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第八章燃料与排放汽车排放是由燃料燃烧引起的，因此污染物种类和数量与燃料性质直接相关。但是，发动机燃料组成及其理化性质复杂，同时污染物生成机理的多元性，使得燃料和污染物的关系复杂，而且，汽车工业与石油工业之间往往缺乏足够的协调，致使相关研究滞后。本章主要介绍燃料对发动机排放的影响，讨论汽油和柴油的改良方法及常用的代用燃料。主要内容有：1)燃料对排放的影响2)燃料的改善3)代用燃料第一节燃料对排放的影响一、汽油对排放的影响1)辛烷值的影响汽油抗爆性的指标，辛烷值越高，抗爆震能力强。辛烷值低可能引起爆震，增加NOX排放，损坏发动机。较低的辛烷值会限制发动机的压缩比，增加了燃油消耗率，总污染物排放量增加。烯烃是提高辛烷值的有效成分，但烯烃的热稳定性差，易形成胶质，沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。同时，烯烃是光化学烟雾的前体物，容易引起光化学污染。2)汽油挥发性的影响汽油从液态变为气态的性质称为汽油的蒸发性。蒸发性决定了汽油混合气的质量。一般用蒸馏曲线（馏程）和37.8℃时测得的雷德蒸汽压RVP表示。汽油馏出温度的范围称作馏程。将100ml试验燃料放在烧瓶中，加热产生燃料蒸气，经冷凝器凝结，滴入量筒内。第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点，随温度升高，依次测出对应油量的馏出温度。为了评价燃料的挥发性，汽油馏程主要由馏出10%、50%、90%的温度表征。10%馏出温度标志汽油的流动性，温度低说明冷起动性能好，但不能过低，容易形成气阻，影响汽油机正常运转。50%馏出温度标志汽油的平均蒸发性，影响汽油机的暖机时间、加速性及工作稳定性。温度低说明汽油的挥发性好。90%馏出温度标志燃料中含有难于挥发的重质成分的数量。温度低时，重质成分少，有利于燃烧；温度高时，重质成分多，不易挥发，容易形成积炭或进入油底壳稀释润滑油。汽油的雷德蒸气压RVP按季节和使用地区的气候条件适当控制。高温时严格控制RVP，减少热油产生的问题（气阻和蒸发排放）；低温时，要保证足够的RVP，获得好的起动和暖机性能。汽油的挥发性对NOX没有影响，对CO排放影响较小。3)汽油密度的影响汽油密度与汽油的烃类比例有关，特别是总C/H原子比。由于挥发性不同，夏用和冬用汽油密度不同。汽油密度变化很小，它对根据标准燃料调整的发动机排放的影响小。4)烃类组成的影响汽油由烷烃(正构烷烃、异构烷烃和环烷烃)、烯烃和芳烃组成。烷烃热稳定性好，但正构烷的辛烷值低，异构烷和环烷的辛烷值高，是汽油的理想成分。烯烃具有较高的辛烷值，但热稳定性差，易结胶。减少烯烃可使城市中臭氧下降20%-30%。芳烃的辛烷值高，可作辛烷值提高剂。芳烃结构稳定，燃烧速度慢，会增加HC排放。芳烃燃烧温度高，会增加NOX排放。重芳烃和其他高分子化合物在缸内形成沉积物，增加HC和NOX排放，当前汽油正逐步限制芳烃含量，特别是苯含量。5)硫含量的影响可降低三效催化器的转化效率，对氧传感器也有不利影响。高硫汽油还会引起车载诊断系统的混乱和误报。6)添加剂的影响车用汽油的添加剂有：防止汽油爆震的抗爆剂、抑制烯烃聚合的抗氧化剂和清洗进气系统污染表面、防止喷油嘴堵塞的表面活性剂。抗爆剂四乙基铅会使三效催化器和氧传感器失效，还能造成铅中毒。锰化合物和铁化合物也能提高辛烷值，但它们燃烧生成的氧化物对发动机有不利影响。例如，锰氧化物会使火花塞失火，锰沉积物会降低催化剂的起燃特性和稳态转化效率；铁氧化物会沉积在催化器和氧传感器上，使排放控制功能下降。抗氧化和表面活性添加剂能改善排放，提高怠速排放的稳定性。二、柴油对排放的影响1)十六烷值的影响柴油十六烷值对滞燃期影响很大。十六烷值低，滞燃期长，NOX增加；十六烷值高，可推迟喷油，减少NOX排放。高十六烷值柴油易于自燃，可降低CO和HC排放。十六烷值对微粒影响比较复杂，低十六烷值会增加蓝白烟排放。高速柴油机40~55，中低速柴油机可低于35，十六烷50后对滞燃期影响不大，65燃烧不完全。2)黏度、密度和馏程的影响黏度增加，雾化性差，炭烟、CO排放增加。密度过高，过度供油，微粒排放增加。较重馏分使柴油雾化变差，微粒较多。目前柴油标准未规定密度，粘度限定宽松。3)芳烃含量的影响芳烃含量影响柴油的十六烷值。芳烃燃烧冒烟严重，柴油芳烃含量增加，微粒排放增加。HC和CO也随柴油芳烃含量增加，NOX排放受芳烃含量的影响较小，降低芳烃(燃烧温度下降)，NOX减少。4)硫含量的影响柴油的含硫量比汽油高，降低含硫量可减少微粒排放，降低催化剂硫中毒的几率。5)添加剂的影响柴油中加入碱土金属或过渡金属的环烷酸盐或硬脂酸盐，可显著降低柴油机排气的烟度，这类添加剂被称为消烟剂。微粒则先随消烟剂的增加而降低，然后逐渐上升。第二节燃料的改善一、汽油的改善使用无铅汽油，降低硫含量。降低烯烃含量，以降低排气臭氧生成活性，减少缸内沉积物。降低芳烃含量，控制汽油密度变动范围。对汽油挥发性作细致规定，保证发动机有良好的起动性，又不会引起气阻、过量蒸发等问题。允许使用含氧添加剂，但对氧含量进行控制。二、柴油的改善提高十六烷值，缩小柴油密度的变动范围，保证燃油量供给的稳定性。降低柴油的含硫量，减少柴油芳烃含量，特别是多环芳烃的含量。第三节代用燃料一、天然气1.资源概况天然气是地表下岩储集层中自然存在、以轻质碳氢化合物为主体的混合物，在我国的储量丰富。预估我国天然气资源量56万亿m3，可采资源量22万亿m3。截止到2006年底，我国探明天然气地质储量近5.5万亿m3，探明率仅10%。2006年我国天然气产量为584亿m3，预计到2010年将达到1000亿m3。2.天然气特点1)天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，但理论混合气热值要比汽油低，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)抗爆震性能好。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值为130，具有高抗爆震性能。天然气专用发动机的合理压缩比为12，允许压缩比最高可达到15，具有采用提高压缩比来提高发动机动力性、经济性的潜力。3)混合气发火界限宽。天然气混合气具有很宽的发火界限，过量空气系数的变化范围为0.6~1.8，可采用稀薄燃烧技术来提高汽车的经济性和环保效益。4)天然气的着火温度高，火焰传播速度慢，因此需要更高的点火能量。5)天然气是清洁燃料。由于燃烧温度低，NOX生成少，天然气为气态，混合均匀，燃烧较完全，微粒排放极低。6)天然气发动机的CO和HC排放少。二、液化石油气1.资源概况我国陆上油田和海上油田只能生产少量液化石油气，液化石油气的生产几乎全部依靠炼油厂，主要成分是丙烷和丁烷。上世纪90年代以后，我国液化石油气消费量的年均增长幅度为14.9%。我国是世界第二大液化石油气消费大国。同时，我国液化石油气产量位居世界第三。我国炼油厂大都建于油田附近，74.25％的液化石油气生产和供应都集中在东北、华北、华东地区，造成运输和销售的成本增加。近年来，受液化石油气居高不下的价格和管道天然气、液化天然气及煤层气、沼气等替代燃料的影响，我国液化石油气市场遭受部分挤占。2.LPG特点1)LPG主要成分丙烷和丁烷的单位质量低热值高于汽油，理论混合气的热值要比汽油低6%左右，与天然气相当。2)LPG的抗爆性能好于汽油，LPG的研究法辛烷值在100-110之间，可通过提高压缩比来改善发动机的动力性和经济性。3)LPG的着火界限与汽油相当，比天然气的略宽，适合采用稀薄燃烧技术。4)LPG的着火温度比汽油高，火焰传播速度慢，因此需要较高的点火能量和较大的点火提前角。5)LPG最高燃烧温度比汽油低200℃，有利于减少NOX。三、醇类燃料1.资源概况醇类燃料包括甲醇和乙醇。甲醇可从天然气、煤、石脑油、重质燃料、木材和垃圾等物质中提炼。乙醇的原料主要是从含糖、含淀粉的农作物中提取。2.醇类特点1)辛烷值比汽油高，可采用高压缩比提高热效率。2)蒸发潜热大，发动机低温起动和低温运行性能差。3)常温下为液态，操作容易，储带方便。4)可燃界限宽，燃烧速度快，可以实现稀薄燃烧。5)与传统发动机技术有继承性，发动机结构变化不大。6)热值低，甲醇热值只有汽油的48%，乙醇只有64%。7)沸点低，蒸气压高，容易产生气阻。8)甲醇有毒，对人体有害。腐蚀性大，醇-汽油混合燃料对橡胶、塑料的溶胀作用大。9)醇的吸水性强，混醇燃料容易发生分层。3.醇类燃料的应用醇类燃料在汽车上应用有三种：掺烧、纯燃料和改质。掺烧主要是醇以不同比例掺入汽油中，甲醇、乙醇与汽油的混合燃料分别用M和E表示，其后的数字表示甲醇或乙醇的体积混合百分率。纯燃料是指单纯燃烧甲醇或乙醇燃料。可根据燃料特点改造发动机，使得纯烧类型汽车的动力性和经济性较汽油机有较大的提高。改质主要指甲醇改质，它利用发动机余热将甲醇改质为CO和H2，再输入缸内燃烧。4.醇类燃料的排放特性醇类燃料排放的HC、CO和NOX比汽油低，但乙醇燃料在大幅度提高压缩比后，NOX排放增加。四、植物油植物油一般作柴油机的替代燃料，与柴油相比，植物油热值略低，但因密度大，体积热值较接近；植物油馏分比柴油重，黏度和表面张力比柴油大，雾化困难；自燃点高，十六烷值低，发火性差，着火延迟期长；残炭高，燃烧室易生成沉积物。容易生成胶状物，堵塞油路。五、氢气1.概况氢能是公认的清洁能源，来源广，资源极其丰富，最有希望在未来替代化石能源。氢能是一种二次能源，通过一定的方法利用其它能源制取。因此，实现廉价制氢是氢能利用的根本。我国是世界氢气大国，2006年我国氢气年产量达800多万吨，是仅次于美国的世界第二大氢气生产大国。目前，我国氢气生产和消费的主要领域是合成氨。2.氢的特点1)氢气点火能量小，是汽油最低点火能量的十分之一，使用时能可靠着火。2)氢气火焰传播速度比汽油快5倍。3)氢气的熄火间隙只有0.06，仅为汽油的三分之一，能使火焰传播到接近气缸壁，产生更完全的燃烧；4)氢气燃烧后只产生H2O和NOX，不产生HC、CO、CO2和碳烟排放。5)氢气的可燃范围宽，稀燃极限低，即使在稀混合气，氢气也可完全燃烧。2.氢的应用氢作为汽车燃料有两种方法：一是通过氢的燃烧从化学能转化成机械能，一是通过氢的离子化转化为电能。前者通过内燃机实现，后者则是通过燃料电池实现。氢在内燃机上的应用主要有两种途径：一种是作单一燃料；另外一种是作添加燃料。1)单一燃料氢燃料供给方式有缸外预混合和缸内直接喷射两类。缸外预混合可采用化油器、进气歧管喷射和进气口喷射等方法形成混合气。化油器输送氢燃料的氢发动机，燃料供给方法简单，但氢气点火能量小，容易产生早燃和回火等不正常燃烧。可采用低温火花塞、降低冷却液温度、进气冷却和可变气门定时等技术可以降低其早燃风险，但效果不是很好。进气歧管喷射或进气口喷射的氢发动机，可通过控制喷射定时、点火定时或进气道喷水来解决早燃和回火问题，抑制氢发动机的非正常燃烧，会影响氢发动机的充气效率，降低发动机功率，缸内直接喷射技术可弥补这一缺点。氢发动机主要存在两个问题：NOX排放和功率恢复。对于NOX排放，采用进气喷水、废气再循环、进气掺烧N2和CO2来降低氢发动机的NOX排放。功率恢复较为困难，因为常规的功率提高方法会因氢气的独特性质而受到限制。如提高压缩比会引起早燃或回火；提高当量燃空比会引起NOX升高和燃烧不完全等问题；采用增压中冷技术会增加早燃机率和NOX排放。因此，如何兼顾氢发动机的动力性和排放性是个难题。目前，液态喷射技术、复合喷射技术（中低负荷时气道喷射，高负荷时缸内直喷）和氢混合动力技术是氢发动机的研究重点。2)掺烧燃料将氢气添加到其它碳氢燃料中，利用氢气良好的燃烧特性来改善混合燃料的燃烧过程。添加一定数量的氢气可以扩展天然气发动机的稀燃极限，缩短着火延迟期和燃烧持续期，提高热效率，同时降低HC排放。汽油机少量掺氢能提高混合气的稀燃极限，提高火焰传播速率和缸内燃烧速度，改善汽油机热效率和经济性，降低有害排放。柴油机掺氢燃烧会显著降低柴油机的烟度排放，掺氢能提高热效率，降低燃油消耗，但NOX排放有所增加。另外，掺氢燃烧还可以提高生物柴油发动机的热效率。总之，