燃料工质与热化学

燃料工质与热化学第1页/共37页◎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第2页/共37页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第3页/共37页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/氢气等燃料第4页/共37页AlkanesorParaffins-singlebondsbetweencarbons-CnH2n+2AlkenesorOlefins-oneormoredoublebondsbetweencarbons-CnH2nAlkynesorAcetylenes-oneormoretriplebondsbetweencarbons-CnH2n-2烷烃烯烃炔烃甲烷乙烷异辛烷乙烯丙烯丁二烯乙炔C-C单健C＝C双健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)燃料的分类第5页/共37页碳氢(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第6页/共37页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)醚甲醇二甲醚第7页/共37页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）自学含氧燃料的理化特性第8页/共37页烃燃料分子结构、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)燃料抗爆性比较：1)环烷烃正烷烃2)烯烃正烷烃3)异烷烃正烷烃4)芳香烃烷烃/烯烃第9页/共37页烃燃料分子结构、成分与理化特性燃料自燃性比较：1)环烷烃<正烷烃2)烯烃<正烷烃3)芳香烃<烷烃/烯烃4)1-甲基奈－压不着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)第10页/共37页烃燃料成分、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

燃料热值由H/C比决定,由于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)；但单位质量H燃烧所需要O(空气)多(约是C的3倍)，因而理论混合气热值：汽油Hum柴油Hum(3750kJ/m3)；实际中，汽油机在a=1工作，柴油在a≥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，燃料越清洁第11页/共37页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十六烷值CetaneC16H34HCCHHHH.......HCCHHHHCetaneNumberCN=100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3CetaneNumberCN=0－甲基萘－MethylnaphthaleneC11H10第12页/共37页燃油十六烷值的测量CFRenginewasdevelopedbytheAmericanCooperativeFuelResearchCommittee.燃料研究联合协会WaukeshaEngine:F5-CetaneMethodDieselFuelRatingUnit第13页/共37页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CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH异辛烷Iso-OctaneC8H18

OctaneNumber100ON＝100正庚烷n-HeptaneC7H16

OctaneNumber0ON＝0CCCCCHHHHHHHHH第14页/共37页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

调整压缩比蜗杆轴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第15页/共37页发动机燃料的主要技术指标3)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)

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，有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”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夏季蒸气压(3月～8月)：

65kPa冬季蒸气压(9月～2月)：

88kPa第16页/共37页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驾驶性指数蒸发驾驶性指数第17页/共37页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第18页/共37页发动机燃料的主要技术指标4)低温流动性液体燃料的低温流动性是指在低温条件下，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倾点第19页/共37页燃油组分与排放1)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。2)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。3)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。4)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。第20页/共37页世界燃油规范汽油质量要求第21页/共37页世界燃油规范柴油质量要求第22页/共37页中国内燃机学会“油品与清洁燃料”分会第23页/共37页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第24页/共37页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(分层)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？第25页/共37页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均质充量压燃第26页/共37页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第27页/共37页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，循环热效率高第28页/共37页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第29页/共37页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的三倍C燃烧后体积不变H燃烧后体积增大第30页/共37页燃烧热化学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）：也称之为“质量化学计量比”（massstoichiometricratio）第31页/共37页燃烧热化学(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）2)分子变化系数汽油机＝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a大，有些空气不参加反应，其前后体积不变第32页/共37页3)残余废气(residualgas)系数残余废气系数r是进气过程结束时，缸内的残余废气量与新鲜充量的质量比:式中，mr—每循环每缸残余废气质量

m1—每循环每缸新鲜充量质量◎一般无废气再循环（ExhaustGasRecirculation,简称EGR）的机型r值范围如下：汽油机：0.06~0.16，柴油机：0.03~0.06

增压柴油机：0.00~0.03◎汽油机r偏高是因为ε小，压缩容积大，低负荷时进气节流强使新鲜充量下降◎增压柴油机r小是因为扫气效果强燃烧热化学