第2章-燃料工質及熱化學

汽車發(fā)動機原理第二章燃料、

工質及熱化學濰柴動力

燃料理化特性決定了內燃機混合氣形成和著火方式，是造成內燃機不同工作方式的決定因素燃料熱值（混合氣熱值），既是內燃機原理的基礎之一，也是影響動力性和經(jīng)濟性“量”環(huán)節(jié)的主要因素之一(熱化學）工質熱力參數(shù)對循環(huán)熱效率有巨大的影響，是決定內燃機動力性、經(jīng)濟性“質”環(huán)節(jié)的重要因素燃油組分對燃燒和排放有重要影響，是發(fā)動機滿足嚴格排放法規(guī)的關鍵環(huán)節(jié)之一講課內容第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力1.燃料及其理化特性2.汽油機與柴油機工作模式的差異3.工質及其熱力特性4.燃燒熱化學講課內容第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力石油中主要成分是碳，約占83%~87%；其次是氫，約占11%~14%，二者合計占96%~99%。內燃機的燃料及其熱化學其他為微量的金屬和非金屬元素。各元素均以碳氫或非碳氫化合物形式存在。我國的石油概況(2006年的數(shù)據(jù))我國石油的總儲量達780億噸，實際可開采的儲量約為390億噸，名列世界前茅。塔里木盆地的塔克拉瑪干大沙漠中發(fā)現(xiàn)的石油高達300億噸。若干國家石油儲量預測/（億噸）世界及主要國家石油年產量（1996）/（億噸）世界石油儲量概況沙特阿拉伯：排在此份名單之首。委內瑞拉，2965億桶，居世界首位，但多是需要附加煉制的重油，其占有世界石油儲量的19.1%，足夠該國使用234年。伊朗：1370億桶，占世界石油儲量的9.95%，還夠該國使用88年。伊拉克：1150億桶，占世界石油儲量的8.3%，還夠用128年。科威特：1020億桶，占世界石油儲量的7.3%，預計還可用111年。阿拉伯聯(lián)合酋長國：980億桶，占世界石油儲量的7.1%，還夠用94年。俄羅斯：770億桶，占世界石油儲量的5.6%，還可用用21年。利比亞：460億桶，占世界石油儲量的3.4%，夠用77年；哈薩克斯坦：400億桶，占世界石油儲量的2.9%，夠用62年；尼日利亞：370億桶，占世界石油儲量的2.7%，夠用42年；加拿大：320億桶，占世界石油儲量的2.3%，夠用26年；美國：310億桶，占世界石油儲量的2.2%，夠用11年；卡塔爾：260億桶，占世界石油儲量的1.9%，夠用45年；中國：150億桶，占世界石油儲量的1.1%，夠用10年；巴西：140億桶，占世界石油儲量的1%，夠用18年。2010年全球儲量為1.8萬億桶。按現(xiàn)有速度還夠用46年。分類方法燃料種類燃料按來源分礦物質代用燃料壓縮天然氣（CNG），液化天然氣（LNG），液化石油氣（LPG）煤制甲醇，煤制二甲醚（DME），煤制柴油（CTL），天然氣制柴油（GTL）等生物質代用燃料各種植物油，如菜籽油、豆油、棉籽油、棕櫚油、椰子油和葵花油等植物油或動物油脂加工成的酯類化合物（生物柴油）生物燃料制柴油（BTL）植物或農作物制取乙醇等按代用或著火方式分汽油（點燃）代用燃料CNG、LPG、甲醇、乙醇、氫氣等柴油（壓燃）代用燃料生物柴油，DME，CTL，GTL，BTL等按形態(tài)分氣體代用燃料氫氣，CNG，LNG，LPG，DME，煤氣，沼氣等液體代用燃料甲醇，乙醇，生物柴油，BTL，CTL，GTL等固體代用燃料煤粉（與燃料油或乳化劑混合）按化學成份分烴類代用燃料CNG，LNG，LPG，BTL，CTL，GTL等含氧代用燃料醇類代用燃料甲醇，乙醇等醚類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），二異丙基醚（DIPE），二正戊基醚（DNPE）等酯類代用燃料生物柴油（甲酯），合成酯氫氣代用燃料氫氣發(fā)動機替代燃料的分類替代燃料——除石油汽油、柴油以外的烴類/醇類/醚類/酯類/氫氣等燃料石油系燃料餾程的大致分布(單位℃)按原油蒸溜煉制過程中的溜出溫度分為：汽油(40~180C)煤油(160~250C)、輕柴油(180~350C)、重柴油(280~380C)、重油(＞350C)、渣油(＞400C)蒸餾:利用不同分子量和不同結構的烴具有不同沸點的性質，一次加熱后，將一定沸點范圍的烴分別收集，得到各種燃料。分常壓蒸餾和減壓蒸餾。碳氫(hydrocarbon)燃料的分類常溫下

C1~C4正構烷呈氣體；

C5~C15正構烷呈液體，是汽油、煤油的主要成分

C16~正構烷呈固體，是石蠟的主要成分。

相同碳原子數(shù)的情況下

正構烷烴碳鏈長，結構不穩(wěn)定，易氧化成過氧化物及醇或醛氧化物，發(fā)火性好，適于壓燃。異構烷烴結構緊密，不易氧化，發(fā)火性差，不易發(fā)生爆燃，適于點燃烷烴甲烷乙烷異辛烷C-C單健AlkanesorParaffins-singlebondsbetweencarbons-CnH2n+2飽和烴，氧化安定性好；異構體結構緊湊,不易斷鏈,不易自燃，理想汽油成分碳氫(hydrocarbon)燃料的分類環(huán)烷烴NapthenesC-C單健CnH2n環(huán)烷烴屬飽和烴，性質比較穩(wěn)定，不易斷鏈，不易氧化變質，較為理想的汽油組分。在石油中，環(huán)烷烴是主體。物理、化學性質與烷烴相近。一般情況下性質較穩(wěn)定，不易氧化，隨著分子量增大或多環(huán)環(huán)烷烴環(huán)數(shù)增多，沸點升高，密度增大。汽油中，環(huán)烷烴抗爆性比正構烷好，僅次于異構烷和芳烴。柴油中，環(huán)烷烴的發(fā)火性差。潤滑油中，少環(huán)長側鏈的環(huán)烷烴是理想部分，粘性好、凝點低

烯烴乙烯丙烯丁二烯C＝C雙健碳氫(hydrocarbon)燃料的分類石油中一般不含烯烴，在石油加工中，大分子的烷烴和環(huán)烷烴發(fā)生分解，產生烯烴。烯烴安定性差，在一定情況下易氧化生成高分子粘稠物，特別易進行加成反應、氧化反應和聚合反應。烯烴是對排放有不利影響，其有機揮發(fā)物是生成臭氧和毒性物質的重要來源。汽油中，烯烴可提高辛烷值但會是汽油在存儲時氧化生膠。柴油中，烯烴可使柴油油較好的低溫流動性，但其自然溫度高，發(fā)火性差，化學安定性差。AlkenesorOlefins-oneormoredoublebondsbetweencarbons-CnH2n炔烴乙炔C≡C三健多鍵非飽和烴結合牢固，不易斷鏈，不易自燃，但不飽和烴安定性差，長期存放容易氧化變質。碳氫(hydrocarbon)燃料的分類AlkynesorAcetylenes-oneormoretriplebondsbetweencarbons-CnH2n-2碳氫(hydrocarbon)燃料的分類芳烴benzene苯toluene甲苯naphthalene萘環(huán)狀結構緊湊,不易斷鏈,不易自燃。Aromatics-oneormoreringstructures－CnH2n-6/12在汽油中，芳烴抗爆性好，辛烷值高。其燃燒溫度高，燃燒產物中NOx和未燃芳烴的排放濃度隨芳烴含量增大而增大。在柴油中，芳烴自燃溫度高，十六烷值低，燃燒性不好，會導致碳煙微粒排放濃度增加，是不良組分。

Alcohols-containoneormoreOHgroups醇甲醇乙醇燃料含氧促進燃燒含氧(oxygenated)燃料的分類Ethers–containanoxygenatomconnectedtotwoalkylorarylgroups(R–O–R)醚甲醇二甲醚醇：是脂肪烴、脂環(huán)烴或芳香烴側鏈中的氫原子被羥基取代而成的化合物。羥基：又稱氫氧基。是由一個氧原子和一個氫原子相連組成的中性原子團兩個氫原子均被烴基取代的化合物稱為醚甲基：甲烷分子中去掉一個氫原子后剩下的電中性的一價基團Esters-chemicalcompoundsderivedbyreactinganoxoacidwithahydroxylcompoundsuchasanalcohol酯含氧(oxygenated)燃料的分類（植物油/脂肪酸）（甲醇）（植物油甲酯/生物柴油）（甘油）由羧酸與醇(酚)反應失水而生成的化合物烴燃料分子結構、成分與理化特性1)烴燃料結構對理化特性的影響

鏈與環(huán)—環(huán)化學穩(wěn)定性好，不易自燃

直鏈與支鏈(或正烷與異烷)—支鏈(異烷)的化學穩(wěn)定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和異辛烷C8H18的辛烷值分別為0和100)

單鍵和多鍵—多鍵非飽和烴不易斷鏈，不易自燃，但安定性差，貯存中易氧化結膠(如烯烴)烴燃料分子結構、成分與理化特性燃料自燃性比較：環(huán)烷烴<正烷烴烯烴<正烷烴芳香烴<烷烴/烯烴甲基奈－壓不著燃料抗爆性比較：環(huán)烷烴>正烷烴烯烴>正烷烴異烷烴>正烷烴芳香烴>烷烴/烯烴烴燃料成分、分子結構與理化特性2)烴燃料成分對理化特性的影響

C原子數(shù):

C越多，化學穩(wěn)定性差，著火溫度低，易自燃；但物理穩(wěn)定性也好，不易氣化。

H/C比:H比C的熱值高，約3.7:1。

柴油H/C<汽油H/C→柴油Hu(42500kJ/kg)<汽油Hu(44000kJ/kg)；單位質量H燃燒所需要O約是C的3倍，因而理論混合氣熱值：

汽油Hum柴油Hum(3750kJ/m3)；

汽油機在

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

CNG、LPG的H含量高(0.25和0.182)，所以其CO、黑煙、微粒、CO2低于汽、柴油→H/C越大，燃料越清潔。發(fā)動機燃料的主要技術指標1)自燃性：可燃混合氣在一定溫度、壓力條件下自行著火燃燒的能力自燃性對柴油尤其重要，自燃性差，則起動性差，工作粗暴十六烷值是評價柴油自燃性好壞的指標將自燃性好的十六烷與自燃性差的-甲基奈按一定比例混合，構成不同體積百分比的標準柴油，其中十六烷含量的百分數(shù)叫做十六烷值。燃油十六烷值的測量CFRenginewasdevelopedbytheAmericanCooperativeFuelResearchCommittee.燃料研究聯(lián)合協(xié)會WaukeshaEngine:F5-CetaneMethodDieselFuelRatingUnit發(fā)動機燃料的主要技術指標2)抗爆性：燃料不發(fā)生爆燃(Knocking)的能力抗爆性對汽油來說非常重要，希望自燃性差，抗爆性好辛烷值是評價汽油抗爆性好壞的指標將抗暴性差的正庚烷C7H16與抗暴性好的異辛烷C8H18按一定比例混合，構成不同體積百分比的標準汽油，其中異辛烷含量的百分數(shù)叫做辛烷值。辛烷值馬達法和研究法的測量RON>MON燃料敏感性Sa＝RON－MON抗爆指數(shù)Ai=(RON+MON)/2MON與RON，誰的試驗條件更苛刻？CN＝60.96-0.56×MONCN＝68.54-0.59×RON

專用的帶有爆震傳感器的可變壓縮比單缸發(fā)動機：缸徑/沖程＝85/115發(fā)動機燃料的主要技術指標3月～8月：65kPa9月～2月：88kPa3)蒸發(fā)性(1)飽和蒸氣壓：在規(guī)定條件下燃油和燃油蒸氣達到平衡狀態(tài)時，燃油蒸氣的壓力(Reid飽和蒸氣壓RVP)

10個碳原子以上烴類的飽和蒸氣壓接近于0→柴油的蒸氣壓接近0蒸氣壓高，說明燃油中輕質組分多，發(fā)動機冷起動性能好，混合氣形成速度快，利于燃燒蒸氣壓過高，在儲存和運輸過程中易產生蒸發(fā)損失，著火的危險性大；也容易在燃油供給系統(tǒng)中形成“氣阻Choking”冰激凌與汽車啟動的故事發(fā)動機燃料的主要技術指標3)蒸發(fā)性(2)餾程：燃油在規(guī)定條件下蒸餾出某一百分比的溫度(范圍)初餾點—燃料中含有的最輕餾分的沸點，但不能判斷輕餾分的含量10％餾程(T10)—燃料中含有輕餾分的大概數(shù)量，反映汽油機的冷起動性50％餾程(T50)—燃料的平均蒸發(fā)性能，反映汽油機的工作穩(wěn)定性90％餾程(T90)—燃料中的重質餾分含量，反映汽油機燃燒完全性干點（終餾點）—燃料中含有的最重餾分的沸點每噸石油能產出的油品比例基本是一定的(中國柴:汽=2:1)，這一比例也決定了兩者誰也不可能淘汰對方。不同餾程碳氫成分及理化特性發(fā)動機燃料的主要技術指標4)低溫流動性指在低溫條件下，燃料在發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)中能否順利地進行泵送和通過燃料過濾器，從而保證發(fā)動機正常供油。

“濁點”是油品在規(guī)定的冷卻過程中，開始析出石蠟結晶的最高溫度?！袄錇V點”是在200mm水柱抽力下，1min內20mL油樣不能完全通過一個350目金屬濾網(wǎng)過濾器時的最高溫度?！皟A點”是燃料在規(guī)定的冷卻過程中，能夠流動的最低溫度?！澳c”是燃料在規(guī)定的冷卻過程中，石蠟結晶析出、長大，互相連接成三維網(wǎng)狀結構，把油包在其中，使油失去流動性的最高溫度。我國采用凝點作為柴油的標號：10、5、0、-10、-20、-35、-50燃油組分與排放硫(Sulfur)：硫天然存在于原油中。硫可明顯地降低催化轉化器中催化劑的功效，同時在高溫條件下對氧傳感器造成不良影響。高硫燃油會使車載診斷系統(tǒng)(OBD)失靈，使催化轉化器監(jiān)控裝置發(fā)送錯誤的診斷碼，并向司機發(fā)出錯誤的故障信號。烯烴(Olefins)：烯烴是汽油提高辛烷值的理想成分。但是由于烯烴有熱不穩(wěn)定性，導致它易形成膠質，并沉積在進氣系統(tǒng)中，影響燃燒效果，增加排放。活潑烯烴蒸發(fā)排放到大氣中會產生光化學反應，進而引起光化學污染。芳烴(Aromatics)：芳烴通常是汽油的高辛烷值組分，具有高能量密度。但是，芳烴會導致發(fā)動機產生沉積物，增加尾氣排放，包括CO2。苯(Benzene)：苯是原油中的天然組分，也是催化重整的產物。盡管是高辛烷值組分，但是苯是一種致癌物質。來自網(wǎng)上的一個小故事改革開放初期，我國某大部委買了一輛世界知名品牌的高級轎車（我估計是大奔），交給專業(yè)司機開了沒一年，就有油耗上升，運行狀態(tài)下降等不良現(xiàn)象先后出現(xiàn)。部委領導忿忿然叫來該公司駐北京辦事處的德國人，責問其產品質量。老德來了以后，先自己開著車在院子里轉了兩圈，又問了問司機平時如何駕駛、如何保養(yǎng)和加減擋時機等等，并打開車的機器蓋子大概看了看。然后老德對領導說：星期天早上6點，請你們司機把車加滿油，在京順路起點等我，我親自給你們修車。星期天早上司機早早來到約定地點，心里還直納悶，這老德怎么在這兒修車？6點整老德來了，也開一大奔，他下車對專業(yè)司機說：你跟著我，別落下。說完轉身上車狂奔，車速很快達到了200km/h，一直開到密云水庫的大壩上才停?。ㄐ谐碳s200km）。德國老頭兒下了車笑瞇瞇地對中國司機說：車已經(jīng)修好了。司機原地慢慢開著試了試，確實好多了。老德解釋說：你原來開這個車的習慣是你們中國習慣，開我們公司的車要按我們的習慣和說明書上的規(guī)定，你長期低轉速加擋，使得燃燒不充分，粘乎乎的油把噴油嘴等部位都糊住了。今天咱們開這么快，轉速會在4500～5000以上，油的流量也會很大，把原來的粘乎乎的東西都沖刷走了。所以車又好開了。世界燃油規(guī)范汽油質量要求世界燃油規(guī)范柴油質量要求1.燃料及其理化特性2.汽油機與柴油機工作模式的差異3.工質及其熱力特性4.燃燒熱化學講課內容第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力汽油機與柴油機工作模式的差異homogeneousmixturestratifiedmixture思考：柴油能采用點燃方式嗎？汽油能采用壓燃方式嗎？1)混合氣形成方式不同汽油—易氣化，缸外低壓噴射蒸發(fā)，與空氣形成預制均質混合氣柴油—難氣化，缸內高壓噴霧成細小液滴，與空氣形成非均質混合氣2)著火及燃燒方式不同汽油—難自燃，易點燃(SI)，用高壓電火花點燃預混燃燒，火焰?zhèn)鞑?。可在a=1的條件下完全燃燒柴油—難點燃，易壓燃(CI)擴散燃燒，即邊噴-邊混-邊燃，為了完全燃燒，必須a>1.0（1.2）3)負荷調節(jié)方式不同汽油機—預混合，a基本保持不變，量調節(jié)柴油機—分層混合，a變化范圍大（0~∞），質調節(jié)MixtureHomogeneous均質混合氣SparkIgnition火花點火MixtureStratified分層混合氣CompressionIgnition壓縮著火SI常規(guī)汽油機HCCIGDICI柴油機內燃機混合氣形成和燃燒模式組合GasolineDirectInjection汽油缸內直噴HomogeneousChargeCompressionIgnition均質充量壓燃1.燃料及其理化特性2.汽油機與柴油機工作模式的差異3.工質及其熱力特性4.燃燒熱化學講課內容第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力工質的主要熱力參數(shù)比熱容與比熱容比(等熵指數(shù))

cp,cv

隨溫度T上升而增加

k

隨溫度T上升而下降由分子物理學可知：分配到分子每一個自由度的熱量是相同的,則分子自由度(原子數(shù))↑，cp和cV↑，k↓k越大，cp和cV越小，相同加熱量下，工質溫升越高，循環(huán)熱效率高1.燃料及其理化特性2.汽油機與柴油機工作模式的差異3.工質及其熱力特性4.燃燒熱化學講課內容第一部分：動力輸出與能量利用第1章性能指標與影響因素第2章燃料、工質與熱化學第3章工作循環(huán)與能量利用第4章?lián)Q氣過程與進氣充量第5章運行特性與整車匹配第二部分：燃燒與排放第6章燃燒的基礎知識第7章柴油機混合氣形成與燃燒第8章汽油機混合氣形成與燃燒第9章有害排放物的生成與控制第10章新燃燒方式與替代燃料動力燃燒熱化學要解決的問題：燃燒需要多少空氣；發(fā)出多少熱量；燃燒前后工質的變化設1kg燃料中有gC公斤C、gH公斤H、gO公斤OH燃燒需要氧氣是C的3倍C燃燒后體積不變H燃燒后體積增大燃燒熱化學也稱之為“質量化學計量比”（massstoichiometricratio）1)燃料完全燃燒所需空氣量，設：(1)1kg燃料完全燃燒需要O2為：而O2在空氣中的質量百分比為23.2%，即需空氣量為（實際中是測量空氣流量）：燃燒熱化學2)分子變化系數(shù)(2)1kg燃料完全燃燒需要O2摩爾(mol)為：而O2在空氣中的摩爾百分比為21.0%，即需空氣量為：也稱之為“摩爾化學計量比”（molestoichiometricratio）汽油機＝1.07~1.12>柴油機＝1.03~1.06，因為：

汽油H含量大，燃后體積增大多一些柴油機大，有些空氣不參加反應，其前后體積不變燃燒熱化學廢氣再循環(huán)率：式中，m’r—每缸廢氣再循環(huán)質量一般無廢氣再循環(huán)（ExhaustGasRecircula