燃料与燃烧化学

第四章燃料与燃烧化学主要内容•第一节发动机的燃料•第二节代用燃料及其应用（自学）•第三节燃烧化学•第四节燃烧的基本理论第一节发动机的燃料内燃机燃料工质影响热效率、输出动力、混合气的形成方式、燃烧模式、负荷调节方式、有害排放等。内燃机的燃料ENGINEFUELS1、石油基液体燃料汽油和柴油2、内燃机的替代燃料汽油与柴油GasolineandDiesel柴油：轻柴油的碳原子数在10~22之间，平均相对分子量在170左右。汽油：汽油中烃类的碳原子数一般在5~12之间，平均相对分子量在110左右汽油柴油汽油与柴油的燃料特性FuelProperties•挥发性•抗爆性•自燃性•低温流动性汽油的主要性能有：抗爆性、蒸发性、氧化安定性、抗腐蚀性及清洁性。一、汽油1、抗爆性•汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力。•汽油的抗爆性用辛烷值来表示。辛烷值越高，其抗爆性越好。•汽油的辛烷值在规定条件下,被测定汽油和标准燃料（异辛烷和正庚烷）进行比较，异辛烷的辛烷值为100，正庚烷的辛烷值为0。当被测定汽油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度相同时，标准混合液中所含异辛烷的体积百分比，即为所试油料的辛烷值。汽油抗爆性评定OctaneNumberRating研究法辛烷值(RON)在单缸试验机下测定。进气温度51.7C，冷却水温度100C，转速600r/min，混合气不预热，点火提前角为13CA，试验时调整到爆燃最强。在单缸试验机下测定。马达法的试验工况规定为：转速900r/min，冷却水温度100C，混合气温度149C，点火提前角为14~26CA，试验时调整到爆燃最强。马达法规定的实验转速及混合气温度比研究法的高，所以马达法测出的辛烷值比研究法测出的辛烷值低。实际中常用RON值作为汽油的标号。马达法辛烷值(MON)测定汽油的辛烷值有不同的试验方法，常用的为马达法（MON）与研究法（RON）。燃料的灵敏度=RON-MON抗爆指数=(RON＋MON)/2抗暴指数也是评价燃料抗爆性的一种指标。表示对工况的敏感性和适应能力，即燃料对发动机运转工况强化（点火提前角加大，进气温度提高等）后出现爆燃的相对敏感程度。灵敏度为正时，被测试燃料比参比燃料更敏感；为负则反之。道路辛烷值RoadOctaneNumber有时，人们也采用道路辛烷值来评价抗爆性。它是在实际发动机上标定，用不同辛烷值的标准燃料与待测汽油，在汽车行驶过程中进行抗爆性的对比试验。抗爆添加剂OctaneNumberImprover四乙基铅（乙基液）甲基叔丁基醚（MTBE）、乙基叔丁基醚（ETBE）、叔丁醇、甲醇、乙醇等MTBE有一定毒性。美国已禁止使用，亚洲和欧洲目前仍在使用，我国目前车用无铅汽油辛烷值改进剂主要使用MTBE。石油炼制方法不同，辛烷值也有差别2、蒸发性•液态汽油汽化的难易程度称为汽油的蒸发性。•汽油的蒸发性越强，越容易汽化，要求汽油必须具有良好的蒸发性。但蒸发性也不能太强，否则易形成供油系“气阻”，甚至发生供油中断现象。•蒸发性很弱的汽油，难以形成良好的混合气，这样不仅会造成发动机起动困难、加速缓慢，而且未气化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳定，油耗上升。如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还会破坏润滑油膜，甚至窜入曲轴箱稀释润滑油，从而使发动机润滑遭破坏，造成机件磨损增大。•汽油的蒸发性用汽油蒸发量为10％、50％、90％和100％时所对应的温度来评定。•用10％馏出温度低，汽油的起动品质越好。•50％馏出温度低，说明汽油的中间馏分容易蒸发，有利于汽油机的加速和由冷的状态很快转入工作状态。•90％馏出温度高，表明汽油中不易蒸发的重质含量多。汽油中这些重质成分在混合气形成的过程中很难蒸发，它们附着在进气管和气缸壁上，将增加燃油消耗、稀释气缸壁上的润滑油和加大气缸磨损。3、氧化安定性•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称为氧化安定性。•汽油氧化安定性直接影响汽油的储存、运输和在发动机上的应用。安定性不好的汽油，易发生氧化、缩合和聚合反应，生成酸性物质和胶状物质，将导致燃料供应系统堵塞，气门关闭不严，气缸散热不良，增大爆燃倾向。4、清净性•汽油中的不稳定化合物，例如不饱和烯烃和二烯烃，以及添加剂带入的低分子量化合物等，容易在喷嘴和进气门上积炭。•解决办法是加入汽油清净剂，发挥其抗氧化和表面活性作用，这也是机内净化的手段。5、汽油规格•我国目前有两种规格，一种是车用汽油的国家标准（GB1793-1999），一种是无铅汽油的行业标准。•我国的无铅车用汽油国家标准见表4-1。•未来的规范是依据排放要求来制定。二、柴油汽车用柴油为轻柴油。1、柴油的自燃性•柴油的自燃性:柴油在没有外界火源的情况下能自行着火的能力。•自燃点：自行着火的最低温度。•柴油的自燃性好，着火延迟期短，在着火延迟期内气缸中形成的可燃混合气量少，着火后缸内压力升高率低，柴油机工作较柔和，在低温时易于起动。•十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。•柴油的十六烷值：标准燃料是正十六烷和α一甲基萘的混合物。正十六烷自燃性最好，作为自燃性好的标准，其十六烷值定为100。α一甲基萘最不易自燃，作为自燃性差的标准，定其十六烷值为0。柴油的自燃性通常介于正十六烷与α一甲基萘之间。将上述两种成分按不同比例混合，可得出不同十六烷值的标准燃料，其十六烷值为该混合物中正十六烷所占的体积百分数。如果某种柴油与某种标准燃料的自燃性相同，则该标准燃料的十六烷值即为该柴油的十六烷值。•十六烷值过高或过低的柴油，都对柴油机的性能或工作不利。十六烷值过低，不易着火，柴油机工作不稳定、粗暴，起动困难。十六烷值过高，喷入燃烧室的柴油来不及与空气混合就着火，燃烧不完全，冒黑烟，经济性降低。•国产柴油的十六烷值规定为40~65之间。•十六烷值与辛烷值是相逆的评价指标，十六烷值是表征自燃性，辛烷值是表征抗自燃性。两者的大致关系：辛烷值=120-2×十六烷值2、柴油的蒸发性•柴油的蒸发性影响滞燃期内柴油的蒸发量及燃烧的完全程度，用馏程表示。•馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处的温度，通常以馏出50﹪的温度来评定。馏程低，说明这种燃料轻馏分多，蒸发性好，有利于混合气形成，改善了燃烧过程。但是，馏程过低，燃料蒸发过快，则在着火延迟期内形成的混合气量过多，柴油机工作粗暴。车用柴油机的柴油馏程为200℃~300℃。•如果柴油中的难以蒸发的重馏分（重质成分）（用90%或95%馏出温度表示）过多，直接导致燃料不能及时和完全燃烧，且易排气冒烟。•因此，要求柴油的50%馏出温度适宜，90%馏出温度和95%馏出温度应比较低。3、柴油的粘度•粘度表示燃料分子的内聚力，表现为抵抗分子间相对运动的能力，柴油的粘度决定柴油的流动性。粘度低，流动性增强，雾化性好；过低，容易泄漏进入气缸；过高，滤清困难，喷雾不良，流动阻力增大。凝点：指柴油冷却到开始失去流动性的温度，是评价柴油低温流动性的指标。国产轻柴油的牌号以凝点大小编号。如10号轻柴油的凝点为10℃。好的柴油凝点低。选用柴油时，其凝点要比最低环境温度低3～5℃。见表4、柴油的凝点轻柴油的选用牌号适用范围10号有预热设备的柴油机5号气温在8OC以上地区0号气温在4OC以上地区—10号气温在—5OC以上地区—20号气温在—14OC以上地区—35号气温在—29OC以上地区—50号气温在—44OC以上地区燃料特性汽油柴油化学计量空燃比14.814.3低热值，kJ/kg4396042500混合气热值,kJ/Nm338103789液体密度，kg/m3750860沸点，K305~483453~603凝固点，K216272.5粘度(cP@293K)3.440汽化潜热，kJ/kg314301辛烷值80~9720~30十六烷值10~1540~55着火界限(空气中容积比，%)1.4~7.61.5~7.6自燃温度，K493~533473~493汽柴油的理化特性FuelPropertiesComparison第二节代用燃料及其应用代用燃料按物态气体代用燃料：天然气、液化石油气、氢气、煤气、煤层气、沼气等液体代用燃料：甲醇、乙醇、二甲醚、动植物油、合成油等按化学成分烃燃料含氧燃料醇类燃料二甲醚生物柴油煤气内燃机的发展方向•一类是从结构上改进发动机，提高发动机效率。目前发动机效率仅为38%左右，应用电喷、三元催化等技术可提高其效率，节约燃料，改善废气排放。•另一类研究是改变发动机燃料，如使用液化石油气（LPG）、天然气（CNG）、二甲醚（DME）以及氢燃料等，其中使用氢（或氢与其他燃料混合）作为发动机燃料的技术近期发展很快，受到专业人士的普遍重视。这是因为氢在地球上取之不尽，能从多种植物、矿物、有机液体及水中提取氢。氢的热值比较高，可以再生，而且氢燃烧后的大部分生成物是水蒸气，产生的有害废气很少，属于“绿色”能源。（氢的利用目前有三种途径）资源是否丰富、稳定，最好能够再生；生产工艺简单，原始投资不大，燃料成本低廉；与现有内燃机技术体系和基础设施的兼容性好；生产过程对环境友好；可显著改善内燃机的尾气排放；对内燃机的动力性和经济性影响不大，能有所改进更好。选择原则替代燃料的含氧量、自燃温度、辛烷值、十六烷值、与汽油或柴油的互溶性与稳定性；低热值，化学计量空燃比；燃料的粘度与润滑性；与弹性密封材料的兼容性；燃料本身及燃烧排放物的毒性；燃料本身的生物降解性。选用燃料的重要参数燃烧热化学简介内燃机工质是成分和比例不断变化的混合物。在进气和压缩过程中，基本上为燃料、空气与残余废气的混合物（汽油机），或空气与残余废气的混合物（柴油机），此时由于缸内压力与温度都不高，可以忽略工质间的化学作用，而认为工质成分是“冻结”不变的，从点火或喷油开始的燃烧、膨胀和排气过程中，由于燃烧及高温热反应的作用，工质混合物的成分和比例在不断变化中。除了燃烧最终产物H2O和CO2以及空气中不参加反应的N2等成分之外，还有各种有害排放物和燃烧过程中的各种中间产物。因此涉及到化学动平衡与化学动力学两种分析方法。发动机缸内工质燃烧后与燃烧前分子总数之比称为分子变化系数μ。汽/柴油机的μ值都大于1（汽油机μ值更大，柴油机空气多，且含氢量少），表明燃烧后总分子数增多，这一因素对工质作功有利，会提高循环热效率。但一般情况下，对发动机的性能影响不大。而在混合气较浓、燃烧不完全产生CO时，μ值加大，性能分析时就需考虑这一因素（主要是汽油机）。气体燃料发动机由于燃料分子要计入燃烧前分子总数，而燃料分子在燃烧后不复存在，所以μ值可能小于1，这是它的不利的一个方面。第三节燃烧化学一、燃料燃烧的热值单位量的燃料完全燃烧时所发出的热量。完全燃烧是指当燃料在空气中燃烧时，一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃料完全燃烧，即将碳氢燃料中所有的碳、氢完全氧化成二氧化碳和水（C生成CO2、H生成H2O），而空气中的氮并不参与反应，其它元素生成高级氧化物。为方便计算，简单地认为空气中除氧气外，其余均为氮气，因此空气中1摩尔的氧气，就对应有（1―0.2095）/0.2095=3.773摩尔的氮气。gasvol.%molarwt.O220.9531.998N278.0928.012Ar0.9338.948CO20.0344.009Air100.0028.962空气的成分wrHHou汽油:44000[kJ/kg]；柴油:42500[kJ/kg]；w单位质量燃烧产物中水的含量，%。uHuH完全燃烧时，生成的水为气态时的热值为低位发热值——主要应用完全燃烧时，生成的水为液态时的热值为高位发热值高位热值比低位热值大（书上错误），其差值为水蒸气的汽化潜热r。uHoH在内燃机实际工作状态下，缸内气体温度高，水蒸汽的汽化潜热是不可能被利用的，因此一般所说的燃料热值指的是燃料的低热值。二、燃料完全燃烧的化学反应1.碳燃烧：2.氢燃烧：3.硫燃烧：4.一氧化碳燃烧：5.碳氢化合物：三、燃料燃烧所需的空气量•1kg燃料完全燃烧所需要的空气量称理论空气量。汽油的理