汽车发动机原理课件：发动机新型燃料

目前在发动机上比较常用的清洁代用燃料包括压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、二甲醚(DME)、氢气等。一、天然气天然气是一种高效、清洁、廉价的工业和民用燃料及重要的化工原料。其主要成分为甲烷(CH4)，含量为85％~99％。天然气分为气田气和石油伴生气。我国有丰富的天然气资源，总资源储量为38万亿M3，探明储量为1.53万亿M3，仅为总资源储量的4.02％。天然气作为发动机燃料，具有低排放、低价格、储量丰富、无须加工等优点，应用时分为液化天然气(LNG)和压缩天然气(CNG)。与汽油燃料相比，有如下一些主要特点:(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。(2)抗暴性能高。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的研究辛烷值为130，具有高抗暴性能。燃用天然气的专用发动机应采用的合理压缩比为12，允许压缩比可达15。采用高压缩比可大幅度提高发动机的动力性和燃料经济性。如:采用高压缩比，天然气发动机的燃料效率相当于柴油机，有利于减小CO2的排放。装有电子控制燃料供给系统和三元催化转化器的轻型天然气汽车的尾气排放比最严格的加州超低排放车(ULEV)标准还低75％。(3)混合气发火界限宽。天然气与空气混合后的工作混合气体有很宽的发火界限，其过量空气系数的变化范围为0.6~1.8，可在大范围内改变混合比，提供不同成分的混合气。通过采用稀薄燃烧技术可进一步提高发动机的经济性和改善排放。(4)天然气的着火温度比汽油要高，火焰传播速度慢，因此需要较高的点火能量。天然气比汽油和柴油更“清洁”。由于天然气的燃烧温度低，NOx的生成量少，与空气同为气相，混合均匀，燃烧较完全，CO和微粒物质的排放很低。采用柴油—天然气双燃料工作的发动机，尾气的烟度值很低，为采用纯柴油的1/10左右，几乎显无烟状态运行。未燃烧的甲烷等成分性质稳定，在大气中不会形成有害的光化学烟雾，但对大气温室效应的影响比CO2严重，应在发动机缸外烧掉或选用新的催化剂进行机外处理。二、液化石油气(LPG)液化石油气简称LPG，其主要成分是丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、丙烯(C3H6)、丁烯(C4H8)等化合物的异构体。它在常温、常压下是一种无毒、无色、无味的气体，其来源有两种途径:一是在原油炼制过程中分离、生产出来的副产品，二是从天然气的气体精制过程中分离、生产出来。我国生产出来的LPG，其主要含量为丙烷和丁烷，车用LPG中，丙烷的含量(体积)占95％以上。与柴油相比，LPG的质量热值比柴油高10％左右，但液态密度比柴油要低，故采用LPG与柴油的液态混合燃料向柴油机缸内直喷燃烧时，柴油机的功率将变化很小。LPG的沸点比柴油低得多，常压下为气体，但汽化潜热比柴油大，在柴油机上采用LPG与柴油液态混合燃料进行缸内直喷燃烧时，一方面可以使缸内混合气形成更加迅速和彻底，减少炭烟的形成，另一方面，通过汽化吸收大量的热量，使缸内燃烧的温度下降，控制NOx的生成。同时，为了保证LPG在供油系统中不发生汽化，形成气阻，必须加大LPG供给的压力。LPG氢碳比(H/C)大，极易汽化，易燃烧，这决定了LPG是一种清洁燃料。各种实验研究表明，与汽油相比，在各种温度下，LPG的NOx和HC＋CO的排放都有大幅度的减少，总之，与汽油相比，LPG的特点可以概括如下:(1)LPG的临界温度较高，在常温下为气态。以气态进入发动机，燃料与空气同相，混合均匀，燃烧较完全，可以显著降低CO和HC的排量，同时使微粒排放物得到彻底改善。另外，LPG的火焰温度明显偏低，可使NOx的排放明显减少。因此，汽车采用液化石油气作燃料，可以极大地降低汽车对大气的污染。(2)LPG的着火温度比汽油高，火焰传播速度比汽油低，所以燃用LPG时，应保证供应足够的点火能量，并适当加大点火提前角，以求可靠点火，提高发动机的动力性和经济性。(3)LPG的着火极限范围比汽油宽，空燃比容易调整，能保持稳定良好的燃烧，从而能保证发动机运转性能比较稳定。(4)LPG的辛烷值较高，有较好的抗暴性，不需要添加剂或加铅抗暴剂，可适当提高发动机的压缩比，从而提高发动机的动力性、热效率和燃料经济性。(5)LPG的燃点比汽油高，着火界限比汽油宽，不易产生火灾，比汽油安全。三、醇类燃料醇类燃料主要指甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)。醇分子结构中含有氧，易于燃烧，理化特性与汽油接近，但其热值比汽油低得多，其化学当量比所需的空气比汽油燃烧所需的空气少得多，醇类燃料的汽化潜热高，汽化时所需的热量也比汽油多。醇类燃料的饱和蒸气压比汽油低。低的蒸气压力和高的汽化潜热使其蒸发更困难，因而对混合气形成系统提出了更高的要求。醇类燃料的辛烷值高，允许发动机的压缩比高，这对点燃式发动机的燃烧特别有利。甲醇是一种轻质、无色、略有臭味、低污染的燃料，与水能无限互溶，但甲醇本身有毒。凡是能得到CO和H2的原料都能合成甲醇，其原料丰富、工艺成熟，但设备投资大。目前主要是用天然气和煤生产甲醇。甲醇只有一个C原子，无C—C键，含有50％的氧，热值低。与汽油、柴油相比，甲醇的着火温度高、辛烷值较高，抗爆性较好，且十六烷值很低，适用于点燃式发动机。甲醇燃烧时不易看到火焰，具有较宽的着火界限，闪点较高。从能源多元化和能源安全的角度出发，发展甲醇有重大的战略意义。另外，使用汽油—甲醇比使用汽油—天然气更为方便。乙醇的来源很广泛，多由单糖类(如甘蔗、甜菜等)或淀粉类(薯类、各种谷物)植物制成，或由化学原料(如乙烯)合成，或由木质纤维素(如木屑、树枝、秸秆等)发酵生产。乙醇同样是含氧燃料，具有高的辛烷值，热值比甲醇高，汽化潜热则较低，乙醇比甲醇更易和汽油及柴油相溶和乳化。醇类燃料的热值低，所需的循环供应量要大大增加，高的汽化潜热可提高充气效率，降低缸内温度，因而压缩比可以提高，燃烧速度加快可使热效率提高，醇类燃料的C/H值比汽油和柴油的小，完全燃烧时产生的CO2较少，H2O较多。对于相同的燃烧热值，燃烧产物的比热相对较高，这有利于热效率的提高。此外，醇类燃料的着火界限较宽，燃烧速度快，在稀混合气中的火焰传播速度仍能保持较高，这使燃烧的定容部分增加，也有利于热效率的提高。循环压力的波动比汽油机小。发动机燃用醇类燃料后，排气中的NOx、HC、CO、CO2及颗粒的排放量均会变化，总体来说是有改善。未燃烧的醇类燃料和醛类有所增加。因醇类燃料的汽化潜热大，混合气受到激冷时，燃烧可能不完全，会导致未燃烧的醇类燃料的排放增加。在高负荷、高温时，废气中未燃烧的醇较少。醛类排放物包括甲醛、乙醛、丙醛和丙烯醛等，是使用醇类燃料内燃机的主要排放物。四、氢气氢气是一种无色无味的气体，其分子式为H2，在常温、常压下为气态，沸点为-253℃。氢气作为发动机的燃料主要有以下一些特点:(1)氢是唯一不含碳的燃料，燃烧后生成H20，不产生CO、HC及硫化物。由于没有CO2的生成，可以减少全球温室气体的排放。在氢与空气的混合气体中，氧原子浓度大且氢燃烧时循环温度较高，燃烧产物中虽无CO和HC，但NO的浓度较高。(２)氢气的质量燃料热值高，为120MJ/Kg，是汽油的2.7倍，但理论空燃比为汽油的2.5倍，折算到理论体积混合气体发热量要小于汽油，为3200KJ/M3(汽油为3700KJ/M3)，所要求的燃烧系统与汽油机有较大差别。(３)氢气极易点燃，所需的最小点火能量只有汽油的1/3，火焰传播特性很好，易实现稀薄燃烧，但自着火温度(大气压下)为850K，高于柴油(625K)和汽油(770K)。(4)氢气的沸点为-253℃，常温、常压下为气体，携带性和安全性差。氢气在大气中的扩散系数为汽油的8倍(0.63cM2/s)，能很快形成可燃混合气体，由火花塞点燃后，其燃烧速度和燃烧温度都很高。基于氢气燃料的以上一些特点，在发动机上使用氢气作燃料时具有明显的优点。由于氢气所需点火能量小，易实现稀薄燃烧，故可在更宽广的工况内得到较好的燃油经济性能。燃烧的主要产物是H20和NOx，不产生CO和HC及硫化物，只需采取降低NOx排放的措施，是很好的洁净能源。氢气在作为发动机的燃料在使用过程中也存在一些问题。氢气的沸点为-253℃，储运性能差是其最大缺点。氢气应用的另外一个难点是制取困难。理论上可以从水、煤、天然气等原料中制氢，但到目前为止，制取氢的成本及消耗的能量还很高，不能大量满足作为发动机的燃料需求。由此只有解决氢的储存及生产成本问题，才能使氢燃料走向实用。五、生物质燃料生物质燃料主要是指由植物中获取的燃料。植物油的主要化学成分是甘油三酸酯及少量游离脂肪和非油脂物质，其性质主要取决于所含脂肪酸的种类、性质和数量。若非饱和脂肪酸多，在常温下呈液态，容易被氧化，若饱和脂肪酸多，在常温下则呈固态。因为含氧，植物油的化学当量比石油燃料低。常见的植物油有:菜籽油、棉籽油、大豆油、花生油、棕榈油、向日葵油、米糠油、桐油、茶油等。植物油的高黏度、低挥发性能、低十六烷值、高不饱和酸含量使植物油在长期使用过程中存在以下缺陷:(１)流动性差、闪点较低、着火性能不好，容易形成爆震。(２)植物油低温起动性能差，雾化效果不好，容易堵塞喷油口、过滤器。(３)植物油中的不饱和脂肪酸在高温燃烧时容易聚合从而使润滑油变厚、凝结。(４)长期使用会使活塞、发动机头部积炭。(５)植物油长期储存时易氧化。为了提高植物油的燃烧特性，需要对植物油进行酯化或酯交换反应，得到脂肪酸单酯，即生物柴油。该产物燃烧性能接近轻柴油，开口闪点高，以植物油作为原料，具有可再生性能，燃烧后排放性能大大优于轻柴油，对大气、土壤和水源不会造成任何毒害和污染。生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯，具有以下的燃烧排放特性:(1)方法简单，不仅可以单独使用，也可与石油柴油以任何比例掺混使用。生物柴油不仅可作为燃料，也可作为润滑剂或柴油添加剂来使用。(2)可生物降解，3周内可降解98％，而石油柴油只能降解70％。(3)分子量、黏度、密度与轻柴油基本接近，十六烷值含量接近甚至超过轻柴油，着火性能比植物油大为改善，可与轻柴油相媲美。(4)残炭和灰分已降至很低，分别在10-5和10-6级。(5)与石油柴油相比，生物柴油燃烧后可减少78％的CO2的排放，可减少90％的颗粒排放物、碳氢化合物，含有11％的氧，燃烧更充分，噪声更小，排放的气体无异味，基本不含硫，可减少99％的硫化物、70％的铅等有毒物质的排放，从而可以大大改善环境质量。(6)热值比石油柴油低约7％，氮氧化物排放物会微量增加，低温起动性能略低于石油柴油，只能使用到－8℃。六、二甲醚(DME)二甲醚是最简单的醚类化合物，分子式为CH3-O-CH3，只有C-H和C-O键，没有C-C键，又是含氧燃料(含氧量为34.8％)，容易燃烧完全，在燃烧时不会像柴油那样产生炭烟，即有利于减少燃烧生成的烟度和微粒，微粒排放物几乎为零。二甲醚无毒，常温、常压下是无色气体，比空气重，加压至0.5MPA时，由气体变为无色透明的液体。其蒸气压力特性与LPG相近，可采用与LPG相同的方式运输和储存。使用二甲醚时，还可使用更大的废气再循环(EGR)，降低NOx的排放。其物性参数及燃烧、排放性能特点如下:(1)二甲醚的十六烷值为55

~60，一般柴油只有40

~55，比柴油高，远高于其他代用燃料。二甲醚的着火温度为235℃，低于柴油的250℃，着火性能优于柴油。在柴油机上燃用二甲醚不需采用助燃措施。(2)二甲醚不发生光化学反应，对人体无毒，当体积分数超过10％时，才会产生轻微的麻醉作用，因此对环境和人体无害。(3)二甲醚是一种可再生燃料，不仅可以从石油及天然气中提取合成，而且可从煤、植物、生活垃圾中提取合成。(4)二甲