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文档简介
1、.,1,第八章 燃料与排放,汽车排放是由燃料燃烧引起的,因此污染物种类和数量与燃料性质直接相关。但是,发动机燃料组成及其理化性质复杂,同时污染物生成机理的多元性,使得燃料和污染物的关系复杂,而且,汽车工业与石油工业之间往往缺乏足够的协调,致使相关研究滞后。 本章主要介绍燃料对发动机排放的影响,讨论汽油和柴油的改良方法及常用的代用燃料。主要内容有: 1) 燃料对排放的影响 2) 燃料的改善 3) 代用燃料,.,2,第一节 燃料对排放的影响,.,3,一、汽油对排放的影响 1) 辛烷值的影响 汽油抗爆性的指标,辛烷值越高,抗爆震能力强。辛烷值低可能引起爆震,增加NOX排放,损坏发动机。较低的辛烷值会
2、限制发动机压缩比,增加了燃油消耗率,总污染物排放量增加。烯烃是提高辛烷值的有效成分,但烯烃的热稳定性差,易形成胶质,沉积在进气系统中,影响燃烧效果,增加排放。同时,活泼烯烃是光化学烟雾的前体物,容易引起光化学污染。 2) 汽油挥发性的影响 汽油从液态变为气态的性质称为汽油的蒸发性。蒸发性决定了汽油混合气的质量。一般用蒸馏曲线(馏程)和37.8时测得的雷德蒸汽压RVP表示。,.,4,汽油馏出温度的范围称作馏程。将100ml试验燃料放在烧瓶中,加热产生燃料蒸气,经冷凝器凝结,滴入量筒内。第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点,随温度升高,依次测出对应油量的馏出温度。为了评价燃料的挥发性,汽油馏
3、程主要由馏出10%、50%、90%的温度表征。 10%馏出温度标志汽油的流动性,温度低说明冷起动性能好,但过低也容易形成气阻,影响汽油机正常运转。 50%馏出温度标志汽油的平均蒸发性,影响汽油机的暖机时间、加速性及工作稳定性。温度低说明汽油的挥发性好。 90%馏出温度标志燃料中含有难于挥发的重质成分的数量。温度低时,重质成分少,有利于燃烧;温度高时,重质成分多,不易挥发,容易形成积炭或进入油底壳稀释润滑油。,.,5,汽油的雷德蒸气压RVP按季节和使用地区的气候条件适当控制。高温时严格控制RVP,减少热油产生的问题(气阻和蒸发排放);低温时,要保证足够的RVP,获得好的起动和暖机性能。 汽油的挥
4、发性对NOX没有影响,对CO排放影响较小。 3) 汽油密度的影响 汽油密度与汽油的烃类比例有关,特别是总C/H原子比。由于挥发性不同,夏用和冬用汽油密度不同。汽油密度变化很小,它对根据标准燃料调整的发动机排放的影响小。 4) 烃类组成的影响 汽油由烷烃(正构烷烃、异构烷烃和环烷烃)、烯烃和芳烃组成。,.,6,烷烃热稳定性好,但正构烷的辛烷值低,异构烷和环烷的辛烷值高,是汽油的理想成分。烯烃具有较高的辛烷值,但热稳定性差,易结胶。减少烯烃可使城市中臭氧下降20%-30%。芳烃的辛烷值高,可作辛烷值提高剂。芳烃结构稳定,燃烧速度慢,会增加HC排放。芳烃燃烧温度高,会增加NOX排放。重芳烃和其他高分
5、子化合物在缸内形成沉积物,增加HC和NOX排放,当前汽油正逐步限制芳烃含量,特别是苯含量。 5) 硫含量的影响 可降低三效催化器的转化效率,对氧传感器也有不利影响。高硫汽油还会引起车载诊断系统的混乱和误报。,.,7,6) 添加剂的影响 车用汽油的添加剂有:防止汽油爆震的抗爆剂、抑制烯烃聚合的抗氧化剂和清洗进气系统污染表面、防止喷油嘴堵塞的表面活性剂。 抗爆剂四乙基铅会使三效催化器和氧传感器失效,还能造成铅中毒。锰化合物和铁化合物也能提高辛烷值,但它们燃烧生成的氧化物对发动机有不利影响。例如,锰氧化物会使火花塞失火,锰沉积物会降低催化剂的起燃特性和稳态转化效率;铁氧化物会沉积在催化器和氧传感器上
6、,使排放控制功能下降。 抗氧化和表面活性添加剂能改善排放,提高怠速排放的稳定性。,.,8,二、柴油对排放的影响,.,9,1) 十六烷值的影响 柴油十六烷值对滞燃期影响很大。十六烷值低,滞燃期长,NOX增加;十六烷值高,可推迟喷油,减少NOX排放。高十六烷值柴油易于自燃,可降低CO和HC排放。十六烷值对微粒影响比较复杂,低十六烷值会增加蓝白烟排放。高速柴油机4055,中低速柴油机可低于35,十六烷50后对滞燃期影响不大,65燃烧不完全。 2) 黏度、密度和馏程的影响 黏度增加,雾化性差,炭烟、CO排放增加。密度过高,过度供油,微粒排放增加。较重馏分使柴油雾化变差,微粒较多。目前柴油标准未规定密度
7、,粘度限定也较宽松。,.,10,3) 芳烃含量的影响 芳烃含量影响柴油的十六烷值。芳烃燃烧冒烟严重,柴油芳烃含量增加,微粒排放增加。HC和CO也随柴油芳烃含量增加,NOX排放受芳烃含量的影响较小,降低芳烃(燃烧温度下降),NOX减少。 4) 硫含量的影响 柴油的含硫量比汽油高,降低含硫量可减少微粒排放,降低催化剂硫中毒的几率。 5) 添加剂的影响 柴油中加入碱土金属或过渡金属的环烷酸盐或硬脂酸盐,可显著降低柴油机排气的烟度,这类添加剂被称为消烟剂。微粒则先随消烟剂的增加而降低,然后逐渐上升。,.,11,第二节 燃料的改善,一、汽油的改善 使用无铅汽油,降低硫含量。降低烯烃含量,以降低排气臭氧生
8、成活性,减少缸内沉积物。降低芳烃含量,控制汽油密度变动范围。对汽油挥发性作细致规定,保证发动机有良好的起动性,又不会引起气阻、过量蒸发等问题。允许使用含氧添加剂,但对氧含量进行控制。 二、柴油的改善 提高十六烷值,缩小柴油密度的变动范围,保证燃油量供给的稳定性。 降低柴油的含硫量,减少柴油芳烃含量,特别是多环芳烃的含量。,.,12,GB17930-1999,.,13,GB17930-2006 (国2),.,14,GB17930-2006(国3),.,15,GB17930-2011,.,16,2013年12月发布汽油国五标准 硫含量指标限值由第四阶段的50ppm降为10ppm; 锰含量指标限值由
9、第四阶段的8mg/L降低为2mg/L; 冬季蒸气压下限由第四阶段的42kpa提高到45kpa,夏季蒸气压上限由第四阶段的68kpa降低为65kpa,并规定广东、广西和海南全年执行夏季蒸气压; 第五阶段车用汽油牌号由90号、93号、97号分别调整为89号、92号、95号,同时在标准附录中增加98号车用汽油的指标要求; 烯烃含量由第四阶段的28%降低到24%; 首次规定了密度指标,其值为 20时 720-775kg/m3。,.,17,.,18,国2柴油标准GB/T 19147-2003,.,19,国3柴油标准 GB19147-2009,.,20,GB19147-2012 (国3柴油新标),.,21
10、,国4柴油标准 GB19147-2012,.,22,.,23,三、我国汽柴油质量与国外汽柴油质量对比,.,24,汽油质量存在的问题:烯烃含量高;芳烃含量高;硫含量高。 轻柴油质量存在的问题:硫含量高;十六烷值低;芳烃含量高。,.,25,第三节 代用燃料,一、天然气 1.资源概况 天然气是地表下岩储集层中自然存在、以轻质碳氢化合物为主体的混合物,在我国的储量丰富。预估我国天然气资源量56万亿m3,可采资源量22万亿m3 。截止到2006年底,我国探明天然气地质储量近5.5万亿m3 ,探明率仅10%。2006年我国天然气产量为584亿m3 ,预计到2010年将达到1000亿m3 。 2. 天然气特
11、点 1) 天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油,但理论混合气热值要比汽油低,甲烷含量越高,相差越大。纯甲烷的理论混合气热值比汽油低10%左右。,.,26,2) 抗爆震性能好。天然气的主要成分是甲烷,甲烷的辛烷值为130,具有高抗爆震性能。天然气专用发动机的合理压缩比为12,允许压缩比最高可达到15,具有采用提高压缩比来提高发动机动力性、经济性的潜力。 3) 混合气发火界限宽。天然气混合气具有很宽的发火界限,过量空气系数的变化范围为0.61.8,可采用稀薄燃烧技术来提高汽车的经济性和环保效益。 4) 天然气的着火温度高,火焰传播速度慢,因此需要更高的点火能量。 5) 天然气是清洁燃料。由于燃
12、烧温度低,NOX生成少,天然气为气态,混合均匀,燃烧较完全,微粒排放极低。 6) 天然气发动机的CO和HC排放少。,.,27,.,28,天然气与汽油主要理化性能,.,29,二、液化石油气 1.资源概况 我国陆上油田和海上油田只能生产少量液化石油气,液化石油气的生产几乎全部依靠炼油厂,主要成分是丙烷和丁烷。上世纪90年代以后,我国液化石油气消费量的年均增长幅度为14.9%。我国是世界第二大液化石油气消费大国。同时,我国液化石油气产量位居世界第三。我国炼油厂大都建于油田附近,74.25的液化石油气生产和供应都集中在东北、华北、华东地区,造成运输和销售的成本增加。近年来,受液化石油气居高不下的价格和
13、管道天然气、液化天然气及煤层气、沼气等替代燃料的影响,我国液化石油气市场遭受部分挤占。,.,30,2.LPG特点 1) LPG主要成分丙烷和丁烷的单位质量低热值高于汽油,理论混合气的热值要比汽油低6%左右,与天然气相当。 2) LPG的抗爆性能好于汽油,LPG的研究法辛烷值在100-110之间,可通过提高压缩比来改善发动机的动力性和经济性。 3) LPG的着火界限与汽油相当,比天然气的略宽,适合采用稀薄燃烧技术。 4) LPG的着火温度比汽油高,火焰传播速度慢,因此需要较高的点火能量和较大的点火提前角。 5) LPG最高燃烧温度比汽油低200,有利于减少NOX。,.,31,.,32,.,33,
14、三、 醇类燃料 1.资源概况 醇类燃料包括甲醇和乙醇。甲醇可从天然气、煤、石脑油、重质燃料、木材和垃圾等物质中提炼。乙醇的原料主要是从含糖、含淀粉的农作物中提取。 2.醇类特点 1) 辛烷值比汽油高,可采用高压缩比提高热效率。 2) 蒸发潜热大,发动机低温起动和低温运行性能差。 3) 常温下为液态,操作容易,储带方便。 4) 可燃界限宽,燃烧速度快,可以实现稀薄燃烧。 5) 与传统发动机技术有继承性,发动机结构变化不大。,.,34,.,35,6) 热值低,甲醇热值只有汽油的48%,乙醇只有64%。 7) 沸点低,蒸气压高,容易产生气阻。 8) 甲醇有毒,对人体有害。腐蚀性大,醇-汽油混合燃料对
15、橡胶、塑料的溶胀作用大。 9)醇的吸水性强,混醇燃料容易发生分层。 3. 醇类燃料的应用 醇类燃料在汽车上应用有三种:掺烧、纯燃料和改质。 掺烧主要是醇以不同比例掺入汽油中,甲醇、乙醇与汽油的混合燃料分别用M和E表示,其后的数字表示甲醇或乙醇的体积混合百分率。 纯燃料是指单纯燃烧甲醇或乙醇燃料。可根据燃料特点改造发动机,使得纯烧类型汽车的动力性和经济性较汽油机有较大的提高。,.,36,改质主要指甲醇改质,它利用发动机余热将甲醇改质为CO和H2,再输入缸内燃烧。 4.醇类燃料的排放特性 醇类燃料排放的HC、CO和NOX比汽油低,但乙醇燃料在大幅度提高压缩比后,NOX排放增加。 四、植物油 植物油
16、一般作柴油机的替代燃料,与柴油相比,植物油热值略低,但因密度大,体积热值较接近;植物油馏分比柴油重,黏度和表面张力比柴油大,雾化困难;自燃点高,十六烷值低,发火性差,着火延迟期长;残炭高,燃烧室易生成沉积物。容易生成胶状物,堵塞油路。,.,37,几种植物油的主要性质表,.,38,未经处理的植物油含有大量的脂肪酸, 它会在发动机喷油器中凝结变硬, 最终导致严重的发动机故障。而且植物油的粘度高、挥发性差, 因此对植物油的处理就显得更重要了。植物油经简单的酯化、稀释或乳化处理后, 即可得到生物柴油。这些处理方法改善了植物油的粘度和挥发性, 因此生物柴油发动机的性能和排放要比植物油好。在这些处理方法中
17、, 酯化是最有效最简单的方法(存在产物回收问题),目前正在研究多种处理方法。,.,39,五、氢气 1.概况 氢能是公认的清洁能源,来源广,资源极其丰富,最有希望在未来替代化石能源。氢能是一种二次能源,通过一定的方法利用其它能源制取。因此,实现廉价制氢是氢能利用的根本。我国是世界氢气大国,2006年我国氢气年产量达800多万吨,是仅次于美国的世界第二大氢气生产大国。目前,我国氢气生产和消费的主要领域是合成氨。 2.氢的特点 1)氢气点火能量小,是汽油最低点火能量的十分之一,使用时能可靠着火。,.,40,2)氢气火焰传播速度比汽油快5倍。 3)氢气的熄火间隙只有0.06,仅为汽油的三分之一,能使火
18、焰传播到接近气缸壁,产生更完全的燃烧; 4)氢气燃烧后只产生H2O和NOX,不产生HC、CO、CO2和碳烟排放。 5)氢气的可燃范围宽,稀燃极限低,即使在稀混合气,氢气也可完全燃烧。 2.氢的应用 氢作为汽车燃料有两种方法:一是通过氢的燃烧从化学能转化成机械能,一是通过氢的离子化转化为电能。前者通过内燃机实现,后者则是通过燃料电池实现。氢在内燃机上的应用主要有两种途径:一种是作单一燃料;另外一种是作添加燃料。,.,41,1) 单一燃料 氢燃料供给方式有缸外预混合和缸内直接喷射两类。缸外预混合可采用化油器、进气歧管喷射和进气口喷射等方法形成混合气。 化油器输送氢燃料的氢发动机,燃料供给方法简单,但氢气点火能量小,容易产生早燃和回火等不正常燃烧。可采用低温火花塞、降低冷却液温度、进气冷却和可变气门定时等技术可以降低其早燃风险,但效果不是很好。 进气歧管喷射或进气口喷射的氢发动机,可通过控制喷射定时、点火定时或进气道喷水来解决早燃和回火问题,抑制氢发动机的非正常燃烧;会影响氢发动机的充气效率,降低发动机功率,缸内直接喷射技术可弥补这一缺点。,.,42,氢发动机主要存在两个问题:NOX排放和功率恢复。对于NOX排放,采用进气喷水、废
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