第四章燃料与燃烧化学

1、第四章第四章 燃料与燃烧化学燃料与燃烧化学 第一节第一节 发动机燃料发动机燃料 第二节第二节 代用燃料及应用代用燃料及应用 第三节第三节 燃烧化学燃烧化学 第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论第一节第一节 发动机燃料发动机燃料&汽油汽油&柴油柴油抗爆性抗爆性蒸发性蒸发性氧化安定性氧化安定性抗腐蚀性抗腐蚀性清净性清净性自燃性自燃性 雾化和蒸发性雾化和蒸发性硫含量硫含量安定性安定性 低温流动性低温流动性 一、汽油一、汽油 1. 抗爆性抗爆性回顾回顾汽油的抗爆性汽油的抗爆性 辛烷值的测量辛烷值的测量 辛烷值测量辛烷值测量 的试验方法的试验方法 汽油避免发生汽油避免发生“爆燃爆燃

2、”的能力。的能力。异辛烷异辛烷正庚烷正庚烷测量测量汽油汽油爆燃强度爆燃强度马达法辛烷值马达法辛烷值MON研究法辛烷值研究法辛烷值RON标准标准混合液混合液以以较高较高的混合气温度和的混合气温度和较高较高的发动机转速的发动机转速的的苛刻条件苛刻条件为其特征的实验室标准发动机测得为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷值。的辛烷值。 以以较低较低的混合气温度和的混合气温度和较低较低的发动机转速的发动机转速的的中等苛刻中等苛刻条件为其特征的实验室标准发动机条件为其特征的实验室标准发动机测得的辛烷值。测得的辛烷值。 2. 蒸发性蒸发性Def：汽油由液态转化成气态的性能。：汽油由液态转化成气态的性能。 汽油

3、的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有具有良好的蒸发性良好的蒸发性。但蒸发性也不能太强，否则易形。但蒸发性也不能太强，否则易形成供油系成供油系“气阻气阻”，甚至发生供油中断现象。，甚至发生供油中断现象。评定：汽油的蒸发性由燃料的蒸馏试验来决定。评定：汽油的蒸发性由燃料的蒸馏试验来决定。 分别测出分别测出10、50和和90馏分时的温度以及终馏分时的温度以及终馏温度，分别定义为馏温度，分别定义为10馏出温度馏出温度、50馏出温度馏出温度和和90馏出温度馏出温度以及以及干点干点。起动性起动性平均蒸发性平均蒸发性含有难于挥发含有难于挥发的重质成分的数量的重

4、质成分的数量 3. 氧化安定性氧化安定性 4. 清净性清净性Def：汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质：汽油抵抗大气或氧气的作用而保持其性质 不发生长久性变化的能力。不发生长久性变化的能力。 清净剂是一种具有清净、分散、抗氧、破清净剂是一种具有清净、分散、抗氧、破乳和防锈性能的多功能复合添加剂，一般是聚乳和防锈性能的多功能复合添加剂，一般是聚烯胺和聚醚胺类化合物。烯胺和聚醚胺类化合物。 没有清净剂的汽油是没有清净剂的汽油是“电喷杀手电喷杀手” 。二、柴油二、柴油 1. 自燃性自燃性回顾回顾柴油的自燃性柴油的自燃性 十六烷值的测量十六烷值的测量 : 柴油的自燃能力。柴油的自燃能力。十六烷十六烷

5、a-甲基萘甲基萘测量测量柴油柴油自燃性自燃性一般高速柴油机使用十六烷值为一般高速柴油机使用十六烷值为4065的柴油的柴油标准标准混合液混合液体积体积分数分数 2.雾化和蒸发性雾化和蒸发性 3.硫含量硫含量 闪点闪点:可燃性物质表面上的可燃性物质表面上的蒸气蒸气和空气的混合气与火和空气的混合气与火接触而接触而初次初次发生闪火时的温度。发生闪火时的温度。 柴油的闪点柴油的闪点:柴油柴油蒸气蒸气和空气的混合气与火焰接触时和空气的混合气与火焰接触时发生闪火时的发生闪火时的最低最低温度。温度。 4.安定性安定性 5.低温流动性低温流动性 牌号：牌号：10#、0#、10#、20#、35#、50#。第二节第

6、二节 代用燃料及其应用代用燃料及其应用代用燃料代用燃料按按物物态态气体代用燃料：气体代用燃料：天然气、液化石油气、天然气、液化石油气、 氢气、沼气、二甲醚氢气、沼气、二甲醚液体代用燃料：液体代用燃料：甲醇、乙醇、植物油甲醇、乙醇、植物油按化按化学成学成分分烃燃料烃燃料含氧燃料含氧燃料一、天然气一、天然气 主要成分是主要成分是 ，基本不含硫，基本不含硫，无色、无嗅、无毒、无腐蚀性，具无色、无嗅、无毒、无腐蚀性，具有安全、热值高、洁净和应用广泛有安全、热值高、洁净和应用广泛等优点。等优点。天然气作为汽车代用燃料的主要天然气作为汽车代用燃料的主要形式是形式是和和液化天液化天然气然气LNG 。天然气具

7、有较高的辛烷值，研天然气具有较高的辛烷值，研究法辛烷值为究法辛烷值为130，抗爆性好，抗爆性好 。二、液化石油气二、液化石油气u主要成分是主要成分是丙烷丙烷和和丁烷丁烷，具有污，具有污染少、发热量高、易于运输、压力染少、发热量高、易于运输、压力稳定、储存设备简单，供应方式灵稳定、储存设备简单，供应方式灵活等优点。活等优点。 u来源来源油田液化气油田液化气炼油厂液化气炼油厂液化气可直接用作车用可直接用作车用一般烯烃含量低于一般烯烃含量低于6%才能用作车用才能用作车用三、醇类燃料三、醇类燃料 1. 甲醇甲醇性质：性质：常温常压状态下，甲醇为无色透明，易挥发、常温常压状态下，甲醇为无色透明，易挥发、

8、可燃，略带醇香味的有毒液体；能无限溶于水，与烃类可燃，略带醇香味的有毒液体；能无限溶于水，与烃类燃料相容性较差。燃料相容性较差。原料原料：天然气、煤炭、焦炭等。：天然气、煤炭、焦炭等。 甲醇汽油甲醇汽油Def：甲醇与汽油的混合燃料。：甲醇与汽油的混合燃料。表示：表示：Mx缺点：低温起动性不好、润滑性差，稳定性主要取缺点：低温起动性不好、润滑性差，稳定性主要取 决于其中含水量。决于其中含水量。2. 乙醇乙醇 性质：性质：常温下，纯乙醇是具常温下，纯乙醇是具有特殊香味的无色透明液体，有特殊香味的无色透明液体，易挥发，无限融于水，与烃类易挥发，无限融于水，与烃类燃料相容性较差。燃料相容性较差。 获得

9、：获得：目前，世界上生产的燃料乙醇大部分是以甘蔗、目前，世界上生产的燃料乙醇大部分是以甘蔗、玉米、薯干和植物秸秆等为原料玉米、薯干和植物秸秆等为原料糖化发酵糖化发酵制造的。制造的。乙醇汽油：乙醇汽油：乙醇与汽油的混合燃料，乙醇与汽油的混合燃料，Ex 。使用特点：使用特点：使用乙醇汽油，不影响汽车的行驶性能，使用乙醇汽油，不影响汽车的行驶性能， 还可以减少有害气体的排放量。还可以减少有害气体的排放量。水的存在导致乙醇汽油储运难度加大。水的存在导致乙醇汽油储运难度加大。四、二甲醚四、二甲醚 二甲醚简称二甲醚简称DME，是一种无毒，是一种无毒含氧燃料，常温常压下为气态。含氧燃料，常温常压下为气态。

10、可以从煤、天然气等多种资源可以从煤、天然气等多种资源中，通过甲醇脱水工艺或合成气直中，通过甲醇脱水工艺或合成气直接合成工艺制取。接合成工艺制取。 2005年年 ，研制出我国第一台以，研制出我国第一台以二甲醚为燃料的城市客车二甲醚为燃料的城市客车 。 二甲醚的经济性较差二甲醚的经济性较差 ，成本偏，成本偏高。高。六、氢气六、氢气 性质：性质：氢气是一种无色、无味、无嗅、无毒的可燃性氢气是一种无色、无味、无嗅、无毒的可燃性 气体气体 ，其燃烧产物只有水。，其燃烧产物只有水。 制取：制取：氢气可以利用水、生物质、天然气或者煤炭制备。氢气可以利用水、生物质、天然气或者煤炭制备。 现阶段，氢气主要是现阶

11、段，氢气主要是通过甲烷蒸气通过甲烷蒸气重整反应重整反应从从天然气中分离提取。天然气中分离提取。 其中最有前途的方法其中最有前途的方法是利用可再生能源制氢，是利用可再生能源制氢，而成本则是可再生能源制而成本则是可再生能源制氢的最大障碍。氢的最大障碍。五、生物柴油五、生物柴油l 生物柴油是以大豆、油菜籽等生物柴油是以大豆、油菜籽等油料作物油料作物，油棕、黄连，油棕、黄连木等木等油料林木果实油料林木果实，工程微藻等，工程微藻等水生植物水生植物，以及动物油，以及动物油脂、废餐饮油等脂、废餐饮油等可再生物可再生物为原料制成的液体燃料，是优为原料制成的液体燃料，是优质的柴油代用品。质的柴油代用品。 美国利

12、用大豆美国利用大豆 欧盟国家利用油菜籽欧盟国家利用油菜籽 东南亚国家利用棕榈树果实东南亚国家利用棕榈树果实 某些国家废餐饮油回收某些国家废餐饮油回收l 制取制取第三节第三节 燃烧化学燃烧化学 一、燃料燃烧的热值一、燃料燃烧的热值 二、燃料燃烧的化学反应二、燃料燃烧的化学反应 三、燃料燃烧所需的空气量三、燃料燃烧所需的空气量 四、过量空气系数与空燃比四、过量空气系数与空燃比 燃料和空气之间基本的数量关系燃料和空气之间基本的数量关系 燃烧后工质的组成燃烧后工质的组成一、燃料燃烧的热值一、燃料燃烧的热值 热值：热值：单位量单位量的燃料的燃料完全燃烧完全燃烧时所发出的时所发出的 热量。热量。单位量单位

13、量：固体和液体燃料是指：固体和液体燃料是指1kg，气体燃料是，气体燃料是 指指1m3。完全燃烧完全燃烧：某化合物被全部氧化，其中：某化合物被全部氧化，其中C生成生成 CO2，H生成生成H2O，其他元素生成，其他元素生成 高级氧化物。高级氧化物。低位热值低位热值 ：完全燃烧时，当生成的：完全燃烧时，当生成的H2O为为 时所发出的热量，时所发出的热量，kJ/kg 。uH高位热值高位热值 ：完全燃烧时，当生成的：完全燃烧时，当生成的H2O为为 时所发出的热量时所发出的热量，kJ/kg 。0HwrHHu0 发动机用到的燃料燃烧的热值发动机用到的燃料燃烧的热值都是低位热值。都是低位热值。单位质量燃烧产物

14、中单位质量燃烧产物中水的含量（）水的含量（）三、燃料燃烧所需的空气量三、燃料燃烧所需的空气量 1.理论空气量：理论空气量：1kg燃料完全燃烧时所需的最少空气量。燃料完全燃烧时所需的最少空气量。COCO22 2.计算过程：计算过程：假设假设1kg燃料中碳、氢、氧的质量分别为燃料中碳、氢、氧的质量分别为gc、gH、gOHOH O222121kmol 1kmol1kmol 0.5kmol1kg2.667kg1kg8kgkmol：32412OHCggg 所需所需O2的量：的量：kg：OHCggg8667. 2 所需空气的量：所需空气的量：kmol：)32412(%211OHCgggkg：)8667.

15、2(%231OHCgggm3：)32412(%2122.4OHCgggu汽油的平均质量成分：汽油的平均质量成分：u柴油的平均质量成分：柴油的平均质量成分： 汽油的理论空气量为：汽油的理论空气量为：14.958kg/kg ?柴油的理论空气量为：柴油的理论空气量为：14.45kg/kg ?四、过量空气系数与空燃比四、过量空气系数与空燃比1. 过量空气系数过量空气系数a Def：发动机工作过程中，燃烧：发动机工作过程中，燃烧1kg燃油实际供给的燃油实际供给的空气量与理论空气量之比。空气量与理论空气量之比。a1 稀混合气稀混合气柴油机：柴油机： a1汽油机：汽油机： a12. 空燃比空燃比空燃比：空燃

16、比：可燃混合气中所含空气与燃料的质量之比。可燃混合气中所含空气与燃料的质量之比。燃空比：燃空比：可燃混合气中所含燃料与空气的质量之比。可燃混合气中所含燃料与空气的质量之比。汽油理论完全燃烧时的空燃比汽油理论完全燃烧时的空燃比14.9柴油理论完全燃烧时的空燃比柴油理论完全燃烧时的空燃比14.514.814.714.3第四节第四节 燃烧的基本理论燃烧的基本理论 一切燃烧过程都是由一切燃烧过程都是由着火着火和和燃烧燃烧两个阶段组成的。两个阶段组成的。 着火阶段着火阶段是物质燃烧的准备阶段，是着火的物理和化学是物质燃烧的准备阶段，是着火的物理和化学 的准备过程。的准备过程。 使可燃混合气从使可燃混合气

17、从着火阶段着火阶段进入进入燃烧阶段燃烧阶段的方法主要有的方法主要有两种：两种： 利用点火系向可燃混合物增加能量，迫使可燃混合物利用点火系向可燃混合物增加能量，迫使可燃混合物 着火燃烧，即所谓的着火燃烧，即所谓的点燃点燃。 依靠自身缓慢的化学反应逐渐积累依靠自身缓慢的化学反应逐渐积累热量热量或或活化中心活化中心完完 成着火燃烧，即所谓的成着火燃烧，即所谓的自燃自燃。 燃烧过程所经历的燃烧过程所经历的3个个基本阶段：基本阶段：（2）点燃可燃混合气，或可燃混合气在温度和）点燃可燃混合气，或可燃混合气在温度和 浓度合适的地区发生自燃，在一处或多处浓度合适的地区发生自燃，在一处或多处 同时着火。同时着火

18、。（1）形成燃油与空气的可燃混合气。）形成燃油与空气的可燃混合气。（3）火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃）火源扩大到整个可燃混合气，形成全面燃 烧。烧。一、着火机理一、着火机理 1. 热自燃机理热自燃机理 可燃混合气在可燃混合气在充满燃烧室容器充满燃烧室容器后受热，使混合后受热，使混合气达到一定温度，由于进行气达到一定温度，由于进行化学反应所释放化学反应所释放的热的热量多于量多于从容器壁面向外散失从容器壁面向外散失的热量，产生热量累的热量，产生热量累积而使混合气的温度上升，进而促使混合气的积而使混合气的温度上升，进而促使混合气的反反应速率增加应速率增加，放出更多热，这种不断相互促进的，放出

19、更多热，这种不断相互促进的结果，最终导致反应速率急剧加快而结果，最终导致反应速率急剧加快而达到着火达到着火。 2.链锁自燃机理链锁自燃机理 可燃混合气在可燃混合气在外部能量外部能量的作用下，反应物的作用下，反应物中产生中产生活化中心活化中心使反应持续下去，最重要的是使反应持续下去，最重要的是出现出现分支反应分支反应使活化中心数目迅速增多，造成使活化中心数目迅速增多，造成反应速率剧烈升高而反应速率剧烈升高而达到着火达到着火。理解！理解！二、发动机混合气的着火二、发动机混合气的着火 发动机的实际燃烧过程中，不存在单独的热自燃发动机的实际燃烧过程中，不存在单独的热自燃或链锁自燃，均是两者同时存在又相互促进。或链锁自燃，均是两者同时存在又相互促进。 发火条件发火条件高温单阶段着火高温单阶段着火低温多阶段着火低温多阶段着火柴油机柴油机汽油机汽油机三、发动机的燃烧方式三、发动机的燃烧方式 着火着火前前，燃料与，燃料与空气是分开的，着火空气是分开的，着火后后燃料边燃料边蒸发蒸发边与空边与空气气混合混合，边，边燃烧燃烧的燃的燃烧方式即扩散燃烧。烧方式即扩散燃烧。预混合燃烧预混合燃烧扩散燃烧扩散燃烧汽油机和气体燃料发动机汽油机和气体燃料发动机柴油机的燃烧基本上属于扩柴油机的燃烧基本上属于扩散燃烧散燃烧