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 发动机的燃料几乎都是由地下石油经现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代的提炼技术加工得到的，它是发动机产生，它是发动机产生动力的来源。由于资源、成本、使用性能的动力的来源。由于资源、成本、使用性能的优势，优势，车用发动机以汽油和柴油为基本燃料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为了保护大气品质和合理利用有限的石油资

2、源，越来越多的人在努力探索发动机的代用资源，越来越多的人在努力探索发动机的代用燃料燃料, ,如如: :1 1、醇类燃料：甲醇、乙醇；、醇类燃料：甲醇、乙醇；2 2、气体燃料：液化石油气、天然气、氢气。、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。这对改善地球环境和节省能源都有积极作用。一、汽油一、汽油 汽油的性能对汽油机的工作有很大影响，因此对它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：有一定要求。汽油的主要性能有： 1 1）抗爆性；）抗爆性； 2 2）蒸发性；）蒸发性； 3 3）氧化安定性；）氧化安定性； 4 4）抗腐蚀性；）

3、抗腐蚀性； 5 5）清净性。）清净性。1 1）抗爆性）抗爆性 是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆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。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。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采用和被测定燃料具有相同的抗爆性的标准燃料中标准燃料中异辛烷的体积百分比异辛烷的体积百分比来表示。来表示。 测定汽油的辛烷值可以采用不同的试验方法，测定汽油的辛烷值

4、可以采用不同的试验方法，常用的为常用的为马达法与研究法。马达法与研究法。 马达法测定辛烷值：马达法测定辛烷值：测定条件较苛刻，发动机测定条件较苛刻，发动机转速为转速为900r/min900r/min，进气温度，进气温度149149C C。它反映汽车在。它反映汽车在高速、重负荷条件下行驶的汽油抗爆性。高速、重负荷条件下行驶的汽油抗爆性。 研究法测定辛烷值：研究法测定辛烷值：测定条件缓和，转速为测定条件缓和，转速为600r/min600r/min，进气为室温。这种辛烷值反映汽车在市，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。区慢速行驶时的汽油抗爆性。 马达法辛烷值（马达法辛烷值（

5、MONMON）低于研究法辛烷值）低于研究法辛烷值（RONRON），），低约低约0 01515个单位，两者之间差值称敏感个单位，两者之间差值称敏感性或敏感度。性或敏感度。 一般采用研究法辛烷值来确定汽油的抗一般采用研究法辛烷值来确定汽油的抗爆性。爆性。 马达法辛烷值马达法辛烷值= =研究法辛烷值研究法辛烷值* *0.80.8十十1010 如要比较全面表示抗爆性时，同时标出如要比较全面表示抗爆性时，同时标出（RONRON）和（）和（MONMON）值，也可用抗爆指数来衡）值，也可用抗爆指数来衡量，即抗爆指数（量，即抗爆指数（MON+RON)/2MON+RON)/2。2 2）蒸发性）蒸发性 指汽油在汽

6、化器中蒸发的难易程度。由馏指汽油在汽化器中蒸发的难易程度。由馏程、蒸气压、气液比程、蒸气压、气液比3 3个指标综合评定。个指标综合评定。 在现代汽油机中，可燃混合气形成的时间在现代汽油机中，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混合气质量将有很大影响, ,对发动机的起动、对发动机的起动、暖机、加速、气阻、燃料耗量等有重要影响。暖机、加速、气阻、燃料耗量等有重要影响。 A A）蒸发性强）蒸发性强 汽油容易气化，造成的混合均匀的可燃汽油容易气化，造成的混合均匀的可燃混合气燃烧速度很快，燃烧完全。混合气燃烧速度很快，燃烧

7、完全。 结果：结果：发动机容易起动发动机容易起动；加速及时加速及时；各各工况间转换灵敏、柔和工况间转换灵敏、柔和；能减小机件磨损、能减小机件磨损、降低汽油消耗降低汽油消耗。 但蒸发性太强：但蒸发性太强：在炎热的夏季以及大气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发动机的供油系统产生“气阻气阻”，甚至发生，甚至发生供油中断。另外在存储和运输过程中的供油中断。另外在存储和运输过程中的蒸发蒸发损失也会增加损失也会增加。B B）蒸发性弱）蒸发性弱 难以形成良好的混合气难以形成良好的混合气 结果：结果：发动机起动困难、加速缓慢，

8、而发动机起动困难、加速缓慢，而且未气化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳且未气化的悬浮油粒还会使发动机工作不稳定，油耗上升定，油耗上升。 如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还如果未燃尽的油粒附着在气缸壁上，还会会破坏润滑油膜破坏润滑油膜，甚至窜入曲轴箱稀释润滑，甚至窜入曲轴箱稀释润滑油，从而使发动机润滑遭破坏，油，从而使发动机润滑遭破坏，造成机件磨造成机件磨损增大损增大。 汽油的蒸发性用汽油蒸发量为汽油的蒸发性用汽油蒸发量为1010、5050、9090和和100100时所对应的温度来评定，时所对应的温度来评定，分别称为分别称为1010馏出温度、馏出温度、5050馏出温度、馏出温度、9090馏出温度和

9、馏出温度和干点。干点。1 1、1010馏出温度：馏出温度：蒸发出的是低沸点、高饱和蒸蒸发出的是低沸点、高饱和蒸气压的轻质成分。气压的轻质成分。 常用来评价汽油的起动品质，此温度越低，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汽油的起动品质越好。2 2、5050馏出温度：馏出温度：该温度的高低表明汽油中该温度的高低表明汽油中中间馏分蒸发性的好坏。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汽油机的加速和由冷的状态很快转入工作状态态。3 3、9090馏出温度：馏出温度：表明汽油中难以蒸发的重表

10、明汽油中难以蒸发的重质成分含量。质成分含量。此温度高，表明汽油中不易蒸发的重质含量此温度高，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加燃油消耗，稀释气缸壁上的润滑油和加大气缸磨损气缸磨损。3 3）氧化安定性）氧化安定性 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称为氧化安定性。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、运输和在发动机上它直接影响汽油

11、的储存、运输和在发动机上的应用：的应用：氧化安定性不好的汽油，易发生氧化、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。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：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，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

12、氧并彼此之间还会发生缩合和聚合反应，所以氧化安定性差。化安定性差。 对汽油氧化安定性的评定项目有两个对汽油氧化安定性的评定项目有两个: :实实际胶质际胶质和和诱导期诱导期。 提高氧化安定性的措施提高氧化安定性的措施：催化重整催化重整；加氢加氢精制精制；添加抗氧防胶剂、金属钝化剂添加抗氧防胶剂、金属钝化剂。4 4）抗腐蚀性：在汽油的国家标准中）抗腐蚀性：在汽油的国家标准中, ,对汽油的对汽油的腐蚀性有严格的要求。腐蚀性有严格的要求。 汽油成分中的各种烃类汽油成分中的各种烃类, ,都是没有腐蚀性的都是没有腐蚀性的, ,而而引起腐蚀的物质是硫、硫化物、有机酸、水溶性酸、引起腐蚀的物质是硫、硫化物、有

13、机酸、水溶性酸、碱等。由于汽油要与各种金属器件接触碱等。由于汽油要与各种金属器件接触, ,如有腐蚀如有腐蚀性性, ,就会对储油容器及发动机机件产生腐蚀。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。溶性酸或碱、酸度、博士试验等指标来评定。5) 5) 清净性清净性 汽油喷射式汽车最常发生的问题是在进气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系统和喷油器上产生沉淀，其主要原因是汽油中，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，以不稳定的化合物，例如不饱和

14、稀烃和二稀烃，以及添加剂带入的低分子量化合物等。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喷射的优点，可向汽油中加入汽油清净剂汽油清净剂。6) 6) 汽油规格汽油规格 各国都根据自己国家的汽车发动机结构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特点、使用条件、石油炼制水平来制定本国的汽油规格。的汽油规格。 我国有两种汽油规格我国有两种汽油规格：一种是车用汽油：一种是车用汽油的国家标准，一种是无铅汽油的行业标准。的国家标准，一种是无铅汽油的行业标准。 从从2014201

15、4年年1 1月月1 1日起，开始销售国家标准日起，开始销售国家标准车用汽油。车用汽油。 汽油硫的含量：汽油硫的含量： 以前国标准：以前国标准：150PPM150PPM； 现在国标准：现在国标准：50PPM50PPM； 下一步推进：下一步推进：10PPM10PPM。 根据北京市清洁空气行动计划根据北京市清洁空气行动计划(2011(201120152015年大气污染控制措施年大气污染控制措施) )，北京计划在今，北京计划在今年实施第五阶段机动车排放标准年实施第五阶段机动车排放标准（“京京”燃油标准，燃油标准，与欧洲同阶段标准基本接轨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

16、应的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。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，最主与北京第四阶段地方标准相比较，最主要的变化是：要的变化是：硫含量指标限值由硫含量指标限值由50mg/kg50mg/kg降低降低为为10mg/kg10mg/kg，以降低在用车污染物排放；车用，以降低在用车污染物排放；车用汽油的锰含量指标限值由汽油的锰含量指标限值由0.006g/L0.006g/L降低为降低为0.002g/L0.002g/L。 北京第五阶段地方标准车用汽油牌号由北京第五阶段地方标准车用汽油牌号由9090号、号、9393号、号、9797号分别调整为号分

17、别调整为8989号、号、9292号、号、9595号，根据权威检测机构试验研究，标准号，根据权威检测机构试验研究，标准8989号车用汽油适用于原使用号车用汽油适用于原使用9090号车用汽油的车号车用汽油的车辆辆 继北京实施机动车的京继北京实施机动车的京V V排放标准后，排放标准后，上海也迎来更为严格的机动车排放标准。上海也迎来更为严格的机动车排放标准。“沪沪V V”汽油于汽油于20132013年年9 9月月1 1日日起试行，而起试行，而“沪沪V V”标准柴油可能将在标准柴油可能将在20142014年年开始试行。但是否开始试行。但是否能继续向国内其他城市推广，还得取决于油能继续向国内其他城市推广，

18、还得取决于油品质量是否能同步升级。品质量是否能同步升级。 由由美国汽车制造商协会美国汽车制造商协会（AAMAAAMA）和）和欧洲欧洲汽车制造商协会汽车制造商协会（ACEAACEA）以及）以及日本汽车制造日本汽车制造商协会商协会（JAMAJAMA）共同发起包括世界所有主要）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，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主要是汽车制造商针对环保要求环保要求对汽车燃料对汽车燃料提出的基本要求，在这个标准里汽油和柴油提出的基本要求，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。按适应环境要求的不同分成三类。 第一类第一类汽

19、油和柴油是针对排放控制没有汽油和柴油是针对排放控制没有或极少有要求的场合；或极少有要求的场合； 第二类第二类汽油和柴油是针对排放控制有严汽油和柴油是针对排放控制有严格要求时的场合；格要求时的场合； 第三类第三类汽油和柴油是对排放控制有超前汽油和柴油是对排放控制有超前要求时的场合。要求时的场合。 这个标准的特点这个标准的特点是对燃料的组成提出了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。染有关的元素含量也提出了要求。二、柴油二、柴油 柴油柴油 压燃式发动机（柴油机）压燃式发动机（柴油机） 轻柴油轻柴油 高速柴油机高

20、速柴油机 重柴油重柴油 中、低速柴油机中、低速柴油机 重油重油 大型低速柴油机大型低速柴油机 汽车用柴油机都是高速机，必须用轻柴油。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。起动以及燃油供给系统的工作和寿命都有影响。1 1、自燃性、自燃性2 2、雾化和蒸发性、雾化和蒸发性3 3、硫含量、硫含量 4 4、安定性、安定性5 5、低温流动性、低温流动性 国家标准规定柴油有十多种性能和质量指标，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。以保证柴油的品质能

21、符合柴油机的工作要求。1 1、自燃性、自燃性 柴油的自燃性常用十六烷值来评定柴油的自燃性常用十六烷值来评定。 它是与一种它是与一种标准燃料（正十六烷和标准燃料（正十六烷和甲基萘的混合物）甲基萘的混合物）进行比较来加以评定的。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。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，实践证明：十六

22、烷值过高或过低的柴油，都对柴油机的性能或工作不利。都对柴油机的性能或工作不利。 过高：过高：喷入燃烧室的柴油来不及与空气充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；燃烧，造成排气冒黑烟，经济性降低； 过低：过低：则使柴油机工作粗暴，起动也较难。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因此柴油的十六烷值通常规定在适中的范围，围，高速柴油机采用十六烷值为高速柴油机采用十六烷值为40406565。2 2、雾化和蒸发性、雾化和蒸发性 馏程、运动粘度、密度、闪点都是与雾化和

23、蒸发馏程、运动粘度、密度、闪点都是与雾化和蒸发性有关的油品指标。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。来的数量和温度的标示。 常以汽化常以汽化1010、5050及及9090等百分比燃油量所需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。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，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。是表示其稀稠程度及流动性的指标。它影响它影响燃油的喷雾质量、过

24、滤性及在油道中的流动燃油的喷雾质量、过滤性及在油道中的流动性。过高、过低都不好。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闪点是指柴油混合气与火焰接触发生闪火的最低温度。火的最低温度。闪点越高越安全，国标规定闪点越高越安全，国标规定柴油闪点不应低于某一温度。柴油闪点不应低于某一温度。3 3、硫含量、硫含量 硫天然存在于原油中，硫天然存在于原油中，危害：危害：1 1）柴油中的硫明显增加排气中的微粒物，不利于环保；）柴油中的硫明显增加排气中的微粒物，不利于环保；2 2）对于装有催化转化器的汽车，硫使转化器的寿命降低；）对于装有催化转化器的汽车，硫使转化器的寿命降低；3 3）燃烧时易

25、生成二氧化硫，遇到气缸内的蒸气或水分形）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；结合形成酸雨给环境带来危害；4 4）硫还会增加柴油机的磨损。）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，甚至是零各国标准中对硫含量提出了严格的要求，甚至是零含量。含量。4 4、安定性、安定性 安定性是指柴油在运输、储存和使用过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、组成和使用性能不程中应保持其外观颜色、组成和使用性能不变的能力。变的能力。 影响安定性的

26、因素主要是柴油中的二烯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。烃、烯烃和环烷芳香烃这些不安定组分。5 5、低温流动性、低温流动性 柴油失去流动性而开始凝固的温度称为柴油失去流动性而开始凝固的温度称为凝点凝点。当柴油温度接近凝点时，喷雾恶化、。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。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我国用于汽车的轻质柴油按凝点分为1010号、号、0 0号、号、1010号、号、2020号、号、3535号、号、5050号号共六个牌号。共六个牌号。 根据硫含量、安定性和酸度等指标将每根据硫含量、安定性和

27、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。品三个档次，各个档次的柴油质量差别较大。第二节第二节 代用燃料及应用代用燃料及应用 到目前为止，汽车发动机绝大多数还是到目前为止，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，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所以汽油、柴油习惯上被称为汽车发动机的常规燃料常规燃料，而其余则叫做，而其余则叫做代用燃料代用燃料。一、代用燃料分类一、代用燃料分类1 1、代用燃料按物态区分、代用燃料按物态区分A A）气体代用燃料：）气体代用燃

28、料：压缩天然气、液化石油气等，压缩天然气、液化石油气等，其它有氢气（其它有氢气（H H2 2）、沼气（）、沼气（CHCH4 4）、发生炉煤气）、发生炉煤气（COCO）、水煤气（）、水煤气（COCOH H2 2）等，此外某些化工产品）等，此外某些化工产品的气体燃料，如二甲基醚（的气体燃料，如二甲基醚（CHCH3 3O OCHCH3 3）可作柴油）可作柴油机代用燃料。机代用燃料。B B）液体代用燃料：）液体代用燃料：包括甲醇（包括甲醇（CHCH3 3OHOH）、乙醇）、乙醇（C C2 2H H5 5OHOH）和某些动、植物油及可燃的化工液体副产）和某些动、植物油及可燃的化工液体副产品。品。2 2、

29、代用燃料按化学成分区分、代用燃料按化学成分区分 可分为除汽油、柴油之外的烃燃料可分为除汽油、柴油之外的烃燃料C Cn nH Hm m和含和含氧燃料两类。氧燃料两类。A A）烃燃料）烃燃料C Cn nH Hm m : :主要成分是碳和氢。主要成分是碳和氢。有甲烷有甲烷（CHCH4 4）、天然气、液化石油气、氢气（）、天然气、液化石油气、氢气（H H2 2）等。）等。B B）含氧燃料：）含氧燃料：其成分中除其成分中除C C和和H H外，还含有一定比外，还含有一定比例的氧。例的氧。例如甲醇例如甲醇(CH(CH3 3OH)OH)、乙醇（、乙醇（C C2 2H H5 5OHOH）以及）以及动、植物油，煤

30、气（动、植物油，煤气（COCO）都是含氧燃料。）都是含氧燃料。 代用燃料能否在汽车上得到应用，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、价受到其理化特性、安全与环保特性、价格、供给等因素的影响。格、供给等因素的影响。二、天然气二、天然气 天然气可以在汽车发动机中加以利用的方式有：天然气可以在汽车发动机中加以利用的方式有： 1 1、压缩天然气压缩天然气CNGCNG； 2 2、液化天然气液化天然气LNGLNG； 3 3、吸附天然气吸附天然气ANGANG； 4 4、水合物（水合物（hydratehydrate）：也叫可燃冰、固体瓦：也叫可燃冰、固体瓦斯。斯。 以以CNGCNG的利

31、用方式采用的最多。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，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至今已分别在汽油机和柴油机上开发了多种利用技术。技术。 1 1、天然气的性质、天然气的性质 天然气以甲烷为主要成分，随产地不同，甲天然气以甲烷为主要成分，随产地不同，甲烷的含量为烷的含量为83839999。 由于天然气密度低于汽油，使吸入发动机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，只为液体燃料的低，只为液体燃料的9090左右。左右。 天然气的研究法辛烷值为

32、天然气的研究法辛烷值为130130，十六烷值为，十六烷值为零，只能点燃不能压燃。零，只能点燃不能压燃。 由于常温常压下呈气态，容易与空气混合由于常温常压下呈气态，容易与空气混合均匀，为实现均匀，为实现稀薄燃烧稀薄燃烧提供了条件，便于应用稀提供了条件，便于应用稀燃技术改善排放。燃技术改善排放。2 2、天然气发动机、天然气发动机（1 1）单燃料天然气发动机）单燃料天然气发动机 专用的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。器。 天然气发动机的燃气供给方式通常

33、有天然气发动机的燃气供给方式通常有混合器式混合器式、单单点喷射式点喷射式和和多点喷射式多点喷射式三种。单点喷射式是一种较好的三种。单点喷射式是一种较好的折中方案。折中方案。（2 2）双燃料天然气发动机）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机的基础上加装CNGCNG供给系统改装而成，以柴油机改装供给系统改装而成，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。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：双燃料天然气发动机与单燃料

34、天然气发动机相比：a a）排气的清洁程度还不够理想，气缸和活塞的热负荷会）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；增大，使这些零部件的可靠性、耐久性出现问题；b b）必须携带两套燃料系统，因而结构复杂；）必须携带两套燃料系统，因而结构复杂；C C）柴油和天然气燃烧的最佳比例控制困难。）柴油和天然气燃烧的最佳比例控制困难。（3 3）两用（可切换）燃料天然气发动机）两用（可切换）燃料天然气发动机 既可以使用天然气也可以使用汽油作为燃料。既可以使用天然气也可以使用汽油作为燃料。 天然气汽车优点：天然气汽车优点： 在排放方面具有明显的优越性，与使用在排

35、放方面具有明显的优越性，与使用汽油车相比，天然气汽车颗粒物排放几乎为汽油车相比，天然气汽车颗粒物排放几乎为零，零，NOxNOx、COCO和和HCHC的排放也显著降低。的排放也显著降低。天然气汽车缺点：天然气汽车缺点： 1 1、发动机功率下降：、发动机功率下降： 功率下降主要原因在于燃料本身的特性功率下降主要原因在于燃料本身的特性和发动机的构造（压缩比）。和发动机的构造（压缩比）。 解决办法：解决办法：1 1、采取进气增压措施提高充气系数；、采取进气增压措施提高充气系数；2 2、适当提高发动机压缩比；、适当提高发动机压缩比；3 3、使用专用天然气汽车发动机润滑油。、使用专用天然气汽车发动机润滑油

36、。2 2、腐蚀与早期磨损：、腐蚀与早期磨损：由于天然气中含有微量硫化合由于天然气中含有微量硫化合物物( (硫化氢硫化氢) )，引起气缸、气缸壁的腐蚀与磨损，甚，引起气缸、气缸壁的腐蚀与磨损，甚至曲轴也出现腐蚀，气门、活塞环和气缸磨损严重至曲轴也出现腐蚀，气门、活塞环和气缸磨损严重使发动机动力下降，使用寿命缩短，汽车大修期缩使发动机动力下降，使用寿命缩短，汽车大修期缩短（通常要缩短短（通常要缩短1/3-1/21/3-1/2）。）。 解决办法：解决办法： 1 1、天然气脱硫；、天然气脱硫； 2 2、采用耐腐蚀材料；、采用耐腐蚀材料； 3 3、使用专门的天然气汽车发动机润滑油。、使用专门的天然气汽车

37、发动机润滑油。三、液化石油气三、液化石油气 液化石油气（液化石油气（LPGLPG）分为：）分为：油田液化气油田液化气和和炼炼油厂液化气油厂液化气两种。两种。 液化石油气的主要成分：液化石油气的主要成分：丙烷（丙烷（C C3 3H H8 8）和丁）和丁烷（烷（C C4 4H H1010）。）。1 1、油田液化气：、油田液化气：来自各油田，不含稀烃，可直接来自各油田，不含稀烃，可直接用作车用燃料。用作车用燃料。2 2、炼油厂液化气：、炼油厂液化气：主要是催化裂化过程和延迟焦主要是催化裂化过程和延迟焦化炼油过程的产物，含有大量丁稀（化炼油过程的产物，含有大量丁稀（C C4 4H H8 8）、丙）、丙

38、稀（稀（C C3 3H H6 6）以及少量乙烷及异丁稀。）以及少量乙烷及异丁稀。 因为稀烃类为不饱和烃，燃烧后结胶，因为稀烃类为不饱和烃，燃烧后结胶，积碳严重，对发动机的火花塞、气门、活塞积碳严重，对发动机的火花塞、气门、活塞环等零件损坏较大，不适于直接用作车用燃环等零件损坏较大，不适于直接用作车用燃料。一般稀烃含量要低于料。一般稀烃含量要低于6 6才能用作车用燃才能用作车用燃料。料。 与天然气发动机一样，可将与天然气发动机一样，可将LPGLPG发动机分发动机分为为单燃料单燃料、两用（可切换）燃料两用（可切换）燃料及及双燃料双燃料（LPGLPG和柴油）和柴油）三类。三类。天然气和液化石油气燃料

39、相比具有以下特点：天然气和液化石油气燃料相比具有以下特点：1 1）天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，但理）天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，但理论混合气热值比汽油低，液化石油气则介于汽油和天然论混合气热值比汽油低，液化石油气则介于汽油和天然气之间。气之间。2 2）抗爆性能高。）抗爆性能高。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的研究天然气的主要成分是甲烷，甲烷的研究法辛烷值为法辛烷值为130130。 液化石油气的辛烷值也较高，为液化石油气的辛烷值也较高，为100100110110。 3 3）混合气着火界限宽。）混合气着火界限宽。天然气与空气混合气有天然气与空气混合气有很宽的着火界限，过量

40、空气系数的变化范围为很宽的着火界限，过量空气系数的变化范围为0.6-1.80.6-1.8，可在大范围内改变混合比，提供不，可在大范围内改变混合比，提供不同成分的混合气，采用稀薄燃烧技术，可进一同成分的混合气，采用稀薄燃烧技术，可进一步提高发动机的经济性能和改善排放。步提高发动机的经济性能和改善排放。4 4）天然气和液化石油气比汽油的着火温度高，）天然气和液化石油气比汽油的着火温度高，传播速度慢，因此需要较高的点火能量。传播速度慢，因此需要较高的点火能量。5 5）天然气和石油液化气比汽油和柴油燃烧更）天然气和石油液化气比汽油和柴油燃烧更“清洁清洁”。四、醇类燃料四、醇类燃料 醇类燃料主要是甲醇（

41、醇类燃料主要是甲醇（CHCH3 3OHOH）和乙醇）和乙醇（C C2 2H H5 5OH),OH),他们都是相对分子质量较小的单质，他们都是相对分子质量较小的单质，燃烧产物中基本没有碳烟，燃烧产物中基本没有碳烟，NONOx x的排放浓度也很的排放浓度也很低，是一种低污染性燃料。低，是一种低污染性燃料。 但制取代价大、技术不成熟。但制取代价大、技术不成熟。1 1、甲醇（或乙醇）作为发动机燃料需考、甲醇（或乙醇）作为发动机燃料需考虑的因素虑的因素a a ）化学成分及燃烧产物）化学成分及燃烧产物：醇类燃料含氧、：醇类燃料含氧、C C、H H较多，完全燃烧时产生较多的水和较少的较多，完全燃烧时产生较多

42、的水和较少的COCO2 2。在起动、暖机期间及缸内温度不高时，容易在缸在起动、暖机期间及缸内温度不高时，容易在缸壁上产生冷凝物，促使酸性物质生成及磨损增加。壁上产生冷凝物，促使酸性物质生成及磨损增加。b b）沸点及凝点）沸点及凝点：沸点低，有助于混合气形成，但：沸点低，有助于混合气形成，但缺乏高挥发性组分，对起动不利；凝点低，环境缺乏高挥发性组分，对起动不利；凝点低，环境温度低时无需担心结冰。温度低时无需担心结冰。c c）热值）热值：在理论空燃比下单位质量的醇类燃料混：在理论空燃比下单位质量的醇类燃料混合气的热值与石油混合气热值基本一样。合气的热值与石油混合气热值基本一样。d d）汽化潜热）汽

43、化潜热：醇的气化潜热大，混合气形成后温：醇的气化潜热大，混合气形成后温降较大，高气化潜热产生的冷却效应妨碍了在运降较大，高气化潜热产生的冷却效应妨碍了在运行温度下的完全汽化，难以形成良好均匀的混合行温度下的完全汽化，难以形成良好均匀的混合气；压缩终了缸内温度降低，使着火延迟期变长，气；压缩终了缸内温度降低，使着火延迟期变长，影响起动性能；但高的气化潜热可降低压缩负功，影响起动性能；但高的气化潜热可降低压缩负功，提高充气效率。提高充气效率。e e）辛烷值）辛烷值：醇类燃料的辛烷值高，是点燃式内燃：醇类燃料的辛烷值高，是点燃式内燃机好的代用燃料，可作为提高汽油辛烷值的优良机好的代用燃料，可作为提高

44、汽油辛烷值的优良添加剂。添加剂。f f）十六烷值）十六烷值：醇类燃料十六烷值很低，在压燃式：醇类燃料十六烷值很低，在压燃式内燃机中使用困难。内燃机中使用困难。g g）着火极限）着火极限：醇类燃料的着火上下限都比石：醇类燃料的着火上下限都比石油燃料宽，能在稀混合气区工作，有利于排油燃料宽，能在稀混合气区工作，有利于排气净化和降低油耗，有利于空燃比控制。气净化和降低油耗，有利于空燃比控制。h h）着火延迟期）着火延迟期：由于十六烷值很低，着火性：由于十六烷值很低，着火性差，着火延迟期长。差，着火延迟期长。i i）火焰传播速度）火焰传播速度：醇类燃料的火焰传播速度：醇类燃料的火焰传播速度比汽油高，对

45、其使用十分有利。比汽油高，对其使用十分有利。2 2、醇燃料在汽车发动机上的使用、醇燃料在汽车发动机上的使用 甲醇（或乙醇）与汽油的混合燃料称为甲醇（或乙醇）与汽油的混合燃料称为甲甲醇（或乙醇）汽油或汽醇醇（或乙醇）汽油或汽醇。 按照醇在燃料中所占的体积分数，甲醇汽按照醇在燃料中所占的体积分数，甲醇汽油习惯上称为油习惯上称为MxMx（x x为甲醇的体积分数），如为甲醇的体积分数），如M5M5（指甲醇（指甲醇5 5）。乙醇汽油习惯上称为）。乙醇汽油习惯上称为ExEx（x x为乙为乙醇的体积分数），如醇的体积分数），如E10E10（含乙醇（含乙醇1010）等。）等。 点燃式内燃机掺烧醇类燃料，与燃烧

46、纯汽点燃式内燃机掺烧醇类燃料，与燃烧纯汽油相比有如下优点：油相比有如下优点：1 1）提高辛烷值，在无铅汽油中加入醇类燃料，可）提高辛烷值，在无铅汽油中加入醇类燃料，可达到含铅汽油所具备的抗爆能力。达到含铅汽油所具备的抗爆能力。2 2）可扩大混合气着火界限，燃用稀混合气，提高）可扩大混合气着火界限，燃用稀混合气，提高燃油经济性能。燃油经济性能。3 3）可提高压缩比，从而提高内燃机的动力性能和）可提高压缩比，从而提高内燃机的动力性能和经济性能。经济性能。4 4）减少燃烧室表面的燃烧沉积物。）减少燃烧室表面的燃烧沉积物。5 5）改善排放性能。）改善排放性能。 3 3、醇类燃料在应用中的问题、醇类燃料

47、在应用中的问题1 1）对金属的腐蚀性：）对金属的腐蚀性：甲醇和乙醇对汽车燃料系统甲醇和乙醇对汽车燃料系统的许多金属都有腐蚀性，醇含量越高，腐蚀性的许多金属都有腐蚀性，醇含量越高，腐蚀性越大。越大。 防止醇燃料腐蚀发动机金属的基本途径有防止醇燃料腐蚀发动机金属的基本途径有两个：两个：1 1）改变发动机金属材料，使用耐腐蚀）改变发动机金属材料，使用耐腐蚀的金属制造发动机；的金属制造发动机；2 2）在燃料中加防腐添加）在燃料中加防腐添加剂。剂。2 2）对其他材料的影响：）对其他材料的影响：发动机燃料系中的许多零发动机燃料系中的许多零部件都是由橡胶、塑料等材料制成的，醇燃料部件都是由橡胶、塑料等材料制

48、成的，醇燃料对橡胶、塑料部件都有腐蚀作用。对橡胶、塑料部件都有腐蚀作用。3 3）发动机磨损：）发动机磨损：醇燃料发动机在使用中，气缸醇燃料发动机在使用中，气缸和活塞环的磨损加重。和活塞环的磨损加重。原因有三点：原因有三点：a.a.甲醇或乙醇能够将这些部位的润滑油膜洗掉；甲醇或乙醇能够将这些部位的润滑油膜洗掉；b.b.醇燃烧时会生成有机酸（甲酸或乙酸），能直醇燃烧时会生成有机酸（甲酸或乙酸），能直接腐蚀金属，造成腐蚀磨损；接腐蚀金属，造成腐蚀磨损；c.c.进入润滑油中的甲酸和乙酸还能与润滑油中的进入润滑油中的甲酸和乙酸还能与润滑油中的抗氧防腐剂发生反应而使其失效，从而增大各抗氧防腐剂发生反应而使

49、其失效，从而增大各摩擦部位的腐蚀与磨损。摩擦部位的腐蚀与磨损。 五、二甲醚五、二甲醚 二甲醚二甲醚DMEDME（dimethyl etherdimethyl ether）是重要的化）是重要的化工原料，化学分子式为工原料，化学分子式为CHCH3 3-O-CH-O-CH3 3。它与甲醇乙。它与甲醇乙醇一样是含氧燃料，即分子结构中含有氧原子，醇一样是含氧燃料，即分子结构中含有氧原子，含氧燃料燃烧时需要的空气少，易充分燃烧，基含氧燃料燃烧时需要的空气少，易充分燃烧，基本不产生碳烟。本不产生碳烟。1 1、二甲醚的性质、二甲醚的性质a a）二甲醚是含氧（含氧量为）二甲醚是含氧（含氧量为34.834.8）燃

50、料，容易完）燃料，容易完全燃烧，全燃烧，在燃烧时不会像柴油那样产生碳烟在燃烧时不会像柴油那样产生碳烟，即有，即有利于减少燃烧生成的烟度和微粒。同时，还可使用利于减少燃烧生成的烟度和微粒。同时，还可使用更大的废气再循环（更大的废气再循环（EGREGR），降低），降低NONOx x排放。排放。b)b)二甲醚的十六烷值为二甲醚的十六烷值为55556060，一般柴油的只有，一般柴油的只有40405555，着火性能优于柴油着火性能优于柴油。在柴油机上燃用二甲醚不。在柴油机上燃用二甲醚不需采用助燃措施。需采用助燃措施。c c）二甲醚不发生光化学反应，对人体无毒，当体积）二甲醚不发生光化学反应，对人体无毒，

51、当体积分数超过分数超过1010时，才会产生轻微的麻醉作用，因此时，才会产生轻微的麻醉作用，因此对环境和人体无害。对环境和人体无害。d d）二甲醚）二甲醚是一种再生燃料是一种再生燃料，不仅可从石油及天然，不仅可从石油及天然气中提取合成，而且可从煤、植物、生活垃圾气中提取合成，而且可从煤、植物、生活垃圾中提取合成。中提取合成。e e）二甲醚的低热值只有柴油的二甲醚的低热值只有柴油的64.764.7，为达到柴为达到柴油机最佳动力性，必须增大二甲醚循环供应量。油机最佳动力性，必须增大二甲醚循环供应量。f f）二甲醚在常温、常压下的饱和蒸汽压为）二甲醚在常温、常压下的饱和蒸汽压为0.5MPa0.5MPa

52、。随着温度的升高，其饱和压力增大，为防止气随着温度的升高，其饱和压力增大，为防止气阻现象发生，阻现象发生，燃料供给系的压力远高于柴油机燃料供给系的压力远高于柴油机燃料供给系的压力燃料供给系的压力。2 2、二甲醚在柴油机上的应用、二甲醚在柴油机上的应用 由于二甲醚（由于二甲醚（DMEDME）的特殊的物化性质）的特殊的物化性质（含氧、低沸点、易蒸发混合等），使它具有（含氧、低沸点、易蒸发混合等），使它具有优良的低污染燃烧特性，因此优良的低污染燃烧特性，因此DMEDME在柴油机上的在柴油机上的应用受到了高度重视。应用受到了高度重视。 DMEDME在柴油机的应用：在柴油机的应用： 1 1）DMEDME

53、和柴油掺烧；和柴油掺烧； 2 2）直接燃用纯液态）直接燃用纯液态DMEDME。3 3、二甲醚实用化应解决的问题、二甲醚实用化应解决的问题 a a）二甲醚的沸点低，常温下呈气态，在室温）二甲醚的沸点低，常温下呈气态，在室温2020度、度、加压到加压到0.53MPa0.53MPa以上可使其液化，这就使供油系统、以上可使其液化，这就使供油系统、包括油箱必须密封并保持一定压力，造成供油系统包括油箱必须密封并保持一定压力，造成供油系统成本增加，且需专门的加油站。成本增加，且需专门的加油站。 b b）二甲醚的粘度低，润滑性差，容易造成油泵柱塞）二甲醚的粘度低，润滑性差，容易造成油泵柱塞和喷油器等精密偶件磨

54、损、卡死和泄漏，难以直接和喷油器等精密偶件磨损、卡死和泄漏，难以直接使用柴油机的燃油供给系统。使用柴油机的燃油供给系统。c c）二甲醚的粘度低，通过柱塞间隙的泄漏量）二甲醚的粘度低，通过柱塞间隙的泄漏量大，喷油量难以保证；且大，喷油量难以保证；且DMEDME的压缩性受温度的压缩性受温度的影响大，当柱塞间隙等处的温度提高后，的影响大，当柱塞间隙等处的温度提高后，DMEDME供给量难以满足发动机运转要求。供给量难以满足发动机运转要求。d d）二甲醚对金属无腐蚀，其储存使用不需特）二甲醚对金属无腐蚀，其储存使用不需特殊材料，但长时间接触会使橡胶制品老化。殊材料，但长时间接触会使橡胶制品老化。e e）

55、用共轨（蓄压式）燃油系统代替传统的柱）用共轨（蓄压式）燃油系统代替传统的柱塞泵供油系统。塞泵供油系统。六、燃料开发六、燃料开发 由于石油资源的储量有限，因此开发新型车由于石油资源的储量有限，因此开发新型车用燃料格外重要。用燃料格外重要。 燃料开发包括两个方面：燃料开发包括两个方面： 一是获得廉价的、有稳定来源的代用燃料一是获得廉价的、有稳定来源的代用燃料（煤甲醇）；（煤甲醇）； 二是二是“设计设计”新型燃料（采用多种燃料按新型燃料（采用多种燃料按一定比例混合成混合燃料，使其综合的理化性能一定比例混合成混合燃料，使其综合的理化性能最适合某类发动机）。最适合某类发动机）。第三节第三节 燃烧化学燃烧

56、化学 燃烧化学所要涉及的问题：燃烧化学所要涉及的问题： 燃料和空气在数量上不同比例关系以及燃料和空气在数量上不同比例关系以及燃烧后的工质组成。燃烧后的工质组成。 本节只研究燃油中主要成分碳和氢与空本节只研究燃油中主要成分碳和氢与空气中的氧进行化学反应的最终结果，而不研气中的氧进行化学反应的最终结果，而不研究其中间反应。究其中间反应。一、燃料燃烧的热值一、燃料燃烧的热值（一）燃料的热值（一）燃料的热值（kJ/kgkJ/kg） 定义：单位量（固体和液体燃料用定义：单位量（固体和液体燃料用1kg1kg，气，气体用体用1m1m3 3）的燃料）的燃料完全燃烧完全燃烧时所发出的热量。时所发出的热量。 燃油

57、的热值反映燃料在标准热化学状态和燃油的热值反映燃料在标准热化学状态和确定热力过程条件下燃烧时能释放的化学能的一确定热力过程条件下燃烧时能释放的化学能的一个物性参数。个物性参数。 热值是燃油的重要指标之一：热值是燃油的重要指标之一：热值越高，热值越高，发动机的燃油消耗将减少，热值的单位为发动机的燃油消耗将减少，热值的单位为kJ/kgkJ/kg。 人们规定，在燃前为标准热化学状态人们规定，在燃前为标准热化学状态（101.325kPa101.325kPa和和298K298K）条件下，如果反应前）条件下，如果反应前后人为控制使系统体积、温度不变，则单位后人为控制使系统体积、温度不变，则单位燃料（燃料（

58、1kg1kg或或1kmol1kmol）完全燃烧放出的热量叫）完全燃烧放出的热量叫做燃料的做燃料的定容热值定容热值； 如果反应前后人为控制使系统压力、温如果反应前后人为控制使系统压力、温度不变，则单位燃料（度不变，则单位燃料（1kg1kg或或1kmol1kmol）完全燃）完全燃烧放出的热量叫做燃料的烧放出的热量叫做燃料的定压热值定压热值。 热值有热值有高热值和低热值高热值和低热值之分。之分。（二）混合气热值（二）混合气热值（kJ/kmolkJ/kmol或或kJ/mkJ/m3 3） 当气缸工作容积和进气条件一定时，当气缸工作容积和进气条件一定时，每循环加给工质每循环加给工质的热量的热量Q Q1 1

59、取决于单位体积可燃烧混合气的热值取决于单位体积可燃烧混合气的热值H Hm m，而不仅，而不仅仅取决于燃油的热值。可燃混合气热值以仅取决于燃油的热值。可燃混合气热值以kJ/kmolkJ/kmol或或kJ/mkJ/m3 3（标准）计。（标准）计。 在在1kg1kg燃油所形成的可燃混合气燃油所形成的可燃混合气M M1 1（kmolkmol）中，燃烧时）中，燃烧时产生热的只是燃油，产生热的只是燃油，热量的数值与燃油的低热值相同热量的数值与燃油的低热值相同，为，为H Hu ukJkJ。则可燃混合气的热值。则可燃混合气的热值H Hm m为为 H Hm m= = （kJ/kmolkJ/kmol） 而而 M

60、M1 1=a aL Lo o+ + 式中：式中：a a过量空气系数；过量空气系数；L Lo o理论空气量（理论空气量（kmolkmol）；）； m mT T燃油分子量。燃油分子量。 Tm11MH混合气的热值混合气的热值H Hm m与混合气的过量空气系与混合气的过量空气系数数a a有关。有关。a a越大，混合气越稀，其热值越大，混合气越稀，其热值H Hm m越小，越小，a a为为1 1的混合气热值，称为理论混的混合气热值，称为理论混合气热值。一般情况下混合气热值即指理合气热值。一般情况下混合气热值即指理论混合气热值。论混合气热值。尽管各种燃料的热值差别很大，但大尽管各种燃料的热值差别很大，但大多