内燃机原理第二章燃料工质与热化学

掌握现代内燃机使用的燃料及其特性；掌握燃料主要理化特性对ICE的影响；掌握汽柴油机工作模式的差异；掌握各种概念；掌握理论空气量计算方法；掌握各种混合气热值的计算方法；了解烃结构对燃料理化特性的影响。掌握汽柴油不同馏出温度对内燃机性能影响；燃料空气燃烧产物工质对ICE影响：工质的热力学性质燃料热值pvcc、ktetuHePebePebICE的工质燃料理化特性混合气形成方式着火方式负荷调节方式tcePebICE对燃料的要求：价格低、资源丰富；理化特性适合ICE需要；高热值（能量密度大）；对人体、环境无害；对ICE损伤小。一、车用ICE燃料及其分类常规燃料(ConventionalFuel)：汽油、柴油代用燃料(AlternativeFuel)：其他燃料ICE燃料（一）常规燃料成分：C、H、O、N、S（很少）清洁燃料：低碳燃料汽油：C5～C11柴油：C16～C23（二）代用燃料NG（NaturalGas，主要成分：CH4，不可再生）LNG（LiquefiedNaturalGas）CNG（CompressedNaturalGas）常压下将气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体。将NG加压到20~25MPa凝结成液态。LPG（LiquefiedPetrolGas，不可再生）丙烷、丁烷、戊烷的混合物，丙烷含量90%以上。将石油气加压到0.5~1.0MPa，制成液态。含氧燃料（可再生燃料—生物质）甲醇、乙醇、二甲醚DME（Dimethylether）开发中的燃料生物柴油（BiodieselFuel，BDF，可再生）动、植物油脂经过化工方法制成脂类化合物。煤制油（Coal-to-liquids，CTL，不可再生）煤气化（H2、CO）后经催化制成低分子烃类液体燃料。天然气制油（Gas-to-liquids，GTL，不可再生）将天然气部分氧化得到H2、CO后，经催化制成低分子烃类液体燃料。氢气（可再生—内燃机最理想燃料）其它燃料生物质燃料制柴油（Biomass-to-liquids,BTL,可再生）一般用于发电机组高炉煤气用气化炉使生物质（如：农业废弃物、杂草、垃圾等）不完全燃烧生成H2、CO、CH4、烃和N2、CO2。炼铁副产品，主要成分H2、CO、CH4、CO2、N2。焦炉煤气烟煤炼焦副产品，主要成分H2、CH4、CO、CO2、N2。将生物质燃料气化得到生物质气经催化制成烃类液体燃料。生物质气（可再生）ICE代用燃料分类分类方法燃料种类燃料按来源分类矿物质代用燃料（不可再生）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）生物质代用燃料（可再生）植物油：菜籽油、豆油、棉籽油、棕榈油、椰子油、葵花籽油；生物柴油（BDF）；植物或农作物制成的甲醇、乙醇等；生物燃料制柴油（BTL）生物燃料制DME生物质气ICE代用燃料分类分类方法燃料种类燃料按着火方式分类汽油代用燃料（SI-ICE）CNG、LNG、LPG、甲醇、乙醇、氢气等柴油代用燃料（CI-ICE）生物柴油、DME、BTL、CTL、GTL等按形态分类气体代用燃料氢气、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使用）ICE代用燃料分类分类方法燃料种类燃料按化学成分分类烃类代用燃料CNG、LNG、LPG、BTL、CTL、GTL等含氧燃料醇类燃料甲醇、乙醇等醚类燃料甲基叔丁基醚（MTBE）、乙基叔丁基醚（ETBE）、甲基叔戊基醚（TAME）、二甲醚（DME）、二异丙基醚（DIPE）、二正戊基醚（DNPE）等脂类燃料生物柴油、合成脂氢气代用燃料氢气二、ICE燃料的主要理化特性及评价评价指标—十六烷值（CetaneNumber,CN）定义：在无外源点火时燃料自行着火燃烧的能力（温度）。CI-ICE燃料自燃着火性能评价（一）自燃性能（自燃温度）—化学稳定性评价方法把化学稳定性差的正十六烷人为定义CN=100把化学稳定性好的α-甲基萘人为定义CN=0规定在十六烷值测试机上进行试验HCCHHHH.......HCCHHHH正十六烷值C16H34CN=100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3α—甲基萘C11H10CN=0十六烷值试验机试验条件燃烧室CombustionChamber涡流燃烧室Swirl压缩比CompressionRatio(CR)可变压缩比Variable（7～28）内燃机转速EngineSpeed900r/min喷油时刻StartofInjection13°CA(BTDC)燃烧始点StartofCombustionTDC着火延迟IgnitionDelay13°CA着火延迟调整IgnitionDelayAdjustment可变压缩比体积份额为x%的正十六烷与（1-x）%的α-甲基萘混合。参比燃料:在可变压缩比的十六烷值机上进行试验，被测燃料与参比燃料具有相同的着火性能时，燃料的十六烷值CN=x测试过程:十六烷指数（CetaneIndex,CI）:51.418lg41.1622050TCI——燃料50%的馏出温度，℃；50lgT——燃料20℃时的密度，kg/L。20CN着火性能高分子烃PM排放十六烷值50SI-ICE燃料抗爆性能评价抗爆性：燃料对ICE发生爆燃的抵抗能力。评价指标—辛烷值（OctaneNumber，ON）评价方法在辛烷值试验机上进行。VCR辛烷值试验机规定：化学稳定性好的异辛烷人为定义ON=100；化学稳定性差的正庚烷人为定义ON=0CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH正庚烷C7H16ON＝0异辛烷C8H18ON＝100CCCCCHHHHHHHHHCH3CH3CH3运行条件operations马达辛烷值MON研究辛烷值RON内燃机转速EngineSpeed900r/min600r/min压缩比CompressionRatio可调节Adjustable点火时刻IgnitionTiming10～26°CA(BTDC)Variable13°CA(BTDC)混合气预热Pre-heatingofMixture149℃NO空气预热Pre-heatingofair38℃52℃MON和RON测试手段比较研究法辛烷值RON（researchoctanenumber）马达法辛烷值MON（motoroctanenumber）ON体积份额为x%的异辛烷与（1-x）%的正庚烷。参比燃料:在可变压缩比的辛烷值机上进行试验。测试过程:马达法测试条件相对RON苛刻，MONRONMON=0.8RON+10用被测燃料在内燃机上运行，增大压缩比，直到出现爆震。在同等条件下，换用不同配比的参比燃料运行，直到得到与被测燃料具有相同的抗爆性能，此时，燃料的ON=x。相关指标：燃料灵敏度Sa=RON-MON抗爆指数Ai=（RON+MON）/2Sa表征了在运行条件变化时，燃料抵抗爆震的能力。Ai=RON-0.5SaAi=MON+0.5Sa道路辛烷值ONroad=28.5+0.431RON+0.311MON-0.04烯烃百分含量用于评价汽车行驶中的燃料抗爆能力。ON与CN的关系：CN=60.96-0.56×MONCN=68.54-0.59×RON非汽油高抗爆燃料ON测定（ON100）：传统辛烷值机，用芳香烃和正庚烷作为参比燃料；用航空温度法或者电解质法测量。提高燃料抗爆性的方法：抗爆添加剂—四乙基铅Pb（C2H5）4Pb（C2H5）4PbO2高温分解ROOH（不活泼）低温多阶段着火落后期加长爆燃倾向降低Pb污染我国汽油Pb5mg/LMMT抗爆剂甲基环戊二烯基三羰基锰（CH3C5H4Mn(CO)3,MMT）MMT覆盖火花塞—失火MMT堵塞TWC—中毒、性能下降我国汽油Mn0.016g/LTWC（Three-wayCatalyticConverter）中毒问题问题问题：易形成甲醛加入高抗爆指数的醇类、醚类调整燃料成分烷烃烯烃环烷烃芳香烃抗爆指数弱强问题：烯烃高臭氧活性多环芳香烃PAH致癌燃料限制成分改变炼制工艺—采用催化裂化工艺直溜汽油58～68热裂化汽油63～70催化裂化汽油78～80MON问题：成本高diesel：250℃DME：235℃BDF：450℃SICIgas：300~400℃NG：650℃LPG：365~470℃CH3OH：500℃C2H5OH：420℃H2：570℃燃料自燃性能对ICE影响着火燃烧方式—SI，or，CI自燃温度自燃温度BDF自燃温度高，单独使用压缩比过大。一般与柴油配比使用，小于BD50CI-ICE的工作平顺性工作平顺性：ICE振动、噪音的大小。自燃温度着火落后期ddp振动、噪音SI-ICE的抗爆性自燃温度自燃可能性爆燃倾向（二）蒸发性—物理稳定性定义：燃料由液态变为气态的性能。燃料抗爆性评价：馏程和蒸气压馏程：燃油在规定条件下蒸馏出不同百分比的温度范围。馏程测定装置加热测温冰-水冷凝槽量筒冷凝管100ml烧瓶作用：判定油品中轻、重成分含量的多少。不同燃料的蒸馏曲线温度/℃馏出体积/%初馏点（馏出点）：蒸馏出第一滴燃料时的温度。汽油馏程：10%馏出温度——代表轻质成分的多少汽油试样馏出体积达到10%时的温度，。10T高，轻质成分含量少，冷起动困难，不易气阻。10T50%馏出温度——代表平均蒸发量汽油试样馏出体积达到50%时的温度，。50T7010T℃高，暖机时间长，加速性差，工作平稳性差。50T12050T℃90%馏出温度——代表重成分含量的多少汽油试样馏出体积达到90%时的温度，。90T19090T℃易积碳—燃料裂解经济性差—不完全燃烧磨损严重—重成分损害壁面油膜润滑油消耗大—稀释润滑油高，重成分含量多90T终馏点（干点EP，EndboilingPoint）汽油的驾驶性指数DI（DriveabilityIndex）：EtOHMTBETTTDI302.735.1905010燃料中最重成分的沸点。燃料中添加甲基叔丁基醚（MTBE），否则为0；1MTBE燃料中添加乙醇（EtOH），否则为0。1EtOH汽油的蒸发驾驶性指数EDI（EvaporationDriveabilityIndex）：EtOHMTBEEEEEDI41156.144.114010070、、分别为70℃、100℃和140℃下燃料蒸发的百分比。70E140E100EDI越大，蒸发性越差，驾驶性越差。700~540DI℃EDI越大，蒸发性越好，驾驶性越好。250~100EDI柴油馏程：初馏点（馏出点）：蒸馏出第一滴燃料时的温度。50%馏出温度——代表轻质成分的多少柴油试样馏出体积达到50%时的温度，。50T影响CI-ICE的冷起动和工作平顺性50T90%馏出温度——代表重成分的多少柴油试样馏出体积达到90%时的温度，。90T高，轻质成分含量少，冷起动困难，且工作粗暴。50T冒烟、积碳——燃料裂解高90T混合气形成慢——喷油雾化质量差经济性差——燃烧不良磨损严重——油膜破坏30050T℃35590T℃润滑油消耗大——燃料稀释润滑油原油不同分馏段的成分及其主要性能名称主要成分（C原子及质量百分数）沸点/℃0.1MPa密度0℃，0.1MPa相对分子量着火温度/℃甲烷C176C，24H-1620.8kg/m316650石油气C3～C583C，17H-43～10.51～0.58(kg/L)2.0～2.7(kg/m3)41～58365～470汽油C5～C1186C，14H25～2150.715～0.78(kg/L)95～120300～400煤油C11～C1987C，13H170～2600.77～0.83(kg/L)100～180250柴油C16～C2387C，13H180～3600.815～0.855(kg/L)180～2002