第三章-石油产品的使用性能

第三章石油产品的使用性能及其与化学组成的关系不同的应用场合对石油产品提出了许多不同的使用要求，而油品的使用性能与其化学组成之间具有密切的关系。本章主要讲述油品的使用性能与其化学组成之间的关系。本章的主要内容：汽油柴油喷气燃料润滑油石油沥青我国目前将石油产品分为六大类燃料：汽油、柴油、灯用煤油、喷气燃料、重质燃料油。润滑剂：润滑油和润滑脂。石油沥青：道路沥青和建筑沥青。石油蜡：液体石蜡、石油脂、石蜡、微晶蜡。石油焦炭：电极焦炭、燃料焦炭等。溶剂与化工原料：芳烃溶剂、溶剂油等。第一节汽油一、汽油机的工作过程1.汽油机的构造及其工作原理汽油机又称点燃式发动机，主要用于轻型汽车、螺旋桨飞机和快艇等。图5-1-1汽油机(点燃式发动机)的原理构造图1-浮子室;2-浮子;3-针形阀;4-导管;5-喷嘴;6-喉管;7、8-节气阀;9-混合室;10-活塞;11-火花塞;12-进气阀;13-排气阀;14-弹簧上止点：活塞在气缸中上行所能达到的最高位置，此时气缸中的容积为燃烧室的体积V2

。下止点：活塞在气缸中下行所能达到的最低位置，此时气缸中的容积为气缸的总体积V1。压缩比:V1/V2，表征汽油发动机性能的一个重要指标。冲程：从上止点到下止点的直线距离。图5-1-2汽油机上止点与下止点示意图图5-1-3单缸四冲程汽油机工作循环1-化油器;2-进气门;3-火花塞;4-排气门;5-活塞;6-连杆;7-曲轴

进气过程

压缩过程做功过程

排气过程进气过程：活塞又上止点运行到下止点，活塞上方的容积增大，气缸内压力降低；汽油在喉管处与空气混合，然后进入混合室；在混合室内汽油开始气化并与空气形成可燃性混合气。进气阀启开，可燃性混合气经进气阀进入气缸，被气缸和活塞等高温机件及残余废气加热，进气终了的混合气温度T可达85～130℃。压缩过程：活塞由下止点运行至上止点，进气阀与排气阀关闭，气缸内可燃性混合气被压缩，温度与压力逐渐升高。压缩终了时，可燃性混合气的温度与压力取决于压缩比，一般压力P=0.7～1.5MPa，温度T=300～450℃。做功过程（点火燃烧）：压缩终了时，活塞接近上止点，火花塞发出电火花即刻点燃混合气，混合气剧烈燃烧，火焰以20～30m/s的速度向四周传播。燃烧产生大量的热能，使气缸内的温度和压力骤增，最高温度可达2000～2500℃，最高压力可达3.0～4.0MPa。高温高压气体使活塞由上止点运行至下止点。活塞的运动通过连杆使曲轴旋转而对外做功。活塞达到下止点时，做功过程结束，燃气的温度降至900～1200℃，压力降至0.4～0.5MPa。

排气过程：做功结束后，排气阀启开，活塞由下止点运行至上止点。燃烧后的废气被排出气缸，排出的废气温度为700～800℃。汽油机经历进气、压缩、膨胀做功和排气四个过程之后，汽油机完成一个工作循环，紧接着进入下一个工作循环，如此周而复始，往复进行。一般汽油机都是由四个或六个气缸按一定顺序组合而连续进行工作的。汽油机对其燃料的要求：蒸发性能良好；燃烧性能良好，不产生爆震；储存安定性好，生成胶质的倾向小；对发动机没有腐蚀性。二、汽油的蒸发性汽油的蒸发性是汽油最重要的特性之一。要求汽油在进入气缸之前，能迅速气化并与空气形成可燃性混合气。一般汽油在进气管中的停留时间为0.005～0.05秒，在气缸中的停留时间为0.02～0.03秒。要想使汽油在如此短的时间内与空气形成均匀的可燃性混合气，汽油的蒸发性好坏是决定性的因素，只有当汽油具有良好的蒸发性时，发动机才能正常运转。如果汽油的蒸发性太差，汽油气化不完全，导致汽油机的功率降低，起动和加速都较困难。如果汽油的蒸发性太强，汽油在输油管中因气化而产生气阻，造成供油不足。反映汽油蒸发性能的质量指标是馏程和饱和蒸气压。1.馏程馏程在一定程度上能大体反映汽油的沸点范围和蒸发性能。（1）10%的馏出温度表示汽油中低沸点组分含量。对汽油机的起动难易具有决定性的影响。与产生气阻有密切的关系。表5-1-1汽油的10%馏出温度与发动机迅速起动的最低温度的关系10%馏出温度，℃546066717782最低起动温度，℃-21-17-13-9-6-2表5-1-2汽油10%馏出温度与开始产生气阻温度的关系10%馏出温度，℃4050607080开始产生气阻温度，℃-13+7+27+47+6710%馏出温度越低，低沸点组分越多，蒸发性越强，汽油机起动时的温度越低，但开始产生气阻的温度也越低，因而在冬季有利于起动，而在炎热的夏季却容易产生气阻。10%馏出温度越高，汽油机冬季起动较困难，但在夏季却不容易产生气阻。我国车用汽油10%馏出温度不高于70℃。（2）50%的馏出温度表示汽油的平均蒸发性能，与汽油机起动后升温时间长短以及加速是否及时有密切关系的质量指标。50%馏出温度低，在正常温度下汽油能较多地蒸发，起动时参加燃烧的汽油数量就多，发出的热量较多，可缩短汽油机的升温时间，即发动机预热较快，加速性能良好，运转平稳柔和，也不致熄火，同时耗油量也降低。50%馏出温度过高，使汽油机在加速过程中的供油量急剧增加而导致大部分汽油不能气化，燃烧不完全，严重时还会突然熄火。我国车用汽油规定50%馏出温度不高于120℃。（3）90%馏出温度和干点（终馏点）表示了汽油中重组分含量的多少，与燃料的燃烧是否完全和发动机磨损有一定关系的质量指标。90%馏出温度和终馏点过高，重组分较多，它们不能完全蒸发和燃烧，容易形成积炭，排气冒黑烟，导致油耗增加，燃料的使用效率降低。同时没有蒸发的汽油重组分流入曲轴箱稀释润滑油而加大汽油机活塞的磨损。表5-1-3汽油干点与发动机活塞磨损及汽油消耗量的关系汽油干点℃发动机活塞相对磨损%汽油相对消耗量%1759798200100100225200107250500140汽油的干点越高，发动机活塞的磨损越大，油耗越高。我国车用汽油规定90%馏出温度不高于190℃，干点不高于205℃。2.饱和蒸气压汽油饱和蒸气压的定义：又称雷德蒸气压，是气、液两相的体积比为4∶1时，在38℃下两相达到平衡时燃料蒸气的最大压力。汽油的饱和蒸气压是蒸发性好坏的重要质量指标，蒸气压越大，表明汽油的蒸发性越好。蒸气压主要是由汽油中的轻质组分所产生，蒸气压高，表明汽油中含有较多的低分子组分，容易在发动机供油系统中产生气阻，在储存和运输过程中较易产生蒸发损失，着火的危险性也较大，因而蒸气压可以作为衡量汽油机燃料供给系统是否产生气阻倾向的指标，也可相对衡量汽油在储存和运输过程中的损耗倾向和安全性。我国车用汽油规定：冬用型(9月1日～2月28日)：RVP≤80或88KPa夏用型(3月1日～8月31日)：RVP≤67或74KPa。三、汽油的安定性汽油安定性的定义：汽油在常温和液相条件下抵抗氧化的能力。安定性差的汽油，在储存和运输的过程中易发生氧化反应生成胶质，使油品颜色变深，并产生胶状沉淀。安定性差的汽油产生的后果：油箱、滤网、气化器中形成胶状物，影响供油。沉积在电火花塞上的胶质在高温下形成积炭而短路。沉积在进、排气阀上的积炭，导致阀门关闭不严。沉积在气缸盖、活塞上的积炭，造成气缸散热不良，温度升高，以致增大爆震燃烧的倾向。1.烃类的液相氧化机理由于汽油的氧化安定性涉及烃类的液相氧化机理，烃类液相氧化的理论基础：巴赫-恩格勒的过氧化物理论和谢苗诺夫的自由基链反应的理论是烃类液相氧化过程的基础。烃类液相氧化的定义：在低于烃类沸点的温度下烃类自身进行的氧化反应，通常是在常温下进行，因而也称自动氧化。烃类的液相氧化遵循自由基链反应机理。

链引发：烃类分子受氧分子的攻击如果存在变价金属链增长：链的退化分支：烃类氧化是一种具有退化分支的链反应，即生成的过氧化物ROOH继续分解。生成的自由基如RO和R还可以引发新的链反应。过氧化物ROOH的反应活性大大低于自由基，因而还可以转化成稳定产物如醛、酮、醇等。由于分支链反应的速度比较缓和，故称之为退化分支链反应。链的终止：由于自由基相互之间结合而消失。图5-1-4烃类液相氧化反应速率曲线烃类液相氧化分为三个阶段:诱导期：燃料与氧气接触后没有发生明显变化的一段时间，在此阶段氧化反应速度很慢，氧化产物生成较少。加速期：氧化反应加速进行，氧化产物迅速增加。平缓期：氧化反应速度减缓或趋于停止。图5-1-5烃类液相氧化产率曲线在诱导期，自由基较少，氧化中间产物ROOH浓度较低，氧化的退化分支反应链不多，氧化反应进行缓慢。在加速期，自由基和过氧化物浓度较大，退化分支链迅速发展，氧化反应加速进行，氧化产物的浓度急剧增加。在平缓期，由于反应物和过氧化物大量消耗，二者浓度降低，氧化反应速度减缓或趋于停止。2、汽油的化学组成与其安定性的关系影响汽油安定性根本原因是其化学组成。在常温及液相条件下，汽油中的烷烃、环烷烃、芳香烃不易发生氧化反应。不饱和烃容易发生氧化、分解和聚合、缩合反应生成胶质，是导致汽油不安定的主要根源。生成胶质的倾向如下：二烯烃>环烯烃>链烯烃汽油中的硫酚和硫醇对促进胶质的生成有很大作用，含氮化合物也会导致胶质的生成。在各种汽油中，直馏汽油的安定性很好，而热加工如催化裂化汽油和焦化汽油因含有较多的烯烃，其安定性较差。3、外界条件对汽油安定性的影响汽油的变质除了与本身的化学组成有关外，还与许多外界条件有关，如温度、金属表面的作用、与空气的接触面积等。（1）温度温度升高，汽油中的烃类分子受热而产生的最初自由基浓度增加，促使链反应变得容易。同时还会使分子运动速度增加，加速了汽油中烃类分子与氧分子反应以及过氧化物分解，因而汽油诱导期缩短，生成胶质的倾向增大。

（2）金属表面的作用液体燃料在储存、运输及使用过程中，不可避免地要和不同的金属表面接触。汽油在金属表面的作用下，颜色容易变深，胶质的生成速度也特别快。金属铜25铁71锌79铝83锡85表5-1-4金属表面对汽油氧化诱导期的影响有金属存在时的诱导期原诱导期

%在所列的各种金属中铜具有最大的催化活性，它使汽油的诱导期降低75%，铁、锌、铝、锡也能使汽油的诱导期缩短，安定性降低。在汽油的氧化过程中金属表面只是对燃料中存在的抗氧剂起消耗或破坏作用，而对纯烃类包括不饱和烃的氧化实际上没有影响。原因可能是抗氧剂被吸附在金属表面，从而限制了抗氧剂对燃料氧化的抑制作用。（3）与空气的接触面积汽油与空气的接触面积越大，氧化生成胶质的倾向也越大。（4）水分的影响储存中水分对汽油的氧化变质有不良影响，如果汽油中含有水，胶质生成的速度比没有水要快得多。4、评定汽油安定性的指标（1）碘值定义：利用碘与不饱和烃的加成反应，测定汽油中的不饱和烃含量。以100克样品消耗碘的克数来表示，即gI2/100g。碘值越大，汽油中不饱和烃含量越高，其安定性越差。（2）实际胶质定义：在150℃的温度下，用热空气吹过汽油表面，使它蒸发至干，所留下的棕色或黄色残余物就是实际胶质，以100mL试油中所得的残余物的毫克数来表示。实际胶质可用来表征进气管道和进气阀上可能生成沉积物的倾向。（3）诱导期

定义：把一定量的油样放入标准钢筒中，充入氧气至0.7MPa，放入100℃的水中，从油样放入100℃的水中开始到氧压明显降低所经历的时间即为诱导期，以分钟表示。诱导期较长的汽油在储存时胶质的生成速度较慢，宜于长期保存。表5-1-5车用汽油诱导期与胶质变化的关系项目汽油Ⅰ汽油Ⅱ诱导期，分270360实际胶质mg/100mL出厂时0.40.4一年后22.04.6二年后32.08.8三年后95.610.4四、汽油的抗爆性抗爆性：衡量燃料是否易于发生爆震的性质。1、汽油机的正常燃烧与爆震燃烧（1）汽油机的正常燃烧

焰前反应：在汽油机的压缩过程中，可燃混合气的温度和压力上升很快，汽油开始发生氧化反应并生成一些过氧化物。火花塞点火后，在火花附近的混合气温度急剧增加，出现最初的火焰中心。①燃烧初期火焰中心形成之后，发生火焰传播现象。火焰的前锋逐层向未燃混合气推进，未燃混合气因受到热辐射而导致其温度升高，同时已燃混合气因燃烧膨胀而压缩未燃混合气导致其压力也升高。②燃烧期这样火焰以球面形状向周围扩散，使燃料逐层发火燃烧，直到绝大部分燃料燃尽为止。火焰传播速度为20～30m/s，压力变化也比较平缓。

③补燃期由于混合气中燃料与空气的混合和分布不可能完全均匀，所以明显燃烧期以后和膨胀过程中，仍然有少量的未燃气体或燃烧不完全的产物在继续燃烧，直到燃烧结束为止。汽油机正常燃烧时，发动机工作平稳柔顺，动力和经济性能均较好。（2）汽油机的爆震燃烧

①爆震现象

汽油在发动机中燃烧不正常时，会出现机身强烈振动的情况，并发出金属敲击声，同时发动机功率下降，排气管冒黑烟。严重时还会导致机件损坏，又称为敲缸或爆燃。爆震燃烧的产生过程：在燃烧过程的后期，火焰中心在气缸的传播过程中，未燃混合气因受到已燃混合气的热辐射和压缩，导致其温度和压力急剧升高，氧化反应的速度加快，形成大量的过氧化物并发生分解反应。在最初的火焰前锋尚未到达之前，未燃混合气的局部温度已超过其自燃点而发生爆炸性燃烧，这样就出现两个或多个燃烧中心，火焰前锋不象正常燃烧时的那样逐层推进，而是对立推进，产生爆震波，同时气缸内局部的温度和压力急剧升高。②爆震燃烧的特征

爆震波的推进速度：2000～2300m/s燃气局部压力：10MPa以上气缸内的局部温度：2000～2500℃③汽油爆震燃烧的危害爆震波撞击燃烧室壁、活塞顶、气缸壁，引起震动，并发出尖锐的金属敲击声，机件磨损增加，发动机因局部过热而被烧坏。燃料燃烧不完全而冒黑烟，造成燃料的浪费，能耗增加，发动机功率降低。燃料燃烧不完全的产物排放到大气中后，会造成环境的污染。④汽油爆震燃烧产生的原因

原因之一：燃料的性质是产生爆震的内因，在发动机构造已确定的情况下，燃料抗爆性的好坏对产生爆震具有决定性的影响，如果燃料的自燃点越低，其抗爆性越差，产生爆震的倾向也就越大。原因之二：发动机的构造与发动机的压缩比有密切的关系。与发动机的着火提前角有关。与气缸尺寸、燃烧室形状及火花塞位置有关。（3）正常燃烧与爆震燃烧之间的比较

项目正常燃烧爆震燃烧Tmax，℃1800～20002000～2500Pmax，Mpa3～410～16火焰传播速度,m/s20～302000～23002、评定汽油抗爆性的指标汽油的抗爆性是用辛烷值（OctaneNumber，简称ON）来表示的，辛烷值越高，抗爆性越好。（1）辛烷值的定义

规定如下的标准燃料：抗爆性很好的异辛烷的ON=100抗爆性很差的正庚烷的ON=0两种物质以不同的体积比混合可得到一系列的标准燃料，标准燃料中异辛烷的体积百分数就是其辛烷值。

将待测汽油与一系列辛烷值不同的标准燃料在标准试验用单缸发动机上进行对比，与所测汽油抗爆性相同的标准燃料的辛烷值就是所测汽油的辛烷值。（2）车用汽油辛烷值的测定方法

测定方法主要有两种：马达法辛烷值（简称MON）研究法辛烷值（简称RON）用研究法测定时，由于发动机的转速和混合气温度与马达法相比都较低，因而所得的RON比MON要高5～10个单位。还有两种表示汽油辛烷值的方法：道路辛烷值：是用汽车进行实测或在试验机上模拟汽车的行车条件而测得的，它介于MON与RON之间。抗爆指数：为MON和RON的平均值，可近似表示汽车的道路辛烷值，也是衡量车用汽油抗爆性的指标之一。3、汽油的抗爆性与其化学组成的关系（1）各族烃类的辛烷值汽油的抗爆性取决于其化学组成。表5-1-6各族烃类的辛烷值烃类研究法（RON）马达法（MON）正戊烷62622-甲基丁烷92902,2-二甲基丙烷8580正己烷25262-甲基戊烷73732,2-二甲基丁烷9293正庚烷002-甲基己烷42462,2-二甲基戊烷93962,2,3-三甲基丁烷>100>100烃类研究法（RON）马达法（MON）正辛烷----172-甲基庚烷22132,2-二甲基己烷72772,2,3-三甲基戊烷1001002,2,4-三甲基戊烷1001001-己烯76632-己烯93814-甲基-2-戊烯99841-辛烯29352-辛烯5656续表5-1-6各族烃类的辛烷值烃类研究法（RON）马达法（MON）3-辛烯72682,2,4-三甲基-1-戊烯>10086环戊烷-85甲基环戊烷9180乙基环戊烷6761正丙基环戊烷3128异丙基环戊烷8176环己烷8377甲基环己烷7571乙基环己烷4641正丙基环己烷1814续表5-1-6各族烃类的辛烷值烃类研究法（RON）马达法（MON）苯>100>100甲苯>100>100二甲苯>100>100乙基苯>10098正丙基苯>10098异丙基苯>100991,3,5-三甲基苯>100>100续表5-1-6各族烃类的辛烷值同族烃类，其辛烷值随分子量的增加而降低。分子量相近时，不同烃类辛烷值的大小顺序为：芳香烃>异构烷烃和异构烯烃>正构烯烃和环烷烃>正构烷烃。烷烃的异构化程度越高，其辛烷值也越高。双键越接近烯烃碳链的中间位置，其辛烷值越高；异构化程度越高的烯烃，辛烷值也越高。环烷烃的环上若带正构烷基侧链，其辛烷值降低，正构烷基侧链越长，辛烷值越低；环上若带异构烷基侧链，其辛烷值有所增加。许多芳香烃的辛烷值都大于100，带烷基侧链的芳香烃辛烷值有所降低，侧链越长，其辛烷值越低。

（2）各种汽油的辛烷值

①直馏汽油的辛烷值原油不同沸程直馏汽油的MONIBP～130℃IBP～180℃IBP～200℃大庆534237胜利635855大港625450华北524441江汉63.55552双喜岭---6260表5-1-7直馏汽油的辛烷值与馏分轻重的关系同一种原油的直馏汽油，馏分越轻，其抗爆性越好。不同基属原油的直馏汽油，石蜡基原油的辛烷值低高，环烷基原油最高，中间基原油的辛烷值介于二者之间。由于直馏汽油的抗爆性达不到车用汽油抗爆性的要求，为此必须与辛烷值较高的组分进行调合后方可出厂。②催化裂化汽油催化裂化装置是我国炼油厂中仅次于常减压装置的最重要的原油二次加工装置，催化裂化汽油是我国目前车用汽油的主要来源，占80％以上，由于它含有较多的芳烃、异构烷烃和烯烃，因而其抗爆性较好，RON为88～90。③催化重整及烷基化汽油催化重整汽油因含有较多的芳烃和异构烷烃，因而其RON可达90以上。烷基化汽油的主要组分是异辛烷，因而其抗爆性很好，RON可达93～96。催化重整汽油和烷基化汽油都是高辛烷值汽油的调合组分。④热转化汽油由于热转化（热裂化、延迟焦化、减粘裂化）过程的汽油含有较多的烯烃和二烯烃，其安定性相当差，抗爆性也不是很好，因而基本不用作车用汽油。4、汽油机的压缩比与爆震燃烧的关系汽油机是否产生爆震燃烧，除了与汽油的抗爆性有关外，还与汽油机的压缩比有密切的关系。表5-1-8汽油机压缩比对混合气温度和压力的影响压缩比6789101112压缩后温度，℃387426457490518540558压缩后压力,MPa1.051.301.661.952.242.552.85注：压缩前混合气温度为100℃，压力为0.1MPa。压缩比越大，压缩终了时的混合气的温度和压力越高，产生爆震的倾向越大。汽油机的压缩比越大，所需汽油的辛烷值就越高。压缩比6810相对热效率，%100114120相对油耗，%1008883表5-1-9汽油机压缩比与热效率和油耗的关系压缩比越高，汽油机热效率越高，油耗越低。汽车的发展方向是提高汽油机的压缩比，汽车的发展对于汽油的要求就是提高汽油的辛烷值。五、我国汽油的牌号车用汽油与航空汽油均按辛烷值划分牌号。车用无铅汽油：90#、93#、95#，它们的RON分别不小于90、93、95。其中硫含量的指标不大于0.05m%。航空汽油：75#、95#、100#，它们的RON分别不小于75、95、98.6。其中硫含量的指标不大于0.05m%。六、新配方汽油从汽油的馏分组成上看，馏分越轻，其抗爆性越好。从汽油的化学组成上看，芳烃、异构烷烃、烯烃是高辛烷值汽油组分，加入四乙基铅也可改善汽油的抗爆性能。在二十世纪的30～70年代炼油工业一直是遵循这个方向来生产高辛烷值汽油的。内燃机排放的尾气中因含有大量的CO、CO2、SO2、SO3、NOx、挥发性有机物等，这是造成空气污染的元凶之一，尤其是与烃类在日光作用下发生光化学反应生成臭氧和光化学烟雾。从环境保护的角度来看：含铅汽油中的四乙基铅是危害人体健康的剧毒物质，汽油中的各种芳烃也对人体具有毒害作用。因此上述有些提高汽油辛烷值的方法是与环境保护和维护人体健康背道而弛的。近年来，各国政府都已意识到，环境保护与经济发展同样重要，因而对环保的要求也越来越高。为了保护环境，必须限制汽油中的芳烃含量和禁止使用含铅汽油。目前我国已开始禁止使用含铅车用汽油，对车用汽油中的芳烃含有也开始限制，规定汽油中的芳烃含量不得超过40v%，苯含量不能大于2.5v%，但是汽油的抗爆指数不能低于87。为了满足汽油的质量达到从环境保护角度提出的苛刻要求，而且还具有良好的抗爆性能，美国首先提出了要使用新配方汽油的。采取的主要措施就是在汽油中加入一定量的醚类化合物，如甲基叔丁基醚（MTBE）、乙基叔丁基醚（ETBE）、叔戊基甲基醚（TAME）等。表5-1-11几种醚类化合物的性质性质甲基叔丁基醚(MTBE)乙基叔丁基醚(ETBE)叔戊基甲基醚(TAME)相对密度0.7410.7500.750RON118118115MON101101100氧含量,m%18.215.715.7沸点,℃55.372.886.3蒸汽压,kPa514022醚类化合物作为汽油组分具有如下的特点：优点：辛烷值高；燃烧性能良好，热效率高；醚类的蒸气压低，挥发损失小；醚类与烃类完全互溶；具有良好的化学稳定性。缺点：醚类的价格比汽油要高；氧化物含量较高时，可能会增加氮氧化物和醛的排放。新配方汽油规定其含氧量不低于2.0%。七、醇类汽油机燃料实际上，除了使用醚类氧化物作为新配方汽油的调合组分外，长期以来醇类如甲醇和乙醇也是高辛烷值汽油的调合组分和汽油的替代燃料。项目甲醇乙醇一般汽油相对密度0.7910.7890.72～0.78蒸发压(37.8℃),bar0.350.160.6～0.9沸点,℃64.778.320～200在水中溶解度,ppm完全互溶完全互溶～200理论空气燃料,kg/kg6.59.0～14.7低发热值,MJ/kg20.027.7～42.7闪点,℃1113～-43燃烧极限,v%6.7～36.04.3～19.01.4～7.6蒸发热,kJ/kg～1102～839～330表5-1-12醇类与一般汽油的性质甲醇与乙醇在燃烧过程中不易生成积炭或冒黑烟，排放的尾气中污染物较少。醇类燃料由于含氧量较低，其低热值比汽油低很多，其沸点较低，易于蒸发，比汽油更容易产生气阻。甲醇毒性较大，一般不使用甲醇作燃料。目前我国已经开始使用车用乙醇汽油和变性燃料乙醇。第二节柴油柴油是压燃式发动机的燃料，根据柴油机的转速，应使用不同类型的柴油。1000r/min以上的柴油机使用轻柴油，而1000r/min以下的柴油机使用重柴油。柴油机主要应用于农用机械、重型车辆、坦克、铁路机车、船舶舰艇、工程矿山机械等。一、柴油机的工作过程图5-2-1柴油机的原理构造图1-油箱;2-粗过滤器;3-输油泵;4-细过滤器;5-高压油泵;6-喷油嘴；7-空气滤清器;8-进气管;9-气缸;10-活塞;11-进气阀;12-排气阀;13-排气管;14-消声器;15-连杆;16-曲轴;17-曲轴箱

进气过程

压缩过程做功过程

排气过程图5-2-2柴油机的工作循环柴油机和汽油机的工作循环是一样的，都包括进气、压缩、膨胀做功、排气四个过程。虽然柴油机与汽油机的工作循环是一样的，但是二者之间有本质的差别。项目柴油机汽油机压缩比16～208～10压缩终了温度,℃500～700300～450压缩终了压力,MPa3～50.7～1.5供油方式高压油泵直喷汽化器启燃方式自燃电火花点燃进入气缸的气体空气油气混合气压缩的气体空气油气混合气燃烧气体的最高温度,℃1500～20002000～2500燃烧气体的最高压力,MPa5～123～4相同功率下的相对油耗,%70～80100表5-2-1柴油机与汽油机工作过程的比较由于柴油机与汽油机的这些差别导致了柴油与汽油的质量指标显著不同。目前不少柴油机都采用了增压技术，将进入气缸的空气预先进行压缩，提高进入气缸内空气的密度，增加充气量，从而可以提高柴油机的功率和经济性。由于气缸内的柴油燃烧的温度提高，可以降低CO以及未燃烃等污染物的排放量，有利于保护环境。柴油机对燃料的使用要求：良好的燃烧性能良好的蒸发性能和雾化性能适当的粘度和良好的低温性能良好的储藏安定性和热安定性对发动机没有腐蚀和磨损作用二、柴油的燃烧性柴油良好的燃烧性能是指柴油喷入燃烧室内与空气形成均匀的可燃混合气之后，能在较短的时间内发火自燃并正常完全燃烧。1、柴油机内柴油的燃烧过程柴油在柴油机内的燃烧过程大体分为四个阶段（从喷油开始到全部燃烧为止），即滞燃期、急燃期、缓燃期、后燃期。图5-2-3柴油机中气缸压力变化1-滞燃期2-急燃期3-缓燃期（1）滞燃期（发火延迟期）

指从喷油开始到混合气着火燃烧为止，即图中的A-B段，时间极短，只有1～3毫秒，此段包含两个过程：物理延迟：在气缸中雾化、受热、蒸发、扩散、并与空气混合而形成可燃性混合气。化学延迟：受热后开始进行燃烧前的氧化链反应，即焰前氧化，生成一些过氧化物。虽然发火延迟期分为物理延迟和化学延迟两个过程，但应该看到，这二者的时间是部分重叠的，因为蒸发和氧化是相互影响，交错进行的。滞燃期时间虽短，但对发动机的工作有决定性的影响，因为在这一时期结束后，气缸内已积累了一定量的柴油，而且经历了不同程度的物理和化学准备，一旦发火，燃烧极为迅速。如果滞燃期过长，发火前喷入的柴油多，自燃开始后大量的柴油在气缸内同时燃烧，导致气缸内的温度与压力急剧升高，造成发动机工作粗暴，严重时还会敲缸。缩短柴油的滞燃期有利于改善柴油机的燃烧性能。这就要求：柴油的自燃点低。发动机具有较高的压缩比。进气温度高。减小喷雾颗粒直径，改善雾化条件。（2）急燃期（速燃期）柴油开始燃烧到气缸内的压力不再升高为止，即图中的B—C段，这个阶段是柴油的急燃阶段。在滞燃期的末期，气缸内已喷入大量的柴油，由于受到被高度压缩的空气加热，细小的油粒完全蒸发，喷入较晚的或较大油粒也大部分蒸发呈气体状态，气缸内的混合气进行了不同程度的氧化反应，当混合气的氧化反应达到一定程度时就开始着火，即转入急燃期。燃料发火后，不仅气缸内积累的燃料迅速燃烧，而且喷入的燃料也迅速参与燃烧，此时燃烧速度极快，单位时间内放出的热量很多，气缸内的温度与压力上升很快。急燃期中压力升高的速率大小对于发动机的工作影响很大，如果压力升高速率太快，发动机工作就会出现粗暴现象，严重时气缸内会发出金属敲击声（敲缸）。敲缸会给发动机带来很大危害：使发动机动力不足，功率下降；排气冒黑烟，耗油率增加；曲轴连杆机构受到很大冲击，加剧机件的磨损，严重时会影响发动机工作的可靠性和使用寿命。滞燃期短，压力上升平稳，发动机工作柔和；滞燃期长，着火前喷入的柴油过多，一旦燃烧后，温度、压力急剧升高，发动机工作粗暴。急燃期中压力升高的速率取决于柴油滞燃期的长短：（3）缓燃期（主燃期）是指气缸内压力不再急剧升高到压力开始迅速下降的这段时间，为图中的C—D段。这是燃烧的主要阶段，约有50～60%的燃料是在这段时期内燃烧的。缓燃期的特点：气缸内压力变化不大，在后期还稍有降低，Pmax=5～12MPa。温度持续升高到最高值后开始下降，而且温度的最高值一般在压力达到最高值之后出现，Tmax=2000℃。在缓燃期，由于压力和温度都很高，这时喷入的燃料发火延迟期大大缩短，几乎是随喷随着火。大部分柴油在缓燃期内被燃烧，从而使柴油机获得较大的功率和较高的效率。为了保证达到上述目的，在缓燃期应努力改善柴油与空气的混合程度，采用过量的空气，以提高燃料的燃烧速度，使燃烧反应趋于完全，以释放出最大的热量。（4）后燃期指压力迅速降低到燃烧结束为止的这段时期，为图中的D-E段，这是燃烧的最后阶段。在后燃期，喷油虽已停止，但气缸内尚有未燃烧完的燃料仍在继续燃烧，此时的燃烧是在膨胀过程中完成的，因而压力和温度都在逐渐下降。显然，应使后燃期尽量缩短，避免过多的燃料在膨胀过程中燃烧，还会使排气温度升高，通过气缸壁损失的热量增加，燃料热能的利用效率降低。因此后燃期中释放的热量不易超过燃料燃烧释放的全部热量的20%。（5）柴油与汽油燃烧过程的比较柴油在柴油机中的燃烧与汽油在汽油机中的燃烧有本质的区别：汽油与柴油的启燃方式不同，前者是靠点燃，而后者是靠柴油本身的自燃。发生敲缸的时间不一样，汽油的爆震燃烧是在火焰传播过程中，即在燃烧的后期，而柴油的粗暴燃烧发生在燃烧的初期（即急燃期）。对汽油要求其自燃点高，而要求柴油的自燃点要低。（6）汽油机爆震与柴油机工作粗暴性的区别图5-2-4汽油机爆震与柴油机工作粗暴性的比较表5-2-2汽油机与柴油机工作粗暴性的比较汽油机柴油机爆震现象敲缸、烧坏机件、冒黑烟、功率降低、油耗增加燃烧粗暴、敲缸、烧坏机件、冒黑烟、功率降低、油耗增加爆震时间燃烧的中后期（火焰传播过程中）燃烧的初期（滞燃期和急燃期）爆震原因自燃点太低，着火前就形成了过多的过氧化物自燃点太高，不能产生足够多的过氧化物，使滞燃期过长压缩比对爆震的影响压缩比大，容易产生爆震。压缩比小，容易产生工作粗暴性。2、影响柴油燃烧的主要因素（1）柴油的理化性质影响柴油机燃烧过程最重要的因素之一是柴油的理化性质，其中主要是柴油的发火性能和蒸发性能。（2）柴油的雾化质量柴油的雾化质量良好，可以缩短燃料发火的物理延迟时间，使发动机工作平稳，同时还有利于燃料和空气混合均匀。雾化质量的好坏取决于燃料的粘度和表面张力的大小。（3）气缸的热状态压缩终了时气缸内的温度和压力如果较高，则燃料着火前的化学反应速度很快，发火延迟期较短，发动机工作柔和，否则发动机工作粗暴。气缸内压缩空气的温度和压力的高低取决于发动机的压缩比的大小。（4）喷油提前角

如果开始喷油时间过早，活塞还在压缩过程中柴油就已经开始燃烧，这样燃烧气体就给活塞以很大的反压力，使柴油机工作粗暴，功率和经济性降低。开始喷油时间过晚，燃烧不完全，后燃严重，排气中易冒黑烟，油耗增加。3、评定柴油发火性能的指标—十六烷值十六烷值（简称CN）是衡量柴油在压燃式发动机中发火性能的指标。（1）柴油的十六烷值与其燃烧性能的关系

十六烷值高，自燃点低，滞燃期短，燃料的发火性能好，燃烧完全，发动机工作平稳。十六烷值低，自燃点高，滞燃期长，燃料发火燃烧困难，发动机工作粗暴。十六烷值过高，自燃点很低，燃烧过程中形成的过氧化物太多，自燃速度极快，燃料来不及燃烧就随废气排出。为了保证柴油具有良好的自燃性，高速柴油机所用的柴油十六烷值在45～50之间为宜。我国车用柴油质量标准规定，其十六烷值不能低于45。（2）十六烷值的测定方法人为规定标准燃料：正十六烷的CN=100；-甲基萘的CN=0。将这两种标准燃料按不同的体积比混合，即可配成不同十六烷值的标准燃料，其正十六烷的体积百分数即表示该标准燃料的十六烷值。把待测燃料与标准燃料在标准的单缸试验机上进行比较，与发火性能相同的标准燃料的十六烷值即为所测燃料的十六烷值。（3）柴油十六烷值的经验计算公式

柴油指数DI：柴油的苯胺点越高，表明柴油中的芳烃含量越低，烷烃含量越高，因而其柴油指数就越高。相对密度越大，芳烃含量越高，柴油指数越低。十六烷指数CI十六烷值CN4、柴油十六烷值与其化学组成的关系（1）各族烃类的十六烷值表5-2-3烃类的十六烷值烃类名称十六烷值正庚烷55正辛烷63正十二烷72正十四烷96正十六烷100续表5-2-3烃类的十六烷值烃类名称十六烷值3-甲基癸烷474,5-二乙基辛烷202,2,4,6,6-五甲基庚烷97,8-二甲基十四烷40七甲基壬烷157,8-二乙基十四烷679,10-二甲基十八烷609,10-二丙基十八烷47续表5-2-3烃类的十六烷值烃类名称十六烷值1-正十四烯791-正十六烯885-丁基-4-十二烯46十氢萘48正丙基十氢萘35正丁基十氢萘31仲丁基十氢萘34叔丁基十氢萘24正辛基十氢萘31续表5-2-3烃类的十六烷值烃类名称十六烷值正己基苯27正庚基苯36正辛基苯51正十二烷基苯58α-甲基萘0α-正丁基萘6β-叔丁基萘3β-正辛基萘18不同的烃类，其十六烷值的关系为：正构烷烃的十六烷值最高，而且分子量越大，十六烷值越高。碳数相同的异构烷烃十六烷值低于正构烷烃，而且异构化程度越高，十六烷值越低。正构烯烃的十六烷值略低于相同碳数的正构烷烃。异构烯烃的十六烷值低于同碳数的正构烯烃，分支越多，十六烷值越低。环烷烃的十六烷值低于同碳数的正构烷烃和正构烯烃，带侧链的环烷烃十六烷值更低。无侧链或短侧链的芳烃十六烷值最低，而且环数越多，十六烷值越低。带有较长侧链的芳烃十六烷值相对较高，而且侧链越长，十六烷值越高。带直链烷基侧链的芳烃十六烷值高于同碳数的带支链烷基侧链的芳烃。（2）各族烃类的自燃点烃类名称自然点，℃正庚烷259正癸烷253正十六烷235环己烷200丙基环戊烷285苯562甲苯536间-二甲苯528萘526甲萘528表5-2-4烃类的自然点正构烷烃的自燃点低，而芳烃的自燃点高，因而正构烷烃的十六烷值高，而芳烃的十六烷值低。燃料的十六烷值与其自燃点的关系如下图所示。图5-2-3十六烷值与自燃点的关系曲线（3）柴油的十六烷值与其化学组成的关系

样品号族组成，m%十六烷值烷烃环烷烃芳香烃185966627512135536715184544522333254185124表5-2-5柴油的族组成与十六烷值的关系柴油中含烷烃和环烷烃较多、芳烃含量较少时，其十六烷值较高，而芳烃含量较高，烷烃含量较低时，其十六烷值就较低。表5-2-6各类原油直馏柴油馏分的十六烷值原油馏分柴油指数十六烷指数十六烷值类别大庆200～35071.558.468石蜡基胜利180～35064.956.258中间基华北180～35078.263.767石蜡基辽河200～35061.252.0---中间基孤岛180～35038.641.242环烷－中间基羊三木200～35034.438.437环烷基大庆、华北等石蜡基原油的柴油馏分十六烷值较高，而环烷基的羊三木原油的柴油馏分十六烷值较低。直馏柴油、减粘裂化柴油、焦化柴油及加氢裂化柴油的十六烷值较高，而催化柴油因含有较多的芳烃，其十六烷值较低。三、柴油的蒸发性1、柴油的蒸发性对柴油机工作的影响柴油机正常工作和启动的前提条件：柴油先气化，气化后的柴油蒸气与空气形成均匀的可燃混合气。影响柴油滞燃期的因素：柴油的十六烷值柴油的蒸发性柴油机内可燃混合气形成的速度由柴油的蒸发速度决定，而柴油的蒸发速度又由燃烧室内空气的温度和压力的高低与柴油馏分的轻重两个因素来决定。压缩比越大，压缩终了时，压缩空气的温度与压力越高，则喷入的柴油蒸发速度越快，与空气形成可燃混合气的速度也越快。柴油馏分越轻，蒸发速度越快，柴油蒸气与空气形成可燃性混合气的速度也就越快。柴油馏分过轻，蒸发速度太快，在极短的时间内形成大量的可燃混合气发火燃烧，而使气缸内的压力急剧上升，导致柴油机工作不稳定。柴油馏分过重，蒸发速度太慢，来不及在极短的时间内形成混合气，而使燃烧不完全。柴油馏分过轻或过重对柴油机的工作也有不利影响：所以柴油机使用的柴油馏分不宜过重，也不宜过轻，必须保证发动机在低温下容易起动，耗油量少，燃烧良好，同时又不能引起工作粗暴。我国轻柴油的馏程控制在200～380℃。2、评定柴油蒸发性能的指标（1）馏程主要指标：50%馏出温度和90%馏出温度。①50%馏出温度表5-2-7柴油50%馏出温度与起动性的关系50%馏出温度,℃200225250275385发动机起动时间,s81027609050%馏出温度越低，柴油中的轻馏分越多，发动机起动时间越短。我国的轻柴油规定，50%馏出温度不高于300℃。表5-2-8柴油中<300℃馏分含量与耗油量的关系柴油中<300℃馏分含量,m%393420相对耗油量,%100114131柴油中<300℃的馏分含量越高，柴油机的油耗越低。②90%馏出温度90%馏出温度越低，柴油中的重馏分越少，燃烧越完全。我国的轻柴油规定90%馏出温度不能高于355℃。

（2）闭口闪点柴油的闪点太低，不仅其蒸发性太强，而且还不安全。为了控制柴油的蒸发性不致太强，在标准中规定了柴油的闪点，我国轻柴油闭口闪点不得低于45℃，它是保证柴油安全性的质量指标。四、柴油的流动性1、粘度柴油的粘度对柴油机中供油量的大小以及雾化的好坏有密切的关系。粘度过小：易从高压油泵的柱塞与泵筒之间的间隙回漏，导致供油不足，功率下降。柴油雾化后的液滴直径太小，喷出的油流射程太短，与空气混合不均，导致燃烧不完全。粘度过大：泵送困难，导致供油不足。雾化后油滴直径过大，喷出的油流射程太长，使油滴的有效蒸发面积减小，蒸发速度减慢，导致混合不均匀、燃烧不完全、耗油量增加。柴油的粘度与其化学组成有密切的关系：石蜡基原油的柴油因含较多的烷烃，因而粘度较小。环烷基原油的柴油因含较多的环状烃，因而粘度较大。2、低温流动性柴油的低温流动性是关系到柴油在低温下的供油、储存和运输等作业能否正常进行的性能。柴油的低温流动性与其化学组成有关，正构烷烃含量越高，其低温流动性越差。为了使柴油具有良好的低温性能，柴油不能含有较多的正构烷烃；而只有一个或两个支链的异构烷烃的凝点较低，又具有较高的十六烷值，因而它是柴油的理想组分。评定柴油低温流动性能的指标：凝点（或倾点）和冷滤点凝点和倾点是表示油品开始失去流动性的温度。由于冷滤点的测定条件近似柴油的使用条件，因而可以用它来粗略判断柴油可能使用的最低温度。五、柴油的安定性、腐蚀性、洁净度1、柴油的安定性柴油的安定性包括储存安定性和热安定性。柴油在储存和运输过程中抵抗氧化变质的能力称为柴油的储存安定性，储存安定性良好的柴油，在储存和运输过程中能较好地保持其颜色不变深，实际胶质变化不大，基本上不生成沉淀，宜于长期保存。柴油的热安定性是指柴油在较高的温度下抵抗氧化变质的能力。在较高的温度以及氧气存在下，柴油中的一些不安定组分会氧化成氧化缩合产物，在高压油泵、喷油嘴等处形成积炭，导致供油中断、柴油的雾化质量不良，金属零件的磨损加剧等危害。柴油安定性的评定指标：实际胶质和10%蒸余物残炭（1）实际胶质实际胶质，mg/100mL708090100积炭相对值，%10017250320活塞环磨损相对值，%100127160190表5-2-9柴油的实际胶质与燃烧室积炭和磨损间的关系实际胶质高，造成喷油嘴和滤清器堵塞，导致气缸内沉积物增加，磨损加剧。（2）10%蒸余物残炭10%蒸余物残炭在一定程度上大致反映柴油在喷嘴和气缸中形成积炭的倾向。柴油安定性与其化学组成的关系：烷烃、环烷烃及单环芳烃的安定性较好。不饱和烃、环烷芳香混合烃及非烃类是引起柴油储存安定性差的主要原因。多环芳烃及非烃类是引起柴油热安定性不良的主要原因。2、柴油的腐蚀性含硫化合物尤其是活性硫化物如硫醇对金属有腐蚀作用，它的存在会严重影响发动机的工作寿命。含硫化合物燃烧后生成的SO2、SO3不仅严重腐蚀高温区的零部件，而且还与气缸壁上的润滑油反应，加速漆膜和积炭的生成。3、柴油的洁净度表征柴油洁净度的指标是水分和机械杂质。水分较多，燃烧时降低发热值，在低温还容易结冰，使燃料供给系统堵塞。柴油中含有机械杂质会堵塞油路，加速磨损。六、柴油的品种和牌号我国的柴油分为轻柴油和重柴油。轻柴油适用于高速柴油机，按其凝点分为六个牌号：10、0、-10、-20、-35、-50号。重柴油适用于低速和中速柴油机，按50℃的运动粘度分为10、20、30三个牌号。第三节喷气燃料一、喷气发动机的工作过程二战以前，活塞发动机与螺旋桨的组合已经取得了极大的成就，使得人类获得了挑战天空的能力。但到了三十年代末，航空技术的发展使得这一组合达到了极限。螺旋桨在飞行速度达到800千米/小时的时候，桨尖部分实际上已接近了音速，跨音速流场使得螺旋桨的效率急剧下降，推力不增反减。螺旋桨的迎风面积大，阻力也大，极大阻碍了飞行速度的提高。同时随着飞行高度提高，大气稀薄，活塞式发动机的功率也会减小。这促生了全新的喷气发动机推进体系。喷气发动机吸入大量空气，燃烧后高速喷出，对发动机产生反作用力，推动飞机向前飞行。1913年，法国工程师雷恩·洛兰就提出了冲压喷气发动机的设计，并获得专利。但当时没有相应的助推手段和相应材料，喷气推进只是一个空想。1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动机设计。1941年后他设计的发动机首次飞行，从而成为了涡轮喷气发动机的鼻祖。近几十年来，喷气发动机在航空上得到了广泛的应用，已基本上取代了点燃式（螺旋桨）航空发动机。表5-3-1点燃式航空发动机与喷气发动机的主要区别项目点燃式航空发动机喷气发动机推动力螺旋浆高温燃气飞行高度，m<10000>20000飞行时速，km/hr<900>2380所用燃料航空汽油航空煤油1、涡轮喷气发动机的工作过程图5-3-1涡轮喷气发动机结构示意图涡轮喷气发动机组成部件：离心式压缩器燃烧室燃气涡轮尾喷管（1）压缩由于在2万米的高空空气很稀薄，氧气浓度低，为此需要将迎面进入发动机内的空气用离心式压缩器压缩至0.3～0.5MPa，温度达到150～200℃后，方可进入燃烧室。空气的压力越高，燃料的热能利用率越高，从而可以提高发动机的经济性，增强发动机的推动力。（2）燃烧在燃烧室中，压缩空气与航空煤油形成可燃性混合气，启动时经电火花点火后可连续不断地燃烧。燃烧室内的中心温度可达1900～2200℃，为了防止涡轮叶片烧坏，需要通入部分冷空气，使燃气的温度降至750～800℃。（3）燃气涡轮做功高温高压燃气推动高温涡轮高速旋转，将热能转化成机械能，涡轮的转速可达8000～16000转/分钟。同时燃气涡轮带动同一轴上的离心式压缩器旋转，反复地压缩由进气管吸入的空气。（4）排气从涡轮中排出高温高压燃气，在尾喷管中膨胀加速，在500～600℃的高温下高速喷出，由此产生反作用推动力推动飞机前进。表5-3-2喷气发动机与活塞式发动机的区别喷气发动机柴油机、汽油机供油方式连续供油供油具有周期性燃烧方式连续燃烧燃烧具有周期性燃烧空间敞开的高速气流密闭的气缸中喷气发动机的推动力是借助于燃料的热能转变成燃气的动能产生的，能量的转换是在高空飞行的条件下实现的，所以对于燃料的质量要求非常严格，以求十分安全可靠。喷气发动机对燃料的要求：良好的燃烧性能适当的蒸发性较高的热值良好的安定性良好的低温性能无腐蚀性良好的洁净性较小的起电性适当的润滑性二、喷气燃料的燃烧性能喷气燃料的燃烧性能良好表现在：热值较高；燃烧稳定，不因工作条件变化而熄火，一旦熄火后在高空中容易再起动；燃烧完全，产生的积炭少。1、燃料的起动性、燃烧稳定性及燃烧完全度（1）起动性喷气燃料的起动性包括：严冬季节能迅速起动高空一旦熄火后能迅速再点燃，恢复正常燃烧，保证飞行安全对燃料的要求：在0.01～0.02MPa、-55℃的条件下能与空气形成可燃性混合气并能顺利点燃，稳定燃烧。影响喷气燃料起动性的因素：燃料的自燃点、着火延滞期、燃烧极限；可燃混合气发火所需的最低点火能量、蒸发性的大小、粘度。燃料的蒸发性和粘度是最主要的影响因素。喷气燃料的蒸发性，即轻组分含量的高低。燃料中的轻组分多，在低温下就容易形成可燃性混合气，发动机易于启动。合适的低温粘度是燃料在低温下的雾化程度的决定因素。粘度越低，低温下燃料越容易雾化，发动机起动越容易。燃料在-40℃时的粘度不大于6～10厘斯。（2）燃烧稳定性燃料在喷气发动机中连续而稳定的燃烧对发动机的工作具有重要意义，如果燃烧不稳定，不仅会导致发动机功率降低，严重时还会熄火，酿成机毁人亡的恶性事故。影响燃料燃烧稳定性的因素：发动机燃烧室的结构与操作条件燃料的烃类组成与馏分的轻重燃烧室的结构与操作条件：

要使大量的燃料在高速空气流中进行稳定燃烧，首要条件就是火焰传播速度应等于或略大于气流速度。由于烃类燃料燃烧时的火焰传播速度最大为20～25m/s，而从压缩机出来的空气流速超过130m/s，为此必须采取措施将空气流速降低到15～25m/s的燃烧区域，以便于燃烧稳定。烃类组成与馏分的轻重：正构烷烃与环烷烃的燃烧极限比芳香烃宽，在低温下更加明显，因而正构烷烃与环烷烃是较理想的组分，而芳香烃的燃烧极限窄，容易熄火，对喷气燃料而言是不理想组分。如果馏分太轻，燃烧极限就太窄。

因此，喷气燃料一般选用燃烧极限较宽、燃烧比较稳定的煤油馏分，喷气燃料又称航空煤油。（3）燃烧的完全度喷气燃料首先要解决起动和燃烧稳定的问题，这两个问题解决好以后，随之而来的问题是如何燃烧得更好、更有效，即燃烧是否完全的问题。定义：单位质量的燃料燃烧时实际放出的热量占燃料净热值的百分率。表5-3-3喷气燃料燃烧完全度对飞行性能的影响燃烧完全度%燃料相对消耗率%飞行航程下降率

%10010009510559011111851181880120207513333燃烧完全度影响飞机的动力性能、航程和经济性。影响燃料燃烧完全度的因素：工作条件包括进气压力和温度、发动机转速、飞行高度。燃料性质包括粘度、蒸发性、烃类的化学组成。粘度：粘度是影响雾化质量的关键因素，而雾化程度越好，可燃性气体形成的速度越快，越有利于燃烧的稳定性和完全度。粘度过大，雾化效果差，燃烧完全度降低。粘度过小，虽然燃烧完全度较高，但是射程太短，燃烧时局部过热。蒸发性:在地面工作条件下，蒸发性相差较大的喷气燃料，其燃烧完全度均接近100%，而在10000~20000米高空条件下，由于氧气含量低，喷气燃料燃烧时，蒸发性较高的燃料具有较好的燃烧完全度。馏分较轻的喷气燃料蒸发快，混合气形成速度快，燃烧较完全。馏分较重的喷气燃料不易蒸发，混合气形成速度慢，燃烧不完全。我国的喷气燃料质量标准规定：其干点不得高于300℃。

化学组成：

各种烃类的燃烧完全度的顺序如下：正构烷烃>异构烷烃>单环环烷烃>双环环烷烃>单环芳烃>双环芳烃因此，不同的烃类相比，烷烃燃烧较完全，环烷烃较差，而芳烃最差，尤其是双环芳烃。图5-3-2喷期燃料芳香烃含量对燃烧完全度的影响燃料中芳烃含量越高，燃料的燃烧完全度越低由此可见，以烷烃和环烷烃为基础的喷气燃料较为理想，具有较高的燃烧完全度，因此在喷气燃料中要限制芳烃含量。进气压力：燃烧室进口处压力大于0.13MPa时，压力的变化对燃烧完全度无显著影响，而当压力低于0.1MPa时，燃烧完全度便显著降低，因为进气压力降低后，气流的紊流强度减弱，导致燃料的雾化分布质量及燃烧速度下降。进气温度：进气温度高，燃料的燃烧效率也高。2、喷气燃料生成积炭的倾向喷气燃料在燃烧过程中会产生碳质微粒，积聚的喷嘴、火焰筒壁上形成积炭。（1）生成积炭的危害喷嘴上的积炭会恶化燃料的雾化质量，使燃烧过程变坏，进一步使积炭增多。火焰筒壁上的积炭，会使其受热不均而变形，甚至产生裂纹。脱落在涡轮上的积炭，会擦伤叶片。随废气排出的炭粒，虽对发动机的工作影响不大，但在飞行中排出的废气冒黑烟，造成高空的大气污染。（2）生成积炭的影响因素喷气燃料燃烧时生成积炭的倾向与下列因素有关：燃烧室的结构、发动机的工作条件。燃料的化学组成及蒸发性。喷气燃料的蒸发性：蒸发性低，在燃烧过程中处于液态的时间较长，其在高温下裂解的倾向增加，因而容易生成积炭。燃料的化学组成：是影响积炭生成的最重要因素。

烃类积炭,g烃类积炭,g正己烷很少十氢萘1.65正庚烷很少苯1.64异辛烷很少甲苯1.15异癸烷0.40异丙苯1.71环戊烷0.28四氢萘2.36环己烷0.45甲基萘2.79表5-3-4各种烃类在燃烧室生成积炭的比较（试验时间为15分钟）表5-3-5芳烃含量对喷气燃料生炭性的影响项目燃料Ⅰ燃料Ⅱ燃料Ⅲ燃料Ⅳ芳烃含量，m%16192328萘系烃含量，m%1.31.41.82.4氢含量，m%13.8213.6313.4413.07烟点,℃25222119相对生炭性*1.001.081.221.28从生成积炭的倾向看：芳烃尤其是双环芳烃最容易生成积炭，而烷烃生成的积炭最少。在喷气燃料中芳烃含量越高，尤其是萘系芳烃含量越高，生成积炭的倾向越大。因此，在喷气燃料中要限制芳烃含量，而且更要限制萘系芳烃的含量。我国喷气燃料质量规定芳烃含量不高于20v%。（3）表征积炭倾向的指标在喷气燃料质量标准中，表征其积炭倾向的指标：萘系芳烃含量烟点辉光值在上述三个指标中可以任选其一。萘系芳烃的含量：我国喷气燃料质量指标规定，萘系芳烃（双环芳烃）的含量不能高于3v%。烟点：又称无烟火焰高度，是指油料在标准的灯具内，在规定条件下作点灯试验所能达到的无烟火焰的最大高度。喷气燃料的烟点取决于其化学组成。表5-3-6燃料的烟点与芳烃含量的关系芳烃含量10182228烟点，℃23191412燃料的烟点与其芳烃含量有关，燃料中的芳烃含量越高，其烟点越低。表5-3-7燃料的烟点与在发动机燃烧室生成积炭量的关系烟点,℃12182123263043积炭,g7.54.83.21.81.60.50.4燃料的烟点与发动机中生成的积炭有关，烟点越低，生成的积炭就越多。当无烟火焰高度超过30mm时，积炭的生成量降低到很小值。我国规定喷气燃料的烟点不得低于25mm。辉光值：在相当于四氢萘烟点时的火焰辐射强度下，将试验燃料与两个标准燃料分别在灯中燃烧，比较它们火焰的温度升高值。两个标准燃料分别为四氢萘（辉光值人为定为0）、异辛烷（辉光值人为定为100）。T—试样或标准燃料燃烧时火焰的温升，℃燃料的辉光值越高，表示燃料的燃烧性能越好，燃烧越完全，生成积炭的倾向越小。相同碳数的烃类其辉光值的大小顺序为：烷烃>环烷烃>芳香烃。3、热值和密度喷气发动机的推力取决于所用燃料的热值。（1）重量热值和体积热值重量热值是指单位重量的燃料燃烧时所放出的热量，kJ/kg。体积热值是指单位体积的燃料燃烧时所放出的热量，kJ/dm3。体积热值＝重量热值×密度燃料的密度越大，单位体积内储备的燃料重量越大，如果重量热值较大的话，则单位体积的燃料燃烧时所能放出的热量就越多。重量热值越大，发动机的推力越大，耗油率越低。对于飞机而言，其油箱的容积是一定的，为了使一定容量的油箱中能够储备较多的热量，使飞机的航程尽可能地远一些，因而要求喷气燃料具有较高的体积热值，换言之，要求喷气燃料具有较高的重量热值和较大的密度。体积热值越大，飞机航程越远。燃料净热值kJ/kg相对密度油箱储备热量

/MJ航程,km癸烷442670.72940.614500某宽馏分燃料433330.76541.214500某航空煤油429150.82044.015000十氢萘428100.89048.115900表5-3-8燃料热值与密度对飞行的影响燃料的密度越大，油箱储备的热量就越多，航程也就越远。（2）喷气燃料的热值与其化学组成的关系烃类相对密度重量热值kJ/kg体积热值kJ/kg正癸烷0.72994425432300丁基环己烷0.79924343834716丁基苯0.86464150435844表5-3-9不同C10烃类的密度、重量热值与体积热值由于氢的重量热值比碳大得多，因而H/C原子比越高的烃类，其重量热值越大。碳数相同时，烃类的H/C原子比大小顺序为：烷烃>环烷烃>芳烃，因而烷烃的重量热值最大，而芳烃最小。碳数相同时，其密度大小顺序为：烷烃<环烷烃<芳烃，因而芳烃的体积热值最大，而烷烃最小。兼顾重量热值和体积热值，喷气燃料的理想组分是环烷烃。喷气燃料的净热值测定比较麻烦，一般采用经验公式进行计算。对于不含硫的喷气燃料：QJ=41.6796+(0.00045733A+0.00813204)API对于含硫的喷气燃料：QT=QJ(1－0.01S)＋0.1016S三、喷气燃料的安定性喷气燃料的安定性也包括：储存安定性热安定性1、储存安定性燃料本身的原因：含有较多的烯烃、带不饱和侧链的芳烃、非烃化合物等。这些都是不安定的组分，导致其胶质和酸度增加。外界因素：储存温度、与空气及金属表面接触、水分的存在等都能促进喷气燃料的氧化变质，导致胶质与酸度增加。喷气燃料在储存过程中不安定的原因：表征喷气燃料储存安定性的质量指标：实际胶质碘值硫含量及硫醇含量酸度2、热安定性由于飞机在高空中以两倍以上的音速飞行，飞机表面不可避免地要与空气摩擦生热，导致油箱内燃料的温度达到100℃以上。在这样高的温度下，燃料中不安定组分更加容易氧化而生成胶质和沉积物。喷气燃料受热不安定的原因：胶质沉积在热交换器表面，导致冷却效率降低。沉积物沉积在过滤器或喷嘴上，会使过滤器与喷嘴堵塞，并使喷射的燃料不均匀，引起燃烧不完全。喷气燃料受热不安定对飞行安全的危害：因此，对于长时间作超音速飞行的喷气燃料，要求具有良好的热安定性。喷气燃料的热安定性与其化学组成的关系表5-3-10大庆2号喷气燃料的烃组分对其热安定性的影响试样沉淀物,mg/100mL大庆喷气燃料馏分14.3大庆喷气燃料馏分中的饱和烃1.4大庆喷气燃料馏分中的饱和烃+8.1%的芳烃14.2表5-3-11喷气燃料的非烃组分对其热安定性的影响试样沉淀物,mg/100mL大庆喷气燃料馏分12.6脱除胶质后9.6脱除硫醇后10.4脱除硫醇及二硫化物后7.2脱除含硫化合物后1.6饱和烃生成的沉积物较少，而加入芳烃后沉积物成十倍的增加。燃料中的胶质和含硫化合物都会使沉积物的生成量显著增加。芳烃、胶质和含硫化合物是喷气燃料中的热不安定组分，应尽可能地脱除去。四、喷气燃料的低温性能喷气燃料低温性能的定义：低温下燃料在飞机燃料系统能否顺利泵送和过滤的性能，即不能因为产生烃类结晶或所含水分结冰而堵塞过滤器影响供油。表征喷气燃料的低温性能的质量指标：结晶点：燃料在低温下出现肉眼可见的结晶时的最高温度。冰点：是燃料出现结晶时，再升高温度是原来结晶消失时的最低温度。喷气燃料的低温性能与其化学组成的关系：分子量较大的正构烷烃以及某些芳烃的结晶点较高，而环烷烃与烯烃的结晶点较低。在同族烃类中，分子量越大，结晶点越高。喷气燃料的低温性能与其含水量的关系：燃料中所含的水分在低温下也能形成冰晶，会堵塞过滤器，导致供油不畅。水在燃料中的存在形态：游离水，与烃类燃料不互溶。溶解在烃类中的水。不同的烃类在水中的溶解度是不同的，相同的温度下，芳烃尤其是苯对水的溶解度最高。因此，从降低燃料对水的溶解度的角度，要限制喷气燃料中的芳烃含量。喷气燃料的腐蚀可分为：液相腐蚀：喷气燃料对输运设备和发动机燃料系统的腐蚀。气相腐蚀：喷气燃料燃烧过程产生的高温对于燃烧室内的火焰筒、涡轮、尾喷管的侵蚀。五、喷气燃料的腐蚀性1、液相腐蚀对于金属材料具有腐蚀主要是燃料中的含氧、含硫化合物以及水分。由于喷气发动机的高压燃油泵采用了镀银机件，而银对于硫化物特别敏感。因此喷气燃料的质量标准中规定了酸度、水溶性酸或碱、含硫量、硫醇含量、铜片腐蚀以及银片腐蚀。2、气相腐蚀目前我国广泛使用镍铬合金制造发动机燃气系统的部件，高温燃气对这些部件的腐蚀主要表现在：烧蚀，与燃料组成有关硫化腐蚀，与燃料中的含硫量有关氧化烧伤，与燃料组成无关渗碳，与燃料组成无关烧蚀所产生的腐蚀现象。外观特征：腐蚀处呈深圆坑，圆坑上积有毛状结晶碳，严重时腐蚀坑连成片，甚至蚀穿火焰筒壁。镍铬合金的烧蚀机理：碳氢化合物在燃烧过程中由于裂化和部分氧化生成甲烷和一氧化碳，它们在高温和镍的存在下分解产生活泼碳。活泼碳与金属铬极易发生化学反应生成碳化铬。生成碳化铬后，原来与铬结合成合金的镍被释放出来成镍原子，而镍原子具有很高的催化活性。在其催化作用下，烃类尤其是萘系芳烃脱氢生成碳而形成一定结构的碳晶体，碳晶体在表面微细的裂缝中长大，所产生的压力足以使合金基体局部解体，而形成麻状点凹坑。研究表明，如果喷气燃料中含有一定量的硫，会在高温下使合金中的镍中毒而失去对烃类的催化作用，从而防止烧蚀现象。表5-3-12清楚地表明了喷气燃料中的含硫量与烧蚀现象之间的关系。表5-3-12不同含硫量的喷气燃料烧蚀试验结果喷气燃料含硫量，m%试验时间试验结果玉门原油馏分0.0158严重烧蚀新疆原油馏分0.0053明显烧蚀大庆原油馏分0.0214明显烧蚀胜利原油馏分0.05050无烧蚀辽河原油馏分0.0125明显烧蚀大港原油馏分0.0225明显烧蚀南阳原油馏分0.0075明显烧蚀美国JP-ⅠB0.05020无烧蚀前苏联T-10.064200无烧蚀六、喷气燃料的洁净度喷气发动机燃料系统机件的精密度很高，即使较细的颗粒物质也会造成燃料系统的故障。表征燃料清洁度的主要指标为：水、表面活性物质、固体杂质及微生物水的存在除了对燃料的腐蚀性、低温性能产生不良影响外，还会破坏燃料在系统部件中的润滑作用，导致絮状物的生成和微生物的生长。燃料中的表面活性物质会增强油水乳化，使油中的水不容易分离，并会促使一些细微的杂质聚集在过滤器上。喷气