第3章_燃料工质及热化学修改

1、Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University汽车发动机原理汽车发动机原理第第3章章 发动机燃料与燃烧发动机燃料与燃烧Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University 决定了内燃机混合气形成和着火方式，是造成内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机不同工作方式的决定因素 （混合气热值），既是内燃机原理的基础之一，也是（混合气热值），既是内燃机原理的基础之一，也是

2、影响动力性和经济性影响动力性和经济性“量量”环节的主要因素之一环节的主要因素之一( (热化学）热化学） 对燃烧和排放有重要影响，是发动机满足严格排放法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规的关键环节之一讲课内容讲课内容1.1.燃料及其理化特性燃料及其理化特性2.2.汽油机与柴油机工作模式的差异汽油机与柴油机工作模式的差异3 3. .燃烧热化学燃烧热化学Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University 石油，关系到国家的安全，经济的发展，被称为“现代社会的血液”的神奇液体

3、是从哪里来的呢？ 石油和天然气主要来自地质时期埋藏的生物，石油作为多种烃类（碳与氢的化合物）的混合物，它主要来源于微生物。微生物死亡以后沉淀于较深的海底或湖底，这里的还原环境使它保存下来并与沉积物一起被深埋。 当埋深还不够大时，只有几十度的地温使厌氧的甲烷菌群落还能生存，它们以沉积物中的有机质为“食”，代谢的产物是甲烷，从而形成生物气藏。随着沉积物的成岩过程，埋深加大、温度更高，用石油地质学家的话来说，有机质越来越成熟了。在自然催化物的作用下，这期间以经过化学反应生成液态烃为主，即生成石油。 Department of Automotive EngineeringTsinghua Univer

4、sityTsinghua University 炼制过程典型的工艺流程有直接蒸馏法和裂解法。前者是将原油在专用的炼油塔(分馏塔)中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的25一40；后者是将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成分。其中，通过加温加压的方法进行裂解的称为热裂解法，使用催化剂(触媒)进行裂解的称为催化裂解法。2. 石油的炼制方法与燃料石油的炼制方法与燃料(补充）补充）热裂解法工艺简单，但由于所得到的燃油稳定性较差，一般还需要进行催化裂解等炼制过程，以保证质量一般商品燃料都是多种烃类的混合物，且是各种炼制工艺所得油料的调

5、和产物。为了提高汽油燃料的辛烷值，现在大量采用催化重整工艺，即将低辛烷值的汽油在铂、铼等催化剂的接触催化下进行重整，使其辛烷值水平得到进一步提高Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University不同的炼制工艺得到的油料，其理化性质也是不同的。下表给出了不同炼制工艺对油料性质的影响。总体上，直馏法的汽油辛烷值低、柴油十六烷值高；催化裂解法可以得到品质较高的汽油和柴油Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua Univ

6、ersity车用燃料的要求 1.燃料资源丰富，价格适宜而且供应充足 2.燃料的理化特性能适应发动机及车辆行驶综合性能的要求 3.燃料能满足有害排放物及安全等法规要求，对人体健康影响小 4.燃料能量密度高，每次加注后行驶里程长，储运、使用以及加注安全、方便。 5.燃料的供给及燃烧装置不过于昂贵，对发动机的寿命及可靠性无不良影响Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机替代燃料的分类发动机替代燃料的分类替代燃料替代燃料除石油汽油、柴油以外的烃类除石油汽油、柴油以外的烃类/醇类醇类/醚类醚

7、类/酯类酯类/氢气等燃料氢气等燃料Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University包括-石油燃料；气体燃料；代用燃料。 目前以石油（通常是液体）燃料为主。（一）石油燃料（一）石油燃料内燃机所使用的液体燃料基本上来源于天然石油。在天然石油中，绝大部分元素是以碳氢化合物的形式存在的，称之为烃，分子式为CnHm。碳、氢两种元素所组成的体积之和占总量的97%98%，还有一些少量元素，如氧、氮、硫等。1、石油中烃的分类、石油中烃的分类从化学结构上看，石油基本上是由脂肪族烃、环烷族烃和芳香族烃脂肪族烃、环烷

8、族烃和芳香族烃等各种烃类组成的混合物。脂肪族烃包括烷烃和烯烃。 烷烃： 是一种饱和链状分子结构（碳链上碳原子的键位由氢原子完全充满，碳与碳之间仅有单键存在）。 其中直链式排列的正构烷热稳定性低，在高温下易分裂，滞燃期短，适合作柴油机的燃料。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的主要技术指标发动机燃料的主要技术指标1) ：可燃混合气在一定温度、压力条件下自行着火燃烧的能力：可燃混合气在一定温度、压力条件下自行着火燃烧的能力n 自燃性对柴油尤其重要，自燃性差，则起动性差，工作粗

9、暴自燃性对柴油尤其重要，自燃性差，则起动性差，工作粗暴n 十六烷值是评价柴油自燃性好坏的指标十六烷值是评价柴油自燃性好坏的指标正十六烷正十六烷Cetane C16H34HCCHHHH. . . . . . .HCCHHHHCetane NumberCN = 100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3Cetane NumberCN = 0 甲基萘甲基萘 Methylnaphthalene C11H10 Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃油十六烷值的测量燃油十六烷值的测量CFR

10、engine was developed by the American Cooperative Fuel Research Committee.燃料研究联合协会燃料研究联合协会Waukesha Engine: F5 - Cetane Method Diesel Fuel Rating UnitDepartment of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的主要技术指标发动机燃料的主要技术指标2) ：燃料不发生爆燃：燃料不发生爆燃(Knocking)的能力的能力n 抗爆性对汽油来说非常重要，希望自燃

11、性差，抗爆性好抗爆性对汽油来说非常重要，希望自燃性差，抗爆性好n 辛烷值是评价汽油抗爆性好坏的指标辛烷值是评价汽油抗爆性好坏的指标CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH异辛烷异辛烷Iso-OctaneC8H18 Octane Number 100ON100正庚烷正庚烷n-HeptaneC7H16 Octane Number 0ON0CCCCCHHHHHHHHH3CH3CH3CHDepartment of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University辛烷值马达法和研究法的测量辛烷值马达法和研究法的测量RON MO

12、N燃料敏感性燃料敏感性Sa RONMON抗爆指数抗爆指数Ai=(RON+MON)/2MON与与RON，谁的试验条件更苛刻？，谁的试验条件更苛刻？CN60.96-0.56MONCN68.54-0.59RON 调整压缩比调整压缩比蜗杆轴蜗杆轴专用的带有爆震传感器的专用的带有爆震传感器的可变压缩比单缸发动机：可变压缩比单缸发动机：缸径缸径/冲程冲程85/115Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的主要技术指标发动机燃料的主要技术指标3) (1) ：在规定条件下燃：在规定条件下燃油

13、和燃油蒸气达到平衡状态时，燃油和燃油蒸气达到平衡状态时，燃油蒸气的压力油蒸气的压力(Reid饱和蒸气压饱和蒸气压 RVP)n 蒸气压高，说明燃油中轻质蒸气压高，说明燃油中轻质组分多，发动机冷起动性能好，组分多，发动机冷起动性能好，混合气形成速度快，有利于燃混合气形成速度快，有利于燃烧烧 n 蒸气压过高，在储存和运输蒸气压过高，在储存和运输过程中易产生蒸发损失，着火过程中易产生蒸发损失，着火的危险性大；也容易在燃油供的危险性大；也容易在燃油供给系统中形成给系统中形成“气阻气阻Choking”10个碳原子以上烃类的饱和蒸气压个碳原子以上烃类的饱和蒸气压接近于接近于0柴油的蒸气压接近柴油的蒸气压接近

14、0夏季蒸气压夏季蒸气压(3(3月月8 8月月) )： 74 kPa 74 kPa冬季蒸气压冬季蒸气压(9(9月月2 2月月) )： 88 kPa88 kPaDepartment of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的主要技术指标发动机燃料的主要技术指标3) (2) ：燃油在规定条件下蒸馏出某一百分比的温度：燃油在规定条件下蒸馏出某一百分比的温度(范围范围)n 初馏点初馏点 燃料中含有的最轻馏分的沸点，但不燃料中含有的最轻馏分的沸点，但不能判断轻馏分的含量能判断轻馏分的含量n 10馏程馏程(T10

15、) 燃料中含有轻馏分的大概数量，燃料中含有轻馏分的大概数量，反映汽油机的冷起动性反映汽油机的冷起动性n 50馏程馏程(T50) 燃料的平均蒸发性能，反映汽燃料的平均蒸发性能，反映汽油机的工作稳定性油机的工作稳定性n 90馏程馏程(T90) 燃料中的重质馏分含量，反映燃料中的重质馏分含量，反映汽油机燃烧完全性汽油机燃烧完全性n 干点（终馏点）干点（终馏点） 燃料中含有的最重馏分的沸点燃料中含有的最重馏分的沸点驾驶性指数驾驶性指数 蒸发驾驶性指数蒸发驾驶性指数 Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua Unive

16、rsity每吨石油能产出的油品比例基本是一定的每吨石油能产出的油品比例基本是一定的(中国柴中国柴:汽汽=2:1),这一比例也决定了两者谁也不可能淘汰对方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不同馏程碳氢成分及理化特性Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University发动机燃料的主要技术指标发动机燃料的主要技术指标4) 液体燃料的低温流动性是指在低温条件下，燃料在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发动机燃料供给系统中能否

17、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。燃料过滤器，从而保证发动机正常供油。n “浊点浊点”是油品在规定的冷却过程中，开始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。析出石蜡结晶的最高温度。n “冷滤点冷滤点”是在是在200mm水柱抽力下，水柱抽力下，1min内内20mL油样不能完全通过一个油样不能完全通过一个350目金属滤网过目金属滤网过滤器时的最高温度。滤器时的最高温度。n “倾点倾点”是燃料在规定的冷却过程中，能够是燃料在规定的冷却过程中，能够流动的最低温度。流动的最低温度。n “凝点凝点”是燃料在规定的冷却过程中，石蜡是燃料在规定的冷却过程中，石蜡结晶析出、长

18、大，互相连接成三维网状结构，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。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：我国采用凝点作为柴油的标号：10、5、0、-10、-20、-35、-50倾倾 点点Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University化学安定性 化学安定性也称抗氧化安定性，指燃料在常温液相条件下抗氧化的变质的能力。 一般用燃料含有实际胶质、燃料诱导期和碘值表示。 燃料在长期储存中，胶质增加，酸度增大，有时还会析出沉淀物。 化

19、学安定性良好的燃料才适合长期储存。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University其他性能 热值 毒性Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃油组分与排放燃油组分与排放 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条件下对氧传感器造成不良影

20、响。高硫燃油会使车载诊断系统(OBD)失灵，使催失灵，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。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。气中会产生光化学反应，进而引起光化学污染。 芳烃通常是汽油的高辛烷值组分，具有高能量密度。但是

21、，芳烃会导致发动机产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，包括生沉积物，增加尾气排放，包括CO2。 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。一种致癌物质。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University 燃料的特性对内燃机的功率输出、燃油消耗以及可靠性均有较大的影响；同时，不同内燃机对燃料的要求也是不同的。下面分别介绍柴油及汽油

22、的物理及化学性质。 对柴油机来说，与其性能有关的燃料特性是自燃温度、馏程、粘度、含硫量等，其中，以自燃温度和低温流动性(凝点)影响最大。 (二二) 柴油的理化性质柴油的理化性质1）自燃温度和自燃性）自燃温度和自燃性定义：柴油在无外源点火的情况下，能够使柴油自行着火的最低温度称为自燃温度。 柴油能够自行着火的性质，称之为柴油的自燃性，柴油的自燃性用十六烷值衡量。十六烷值的评定方法：（用两种自燃性能截然不同的标准燃料进行比较）正十六烷C16H34，自燃性很好，十六烷值定义为100；-甲基萘C11H10，自燃性很差，十六烷值定义为0。Department of Automotive Engineer

23、ingTsinghua UniversityTsinghua University 温度降低时，柴油中所含的高分子烷族烃(如石蜡) 和燃料中夹杂的水分开始析出并结晶，使原来呈半透明状的柴油变得浑浊，达到这一状态的温度值就是柴油的浑浊点。当温度再降低时，柴油即完全凝固，此时的温度称为凝点。 我国的国标中对轻柴油的标号，即是按照柴油的凝点来规定的。如国产0号柴油固点为0，适合夏季使用。-20号柴油凝固点为-20，适合冬季或寒冷地区使用。选用轻柴油要根据不同的使用地区和季节条件。 2) 低温流动性低温流动性(浊点与凝点浊点与凝点) Department of Automotive Engineeri

24、ngTsinghua UniversityTsinghua University(三三)汽油的理化性质汽油的理化性质 汽油是100多种烃的混合物，碳的质量分数为8587%,氢的质量分数为1315%。汽油最重要的理化性能是抗爆性，用辛烷值表示；其次是挥发性，它对发动机的冷启动、瞬态工况和燃油蒸发排发都有很大影响。 表示液体燃料汽化的倾向，与燃料的馏分组成、蒸气压、表面张力以及汽化潜热等有关。由于汽油是烃类的混合物，没有一定的沸点，在进行蒸馏时，随温度的上升，按照馏分的由轻到重，逐次沸腾。汽油馏出的温度范围称为馏程。汽油蒸发般以蒸发馏程中馏出一定比例的燃料时所对应的温度来表示。10馏出温度越低，则

25、汽油机在低温下越容易起动，但过低的馏出温度，在高温下容易发生气阻；50馏出温度表示汽油的平均挥发性，是保证汽车加速性和平稳性的重要指标；90馏出温度和终馏温度过高，易产生积碳并稀释曲轴箱润滑油。一般初馏点为4080，终馏点为180210。 1)挥发性挥发性 Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University 是用标准仪器在一定条件下(38)测定的。蒸气压高，挥发性强、汽油机容易起动，但产生气阻倾向和挥发损失也大。一般规定蒸气压在夏季不低于74kPa；、冬季不大于88kPa。 总而言之，汽油的挥发性

26、应当满足发动机冷起动和暖车过程在内的所有工况的要求，但挥发性过高，会增加因蒸发而形成的有害HC排放物。 Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University 燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性。它是汽油燃料一项十分重要的指标，而且随燃料化学成分的不同差别很大。 烷烃抗爆性最差，烯烃次之，环烷烃较好，芳香烃最好。在同一种烃内，轻馏分优于重馏分，异构物优于正构物。 汽油的抗爆性是以辛烷值来表示的，我国车用汽油的代号就是以辛烷值命名的。 从炼制工艺来看，直馏汽油的辛烷值最低，热裂解汽油的辛烷

27、值较低，而催化裂解、重整汽油的辛烷值较高。 2)抗爆性抗爆性Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University提高辛烷值的措施提高辛烷值的措施Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University （四）代用燃料（四）代用燃料石油化石燃料以外的燃料，称为代用燃料。因为自然界的石油资源是有限的，寻求发动机的代用燃料，是当前内燃机研究中的热门课题。 代用燃料的种类很多，这里主要介绍醇类燃料和植物油燃料，其他代

28、用燃料还有人造汽、柴油、二甲醚、氢燃料、煤浆燃料等。 1、醇类燃料醇类燃料主要是指甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH，是一类含氧燃料，燃烧后排气有害成分很少。醇类燃料的来源：甲醇可以从天然气、煤、生物质等原料中提取；乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。醇类燃料是液体燃料，可以沿用传统的石油燃料的运输、贮存系统，基础设施建设投入少，发动机动力性与经济性可以接近或超过原有汽油机或柴油机，因而是一种很有发展前景的代用燃料。自70年代以来，不少国家已开展对醇类燃料的研究。我国山西利用煤制甲醇作汽车燃料已应用多年；利用玉米发酵制成乙醇，再调制成乙醇汽油的工作正在国内进行。Department

29、of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University醇类燃料与汽柴油的比较醇类燃料与汽柴油的比较热值低，因含氧，混合气热值并不低；消耗量大，热耗率也不低。汽化潜热高，使进气温度降低，可以增加进气量，提高功率。高辛烷值，对提高压缩比有利；十六烷值低，不宜在柴油机中用。沸点低，产生气阻的倾向大，要采用相应的措施。另外甲醇有毒，对金属有一定的腐蚀，使用中应采取相应措施。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University 2、植物油

30、燃料 植物油分为可食用与非食用的两大类：大多数植物油的主要化学成分是甘油三酸酯，即由一个分子的甘油（丙三醇）和三个分子的脂肪酸以酯键连接组成的复合物。其特性为： 植物油的热值均比柴油低。加热时易产生分解，除少量轻成分挥发外，大部分变成胶状物，很难获得蒸馏特性。 植物油的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以雾化特性差，燃烧不充分，积碳严重。 植物油的十六烷值也较低，但经过酯化处理后，其着火性能可以得到改善。但目前植物油主要在柴油机上试用。 常见的含油量较高的植物有：大豆、油菜、花生、向日葵等，从燃烧角度看，各种植物油的特性基本相同。 植物油是一种可再生能源，对于石油资源贫乏、农业发达国家与地区，有积

31、极的潜在意义。从长远角度来看，在我国发展非食用植物油作为燃料不足的补充，具有战略意义。 Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University中国内燃机学会中国内燃机学会“油品与清洁燃料油品与清洁燃料”分会分会Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University or - single bonds between carbons - CnH2n+2 or - one or more double bonds

32、 between carbons - CnH2n or - one or more triple bonds between carbons - CnH2n-2HHHHCmethaneHHHHCethaneHHCHHHHCpropene orpropyleneHCHCHHCethene orethyleneHHCHHC1, 3 butadieneHCHCHHCHCethyne oracetyleneHC烷烃烷烃 烯烃烯烃 炔烃炔烃 甲烷甲烷乙烷乙烷异辛烷异辛烷乙烯乙烯丙烯丙烯丁二烯丁二烯乙炔乙炔HHHC2, 2, 4 trimethylpentane(iso-octane)CCCHHCHCCH

33、HCHHHHHHH HHHC-C单健单健CC双健双健CC三健三健多键非饱和烃结合牢固，不易断链，不易自燃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，氧化安定饱和烃，氧化安定性好；异构体结构性好；异构体结构紧凑紧凑, , 不易断链不易断链, ,不不易自燃，理想汽油易自燃，理想汽油成分成分烃燃料的成分与结构烃燃料的成分与结构Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University碳氢碳氢(hydrocarbon)燃料的分类燃

34、料的分类环烷烃环烷烃 NapthenesC-C单健单健CnH2n环烷烃属饱和烃，性质比较环烷烃属饱和烃，性质比较稳定，不易断链，不易氧化稳定，不易断链，不易氧化变质，较为理想的汽油组分变质，较为理想的汽油组分芳烃芳烃 benzene苯苯toluene甲苯甲苯naphthalene萘萘环状结构紧凑环状结构紧凑, , 不易断链不易断链, , 不不易自燃易自燃CCCCCCHHHHHHCCCCCCCHHHHHHHHCCCCCCCCCCHHHHHHHH - one or more ring structures CnH2n-6/12Department of Automotive Engineering

35、Tsinghua UniversityTsinghua University - contain one or more OH groupsOHHHHCmethanolOHHHHCethanolHHC醇醇 甲醇甲醇乙醇乙醇燃料含氧促进燃烧燃料含氧促进燃烧含氧含氧(oxygenated)燃料的分类燃料的分类 contain an oxygen atom connected to two alkyl or aryl groups (ROR)醚醚 甲醇甲醇二甲醚二甲醚Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua Uni

36、versity - chemical compounds derived by reacting an oxoacid with a hydroxyl compound such as an alcohol酯酯含氧含氧(oxygenated)燃料的分类燃料的分类 （植物油（植物油/脂肪酸脂肪酸 ） （甲醇）（甲醇） （植物油甲酯（植物油甲酯/生物柴油）生物柴油） （甘油）（甘油） 自学含氧燃料的理化特性自学含氧燃料的理化特性 Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University烃燃料成分、分子结构与

37、理化特性烃燃料成分、分子结构与理化特性1) 结构相同但成分不同的烃结构相同但成分不同的烃n l 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：高碳烃的结构庞大冗长，易于裂解；相对分子质量较大，不易气化；气化：高碳烃的结构庞大冗长，易于裂解；相对分子质量较大，不易气化；自燃着火温度较低，而蒸馏温度（沸点）较高自燃着火温度较低，而蒸馏温度（沸点）较高n l 燃料热值燃料热值由由H/C比决定比决定, 由于由于H比比C的热值高的热值高 (约约3.7:1)，柴油，柴油H/C 汽油汽油H/C 柴油柴油Hu (42500k

38、J/kg) 柴油柴油Huml H/C大，则排放特性好：大，则排放特性好： CCO、CO2 有害；有害；HH2O 无害无害CNG、LPG的的H含量高含量高(0.25和和0.182)，所以其，所以其CO、黑烟、微粒、黑烟、微粒、CO2低于低于汽、柴油汽、柴油 H/C越大，燃料越清洁越大，燃料越清洁Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University烃燃料分子结构、成分与理化特性烃燃料分子结构、成分与理化特性2)成分相同但结构不同的烃成分相同但结构不同的烃n非异构体非异构体（直链直链）与）与异构体异构体（

39、支链支链）(或正烷与异烷或正烷与异烷)支链支链(异烷异烷)的化学稳定性的化学稳定性好，抗爆好好，抗爆好(如正庚烷如正庚烷C7H16和异辛烷和异辛烷C8H18的辛烷值分别为的辛烷值分别为0和和100)n链状排列链状排列与与环状排列环状排列 环状排列化学稳定性好，不易自燃环状排列化学稳定性好，不易自燃n单键和多键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，贮存中易氧化结胶结胶(如烯烃如烯烃)燃料抗爆性比较：燃料抗爆性比较：1) 环烷烃环烷烃 正烷烃正烷烃2) 烯烃烯烃 正烷烃正烷烃3) 异烷烃异烷烃 正烷烃正烷烃4) 芳香烃芳香烃

40、烷烃烷烃/烯烃烯烃Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University烃燃料分子结构、成分与理化特性烃燃料分子结构、成分与理化特性燃料自燃性比较：燃料自燃性比较：1) 环烷烃环烷烃 正烷烃正烷烃2) 烯烃烯烃 正烷烃正烷烃3) 芳香烃芳香烃 烷烃烷烃/烯烃烯烃4) 1-甲基奈甲基奈 压不着压不着2)成分相同但结构不同的烃成分相同但结构不同的烃n 链与环链与环 环化学稳定性好，不易自燃环化学稳定性好，不易自燃n 直链与支链直链与支链(或正烷与异烷或正烷与异烷)支链支链(异烷异烷)的化学稳定性好，抗爆好

41、的化学稳定性好，抗爆好(如正庚烷如正庚烷C7H16和异辛烷和异辛烷C8H18的辛烷值分别为的辛烷值分别为0和和100)n 单键和多键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，贮存中易氧化结胶结胶(如烯烃如烯烃)Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University汽油燃料及其相应的技术指标汽油燃料及其相应的技术指标 饱和蒸汽压（雷达蒸汽压）：饱和蒸汽压（雷达蒸汽压）： （夏季：国外：（夏季：国外：5868kPa；国内：；国内：74.冬

42、季国内冬季国内88） 胶质胶质 含氧量：含氧量：2.74（严格控制，防止燃油系统氧化腐蚀；目前（严格控制，防止燃油系统氧化腐蚀；目前MTBE含含量应予控制。乙醇汽油会造成醛类排放增加，高级汽油不含醇）量应予控制。乙醇汽油会造成醛类排放增加，高级汽油不含醇） 含硫量：含硫量：30 ppm(国内：国内：0.10或或0.08（m/m）)； 含铅量（国外：一般排放控制含铅量（国外：一般排放控制13mg/L、高级场合：、高级场合：0；国内；国内5mg/L，中石化称，中石化称2.5mg/L。无铅汽油将会带来气门磨损加快，。无铅汽油将会带来气门磨损加快，采用添加剂解决。）采用添加剂解决。） 含磷量含磷量(一

43、般排放控制一般排放控制1.3mg/L、高级场合：、高级场合：0) 苯含量（致癌物质）：苯含量（致癌物质）： 2.5Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University注：注：MTBE：甲基叔丁基醚，：甲基叔丁基醚，90年代初在欧洲生产年代初在欧洲生产并广泛使用的抗爆添加剂。优点是不仅可以减少并广泛使用的抗爆添加剂。优点是不仅可以减少CO排放，而且可以减少燃油中烯烃、芳香烃、排放，而且可以减少燃油中烯烃、芳香烃、苯以及硫含量。同时，苯以及硫含量。同时，MTBE还因其低沸点而具还因其低沸点而具有显著改善

44、有显著改善T50和和T90镏点。但是，镏点。但是，MTBE特易溶特易溶于水，生物降解性极差，而且易于经储存罐渗漏于水，生物降解性极差，而且易于经储存罐渗漏并污染地下水源。美国加州并污染地下水源。美国加州2002年年12月月31日禁日禁用用MTBE。其它国家也在考虑限制。目前倾向于。其它国家也在考虑限制。目前倾向于采用乙醇替代。存在的另一个问题是成本、资源、采用乙醇替代。存在的另一个问题是成本、资源、供应等。供应等。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University硫含量对发动机排放的影响硫含量对发

45、动机排放的影响 降低硫含量可以减少降低硫含量可以减少1020微粒排放；微粒排放； 低硫燃油可以提高柴油机氧化催化转化器的转化效率；低硫燃油可以提高柴油机氧化催化转化器的转化效率； 柴油机废气后处理的催化转化器要求低硫燃油；柴油机废气后处理的催化转化器要求低硫燃油； 直喷式汽油机的废气处理系统还原直喷式汽油机的废气处理系统还原NOx也要求燃油超低含硫量。也要求燃油超低含硫量。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University尾气处理对汽油质量要求尾气处理对汽油质量要求无催化转化器：降低雷达蒸汽压（无

46、催化转化器：降低雷达蒸汽压（RVP） 降低芳香烃含量降低芳香烃含量 增加含氧量增加含氧量 降低苯含量降低苯含量 降低烯烃含量降低烯烃含量 带催化转化器：降低雷达蒸汽压带催化转化器：降低雷达蒸汽压 增加芳香烃含量增加芳香烃含量 减少硫含量减少硫含量 减少铅含量减少铅含量 降低苯含量降低苯含量 不使用含氧燃料不使用含氧燃料 Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University美国对低排放汽油质量和性质的要求美国对低排放汽油质量和性质的要求 1959年加州用最高含溴量低于年加州用最高含溴量低于30来要求汽

47、油中的烯烃来要求汽油中的烯烃(Olefins)含含量。减少光化学烟雾、对人的刺激以及臭氧。量。减少光化学烟雾、对人的刺激以及臭氧。1971年加州南海岸年加州南海岸地区适用。同年开始限制蒸汽压为地区适用。同年开始限制蒸汽压为62.0 kPa。 1974年联邦标准研究法辛烷值为年联邦标准研究法辛烷值为91。含铅量。含铅量0.013g/L,含磷量含磷量0.0013g/L。适用于废气后处理。适用于废气后处理。1996年不含铅。同时开始限制年不含铅。同时开始限制含硫量。含硫量。 1992年开始使用含氧汽油年开始使用含氧汽油(Oxygenates)。 1995年开始要求使用燃油清洁型添加剂去除喷嘴和气门口

48、积碳。年开始要求使用燃油清洁型添加剂去除喷嘴和气门口积碳。 1996年限制苯含量。控制碳氢成分。年限制苯含量。控制碳氢成分。Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University点燃式发动机车辆试验的基准燃料技术要求：等同于采用点燃式发动机车辆试验的基准燃料技术要求：等同于采用CEC（欧洲润滑油和发动机燃料试验性能研究协（欧洲润滑油和发动机燃料试验性能研究协调理事会）基准燃料：调理事会）基准燃料：CEC RF-08-A-85标准。类型：优质无铅汽油，标准。类型：优质无铅汽油，2001年年Departm

49、ent of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University柴油燃料及其相应的技术指标柴油燃料及其相应的技术指标1、柴油组成（、柴油组成（C86、H13、O1），比重：），比重：0.8286 正烷烃、烯烃、芳香烃（正烷烃、烯烃、芳香烃（25%） 芳香烃增加会增加燃烧温度，使芳香烃增加会增加燃烧温度，使NOx生成量增加。生成量增加。 多环芳香烃增加会增加微粒产生。多环芳香烃增加会增加微粒产生。 十六烷值：十六烷值：45552、硫含量：、硫含量： 0.2%（新国标）；目前（新国标）；目前1.0（合格）、（合格）、0.5、（一

50、级）、（一级）0.2（优等）。北京试行：（优等）。北京试行：1.0（1.2）汽油机汽油机预混合，预混合， a基本保持不变，基本保持不变，量调节量调节柴油机柴油机分层混合，分层混合， a变化范围大（变化范围大（0），），质调节质调节汽油机与柴油机工作模式的差异汽油机与柴油机工作模式的差异homogeneous mixturestratified mixture思考：柴油能采用点燃方式吗？汽油能采用压燃方式吗？思考：柴油能采用点燃方式吗？汽油能采用压燃方式吗？Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua Univer

51、sityMixtureHomogeneous 均质混合气均质混合气 SparkIgnition 火花点火火花点火 MixtureStratified 分层混合气分层混合气 CompressionIgnition 压缩着火压缩着火 SI 常规汽油机常规汽油机 HCCI CI 柴油机柴油机 内燃机混合气形成和燃烧模式组合内燃机混合气形成和燃烧模式组合asolineirect njection 汽油缸内直喷汽油缸内直喷 omogeneous harge ompression gnition 均质充量压燃均质充量压燃 Department of Automotive EngineeringTsingh

52、ua UniversityTsinghua University1.1.燃料及其理化特性燃料及其理化特性2.2.汽油机与柴油机工作模式的差异汽油机与柴油机工作模式的差异3 3. .燃烧热化学燃烧热化学讲课内容讲课内容Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃烧热化学燃烧热化学要解决的问题：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燃烧需要多少空气；发出多少热量；燃烧前后工质的变化 设设1kg燃料中有燃料中有gC公斤公斤C、gH公斤公斤H、gO公斤公斤OH燃烧需要氧气

53、燃烧需要氧气是是C的三倍的三倍C燃烧后体积不变燃烧后体积不变H燃烧后体积增大燃烧后体积增大Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃烧热化学燃烧热化学设：设：(1) 1 kg燃料完全燃烧需要燃料完全燃烧需要O2为：为：而而O2在空气中的质量百分比为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，即需空气量为（实际中是测量空气流量）流量） ：也称之为也称之为 “”（mass stoichiometric ratio）kg )838(OHCgggkg )838(0.2321

54、OHC0ggglkg 1OHCgggDepartment of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University燃烧热化学燃烧热化学 (2) 1 kg燃料完全燃烧需要燃料完全燃烧需要O2摩尔摩尔(mol)为：为：而而O2在空气中的摩尔百分比为在空气中的摩尔百分比为21.0%，即需空气量为：，即需空气量为：也称之为也称之为 “”（mole stoichiometric ratio）kmol )32412(OHCgggkmol )32412(0.211OHC0gggL燃前气体摩尔数燃后气体摩尔数燃前气体分子数燃后气体分子数汽油

55、机汽油机 1.071.12 柴油机柴油机 1.031.06，因为：，因为：l 汽油汽油H含量大，燃后体积增大多一些含量大，燃后体积增大多一些l 柴油机柴油机 a大，有些空气不参加反应，其前后体积不变大，有些空气不参加反应，其前后体积不变Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University残余废气系数残余废气系数 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，式中，mr每循环每缸残余废气质量每循环每缸残余废气质量 m1每循环每缸新鲜充

56、量质量每循环每缸新鲜充量质量 一般无一般无废气再循环（废气再循环（Exhaust Gas Recirculation,简称简称EGR）的机型的机型 r值范围值范围如下：如下： 汽油机：汽油机：0.060.16，柴油机：，柴油机：0.030.06 增压柴油机：增压柴油机：0.000.03 汽油机汽油机 r偏高是因为偏高是因为小，压缩容积大，小，压缩容积大， 低负荷时进气节流强使新鲜充量下降低负荷时进气节流强使新鲜充量下降 增压柴油机增压柴油机 r小是因为扫气效果强小是因为扫气效果强燃烧热化学燃烧热化学1rr/mm废气再循环率：废气再循环率：式中，式中，mr每缸废气再循环质量每缸废气再循环质量)/

57、(r1rEmmmDepartment of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University定义：单位质量或单位体积定义：单位质量或单位体积发出的热量发出的热量(kJ/kg或或kJ/m3)Hu(低热值低热值)表示燃料的能量密度；表示燃料的能量密度；(Hum)V代表混合气的能量密度，越高则相同工代表混合气的能量密度，越高则相同工作容积发出的功率越高作容积发出的功率越高(即即pme高高)燃烧热化学燃烧热化学(kJ/kg) 10auumlHH)(kJ/m )1/24.45()(3r0auvumMLHH注意：单位体积可燃混合气热值

58、注意：单位体积可燃混合气热值(kJ/m3)，更具有可比性！，更具有可比性！Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua Universityn 汽、柴油等液体烃，随汽、柴油等液体烃，随H/C下降，下降，C量增大，量增大，Hu也下降；但也下降；但H燃烧时所需的空气量燃烧时所需的空气量比碳燃烧时多，因此比碳燃烧时多，因此Hum基本相同基本相同n 气体烃气体烃 H/C高，高，Hu高，但本身是气体高，但本身是气体(密度小密度小)，加上，加上H燃烧要求空气多，燃烧要求空气多，Hum小小n 含氧燃料含氧燃料(甲、乙醇甲、乙醇

59、)本身含本身含O， Hu低，但需空气也少低，但需空气也少(l0小小)，Hum与汽、柴油相近与汽、柴油相近n 纯纯H2的的Hu最高，但气体占体积最高，但气体占体积(密度小密度小)，且需空气多，且需空气多，Hum反而小反而小各种燃料的混合气热值比较各种燃料的混合气热值比较结论结论：l 各种燃料各种燃料Hu差别较大，但不等于差别较大，但不等于Hum也有相同差别也有相同差别l 液体燃料液体燃料Hum大体相同，气体燃料大体相同，气体燃料Hum偏低偏低Department of Automotive EngineeringTsinghua UniversityTsinghua University3.4

60、燃烧的基础知识3.4.1 燃烧现象及其分类燃烧现象及其分类燃烧现象燃烧现象 人类文明的起源、热能机械的基础人类文明的起源、热能机械的基础 燃烧过程包括：着火、燃烧燃烧过程包括：着火、燃烧燃烧燃烧, ,是指燃料与氧化剂进行剧烈放热的氧化是指燃料与氧化剂进行剧烈放热的氧化反应过程。反应过程。着火着火, ,是指可燃混合气在一定压力、温度和是指可燃混合气在一定压力、温度和浓度条件下，其氧化反应突然加速，以至出浓度条件下，其氧化反应突然加速，以至出现火焰的现象。现火焰的现象。着火阶段也称着火阶段也称滞燃期滞燃期* *着火前也有氧化反应，如煤堆、压燃。着火前也有氧化反应，如煤堆、压燃。*ICE属周期性非稳