第2章_燃料工质与热化学.

汽车发动机原理第二章燃料、工质及热化学潍柴动力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石油中主要成分是碳，约占83%~87%；其次是氢，约占11%~14%，二者合计占96%~99%。内燃机的燃料及其热化学其他为微量的金属和非金属元素。各元素均以碳氢或非碳氢化合物形式存在。我国的石油概况(2006年的数据)我国石油的总储量达780亿吨，实际可开采的储量约为390亿吨，名列世界前茅。塔里木盆地的塔克拉玛干大沙漠中发现的石油高达300亿吨。世界中国沙特俄罗斯阿联酋伊拉克科威特伊朗1360390352280272136128126若干国家石油储量预测/（亿吨）世界沙特俄罗斯美国伊朗中国挪威墨西哥委内瑞拉英国344.53.53.41.81.571.241.21.151.1世界及主要国家石油年产量（1996）/（亿吨）世界石油储量概况1.沙特阿拉伯：排在此份名单之首。2.委内瑞拉，2965亿桶，居世界首位，但多是需要附加炼制的重油，其占有世界石油储量的19.1%，足够该国使用234年。3.伊朗：1370亿桶，占世界石油储量的9.95%，还够该国使用88年。4.伊拉克：1150亿桶，占世界石油储量的8.3%，还够用128年。5.科威特：1020亿桶，占世界石油储量的7.3%，预计还可用111年。6.阿拉伯联合酋长国：980亿桶，占世界石油储量的7.1%，还够用94年。7.俄罗斯：770亿桶，占世界石油储量的5.6%，还可用用21年。8.利比亚：460亿桶，占世界石油储量的3.4%，够用77年；9.哈萨克斯坦：400亿桶，占世界石油储量的2.9%，够用62年；10.尼日利亚：370亿桶，占世界石油储量的2.7%，够用42年；11.加拿大：320亿桶，占世界石油储量的2.3%，够用26年；12.美国：310亿桶，占世界石油储量的2.2%，够用11年；13.卡塔尔：260亿桶，占世界石油储量的1.9%，够用45年；14.中国：150亿桶，占世界石油储量的1.1%，够用10年；15.巴西：140亿桶，占世界石油储量的1%，够用18年。2010年全球储量为1.8万亿桶。按现有速度还够用46年。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/氢气等燃料石油系燃料馏程的大致分布(单位℃)按原油蒸溜炼制过程中的溜出温度分为：汽油(40~180C)煤油(160~250C)、轻柴油(180~350C)、重柴油(280~380C)、重油(＞350C)、渣油(＞400C)蒸馏:利用不同分子量和不同结构的烃具有不同沸点的性质，一次加热后，将一定沸点范围的烃分别收集，得到各种燃料。分常压蒸馏和减压蒸馏。碳氢(hydrocarbon)燃料的分类常温下C1~C4正构烷呈气体；C5~C15正构烷呈液体，是汽油、煤油的主要成分C16~正构烷呈固体，是石蜡的主要成分。相同碳原子数的情况下正构烷烃碳链长，结构不稳定，易氧化成过氧化物及醇或醛氧化物，发火性好，适于压燃。异构烷烃结构紧密，不易氧化，发火性差，不易发生爆燃，适于点燃HHHHCmethaneHHHHCethaneHHC烷烃甲烷乙烷异辛烷HHHC2,2,4trimethylpentane(iso-octane)CCCHHCHCCHHCHHHHHHHHHHC-C单健AlkanesorParaffins-singlebondsbetweencarbons-CnH2n+2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。在石油中，环烷烃是主体。物理、化学性质与烷烃相近。一般情况下性质较稳定，不易氧化，随着分子量增大或多环环烷烃环数增多，沸点升高，密度增大。汽油中，环烷烃抗爆性比正构烷好，仅次于异构烷和芳烃。柴油中，环烷烃的发火性差。润滑油中，少环长侧链的环烷烃是理想部分，粘性好、凝点低HHHHCpropeneorpropyleneHCHCHHCetheneorethyleneHHCHHC1,3butadieneHCHCHHC烯烃乙烯丙烯丁二烯C＝C双健碳氢(hydrocarbon)燃料的分类石油中一般不含烯烃，在石油加工中，大分子的烷烃和环烷烃发生分解，产生烯烃。烯烃安定性差，在一定情况下易氧化生成高分子粘稠物，特别易进行加成反应、氧化反应和聚合反应。烯烃是对排放有不利影响，其有机挥发物是生成臭氧和毒性物质的重要来源。汽油中，烯烃可提高辛烷值但会是汽油在存储时氧化生胶。柴油中，烯烃可使柴油油较好的低温流动性，但其自然温度高，发火性差，化学安定性差。AlkenesorOlefins-oneormoredoublebondsbetweencarbons-CnH2nHCethyneoracetyleneHC炔烃乙炔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。碳氢(hydrocarbon)燃料的分类AlkynesorAcetylenes-oneormoretriplebondsbetweencarbons-CnH2n-2碳氢(hydrocarbon)燃料的分类芳烃benzene苯toluene甲苯naphthalene萘环状结构紧凑,不易断链,不易自燃。CCCCCCHHHHHHCCCCCCCHHHHHHHHCCCCCCCCCCHHHHHHHHAromatics-oneormoreringstructures－CnH2n-6/12在汽油中，芳烃抗爆性好，辛烷值高。其燃烧温度高，燃烧产物中NOx和未燃芳烃的排放浓度随芳烃含量增大而增大。在柴油中，芳烃自燃温度高，十六烷值低，燃烧性不好，会导致碳烟微粒排放浓度增加，是不良组分。Alcohols-containoneormoreOHgroupsOHHHHCmethanolOHHHHCethanolHHC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)醚甲醇二甲醚醇：是脂肪烃、脂环烃或芳香烃侧链中的氢原子被羟基取代而成的化合物。羟基：又称氢氧基。是由一个氧原子和一个氢原子相连组成的中性原子团两个氢原子均被烃基取代的化合物称为醚甲基：甲烷分子中去掉一个氢原子后剩下的电中性的一价基团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）由羧酸与醇(酚)反应失水而生成的化合物烃燃料分子结构、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)烃燃料分子结构、成分与理化特性燃料自燃性比较：环烷烃正烷烃烯烃正烷烃芳香烃烷烃/烯烃甲基奈－压不着燃料抗爆性比较：环烷烃正烷烃烯烃正烷烃异烷烃正烷烃芳香烃烷烃/烯烃烃燃料成分、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: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)；单位质量H燃烧所需要O约是C的3倍，因而理论混合气热值：汽油Hum柴油Hum(3750kJ/m3)；汽油机在=1工作，柴油在≥1.2工作，则有：汽油Hum柴油HumH/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。MJ/kg9.278S8OH120.1734.08CHu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将自燃性好的十六烷与自燃性差的-甲基奈按一定比例混合，构成不同体积百分比的标准柴油，其中十六烷含量的百分数叫做十六烷值。燃油十六烷值的测量CFRenginewasdevelopedbytheAmericanCooperativeFuelResearchCommittee.燃料研究联合协会WaukeshaEngine:F5-CetaneMethodDieselFuelRatingUnit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将抗暴性差的正庚烷C7H16与抗暴性好的异辛烷C8H18按一定比例混合，构成不同体积百分比的标准汽油，其中异辛烷含量的百分数叫做辛烷值。辛烷值马达法和研究法的测量RONMON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