第四章-燃料与燃烧化学

第四章燃料与燃烧化学第一节发动机燃料第二节代用燃料及应用第三节燃烧化学第四节燃烧的基本理论第一节发动机燃料发动机的燃料几乎都是由地下石油经现代的提炼技术加工得到的，它是发动机产生动力的来源。由于资源、成本、使用性能的优势，车用发动机以汽油和柴油为基本燃料。为了保护大气品质和合理利用有限的石油资源，越来越多的人在努力探索发动机的代用燃料,如:1、醇类燃料：甲醇、乙醇；2、气体燃料：液化石油气、天然气、氢气。这对改善地球环境和节省能源都有积极作用。一、汽油汽油的性能对汽油机的工作有很大影响，因此对它有一定要求。汽油的主要性能有：1）抗爆性；2）蒸发性；3）氧化安定性；4）抗腐蚀性；5）清净性。1）抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力，用辛烷值表示。辛烷值是代表点燃式发动机燃料抗爆性的一个约定数值，在规定条件下的标准发动机试验中通过和标准燃料进行比较来测定。采用和被测定燃料具有相同的抗爆性的标准燃料中异辛烷的体积百分比来表示。测定汽油的辛烷值可以采用不同的试验方法，常用的为马达法与研究法。马达法测定辛烷值：测定条件较苛刻，发动机转速为900r/min，进气温度149°C。它反映汽车在高速、重负荷条件下行驶的汽油抗爆性。研究法测定辛烷值：测定条件缓和，转速为600r/min，进气为室温。这种辛烷值反映汽车在市区慢速行驶时的汽油抗爆性。马达法辛烷值（MON）低于研究法辛烷值（RON），低约0～15个单位，两者之间差值称敏感性或敏感度。一般采用研究法辛烷值来确定汽油的抗爆性。马达法辛烷值=研究法辛烷值*0.8十10如要比较全面表示抗爆性时，同时标出（RON）和（MON）值，也可用抗爆指数来衡量，即抗爆指数＝（MON+RON)/2。2）蒸发性指汽油在汽化器中蒸发的难易程度。由馏程、蒸气压、气液比3个指标综合评定。在现代汽油机中，可燃混合气形成的时间很短。因此，汽油蒸发性的好坏，对形成的混合气质量将有很大影响,对发动机的起动、暖机、加速、气阻、燃料耗量等有重要影响。A）蒸发性强汽油容易气化，造成的混合均匀的可燃混合气燃烧速度很快，燃烧完全。结果：发动机容易起动；加速及时；各工况间转换灵敏、柔和；能减小机件磨损、降低汽油消耗。但蒸发性太强：在炎热的夏季以及大气压力较低的高原和高山地区使用时，容易使发动机的供油系统产生“气阻”，甚至发生供油中断。另外在存储和运输过程中的蒸发损失也会增加。B）蒸发性弱难以形成良好的混合气结果：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，分别称为10％馏出温度、50％馏出温度、90％馏出温度和干点。1、10％馏出温度：蒸发出的是低沸点、高饱和蒸气压的轻质成分。▲常用来评价汽油的起动品质，此温度越低，汽油的起动品质越好。2、50％馏出温度：该温度的高低表明汽油中中间馏分蒸发性的好坏。▲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。3、90％馏出温度：表明汽油中难以蒸发的重质成分含量。▲此温度高，表明汽油中不易蒸发的重质含量多。这些重质成分在混合气形成过程中很难蒸发，他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。它直接影响汽油的储存、运输和在发动机上的应用：氧化安定性不好的汽油，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。汽油的化学组成对其氧化安定性影响很大：其中烷烃、环烷烃和芳香烃常温液态条件下氧化安定性好，而稀烃（不饱和烃）则容易氧化，并彼此之间还会发生缩合和聚合反应，所以氧化安定性差。对汽油氧化安定性的评定项目有两个:实际胶质和诱导期。提高氧化安定性的措施：催化重整；加氢精制；添加抗氧防胶剂、金属钝化剂。4）抗腐蚀性：在汽油的国家标准中,对汽油的腐蚀性有严格的要求。汽油成分中的各种烃类,都是没有腐蚀性的,而引起腐蚀的物质是硫、硫化物、有机酸、水溶性酸、碱等。由于汽油要与各种金属器件接触,如有腐蚀性,就会对储油容器及发动机机件产生腐蚀。汽油防腐性一般用硫含量、铜片腐蚀试验、水溶性酸或碱、酸度、博士试验等指标来评定。5)清净性汽油喷射式汽车最常发生的问题是在进气系统和喷油器上产生沉淀，其主要原因是汽油中不稳定的化合物，例如不饱和稀烃和二稀烃，以及添加剂带入的低分子量化合物等。为了经常保持进气系统的清洁，充分发挥汽油喷射的优点，可向汽油中加入汽油清净剂。6)汽油规格各国都根据自己国家的汽车发动机结构特点、使用条件、石油炼制水平来制定本国的汽油规格。我国有两种汽油规格：一种是车用汽油的国家标准，一种是无铅汽油的行业标准。从2014年1月1日起，开始销售国家标准车用汽油。汽油硫的含量：以前国标准：150PPM；现在国标准：50PPM；下一步推进：10PPM。根据《北京市清洁空气行动计划(2011－2015年大气污染控制措施)》，北京计划在今年实施第五阶段机动车排放标准（“京Ⅴ”燃油标准，与欧洲同阶段标准基本接轨），为保障排放标准顺利实施，需要配套相应的车用油品，油品标准相应升级。与北京第四阶段地方标准相比较，最主要的变化是：硫含量指标限值由50mg/kg降低为10mg/kg，以降低在用车污染物排放；车用汽油的锰含量指标限值由0.006g/L降低为0.002g/L。北京第五阶段地方标准车用汽油牌号由90号、93号、97号分别调整为89号、92号、95号，根据权威检测机构试验研究，标准89号车用汽油适用于原使用90号车用汽油的车辆……继北京实施机动车的京V排放标准后，上海也迎来更为严格的机动车排放标准。“沪V”汽油于2013年9月1日起试行，而“沪V”标准柴油可能将在2014年开始试行。但是否能继续向国内其他城市推广，还得取决于油品质量是否能同步升级。由美国汽车制造商协会（AAMA）和欧洲汽车制造商协会（ACEA）以及日本汽车制造商协会（JAMA）共同发起包括世界所有主要汽车制造商一起制定了一个世界燃料规范，主要是汽车制造商针对环保要求对汽车燃料提出的基本要求，在这个标准里汽油和柴油按适应环境要求的不同分成三类。第一类汽油和柴油是针对排放控制没有或极少有要求的场合；第二类汽油和柴油是针对排放控制有严格要求时的场合；第三类汽油和柴油是对排放控制有超前要求时的场合。这个标准的特点是对燃料的组成提出了要求，如稀烃、芳烃和苯，同时对与环境污染有关的元素含量也提出了要求。二、柴油柴油压燃式发动机（柴油机）轻柴油高速柴油机重柴油中、低速柴油机重油大型低速柴油机汽车用柴油机都是高速机，必须用轻柴油。柴油的物理和化学性能对柴油机的性能和起动以及燃油供给系统的工作和寿命都有影响。1、自燃性2、雾化和蒸发性3、硫含量4、安定性5、低温流动性国家标准规定柴油有十多种性能和质量指标，以保证柴油的品质能符合柴油机的工作要求。1、自燃性柴油的自燃性常用十六烷值来评定。它是与一种标准燃料（正十六烷和α－甲基萘的混合物）进行比较来加以评定的。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。将柴油和标准燃料进行比较的试验方法和仪器设备，由国家标准加以规定。实践证明：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。过高：喷入燃烧室的柴油来不及与空气充分混合就着火，使燃油不能得到及时而完全的燃烧，造成排气冒黑烟，经济性降低；过低：则使柴油机工作粗暴，起动也较难。因此柴油的十六烷值通常规定在适中的范围，高速柴油机采用十六烷值为40～65。2、雾化和蒸发性馏程、运动粘度、密度、闪点都是与雾化和蒸发性有关的油品指标。馏程是指一定温度范围内石油产品中可能蒸馏出来的数量和温度的标示。常以汽化10％、50％及90％等百分比燃油量所需温度来表示。是保证柴油在发动机燃烧室里迅速蒸发气化和燃烧的重要指标。柴油的粘度是柴油重要的物理性能之一，是表示其稀稠程度及流动性的指标。它影响燃油的喷雾质量、过滤性及在油道中的流动性。过高、过低都不好。闪点是指柴油混合气与火焰接触发生闪火的最低温度。闪点越高越安全，国标规定柴油闪点不应低于某一温度。3、硫含量硫天然存在于原油中，危害：1）柴油中的硫明显增加排气中的微粒物，不利于环保；2）对于装有催化转化器的汽车，硫使转化器的寿命降低；3）燃烧时易生成二氧化硫，遇到气缸内的蒸气或水分形成亚硫酸腐蚀零件，排放到大气中的硫化物极易与水分结合形成酸雨给环境带来危害；4）硫还会增加柴油机的磨损。各国标准中对硫含量提出了严格的要求，甚至是零含量。4、安定性安定性是指柴油在运输、储存和使用过程中应保持其外观颜色、组成和使用性能不变的能力。影响安定性的因素主要是柴油中的二烯烃、烯烃和环烷芳香烃这些不安定组分。5、低温流动性柴油失去流动性而开始凝固的温度称为凝点。当柴油温度接近凝点时，喷雾恶化、供油困难，柴油机无法正常工作。我国用于汽车的轻质柴油按凝点分为10号、0号、－10号、－20号、－35号、－50号共六个牌号。根据硫含量、安定性和酸度等指标将每一牌号柴油又划分为优等级、一等品和合格品三个档次，各个档次的柴油质量差别较大。第二节代用燃料及应用到目前为止，汽车发动机绝大多数还是使用石油制品的液体燃料－－汽油和柴油，所以汽油、柴油习惯上被称为汽车发动机的常规燃料，而其余则叫做代用燃料。一、代用燃料分类1、代用燃料按物态区分A）气体代用燃料：压缩天然气、液化石油气等，其它有氢气（H2）、沼气（CH4）、发生炉煤气（CO）、水煤气（CO＋H2）等，此外某些化工产品的气体燃料，如二甲基醚（CH3－O－CH3）可作柴油机代用燃料。B）液体代用燃料：包括甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）和某些动、植物油及可燃的化工液体副产品。2、代用燃料按化学成分区分可分为除汽油、柴油之外的烃燃料CnHm和含氧燃料两类。A）烃燃料CnHm:主要成分是碳和氢。有甲烷（CH4）、天然气、液化石油气、氢气（H2）等。B）含氧燃料：其成分中除C和H外，还含有一定比例的氧。例如甲醇(CH3OH)、乙醇（C2H5OH）以及动、植物油，煤气（CO）都是含氧燃料。代用燃料能否在汽车上得到应用，受到其理化特性、安全与环保特性、价格、供给等因素的影响。二、天然气天然气可以在汽车发动机中加以利用的方式有：1、压缩天然气CNG；2、液化天然气LNG；3、吸附天然气ANG；4、水合物（hydrate）：也叫可燃冰、固体瓦斯。以CNG的利用方式采用的最多。天然气储藏量大，且又是一种洁净燃料，至今已分别在汽油机和柴油机上开发了多种利用技术。1、天然气的性质天然气以甲烷为主要成分，随产地不同，甲烷的含量为83％～99％。由于天然气密度低于汽油，使吸入发动机的新鲜空气质量减少，发动机的输出功率将会降低，只为液体燃料的90％左右。天然气的研究法辛烷值为130，十六烷值为零，只能点燃不能压燃。由于常温常压下呈气态，容易与空气混合均匀，为实现稀薄燃烧提供了条件，便于应用稀燃技术改善排放。2、天然气发动机（1）单燃料天然气发动机专用的天然气发动机通常都具有较高的压缩比，并且多采用燃料喷射系统和特制的天然气汽车用催化转化器。天然气发动机的燃气供给方式通常有混合器式、单点喷射式和多点喷射式三种。单点喷射式是一种较好的折中方案。（2）双燃料天然气发动机双燃料天然气发动机主要是在现有的汽油机、柴油机的基础上加装CNG供给系统改装而成，以柴油机改装为例，供油系统仅喷入少量柴油，用于引燃天然气和空气的混合气。双燃料天然气发动机与单燃料天然气发动机相比：a）排气的清洁程度还不够理想，气缸和活塞的热负荷会增大，使这些零部件的可靠性、耐久性出现问题；b）必须携带两套燃料系统，因而结构复杂；C）柴油和天然气燃烧的最佳比例