一看便知，不过学生对“汽车使用乙醇汽油能减少有害气体的排放”这个说法有疑问，师生从定性的角度实行了简单的讨论之后，有学生带着疑问搜集查看了一些资料后，仍对上述说法有怀疑，理由是汽油或乙醇作为有机燃料被使用，在汽缸内燃烧时都能够产生污染性气体，虽然乙醇因其自身含氧会燃烧的更充分一些，但只要是发生不完

3、全燃烧的话，两者都能够生成一氧化碳等有害物质，且乙醇的热值比汽油的热值低，要保证汽车的动力不发生变化的话，势必导致燃料用量的上升，产生的污染性气体总量未必会减少。带着这个问题，作者查阅了人教版、山东版及江苏版的高中化学教材，对上述所涉内容均未有所述及，但在人教版义务教育课程标准实验教科书化学九年级（上册）第142页（2006年4月第二版）有如下表述：“乙醇燃烧时放出大量的热，所以被用作酒精灯、火锅、内燃机等的燃料。在汽油中加入适量乙醇作为汽车燃料（车用乙醇汽油），可节省石油资源，减少汽车尾气的污染。”这样看来，上面题目中的答案设计在教材中是有出处的。那么车用乙醇汽油是否能显著地减少有害气体的排

4、放？使用车用乙醇汽油的好处到底在什么地方？本文拟就以上问题作一探讨，以求教于同仁。乙醇和汽油（以下以辛烷C8H18实行讨论）都是优质燃料，其燃烧的热化学方程式分别为：C8H18（l）+ O2（g）8CO2（g）+9H2O（g） H-5454.14kJ/molC2H5OH（l）+ 3O2（g）2CO2（g）+3H2O（g） H-1367.74kJ/mol按辛烷和乙醇的质量计，分别燃烧二者所产生的热量、耗O2量、产生的CO2和H2O的关系可得表一：表一 乙醇和辛烷燃烧的质量关系量（25）单位质量燃料产生的热量耗O2 量产生CO2量产生H2O量1g乙醇29.73kJ0.06522molmolmol1

5、g辛烷47.84kJ0.1097molmolmol燃料在实际使用过程中大多以体积单位（升）计量的，则可将表一中的数据按体积关系实行转换，得到表二中的关系量（乙醇和辛烷在25时的密度分别为0.7893Kg/L、0.7025Kg/L）：表二 乙醇和辛烷燃烧的体积关系量（25）单位体积燃料产生的热量耗O2 量产生CO2量产生H2O量1L乙醇23468kJ51.47mol34.32mol51.48mol1L辛烷33610kJ77.02mol49.30mol55.46mol下面我们以四冲程单缸内燃机为例讨论以汽油（C8H18）或乙醇作燃料时内燃机的工作情况。假设该内燃机的其它工作过程完全相同，仅仅改变加

6、入不同的燃料使其正常工作，欲使其工作状态完全相同，从燃料燃烧产生能量使其做功的角度看，只要使进入汽缸的乙醇或者汽油（C8H18）完全燃烧后产生的能量使其所做的有效功（机车动力）一样，便能保持其正常的工作而不产生差别。那么在汽车的汽缸中等量的汽油（C8H18）和乙醇分别燃烧时能否做出相等的有效功呢？我们知道，内燃机在进入工作状态后，燃料在气缸内部燃烧时释放出大量的热量,使燃烧后的气体因受热膨胀而推动机械做功，能量转化的途径是：内能热能体积功机械能，最终机动车在气缸完成一个工作循环中所获得的动力大小取决于上述过程中体积功的大小。根据热力学第一定律，气缸获得的体积功实际上是燃料燃烧后所产生的高温高压

7、气体在体积膨胀过程中所做的膨胀功。假设可燃混合气在气缸中被压缩时（活塞处于上止点）气体体积为V1，可燃混合气在燃烧后产生的高温高压气体做完膨胀功后体积为V2（推动活塞移至下止点），则气体对活塞所做的膨胀功为（气体均假设为理想气体）：WPidVdVnRTln由上式可知，气缸被压缩后的体积V1和气体做完膨胀功后体积为V2一定，W的大小与气体的物质的量（n）和气体的温度（T）成正相关，即一定量燃料在气缸中完全燃烧后产生的热量越大、残留的气体越多，气体对活塞所做的功（W）就越大。若使用不同的燃料，但欲使内燃机持续地输出相同的动力，则只需调节内燃机的转速即可。现在我们来讨论汽油机分别采用汽油和乙醇做燃料

8、的做功情况。假设两台性能相同的汽油机A和B，A机采用汽油（C8H18）做燃料，B机采用乙醇做燃料，A、B的工作环境相同，进入气缸中的燃料混合气恰好完全燃烧。欲使A、B输出的功率完全相同，实际上相当于两者在气缸内所做的体积功相同，理想状况就是两者消耗等量的燃料后产生等量的热量并生成等量且组成也相同的残留气体才能实现，但实际上是有差别的。下面我们从燃料燃烧后产生等量的热量和生成等量的气体两方面实行讨论。1. A、B两气缸内产生等量的热量若在A、B两气缸内分别燃烧汽油（C8H18）和乙醇产生等量的热量，则所需乙醇和汽油（C8H18）的体积比为此时两气缸内残留气体的组成可按下面的计算得出：C8H18（

9、l） + O2（g） 8CO2（g） + 9H2O（g） 1L7 77.02mol7 49.30mol7 55.46mol7C2H5OH（l） + 3O2（g） 2CO2（g） + 3H2O（g） 1L10 51.47mol10 34.32mol10 51.48mol10A气缸内气体组成比为V(CO2)：V(H2O)：V(N2) 49.307mol：55.467mol：77.027mol 1：1.125：5.877B气缸内气体组成比为V(CO2)：V(H2O)：V(N2) 34.3210mol：51.4810mol：51.4710mol 1：1.500：5.642A、B两气缸内的气体总体积之比

10、为V(A，余) ： V(B，余) 2761.52mol：2794.25mol0.9882：1从上面的计算结果能够看出，两气缸中的残留气体总量比约少1.12%，相差不大，且A、B高温混合气体中含有的CO2相差约0.5%，但B混合气中的水蒸气比A中多三分之一，氮气比A中少4%，从表三中的数据能够看出，在1500K时水的摩尔热容为氮气的1.45倍（一般汽油机气缸内膨胀后的温度Tc为11001500），在2000K时水的摩尔热容为氮气的1.55倍，由此可见，A、B气缸在膨胀前的最高燃烧温度B要略低于（一般汽油机气缸表三 几种气体在K温度下的等容摩尔热容CV（JK-1mol-1） 温度气体298.15K

11、400K600K800K1000K1500K2000KN220.8120.9421.8023.1224.3926.5427.68H2O25.2525.9327.9830.3632.8938.6742.77CO228.8133.0039.0043.1145.9840.0552.02注：摘自高等教育出版社1979年3月版傅献彩、陈瑞华编高等学校使用教材物理化学（上册）第125页内的最高燃烧温度为20002500)，说明使用乙醇做燃料的内燃机若要输出等量的机械能，乙醇的消耗量至少需超过使用汽油（C8H18）做燃料时的42.86%，CO2多排放约0.5%。因为可燃混合气是通过高压直流电击穿的火花塞点燃

12、，此时NO气体的产生不可避免。2A、B两气缸内产生等量的残留气体若使A、B两气缸内可燃混合气完全燃烧后产生的残留气体物质的量相等，则有C8H18（l）+ O2（g） 8CO2（g） + 9H2O（g） AL 77.02molA 49.30molA 55.46molAC2H5OH（l）+ 3O2（g） 2CO2（g） + 3H2O（g） BL 51.47molB 34.32molB 51.48molBV(A，余) V(A，CO2)+V(A，H2O)+V(A，N2) 49.30molA+55.46molA+77.02molAV(B，余) V(B，CO2)+V(B，H2O)+V(B，N2) 34.3

13、2molB+51.48molB+51.47molB由 V(A，余) V(B，余)，代入上面的结果，即可得出所需汽油（C8H18）和乙醇的体积之比为：V(C8H18)：V(C2H6O)A：B7.1：10与情况1.的计算结果比较，两者所需乙醇持平， 2.中所需汽油（C8H18）约增加1.43%，这些汽油（C8H18）燃烧产生的热量也多增加1.43%，多增热量能用于做气体膨胀功的实际用量不足0.5%（热机效率按35%计），此时A中排放气体中的CO2也略增1.43%，同理，NO气体正常生成，那么2.的讨论结果实际上与1.1的结果非常接近。上述讨论的两种情况都是假设燃料在气缸中与氧气恰好完全燃烧的理想状

14、况，实际上这是不可能实现的。既使在非常优良的交通条件下，发动机以2000-2500r/min的转速匀速行驶的最低耗能状态，也很难达到上述的理想状况，那么在耗油更明显的其它行驶条件下，燃料的不充分燃烧将更加明显，况且要在极短的时间内（少于0.1秒）使燃料完成气化、形成可燃混合气、燃烧、膨胀过程，要让燃料完全燃烧几乎是不可能的。所以不论A缸或者B缸的工作过程中，都会产生碳粒、CO及其它污染物。乙醇燃料因自身含氧而使其易氧化性超过汽油（C8H18），但在气缸中不完全燃烧时也仅仅使更多的碳粒转化为CO以减少碳烟的排放，但决不会完全燃烧而不排放CO，虽然难产生碳氢化合物，却能产生有机酸、醛、酮等新的污染

15、物质。另一方面，因为乙醇和汽油（C8H18）分子结构差异使得乙醇具有分子间氢键而使其具有比汽油（C8H18）大得多的气化热(约为汽油的2.8倍），造成乙醇在气缸中因气化耗热多、气化不充分产生比汽油多且大的液滴，导致可燃混合物混合不均匀，从而更容易发生不完全燃烧，产生CO、CH3COOH、CH3CHO等更多种有毒气体。现已推广使用的乙醇汽油是向汽油中加入适量的乙醇制成的混合燃料，在汽缸中的燃烧情况介于前述两者之间，在燃烧过程中因为两者的相互影响使之变得比单一燃料燃烧时要复杂一些，但这并不能减少有害物质的生成，可通过同样的计算方法实行比较，其结果是一样的。此外乙醇强烈的亲水性、高温或低温季节汽油与乙醇的互溶性变差（需添加助溶剂）导致燃料品质的改变，乙醇对橡胶制品的溶胀作用会导致发动机性能