第四章燃料与燃烧化学1.docx
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第四章燃料与燃烧化学1
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第四章燃料与燃烧化学
基本思路：
基本思路：
一、燃料的基本知识
汽油、汽油、柴油及代用燃料的性能
二、燃料燃烧时的化学反应和空燃比的计量三、燃料是如何着火和燃烧的？
燃料是如何着火和燃烧的？
着火与燃烧的基本理论
过量空气系数与空燃比
本章主要有4本章主要有4节内容
第一节第二节第三节第四节发动机燃料代用燃料及应用燃烧化学燃烧的基本理论
第一节发动机燃料
a/石油基燃料：
主要是C、H两种元素组成。
石油基燃料：
主要是、两种元素组成两种元素组成。
石油基燃料b/化学结构：
烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃化学结构：
烷烃、烯烃、化学结构等烃类组成。
等烃类组成。
柴油：
～碳原子烃类混合物组成碳原子烃类混合物组成。
柴油：
10～22碳原子烃类混合物组成。
它们几乎都是由石油炼制。
它们几乎都是由石油炼制。
烷烃是一种具有饱和链状结构的碳氢化合物，烷烃是一种具有饱和链状结构的碳氢化合物，通式有正构（直链）和异构（支链）烷烃之分。
为CnH2n+2，有正构（直链）和异构（支链）烷烃之分。
其中直链排列的正构烷的热稳定性差。
碳原子数多、其中直链排列的正构烷的热稳定性差。
碳原子数多、碳链长的烷烃，高温下容易断裂，发生化学反应，因此，长的烷烃，高温下容易断裂，发生化学反应，因此，它的自燃性好，滞燃期短，适合做柴油机的燃料。
自燃性好，滞燃期短，适合做柴油机的燃料。
发动机燃料的基础知识：
发动机燃料的基础知识：
汽油：
主要由5～碳原子的烷汽油：
主要由～11碳原子的烷环烷烃和稀烃组成；烃、环烷烃和稀烃组成；
带支链排列碳链较短的异构烷则与之相反，之相反，其热稳定性好，自燃倾向比性好，正构烷小得多，正构烷小得多，抗爆性强，爆性强，适合做汽油机的燃料。
油机的燃料。
热值高，便于热值高，运输储存。
运输储存。
一、汽油抗爆性性清净性
蒸发性
氧化安定
二、柴油
自燃性雾化和蒸发性硫含量安定性低温流动性
第二节
代用燃料及应用
代用燃料AlternativeFuel的分类代用燃料AlternativeFuel的分类随着世界石油储量的逐渐减少和排放法规的不断严格，和排放法规的不断严格，车用发动机代用燃料的推广将会成为一种必然。
节能环保与新能源车[08北京车展北京车展节能环保技术看点北京车展]北京车展节能环保技术看点北京车展
a/一般按物态分类：
一般按物态分类
代用燃料
气体代用燃料
醇类燃料二甲醚
液体代用燃料
煤制油生物柴油可燃化工液体副产品液化石油气天然气氢气
b/按化学成分分类：
按化学成分分类：
按化学成分分类
除汽柴油之外的烃燃料C除汽柴油之外的烃燃料nHm
CH4天然气3H8、C4H10液化石油气等天然气\C
含氧燃料
甲醇（甲醇（CH3OH），乙醇（C2H5OH）以及动，乙醇（以及动植物油等
评价内燃机代用燃料的性能参数：
评价内燃机代用燃料的性能参数：
1、热值、能量密度、热值、2、辛烷值、十六烷值、辛烷值、3、环境友好性、4、生产成本、5、储存方便性及安全性、
一、气体代用燃料
天然气、目前在内燃机上使用的气体燃料有天然气、液化石油气、沼气、煤气、化石油气、沼气、煤气、氢气等，其中以压缩天然气（然气（CompressedNaturalGas，缩写CNG）和液化，）石油气（石油气（LiquefiedPetroleumGas，缩写，缩写LPG）为主。
）为主。
燃气汽车
单一燃料汽车（单一燃料汽车（Mono－FuelVehicle）－）两用燃料汽车（－两用燃料汽车（BI－FuelVehicle））混合燃料汽车（混合燃料汽车（Dual－FuelVehicle）－）
指使用一种气体燃料的汽车。
指使用一种气体燃料的汽车。
指可以在气体燃料和另一种液体燃料之间进行切换的汽车。
行切换的汽车。
指同时使用一种气体燃料和一种（或一种以上）指同时使用一种气体燃料和一种（或一种以上）其他燃料的汽车。
其他燃料的汽车。
（一）天然气NaturalGas天然气
NG的主要成分是甲烷。
的主要成分是甲烷。
的主要成分是甲烷
存储方式：
存储方式：
a/直接以气体方式储存，即将其压缩至特制的直接以气体方式储存，直接以气体方式储存容器中（压力为20～），再经减压器减压容器中（压力为～30MPa），再经减压器减压），后供给发动机。
后供给发动机。
b/以液体方式储存，由于甲烷的临界温度低，以液体方式储存，以液体方式储存由于甲烷的临界温度低，通常采用低压（或略高于常压）低温（－通常采用低压（或略高于常压）和低温（－160℃左右）下液化后储存。
因此℃左右）下液化后储存。
因此LNG的储存要的储存要求高，相应的成本也较高。
求高，相应的成本也较高。
相比之下，相比之下，CNG的应用要比LNG方便和的应用要比方便和广泛得多。
广泛得多。
CNG发动机的主要技术特点如下：
发动机的主要技术特点如下：
发动机的主要技术特点如下
l）CNG发动机的排放特性、经济性要优于）发动机的排放特性、发动机。
发动机的排放特性经济性要优于LPG发动机。
同时，发动机同时，由于天然气资源较丰富，汽车具有广阔的发展前景。
由于天然气资源较丰富，CNG汽车具有广阔的发展前景。
汽车具有广阔的发展前景2）CNG的辛烷值高（130），抗爆性好，有利于提高压缩比。
的辛烷值高（），抗爆性好，有利于提高压缩比。
），抗爆性好）的辛烷值高3）CNG的能量密度较小，其续驶里程低于汽车。
）的能量密度较小，其续驶里程低于LPG汽车。
汽车
目前，作为内燃机的代用燃料，目前，LPG与CNG作为内燃机的代用燃料，大多是与作为内燃机的代用燃料在常规汽车上采用加装气体燃料供给系统的方法来实现。
在常规汽车上采用加装气体燃料供给系统的方法来实现。
这种方法没有充分发挥LPG和CNG的潜力，但这种两用的潜力，这种方法没有充分发挥和的潜力燃料汽车具有燃料灵活性的优点。
燃料汽车具有燃料灵活性的优点。
由主机厂开发的单一燃料或混合燃料汽车，燃料或混合燃料汽车，其动力性经济性显著高于简单改装的汽车。
装的汽车。
LPG及LPG及CNG的大规模使用取决于气体燃料G的大规模使用取决于气体燃料的价格、的价格、环境保护的要求和供气网络的建立和完善。
（二）液化石油气
（LPG））
LPG的主要成分是丙烷和丁烷，发动机用的的主要成分是丙烷和丁烷，的主要成分是丙烷和丁烷LPG一般是纯丙烷（C3H8）或丙烷与丁烷一般是纯丙烷（一般是纯丙烷的混合物。
（C4H10）的混合物。
它的主要技术特点如下：
它的主要技术特点如下：
l）汽化温度低。
常温下，石油气在0．2～）汽化温度低。
常温下，石油气在00．6MPa的压力下即可液化（随组分不同而定），6MPa的压力下即可液化随组分不同而定），的压力下即可液化（
因此，液化石油气的汽化较为容易，因此，液化石油气的汽化较为容易，与空气混合的均匀性大大优于汽油，有利于燃料的完全燃烧，排放低，性大大优于汽油，有利于燃料的完全燃烧，排放低，2）LPG的燃烧特性与汽油相当，其热值略高于汽油。
的燃烧特性与汽油相当，）的燃烧特性与汽油相当其热值略高于汽油。
3）LPG的辛烷值高，抗爆性能优于汽油，允许采用较的辛烷值高，）的辛烷值高抗爆性能优于汽油，高的压缩比，有利于提高发动机的热效率。
高的压缩比，有利于提高发动机的热效率。
汽化的LPG对发动机的充量系数有不利影响，因此简单改装后汽化的对发动机的充量系数有不利影响，对发动机的充量系数有不利影响的气体燃料发动机的功率会有所下降。
的气体燃料发动机的功率会有所下降。
二、液体代用燃料
主要是醇类燃料
醇类燃料主要有甲醇（醇类燃料主要有甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）。
）和乙醇（）。
甲醇可以从天然气、甲醇可以从天然气、煤、生物中提取，物中提取，乙醇主要是含有糖或淀粉的农作物经发酵后制成，淀粉的农作物经发酵后制成，它们都是液体燃料。
们都是液体燃料。
1．醇类燃料的物化特性和使用特性．
常用的代用燃料与汽油、常用的代用燃料与汽油、柴油的物理化学特性的比较
l）醇类燃料的低热值比汽油的低，甲醇仅为）醇类燃料的低热值比汽油的低，％，乙醇为汽油的％；但甲醇汽油的46％，乙醇为汽油的62％；但甲醇、乙％，％；但甲醇、醇燃烧时的理论空气量也少，甲醇为汽油的43％，醇燃烧时的理论空气量也少，甲醇为汽油的％，乙醇为汽油的60％。
因此当在汽油机上燃用甲醇、％。
因此当在汽油机上燃用甲醇乙醇为汽油的％。
因此当在汽油机上燃用甲醇、乙醇时，应增大循环供油量（乙醇时，应增大循环供油量（化油器发动机可增大主量孔直径或调大可调量孔，大主量孔直径或调大可调量孔，电控喷射的汽油机需要增加喷油脉宽）机需要增加喷油脉宽）从而使混合气的热值大体与汽油空气混合气相等或略高，与汽油空气混合气相等或略高，这样使发动机在燃用醇类燃料时动力性能不降低甚至可以提高。
燃用醇类燃料时动力性能不降低甚至可以提高。
2）醇类燃料的蒸发潜热比汽油大得多，）醇类燃料的蒸发潜热比汽油大得多，甲醇为1101kJ／kg，乙醇为／，乙醇为862kJ／kg，／，甲醇为汽油的3．倍乙醇为汽油的2．甲醇为汽油的．7倍，乙醇为汽油的．9倍，从而使混合气在燃料蒸发时温降大甲醇为汽油的7倍乙醇为汽油的4．（甲醇为汽油的倍，乙醇为汽油的．16）。
醇类燃料较大的混合气温降有利于倍）。
醇类燃料较大的混合气温降有利于提高发动机的充量系数和动力性，提高发动机的充量系数和动力性，但不利于燃料在低温下的蒸发，于燃料在低温下的蒸发，造成发动机冷起动困难（尤其是在冬季）和暖机时间长。
动困难（尤其是在冬季）和暖机时间长。
由于进入气缸的混合气温度低，滞燃期长，由于进入气缸的混合气温度低，滞燃期长，应适当增大点火提前角。
应适当增大点火提前角。
3）醇类燃料的辛烷值高，甲醇为）醇类燃料的辛烷值高，109，乙醇为110，在汽油机上使用，，可以提高压缩比，时，可以提高压缩比，有利于提高发动机的动力性能和经济性能。
醇发动机的动力性能和经济性能。
类燃料的十六烷值低，类燃料的十六烷值低，在柴油机上使用时，需要采用助燃措施。
使用时，需要采用助燃措施。
2、醇类燃料的优缺点、
（1）甲醇的优缺点）
甲醇作为车用燃料有以下优点：
甲醇作为车用燃料有以下优点：
l）甲醇可从煤或天然气中提炼，它可以大规模）甲醇可从煤或天然气中提炼，专门生产，也可以利用现有的氮肥厂设备联产，专门生产，也可以利用现有的氮肥厂设备联产，或采用多联产（化工产品如甲醇、或采用多联产（热、电、化工产品如甲醇、二甲合成气等联产，简称IGCC），生产成本低。
），生产成本低醚、合成气等联产，简称），生产成本低。
2）甲醇是液体燃料，可以沿用石油燃料的运输）甲醇是液体燃料，储存系统，基础设施投人少。
储存系统，基础设施投人少。
3）燃用甲醇燃料可以提高发动机动力性能、经）燃用甲醇燃料可以提高发动机动力性能、济性能，有害排放物低，是一种清洁代用燃料。
济性能，有害排放物低，是一种清洁代用燃料。
甲醇的主要缺点是：
甲醇的主要缺点是：
l）有毒、不可饮入口中或溅入眼中，须）有毒、不可饮入口中或溅入眼中，对甲醇燃料加强管理并严格遵守操作规程。
对甲醇燃料加强管理并严格遵守操作规程。
2）排气中有未燃醇和醛有害气体排放物，）排气中有未燃醇和醛有害气体排放物，需进行排气后处理。
需进行排气后处理。
其中未燃醇在环境中存在的时间短，可以被带氧微生物分解。
存在的时间短，可以被带氧微生物分解。
3）甲醇对有色金属、橡胶有腐蚀作用，）甲醇对有色金属、橡胶有腐蚀作用，需对燃油系统在结构上与材料上采取措施，需对燃油系统在结构上与材料上采取措施，如采用耐溶胀的硫化橡胶、如采用耐溶胀的硫化橡胶、不锈钢制油箱及聚四氟乙烯燃油管道等。
及聚四氟乙烯燃油管道等。
（2）乙醇（酒精）优缺点）乙醇（酒精）
乙醇的来源有三种，即剩余粮食、乙醇的来源有三种，即剩余粮食、能源作物和秸秆。
秸秆。
巴西和美国分别利用本国生产的甘蔗和玉米大量生产乙醇作为车用燃料。
米大量生产乙醇作为车用燃料。
乙醇作为内燃机代用燃料有以下优点：
乙醇作为内燃机代用燃料有以下优点：
l）辛烷值高（110左右），可以代替目前左右），）辛烷值高（左右），可以代替目前正在使用的无铅抗爆添加剂甲基叔丁基醚）。
乙醇无毒（MTBE）。
乙醇无毒，对环境无危害，而）。
乙醇无毒，对环境无危害，MTBE则被怀疑会污染地下水和致癌等，在则被怀疑会污染地下水和致癌等，则被怀疑会污染地下水和致癌等美国一些州已被禁用，年全面禁用。
美国一些州已被禁用，2004年全面禁用。
年全面禁用
2）乙醇是含氧燃料，蒸发潜热高，发）乙醇是含氧燃料，蒸发潜热高，动机燃用乙醇可以实现无烟排放，动机燃用乙醇可以实现无烟排放，并能大幅度降低CO排放，HC、NO。
也可以排放，、大幅度降低排放。
有不同程度的降低（有不同程度的降低（取决于发动机结构及其调整状态）。
及其调整状态）。
火花点火发动机可以燃用纯乙醇或乙醇和汽油的混合燃料（醇和汽油的混合燃料（掺烧比例大时需加助溶剂），），压燃式发动机也可以燃用加助溶剂），压燃式发动机也可以燃用乙醇，但需有助燃措施。
乙醇，但需有助燃措施。
乙醇作为内燃机代用燃料的缺点是：
乙醇作为内燃机代用燃料的缺点是：
l）乙醇生产成本高，虽然利用阶段性过剩、存）乙醇生产成本高，虽然利用阶段性过剩、放期过长甚至霉变的粮食制取酒精可以在一定程度上缓解粮食过剩和燃料不足的矛盾。
度上缓解粮食过剩和燃料不足的矛盾。
但我国可耕地面积少（为世界的7％），人口多（％），人口多耕地面积少（为世界的％），人口多（占全世22％），粮食来源不稳定，％），粮食来源不稳定界人口的22％），粮食来源不稳定，生产乙醇过程中耗能大（生产乙醇的耗能量接近乙醇发出过程中耗能大（的能量）、耗粮大，生产乙醇过程中有大量CO。
）、耗粮大的能量）、耗粮大，生产乙醇过程中有大量。
排放，利用粮食生产乙醇，只能适度开展。
排放，利用粮食生产乙醇，只能适度开展。
此外利用乙醇作为燃料或辛烷值添加剂时，利用乙醇作为燃料或辛烷值添加剂时，政府要考虑给予补贴，虑给予补贴，否则在市场经济条件下难以推广应用。
2）利用能源作物（如甜高粱的茎）利用能源作物（木薯等）制乙醇也是可行的，杆、木薯等）制乙醇也是可行的，生产成本比粮食制乙醇低1000元/t元左右，左右，秸秆制酒精是将秸秆通过酶水解成单糖，然后发酵成乙醇。
水解成单糖，然后发酵成乙醇。
由于酶成本高，秸秆收集比较困难，于酶成本高，秸秆收集比较困难，世界上未大规模生产。
世界上未大规模生产。
秸秆比较适宜在汽化生成沼气后，宜在汽化生成沼气后，作为民用燃料。
第三节燃烧化学
一、燃料的燃烧热值
单位量（固体和液体燃料用1kg，气体燃料用单位量（固体和液体燃料用，1m3）的燃料完全燃烧时所发出的热量叫热值的燃料完全燃烧时所发出的热量叫热值。
燃油中含有氢，燃烧后生成水。
水的状态对燃油中含有氢，燃烧后生成水。
热值大小有影响，热值大小有影响，因而热值就有高热值和低热值之分。
在高温的燃烧产物中，值之分。
在高温的燃烧产物中，水以蒸气状态存在，水的汽化潜热不能利用。
待温度降低后，存在，水的汽化潜热不能利用。
待温度降低后，水的汽化潜热才能释放出来。
因此，水的汽化潜热才能释放出来。
因此，水凝结以后计入水的汽化潜热的热值，后计入水的汽化潜热的热值，称为高热值。
a/高热值0（KJ/kg）高热值H高热值
b/低热值u（KJ/kg）低热值H低热值
生成的水为气态，生成的水为气态，则热值中不包含水的汽化潜热，为低热值H含水的汽化潜热，为低热值u。
发动机工作时从气缸中排出的废气温度较高，远远超出水蒸气的废气温度较高，凝结温度，水的汽化潜热不能利用，凝结温度，水的汽化潜热不能利用，因此，因此，有关计算中使用燃烧的低热值。
二、燃油完全燃烧的化学反应
发动机所用的汽油或柴油主要由碳、氧组成，发动机所用的汽油或柴油主要由碳、氢、氧组成，其它成分如氮、硫等含量不多，在热计算时不考虑，如以g它成分如氮、硫等含量不多，在热计算时不考虑，如以C、gH、gO分别表示分别表示1kg燃油中所含碳、氢、氧的数，即质燃油中所含碳、氧的kg数燃油中所含碳量成分%，量成分，则：
gC+gH+gO=1汽油的平均质量成分：
汽油的平均质量成分：
gC=0.855；gH=0.145；gO=0.000；；柴油的平均质量成分：
柴油的平均质量成分：
gC=0.870；gH=0.126；gO=0.004；；
发动机中，发动机中，燃油燃烧所需要的氧气来自空气以体积成分计，空气中氧占21%氮占79%，以体积成分计，空气中氧占21%，氮占79%；以质量成分计，氧占23%氮占77%以质量成分计，氧占23%，氮占77%。
根据化学反应原理，可以写出：
根据化学反应原理，可以写出：
碳燃烧：
碳燃烧：
C+O2＝CO244（kg）
12（kg）32（kg）（）
或
81（kg）（kg）11（kg）338g（kg）（O）=11g（kg）（CO）∴gC（kg）（C）+C2c233
12（kg）（C）+1kmol（O2）=1kmol（CO2）1（kg）
112
（kmol）（kmol）
∴gC（kg）（C）
gc+12
gc（O2）=12
1（kmol）12
（kmol）（CO2）
氢燃烧：
氢燃烧：
H2+1（kg）O2——→H2O16（kg）8（kg）18（kg）9（kg）
2（kg）（）
∴gH（kg）（H2）+8gH（kg）（H2O）=9gH（kg）（H2O）2（kg）（H2）+kmol（O2）=1kmol（H2O）11（kmol）（kmol）或1（kg）24
gHgHgH（kg）（H2）+kmol（O2）=kmol（H2O）24
三、燃油燃烧时所需空气量
燃油中含有g或的氧，在1kg燃油中含有okg或0kmol的氧，所以燃油中含有的氧所以1kg燃油完全燃烧时需要燃油完全燃烧时需要32供应的氧为
g
或
gc+12
gH4
g032
（kmol））
1千克燃油完全燃烧理论所需的空气量，即理论空气量Lo为千克燃油完全燃烧理论所需的空气量，即理论空气量千克燃油完全燃烧理论所需的空气量gHg01gcLo=+）（kmol/kg）×（（）40.213212或18
8gc+8gH—go（kg））3
L0=
（gc+8gH?
g0）（kg/kg））0.233
个标准大气压下，千摩尔空气占有的体积为在0℃、1个标准大气压下，1千摩尔空气占有的体积为22.4m3。
以体℃个标准大气压下积表示的理论空气量为：
积表示的理论空气量为：
L0=
22.4gcgHg0（+?
）0.2112432
[m3/kg]
分别将汽油，柴油的平均成分代入理论空气量的计算公式中，分别将汽油，柴油的平均成分代入理论空气量的计算公式中，可得汽油的理论空气量为14.9（kg/kg）柴油的理论空气量为可得汽油的理论空气量为（）柴油的理论空气量为14.5（kg/kg）。
也称为化学计量空燃比）。
四、过量空气系数与空燃比
理论空气量是指理论上使燃油完全燃烧所需要的空气量。
燃烧所需要的空气量。
在发动机实际循环中，为使燃油完全燃烧，环中，为使燃油完全燃烧，1kg燃油供给燃油供给空气的数量应该等于理论空气量L空气的数量应该等于理论空气量o。
但由于发动机不同情况的需要，是由于发动机不同情况的需要，实际供给的空气数量往往大于或小于理论空气量。
因此为评定发动机工作过程中实际供给空气的数量，供给空气的数量，引用过量空气系数这一概念。
这一概念。
发动机工作过程中1kg燃油实际供给燃油实际供给发动机工作过程中的空气数量L与理论空气量o之比，称为的空气数量与理论空气量L之比，与理论空气量过量空气系数，用符号Φ表示表示，过量空气系数，用符号Φa表示，即LΦa=L0过量空气系数是发动机工作过程的一个重要参数，个重要参数，当实际空气量等于理论空气量时，气量时，则L=Lo,Φa=1；Φa<1时，表；时示L1时，表示为稀混合气。
L>Lo，为稀混合气。
过量空气系数与发动机类型、过量空气系数与发动机类型、混合气形成方法、燃料的种类、工况负荷与转速）（负荷与转速）、功率调节的方法等因素有关。
因素有关。
pme∝
柴油机负荷是靠质调节的（柴油机负荷是靠质调节的（即混合气浓度调节）的变化范围很大。
调节），Φa的变化范围很大。
由于混合气形成的变化范围很大不均匀，所以Φ总是大于总是大于1的不均匀，所以Φa总是大于的。
在柴油机吸入气缸的空气量一定的情况下，Φa小就是意味着可缸的空气量一定的情况下，Φa小就是意味着可以向气缸多喷油，缸内空气的利用程度高，以向气缸多喷油，缸内空气的利用程度高，发出的功率大。
所以ΦaΦa是反映混合气形成和燃烧完的功率大。
所以Φa是反映混合气形成和燃烧完善程度及整机性能的一个重要指标，善程度及整机性能的一个重要指标，应该力求减Φa。
柴油机在全负荷时Φ的一般数值为的一般数值为：
小Φa。
柴油机在全负荷时Φa的一般数值为：
高速柴油机增压柴油机Φa=1.2~1.6Φa=1.8~2.2
！
发动机冒黑烟！
p157
如果Φa再小会怎样？
如果再小会怎样？
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