1、第四章第四章 燃料與燃燒化學燃料與燃燒化學廈門理工學院廈門理工學院 機械系 車輛工程教研室洪漢池洪漢池主要內容主要內容n第一節 發動機的燃料n第二節 代用燃料及其應用n第三節 燃燒化學n第四節 燃燒的基本理論n作業及思考題第一節第一節 發動機的燃料發動機的燃料n石油燃料石油燃料（汽油、柴油）煉制煉制方法方法（補）（補）：將原油在專用的煉油塔(分餾塔)中進行加熱蒸餾，不同的分餾溫度，得到不同成分的燃油，最終獲得的燃料約占原油的25一40；。：將蒸餾后的重油等一些高分子成分通過不同的技術手段裂解為分子量較輕的成分。其中，通過加溫加壓加溫加壓的方法進行裂解的稱為，使用催化劑催化劑(觸媒)進行裂解的稱

2、為代用燃料代用燃料一、汽油一、汽油 汽油的主要性能有：抗爆性、抗爆性、蒸發性蒸發性、氧化安定性、抗腐蝕性、氧化安定性、抗腐蝕性及清潔性。及清潔性。1、汽油的抗爆性、汽油的抗爆性n汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在發動機氣缸內燃燒是指汽油在發動機氣缸內燃燒時抵抗爆燃的能力時抵抗爆燃的能力。n汽油的抗爆性是以來表示的。根據試驗規范的不同，所得的辛院值分別稱為。我國生產的汽油是按研究法辛烷值RON分級的。n汽油的辛烷值越高，其抗爆性越好。n汽油的牌號以辛烷值辛烷值劃分。2 2、汽油的蒸發性、汽油的蒸發性n液態汽油汽化的難易程度稱為汽油的液態汽油汽化的難易程度稱為汽油的蒸發性蒸發性。n汽油的蒸發性越強

3、，越容易汽化，要汽油的蒸發性越強，越容易汽化，要求汽油必須具有求汽油必須具有良好的蒸發性良好的蒸發性。但蒸發性也不能太強，否則易形成供油系“氣阻氣阻”，甚至發生供油中斷現象。二、柴油二、柴油1、柴油的、柴油的發火性發火性（自燃性）（自燃性）n柴油的發火性是指柴油的自燃能力自燃能力。n 十六烷值十六烷值是評定柴油自燃性好壞的指標，對燃燒過程也有一定影響。十六烷值越高，著十六烷值越高，著火性越好火性越好。但是十六烷值過高，燃料分子量加大，使蒸發性變差、粘度增加，導致燃燒不完全等。因此，國產柴油的十六烷值規定為4065之間，不必要過分增大。2、柴油的、柴油的蒸發性蒸發性n柴油的蒸發性影響滯燃期內柴油

4、的蒸發量及柴油的蒸發性影響滯燃期內柴油的蒸發量及燃燒的完全程度，用燃燒的完全程度，用餾程餾程表示。表示。n餾程餾程指柴油蒸餾過程中餾出一定百分數所處的溫度溫度，通常以餾出通常以餾出50的溫度來評定的溫度來評定。餾程低，說明這種燃輕餾分多，蒸發性好，有利于混合氣形成，改善了燃燒過程。但是，餾程過低，燃料蒸發過快，則在著火延遲期內形成的混合氣量過多，柴油 機 工 作 粗 暴 。 車 用 柴 油 機 的 柴 油 餾 程 為200300。3、柴油的粘度粘度 柴油的粘度決定柴油的流動性。柴油的粘度決定柴油的流動性。粘度流動性物化性好，過低，潤滑性降低；粘度過濾清困難，噴霧不良，流動阻力增大。4、柴油的凝

5、點凝點柴油的凝點凝點指柴油冷卻到失去流動性的溫度指柴油冷卻到失去流動性的溫度。第二節第二節 代用燃料及其應用代用燃料及其應用代用燃料代用燃料按按物物態態氣體代用燃料：天然氣、液化石油氣、天然氣、液化石油氣、 氫氣、煤氣、沼氣氫氣、煤氣、沼氣等液體代用燃料：甲醇甲醇、乙醇、乙醇、植物油植物油 燃料等燃料等按化按化學成學成分分烴燃料含氧燃料一、天然氣一、天然氣 天然氣主要成分為甲烷 (容積比可達8399以上)，另外還包括乙烷以及丙烷等。 ，在用作點點燃式發動機燃式發動機的燃料時，通過適當的技術措施，如提高發動機的壓縮比等，可以接近原發動機的動力性能。同時，天然氣又是一種比較潔凈的能源，排污低排污低

6、，使用比較方便，特別是壓縮壓縮天然氣天然氣(CNGCompressed Natural Gas)，便于儲存，配合相應的基礎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。二、液化石油氣二、液化石油氣 液化石油氣(LPG-Liquefied Petroleum Gas）主要成分是、，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。 三、醇類燃料三、醇類燃料n醇類燃料主要是CH3OH和C2H5OH。可以從天然氣、煤、生物質等原料中提取；主要是將含有糖和淀粉的農作物經過發酵后制得。n醇類燃料是液體燃料，可以沿用傳統的石油

7、燃料的運輸、貯存系統，相關的基礎設施建設投入少，而發動機的動力性與經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，是一種很有發展前景的代用燃料。 乙醇汽油是一種由糧食及各種植物纖維加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工成的燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配形成替代能源成替代能源。按照我國的國家標準，乙醇汽油是用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調和而成。 乙醇它以 玉米、薯類、糖蜜等為原料，經發酵、蒸餾制成。 試點檢測結果表明，使用車用乙醇汽油不影響汽車的行駛性能。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

8、基本不變。汽車使用乙醇汽油已被視為改善城市空氣質量的重要手段。 對目前中國推廣乙醇汽油試點工作，有專家強調認為，必須妥善解決好以下三個關鍵問關鍵問題題：一一是乙醇汽油百公里耗油量高于高于同牌號的汽油消耗量；二二是由于中國乙醇汽油的推廣剛剛起步，究竟乙醇汽油對加油機、汽車等零部件是否有影響及影響程度均不是很清楚；三三是由于乙醇汽油不宜長期儲存的特性，乙醇汽油的調配和銷售同普通汽油相比具有更大的質量風險。第三節第三節 燃燒化學燃燒化學一、燃料燃燒的熱值熱值 單位量的燃料完全燃燒時所發出的熱量單位量的燃料完全燃燒時所發出的熱量。 完全燃燒是指某化合物被所在氧氣全部氧化，其中C生成CO2、H生成H2O

9、，其它元素生成高級氧化物。wrHHou汽油: 44100 kJ/kg ；柴油: 42500 kJ/kg uHuH 完全燃燒時，生成的水為氣態時的熱值為低位發熱值低位發熱值 。 完全燃燒時，生成的水為液態時的熱值為高位發熱值高位發熱值 。uHoH二、燃料完全燃燒的化學反應二、燃料完全燃燒的化學反應1.碳燃燒：碳燃燒：2.氫燃燒：氫燃燒：3.硫燃燒：硫燃燒：4.一氧化碳燃燒：一氧化碳燃燒：5. 碳氫化合物：碳氫化合物：三、燃料燃燒所需的空氣量三、燃料燃燒所需的空氣量n1 kg燃料完全燃燒所需要的空氣量稱理論空氣理論空氣量量。n已知條件:1 kg燃料中所含 kg 碳， kg 氫氣， kg氧氣汽油:

10、kg/kg ， kg/kg ， kg/kg 柴油: kg/kg ， kgkg ， kg/kg gCgHgOgC 0855.gH 0145.gO 0gC 087.gH 0126.gO 0004. 化學反應方程式 需要總的 量 COCO22HOH O22212O2 1Kg燃料中所含的 量 kg = kmol 所需空氣中的 量 = 總的 量燃料中所含的 量或gO32gOO2O2O2O2（2） kg 空氣中氧氣成分約占23%（3） 1 kmol 空氣 = 22.4 空氣，m3LgggCHO022 4021 12432.()kgm /3所需空氣量 （1） kmol：空氣中氧氣成分約占21%，所以Lggg

11、CHO01021 12432.() kmol/kg 將平均質量成分代入式可得四、過量空氣系數和空燃比四、過量空氣系數和空燃比1 過量空氣系數 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 標準混合氣 一般，柴油機一般，柴油機: 1: 1；汽油機；汽油機: 1 : 1 1 1。a0LLa燃燒燃料實際供給的空氣量完全燃燒燃料理論上所需要的空氣量11kgkgatat過量空氣系數是反映混合氣形成和完善程度及整機性能的一個重要標志，在保證完全燃燒的前提下，應力求使過量空氣系數小。aaa2 空燃比、燃空比 汽油理論上完全燃燒時的空燃比約為14.9。 應用空燃比空燃比直觀

12、方便，其數值即為每千克燃料燃燒時實際供給空氣量的千克數。 14.9為濃混合氣，為濃混合氣， 14.9的為稀混合氣的為稀混合氣。第四節第四節 燃燒的基本理論燃燒的基本理論n一切燃燒過程都由著火著火和燃燒燃燒兩個階段組成。n著火著火階段是物質燃燒的準備階段，是著火前的物理和化學的準備過程。n燃燒燃燒的第二階段，有兩種方法。一是強迫著火或點燃。另一種是自然著火。n發動機內的燃燒過程一般說來，要經歷三個發動機內的燃燒過程一般說來，要經歷三個基本步驟：基本步驟：(1)形成燃油與空氣的可燃混合氣；(2)點燃可燃混合氣，或可燃混合氣在混度和濃度適當的地區發生自燃，在一處或同時在數處著火 著火過程 ； (3)

13、火源擴大到整個可燃混合氣，形成全面燃燒。一、著火機理：一、著火機理：n按化學動力學的觀點，著火機理可分為熱自熱自燃燃機理和鏈鎖自燃鏈鎖自燃機理兩類。(一一)熱自燃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。放熱的同時，由于溫差的原因，會對周圍介質散熱。若化學反應所釋放出的熱量大于所失去的熱量，混合氣的溫度升高，進而促使混合氣的反應速率和放熱速率增大。這種相互促進，最終導致極快的反應速率而著火。這就是熱自燃熱自燃，或稱熱爆熱爆。(二二)鏈鎖反應鏈鎖反應 所謂鏈鎖反應鏈鎖反應是這樣的化學反應，其中一個活化作用能引起很多基本反應，即反應鏈。整個反應過程分為： 引導反應(鎖的引發)反應鏈(

14、鏈的繼續反應或鏈的傳遞)斷鏈反應(鏈的中斷即活化中心的死亡)。二、發動機混合氣的著火二、發動機混合氣的著火 內燃機中碳氫化合物的自燃，均屬于鏈一熱自燃，但由于發火的條件不同，有高溫單階段著火高溫單階段著火和低溫多階段著火低溫多階段著火。汽油機柴油機（一） 汽油機高溫單級著火汽油機高溫單級著火1 壓縮的是燃料與空氣的混合氣體, 在此過程中, 已經進行了一些化學反應。2 火花點火, 局部溫度高達20000以上, 該處燃料分子直接分裂成大量的自由原子與自由基, 迅速反應出現熱火焰, 瞬間擴大到整個燃燒室內。所以, 汽油機著火過程： 壓縮混合氣壓縮混合氣 點火（經短暫著火延遲期）點火（經短暫著火延遲期

15、） 熱火焰熱火焰 高溫單級點燃高溫單級點燃（二）柴油機低溫多級著火（二）柴油機低溫多級著火1、 階段混合階段 在壓縮過程終了時，燃料噴入汽缸內形成可燃混合氣。燃料遇到溫度較高的空氣，開始氧化，但速度緩慢，示功圖上的壓縮線沒有明顯的變化。混合階段，為著火做準備。 t12 階段一階段一階段反應反應 燃燒的實質是燃料的氧化反應，當反應速度很快時，火焰就會出現。經過時間后，反應加劇，出現冷火焰，缸內壓力超過壓縮壓力。在這一階段，反應生成醛類、過氧化物和一氧化碳等中間產物。要求混合氣較濃， = 0.40.5。3 階段二階段二階段反應反應 溫度、壓力升高較大，產生許多化學反應的活性中心，出現藍火焰。混合氣

16、稀得多，略小于1。4 時間后三時間后三階段反應反應 活性中心劇增，化學反應加速，熱積累劇烈，發生爆炸，出現熱火焰。混合氣更稀， 1。 著火延遲期著火延遲期t2t3ttt123ttt123三、發動機的燃燒方式三、發動機的燃燒方式（一） 同時爆炸燃燒同時爆炸燃燒 取某一部分為系統, 著火前后整個系統各個部分的相完全均勻一致。為單相單相系, 均勻系homogeneous systemhomogeneous system。 柴油機上, 由于混合氣分配不是十分均勻, 總有某一部分混合氣最先著火（一般在噴油嘴附近）, 取這一部分為系統, 則系統內實現的就是同時爆炸燃燒同時爆炸燃燒。 汽油機上, 由于火焰有

17、傳播速度（雖然很快, 但相對同時爆炸燃燒卻很小）, 傳播逐次進行, 故顯然不是同時爆炸燃燒。但火花塞間隙火花塞間隙處的少量混合氣在電火花作用下, 可實現同時爆同時爆炸燃燒炸燃燒，從而形成火焰中心火焰中心。（二） 逐漸爆炸燃燒逐漸爆炸燃燒（預混合（預混合燃燒燃燒）汽油機火焰傳播。兩相系混合氣相混合氣相 （未（未燃區），燃燒產物相燃區），燃燒產物相 （已燃區）。（已燃區）。加熱從火花塞開始， 緊靠火花塞的那一部分混合氣首先被加熱, 使氧化或活性中心增多, 發生燃燒。燃燒又加熱下一層, 一層一層傳播。燃燒主要在火焰前鋒面內進行。火焰前鋒面前方的未燃區中是混合氣，火焰前鋒面后方的已燃區中為燃燒產物和一小部分在火焰前鋒面中沒有燃燒掉的燃料繼續燃燒。（三）（三） 擴散燃燒擴散燃燒柴油機的燃燒方式, 三相燃料相三相燃料相, , 空氣相空氣相, , 燃燒產物相。燃燒產物相。 柴油燃點比汽油低, 但在日常生活中汽油卻比柴油易燃, 原因就在于汽油的