第2章-燃料工质及热化学

汽车发动机原理第二章燃料、

工质及热化学潍柴动力

燃料理化特性决定了内燃机混合气形成和着火方式，是造成内燃机不同工作方式的决定因素燃料热值（混合气热值），既是内燃机原理的基础之一，也是影响动力性和经济性“量”环节的主要因素之一(热化学）工质热力参数对循环热效率有巨大的影响，是决定内燃机动力性、经济性“质”环节的重要因素燃油组分对燃烧和排放有重要影响，是发动机满足严格排放法规的关键环节之一讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力1.燃料及其理化特性2.汽油机与柴油机工作模式的差异3.工质及其热力特性4.燃烧热化学讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力石油中主要成分是碳，约占83%~87%；其次是氢，约占11%~14%，二者合计占96%~99%。内燃机的燃料及其热化学其他为微量的金属和非金属元素。各元素均以碳氢或非碳氢化合物形式存在。我国的石油概况(2006年的数据)我国石油的总储量达780亿吨，实际可开采的储量约为390亿吨，名列世界前茅。塔里木盆地的塔克拉玛干大沙漠中发现的石油高达300亿吨。若干国家石油储量预测/（亿吨）世界及主要国家石油年产量（1996）/（亿吨）世界石油储量概况沙特阿拉伯：排在此份名单之首。委内瑞拉，2965亿桶，居世界首位，但多是需要附加炼制的重油，其占有世界石油储量的19.1%，足够该国使用234年。伊朗：1370亿桶，占世界石油储量的9.95%，还够该国使用88年。伊拉克：1150亿桶，占世界石油储量的8.3%，还够用128年。科威特：1020亿桶，占世界石油储量的7.3%，预计还可用111年。阿拉伯联合酋长国：980亿桶，占世界石油储量的7.1%，还够用94年。俄罗斯：770亿桶，占世界石油储量的5.6%，还可用用21年。利比亚：460亿桶，占世界石油储量的3.4%，够用77年；哈萨克斯坦：400亿桶，占世界石油储量的2.9%，够用62年；尼日利亚：370亿桶，占世界石油储量的2.7%，够用42年；加拿大：320亿桶，占世界石油储量的2.3%，够用26年；美国：310亿桶，占世界石油储量的2.2%，够用11年；卡塔尔：260亿桶，占世界石油储量的1.9%，够用45年；中国：150亿桶，占世界石油储量的1.1%，够用10年；巴西：140亿桶，占世界石油储量的1%，够用18年。2010年全球储量为1.8万亿桶。按现有速度还够用46年。分类方法燃料种类燃料按来源分矿物质代用燃料压缩天然气（CNG），液化天然气（LNG），液化石油气（LPG）煤制甲醇，煤制二甲醚（DME），煤制柴油（CTL），天然气制柴油（GTL）等生物质代用燃料各种植物油，如菜籽油、豆油、棉籽油、棕榈油、椰子油和葵花油等植物油或动物油脂加工成的酯类化合物（生物柴油）生物燃料制柴油（BTL）植物或农作物制取乙醇等按代用或着火方式分汽油（点燃）代用燃料CNG、LPG、甲醇、乙醇、氢气等柴油（压燃）代用燃料生物柴油，DME，CTL，GTL，BTL等按形态分气体代用燃料氢气，CNG，LNG，LPG，DME，煤气，沼气等液体代用燃料甲醇，乙醇，生物柴油，BTL，CTL，GTL等固体代用燃料煤粉（与燃料油或乳化剂混合）按化学成份分烃类代用燃料CNG，LNG，LPG，BTL，CTL，GTL等含氧代用燃料醇类代用燃料甲醇，乙醇等醚类代用燃料甲基叔丁基醚（MTBE），乙基叔丁基醚（ETBE），叔戊基甲醚（TAME），二甲醚（DME），二异丙基醚（DIPE），二正戊基醚（DNPE）等酯类代用燃料生物柴油（甲酯），合成酯氢气代用燃料氢气发动机替代燃料的分类替代燃料——除石油汽油、柴油以外的烃类/醇类/醚类/酯类/氢气等燃料石油系燃料馏程的大致分布(单位℃)按原油蒸溜炼制过程中的溜出温度分为：汽油(40~180C)煤油(160~250C)、轻柴油(180~350C)、重柴油(280~380C)、重油(＞350C)、渣油(＞400C)蒸馏:利用不同分子量和不同结构的烃具有不同沸点的性质，一次加热后，将一定沸点范围的烃分别收集，得到各种燃料。分常压蒸馏和减压蒸馏。碳氢(hydrocarbon)燃料的分类常温下

C1~C4正构烷呈气体；

C5~C15正构烷呈液体，是汽油、煤油的主要成分

C16~正构烷呈固体，是石蜡的主要成分。

相同碳原子数的情况下

正构烷烃碳链长，结构不稳定，易氧化成过氧化物及醇或醛氧化物，发火性好，适于压燃。异构烷烃结构紧密，不易氧化，发火性差，不易发生爆燃，适于点燃烷烃甲烷乙烷异辛烷C-C单健AlkanesorParaffins-singlebondsbetweencarbons-CnH2n+2饱和烃，氧化安定性好；异构体结构紧凑,不易断链,不易自燃，理想汽油成分碳氢(hydrocarbon)燃料的分类环烷烃NapthenesC-C单健CnH2n环烷烃属饱和烃，性质比较稳定，不易断链，不易氧化变质，较为理想的汽油组分。在石油中，环烷烃是主体。物理、化学性质与烷烃相近。一般情况下性质较稳定，不易氧化，随着分子量增大或多环环烷烃环数增多，沸点升高，密度增大。汽油中，环烷烃抗爆性比正构烷好，仅次于异构烷和芳烃。柴油中，环烷烃的发火性差。润滑油中，少环长侧链的环烷烃是理想部分，粘性好、凝点低

烯烃乙烯丙烯丁二烯C＝C双健碳氢(hydrocarbon)燃料的分类石油中一般不含烯烃，在石油加工中，大分子的烷烃和环烷烃发生分解，产生烯烃。烯烃安定性差，在一定情况下易氧化生成高分子粘稠物，特别易进行加成反应、氧化反应和聚合反应。烯烃是对排放有不利影响，其有机挥发物是生成臭氧和毒性物质的重要来源。汽油中，烯烃可提高辛烷值但会是汽油在存储时氧化生胶。柴油中，烯烃可使柴油油较好的低温流动性，但其自然温度高，发火性差，化学安定性差。AlkenesorOlefins-oneormoredoublebondsbetweencarbons-CnH2n炔烃乙炔C≡C三健多键非饱和烃结合牢固，不易断链，不易自燃，但不饱和烃安定性差，长期存放容易氧化变质。碳氢(hydrocarbon)燃料的分类AlkynesorAcetylenes-oneormoretriplebondsbetweencarbons-CnH2n-2碳氢(hydrocarbon)燃料的分类芳烃benzene苯toluene甲苯naphthalene萘环状结构紧凑,不易断链,不易自燃。Aromatics-oneormoreringstructures－CnH2n-6/12在汽油中，芳烃抗爆性好，辛烷值高。其燃烧温度高，燃烧产物中NOx和未燃芳烃的排放浓度随芳烃含量增大而增大。在柴油中，芳烃自燃温度高，十六烷值低，燃烧性不好，会导致碳烟微粒排放浓度增加，是不良组分。

Alcohols-containoneormoreOHgroups醇甲醇乙醇燃料含氧促进燃烧含氧(oxygenated)燃料的分类Ethers–containanoxygenatomconnectedtotwoalkylorarylgroups(R–O–R)醚甲醇二甲醚醇：是脂肪烃、脂环烃或芳香烃侧链中的氢原子被羟基取代而成的化合物。羟基：又称氢氧基。是由一个氧原子和一个氢原子相连组成的中性原子团两个氢原子均被烃基取代的化合物称为醚甲基：甲烷分子中去掉一个氢原子后剩下的电中性的一价基团Esters-chemicalcompoundsderivedbyreactinganoxoacidwithahydroxylcompoundsuchasanalcohol酯含氧(oxygenated)燃料的分类（植物油/脂肪酸）（甲醇）（植物油甲酯/生物柴油）（甘油）由羧酸与醇(酚)反应失水而生成的化合物烃燃料分子结构、成分与理化特性1)烃燃料结构对理化特性的影响

链与环—环化学稳定性好，不易自燃

直链与支链(或正烷与异烷)—支链(异烷)的化学稳定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和异辛烷C8H18的辛烷值分别为0和100)

单键和多键—多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但安定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃)烃燃料分子结构、成分与理化特性燃料自燃性比较：环烷烃<正烷烃烯烃<正烷烃芳香烃<烷烃/烯烃甲基奈－压不着燃料抗爆性比较：环烷烃>正烷烃烯烃>正烷烃异烷烃>正烷烃芳香烃>烷烃/烯烃烃燃料成分、分子结构与理化特性2)烃燃料成分对理化特性的影响

C原子数:

C越多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃；但物理稳定性也好，不易气化。

H/C比:H比C的热值高，约3.7:1。

柴油H/C<汽油H/C→柴油Hu(42500kJ/kg)<汽油Hu(44000kJ/kg)；单位质量H燃烧所需要O约是C的3倍，因而理论混合气热值：

汽油Hum柴油Hum(3750kJ/m3)；

汽油机在

=1工作，柴油在≥1.2工作，则有：汽油Hum>柴油HumH/C大，则排放特性好，C—CO、CO2有害;H—H2O无害。

CNG、LPG的H含量高(0.25和0.182)，所以其CO、黑烟、微粒、CO2低于汽、柴油→H/C越大，燃料越清洁。发动机燃料的主要技术指标1)自燃性：可燃混合气在一定温度、压力条件下自行着火燃烧的能力自燃性对柴油尤其重要，自燃性差，则起动性差，工作粗暴十六烷值是评价柴油自燃性好坏的指标将自燃性好的十六烷与自燃性差的-甲基奈按一定比例混合，构成不同体积百分比的标准柴油，其中十六烷含量的百分数叫做十六烷值。燃油十六烷值的测量CFRenginewasdevelopedbytheAmericanCooperativeFuelResearchCommittee.燃料研究联合协会WaukeshaEngine:F5-CetaneMethodDieselFuelRatingUnit发动机燃料的主要技术指标2)抗爆性：燃料不发生爆燃(Knocking)的能力抗爆性对汽油来说非常重要，希望自燃性差，抗爆性好辛烷值是评价汽油抗爆性好坏的指标将抗暴性差的正庚烷C7H16与抗暴性好的异辛烷C8H18按一定比例混合，构成不同体积百分比的标准汽油，其中异辛烷含量的百分数叫做辛烷值。辛烷值马达法和研究法的测量RON>MON燃料敏感性Sa＝RON－MON抗爆指数Ai=(RON+MON)/2MON与RON，谁的试验条件更苛刻？CN＝60.96-0.56×MONCN＝68.54-0.59×RON

专用的带有爆震传感器的可变压缩比单缸发动机：缸径/冲程＝85/115发动机燃料的主要技术指标3月～8月：65kPa9月～2月：88kPa3)蒸发性(1)饱和蒸气压：在规定条件下燃油和燃油蒸气达到平衡状态时，燃油蒸气的压力(Reid饱和蒸气压RVP)

10个碳原子以上烃类的饱和蒸气压接近于0→柴油的蒸气压接近0蒸气压高，说明燃油中轻质组分多，发动机冷起动性能好，混合气形成速度快，利于燃烧蒸气压过高，在储存和运输过程中易产生蒸发损失，着火的危险性大；也容易在燃油供给系统中形成“气阻Choking”冰激凌与汽车启动的故事发动机燃料的主要技术指标3)蒸发性(2)馏程：燃油在规定条件下蒸馏出某一百分比的温度(范围)初馏点—燃料中含有的最轻馏分的沸点，但不能判断轻馏分的含量10％馏程(T10)—燃料中含有轻馏分的大概数量，反映汽油机的冷起动性50％馏程(T50)—燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的工作稳定性90％馏程(T90)—燃料中的重质馏分含量，反映汽油机燃烧完全性干点（终馏点）—燃料中含有的最重馏分的沸点每吨石油能产出的油品比例基本是一定的(中国柴:汽=2:1)，这一比例也决定了两者谁也不可能淘汰对方。不同馏程碳氢成分及理化特性发动机燃料的主要技术指标4)低温流动性指在低温条件下，燃料在发动机燃料供给系统中能否顺利地进行泵送和通过燃料过滤器，从而保证发动机正常供油。

“浊点”是油品在规定的冷却过程中，开始析出石蜡结晶的最高温度。“冷滤点”是在200mm水柱抽力下，1min内20mL油样不能完全通过一个350目金属滤网过滤器时的最高温度。“倾点”是燃料在规定的冷却过程中，能够流动的最低温度。“凝点”是燃料在规定的冷却过程中，石蜡结晶析出、长大，互相连接成三维网状结构，把油包在其中，使油失去流动性的最高温度。我国采用凝点作为柴油的标号：10、5、0、-10、-20、-35、-50燃油组分与排放硫(Sulfur)：硫天然存在于原油中。硫可明显地降低催化转化器中催化剂的功效，同时在高温条件下对氧传感器造成不良影响。高硫燃油会使车载诊断系统(OBD)失灵，使催化转化器监控装置发送错误的诊断码，并向司机发出错误的故障信号。烯烃(Olefins)：烯烃是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯烃有热不稳定性，导致它易形成胶质，并沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。活泼烯烃蒸发排放到大气中会产生光化学反应，进而引起光化学污染。芳烃(Aromatics)：芳烃通常是汽油的高辛烷值组分，具有高能量密度。但是，芳烃会导致发动机产生沉积物，增加尾气排放，包括CO2。苯(Benzene)：苯是原油中的天然组分，也是催化重整的产物。尽管是高辛烷值组分，但是苯是一种致癌物质。来自网上的一个小故事改革开放初期，我国某大部委买了一辆世界知名品牌的高级轿车（我估计是大奔），交给专业司机开了没一年，就有油耗上升，运行状态下降等不良现象先后出现。部委领导忿忿然叫来该公司驻北京办事处的德国人，责问其产品质量。老德来了以后，先自己开着车在院子里转了两圈，又问了问司机平时如何驾驶、如何保养和加减挡时机等等，并打开车的机器盖子大概看了看。然后老德对领导说：星期天早上6点，请你们司机把车加满油，在京顺路起点等我，我亲自给你们修车。星期天早上司机早早来到约定地点，心里还直纳闷，这老德怎么在这儿修车？6点整老德来了，也开一大奔，他下车对专业司机说：你跟着我，别落下。说完转身上车狂奔，车速很快达到了200km/h，一直开到密云水库的大坝上才停住（行程约200km）。德国老头儿下了车笑眯眯地对中国司机说：车已经修好了。司机原地慢慢开着试了试，确实好多了。老德解释说：你原来开这个车的习惯是你们中国习惯，开我们公司的车要按我们的习惯和说明书上的规定，你长期低转速加挡，使得燃烧不充分，粘乎乎的油把喷油嘴等部位都糊住了。今天咱们开这么快，转速会在4500～5000以上，油的流量也会很大，把原来的粘乎乎的东西都冲刷走了。所以车又好开了。世界燃油规范汽油质量要求世界燃油规范柴油质量要求1.燃料及其理化特性2.汽油机与柴油机工作模式的差异3.工质及其热力特性4.燃烧热化学讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力汽油机与柴油机工作模式的差异homogeneousmixturestratifiedmixture思考：柴油能采用点燃方式吗？汽油能采用压燃方式吗？1)混合气形成方式不同汽油—易气化，缸外低压喷射蒸发，与空气形成预制均质混合气柴油—难气化，缸内高压喷雾成细小液滴，与空气形成非均质混合气2)着火及燃烧方式不同汽油—难自燃，易点燃(SI)，用高压电火花点燃预混燃烧，火焰传播。可在a=1的条件下完全燃烧柴油—难点燃，易压燃(CI)扩散燃烧，即边喷-边混-边燃，为了完全燃烧，必须a>1.0（1.2）3)负荷调节方式不同汽油机—预混合，a基本保持不变，量调节柴油机—分层混合，a变化范围大（0~∞），质调节MixtureHomogeneous均质混合气SparkIgnition火花点火MixtureStratified分层混合气CompressionIgnition压缩着火SI常规汽油机HCCIGDICI柴油机内燃机混合气形成和燃烧模式组合GasolineDirectInjection汽油缸内直喷HomogeneousChargeCompressionIgnition均质充量压燃1.燃料及其理化特性2.汽油机与柴油机工作模式的差异3.工质及其热力特性4.燃烧热化学讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力工质的主要热力参数比热容与比热容比(等熵指数)

cp,cv

随温度T上升而增加

k

随温度T上升而下降由分子物理学可知：分配到分子每一个自由度的热量是相同的,则分子自由度(原子数)↑，cp和cV↑，k↓k越大，cp和cV越小，相同加热量下，工质温升越高，循环热效率高1.燃料及其理化特性2.汽油机与柴油机工作模式的差异3.工质及其热力特性4.燃烧热化学讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力燃烧热化学要解决的问题：燃烧需要多少空气；发出多少热量；燃烧前后工质的变化设1kg燃料中有gC公斤C、gH公斤H、gO公斤OH燃烧需要氧气是C的3倍C燃烧后体积不变H燃烧后体积增大燃烧热化学也称之为“质量化学计量比”（massstoichiometricratio）1)燃料完全燃烧所需空气量，设：(1)1kg燃料完全燃烧需要O2为：而O2在空气中的质量百分比为23.2%，即需空气量为（实际中是测量空气流量）：燃烧热化学2)分子变化系数(2)1kg燃料完全燃烧需要O2摩尔(mol)为：而O2在空气中的摩尔百分比为21.0%，即需空气量为：也称之为“摩尔化学计量比”（molestoichiometricratio）汽油机＝1.07~1.12>柴油机＝1.03~1.06，因为：

汽油H含量大，燃后体积增大多一些柴油机大，有些空气不参加反应，其前后体积不变燃烧热化学废气再循环率：式中，m’r—每缸废气再循环质量一般无废气再循环（ExhaustGasRecircula