第8章燃料与排放docWord下载.docx
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DI=1.5t10+3t50+t90+11
（8-1）
式中：
—汽油中氧的质量分数
汽油的雷德蒸气压RVP应按季节和使用地区的气候条件适当控制。
在高温时要严格控制RVP，尽量减少热油产生的问题，例如燃油供给系统的气阻和蒸发排放控制系统碳罐的过载。
在高温下控制RVP对减少发动机及加油时的蒸发排放也有影响。
在低温下，要有足够的RVP，以得到好的起动和暖机性能。
汽油的挥发性对NOX排放没有影响，对CO排放影响很小。
3.汽油密度的影响
汽油的密度与构成汽油的各种烃类比例，特别是总的C/H原子比有密切关系。
由于挥发性的缘故，夏用和冬用汽油密度不同。
汽油密度增加往往使化油器提供较稀的混合气，使汽油喷射系统提供较浓的混合气。
不过，因为汽油密度相对变化量很小，因此可认为，密度变化对于根据标准燃料调整的发动机排放的影响实际上可以忽略不计。
4.烃类组成的影响
汽油主要由烷烃（包括正构烷烃、异构烷烃和环烷烃等）、烯烃和芳烃等组成。
烷烃热稳定性好，形成臭氧活性MIR低，但正构烷的辛烷值低，异构烷和环烷的辛烷值高，是理想的汽油组分。
烯烃具有较高的辛烷值，但热稳定性差，易于在发动机的进气系统里形成胶状沉淀物。
烯烃蒸发到大气中是一种化学活性物质，生成臭氧活性MIR值比烷烃高，容易在光化学反应中生成臭氧，还会生成有毒的二烯烃。
研究表明，车用汽油中烯烃的质量分数从20%降至5%，会使大城市中臭氧生成率下降20%～30%。
减少小分子烯烃的效果尤为明显。
芳烃具有很高的辛烷值（RON>
100，MON>
95），所以添加芳烃组分，是炼油工业为使汽油达到现代车用汽油所需要的抗爆性水平而使用的一种手段。
随着汽油的无铅化，这种增加汽油中芳烃含量的趋势正在加强。
由于芳烃分子结构比烷烃稳定，所以燃烧速度较慢，在其它相同的条件下导致较高的未燃HC排放量。
当从含芳烃多的高级汽油改为烷烃汽油时，HC排放量明显下降。
芳香烃具有较高的C/H比，因而有较高的密度和较大的CO2排放量。
汽油中芳香烃的质量分数从50%降到20%，CO2排放量可减少5%左右。
芳烃燃烧温度高，从而增加了NOX排放量。
重的芳烃和其它高分子重化合物都有可能在汽油机燃烧室表面形成沉积物，增加排气中的HC和NOX排放。
现代车用汽油正逐步限制芳烃含量，特别是对苯含量的限制尤为严格。
5.硫含量的影响
硫（S）天然存在于原油中，如果在炼油过程未进行脱硫处理，汽油就受其污染。
硫可降低三效催化转化器的效率，对氧传感器也有不利影响，因而使车用汽油机排放增加。
不论发动机技术水平和状态如何，汽油中硫的质量分数ωS从10-4降到10-5数量级时，HC、CO、NOX等均有显著的下降。
高硫汽油会引起车载诊断系统的混乱和误报。
6.添加剂的影响
车用汽油中可能加入多种类型的添加剂：
防止汽油爆燃的抗爆剂，如四乙基铅、甲基环戊二烯三羰基锰（MMT）等；
抑制烯烃聚合的抗氧剂，如氨基酚、烷基酚等；
有助于清洗进气系统被污染表面、防止喷油嘴堵塞的表面活性剂，如脂肪酸胺、丁二酰亚胺等。
四乙基铅是非常有效的廉价汽油抗爆剂，曾经广泛使用了数十年以提高汽油的辛烷值。
但由于发动机使用含铅汽油时，随排气排出的铅对人体神经系统有积累性的严重毒害作用，并使三效催化转化器和氧传感器很快失效，因此四乙基铅现在已经或正在被禁用。
曾经想使用甲基环戊二烯三羰基锰MMT代替四乙基铅以提高汽油的抗爆性，但使用这种添加剂在许多国家是有争议的。
汽油中的MMT在燃烧后以氧化锰等形式排出，同时沉积在燃烧室和排气系统内。
锰沉淀物会使火花塞失火，增加排放。
锰沉淀物在催化器上，引起表面堵塞，使催化剂起燃特性和稳态转化效率均变差。
同时沉积在催化剂表面的锰沉积物有足够的氧存储作用，可能造成催化器监测器的误报。
在无铅汽油中加铁化合物（如二茂铁）可增加辛烷值，但铁基添加剂燃烧后产生的铁氧化物沉积在催化剂和氧传感器上，使得排放控制系统功能下降，排放上升，所以铁化合物不应添加在无铅汽油之中。
硅在汽油中原本不存在，但有些商用汽油中有硅，这是因在精炼之后把废溶剂作为组分掺合到汽油中所致。
即使浓度不高的硅也能损坏催化剂和氧传感器，所以汽油中不应有硅。
无铅汽油还添加一些高辛烷值的含氧有机化合物，如甲基叔丁基醚（MTBE）和乙醇等。
汽油自身含有的氧有助于氧化汽油的不完全燃烧产物CO和HC，降低它们的排放。
当用无反馈控制的供油系统时，从纯烃燃料改用含氧燃料意味着混合气稀化，也导致CO和HC排放下降。
抗氧化和表面活性添加剂有助于保持进气系统和供油系统的清洁从而维持原有的标定，改善排放，尤其提高怠速排放的稳定性。
8.1.2柴油对排放的影响
柴油的组成和性质对柴油机的排放有重要影响，因此各国都对柴油品质做出明确规定。
我国2000年开始实施的排放法规，采用了与欧洲等价的技术要求。
1.十六烷值的影响
柴油的十六烷值对柴油机燃烧的滞燃期有很大影响。
如果十六烷值较低，则滞燃期较长，初期预混燃烧的燃油量增加，初期放热率峰值和最高燃烧温度较高，因而NOX排放量增加；
如果十六烷值较高，可推迟喷油，这样有利于在保持燃油经济性的条件下降低NOX排放。
另外，高十六烷值的柴油易于自燃，可降低柴油机CO和HC的排放。
十六烷值对微粒排放的影响比较复杂，在不同条件下可能得出相反的结果。
十六烷值也影响柴油机的蓝烟和白烟排放，它们是在柴油机冷起动时或高海拔地区运转时，由于大气压力下降产生的未燃烧柴油液滴组成的排气烟雾。
十六烷值下降时柴油机冷起动性能变差，柴油机容易排气冒白烟，引起排放增加。
2.粘度、密度和馏程的影响
当柴油粘度增加时，喷油时油束的雾化变差，燃烧恶化，碳烟排放增加。
柴油密度较高，会导致微粒排放量增加，因为柴油密度超过柴油机标定范围会造成过度供油效应。
柴油的馏程也影响柴油机的微粒排放量。
较重的馏分组成使柴油喷注雾化变差，蒸发迟缓，易形成局部过浓的混合气，产生较多的微粒。
3.芳烃含量的影响
柴油的芳烃含量直接影响其十六烷值，两者之间有逆变关系。
只有添加十六烷值改善剂才能打破这种关系（例如，加0.5%（质量分数）辛基硝酸酯，可使十六烷值从42提高到52）。
芳烃是柴油中的有害成分，芳烃燃烧时冒烟倾向严重，所以当柴油中芳烃的体积分数
增加时，柴油机微粒排放的质量浓度急剧增加。
柴油机的CO、HC排放也随柴油芳烃含量提高而增加。
NOX排放受柴油芳烃含量影响较小。
研究表明，柴油中芳烃的体积分数
从30%降低到10%可使NOX排放下降4%～5%。
4.硫含量的影响
一般柴油中含有比汽油高得多的硫分。
柴油中的硫在柴油机中燃烧后以SO2形式随排气排出。
其中一部分SO2（约2%～3%）被氧化成SO3，然后与水结合形成硫酸和硫酸盐，由于硫酸盐是非常吸水的，在环境大气平均相对湿度50%下，每1g硫酸盐可吸1.3g水，所以在滤纸上沉积的硫酸盐含有53%（m）的水和47%（m）的干硫酸盐。
当柴油中硫的质量分数ωS从3×
10-3减小到5×
10－4时，柴油机的微粒排放量可能下降10%～15%。
有一项估计是柴油中的硫的质量分数每下降0.1%，柴油机微粒比排放会下降0.02～0.03g/（kW·
h）。
现在正在开发的能从发动机富氧排气中降低NOX排放的DeNOX催化剂，对柴油硫含量极为敏感，特别是吸附还原性催化剂极易受硫中毒而失效。
柴油机用氧化性催化剂易于把SO2氧化成SO3，导致硫酸盐大大增加。
所以，从柴油机排气催化净化角度出发，降低柴油的硫含量是极为必要和迫切的。
降低柴油的硫含量也有助于减少柴油机排气中难闻的气味。
但降低硫含量是通过在炼油工艺中加氢生成硫化氢而实现的，这个过程增加了炼油的能耗和CO2排放，同时提高了成本。
5.添加剂的影响
在柴油中加入少量碱土金属或过渡金属（Ba、Ca、Fe、Mn等）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。
消烟效果主要决定于阳离子（金属）类型，而阴离子影响很小。
Ba的效果很好，其次为Ca、Mn等。
Ba对降低烟度效果明显，但对排气微粒浓度，则先随着Ba的增加快速下降，然后又逐渐上升，这主要是由Ba的氧化物造成的。
当柴油中硫含量较高时，由于形成较多的BaSO4，有时甚至使微粒排放量不降反升。
消烟剂使微粒粒度分布向较小尺寸方向移动，使环境效应更加恶化。
由于这些理由及这类重金属大多数对人体有害，所以现在不推荐使用消烟剂。
柴油中还可能加有机添加剂，如为缩短滞燃期的十六烷值改善剂以及稳定剂、表面活性剂等，它们一般都能改善柴油机的排放状况。
8.2燃料的改善
根据燃油品质对车用发动机性能和排放影响的研究结果，美、欧、日等发达国家纷纷提出新配方燃油，以适应越来越严格的发动机排放法规。
8.2.1汽油的改善
对于低排放无铅汽油来说，规定铅的质量浓度要从微量降低到零，以消除铅对人体健康的直接危害和催化剂的毒害作用。
对硫含量也作了严格限制，因为硫使催化剂中毒，这种毒害作用虽然不像铅那样不可恢复，有一定的可逆性，但使总的催化效率下降。
硫还使催化器监测器OBD系统失效。
大幅度降低烯烃含量，以降低排气的臭氧生成活性，并减少汽油机内的沉积物。
对芳烃特别是苯含量作了限制，以降低排气的毒性。
控制汽油的密度变动范围，以免发动机偏离标定供油量过大。
对汽油的挥发性作了更加合理而细致的规定，既保证发动机有良好的驱动性，又不会引起气阻、过量蒸发等运行可靠性和排放问题。
低排放汽油允许用含氧掺和物，但对氧含量有一定的控制。
8.2.2柴油的改善
对于低排放柴油来说，首先要提高十六烷值。
这里要区别十六烷值和十六烷指数两个概念。
十六烷值是指柴油在规定的实验发动机上测得的有关柴油压缩着火性的一个相对性参数；
而十六烷指数是指燃料固有的十六烷，由被测燃料特性计算得出。
固有的十六烷和加入十六烷改善剂后的十六烷对柴油机的影响不同，为避免添加剂的剂量过多，应尽量减少十六烷值与十六烷指数之间的差值。
与汽油的情况类似，缩小低排放柴油的密度变化范围，以保证燃油质量供给的稳定性。
低排放柴油的标志性特征是降低柴油中的硫含量，这是因为硫使柴油机排气微粒中的硫酸盐成正比的增加，而且高硫柴油排除了应用氧化型催化剂降低微粒排放的可能性。
很难找到抗硫性能好的富氧NOX催化剂。
欧洲排放体系对柴油硫含量的要求对比见表8-1。
欧洲排放法规对柴油硫含量要求对比表表8-1
EuroI
EuroII
EuroIII
EuroIV
EuroV
硫，ppm，
2000
500
350
50
10
柴油中的芳烃会增加柴油机的微粒和NOX排放，并使排气中毒性大的多环芳烃的含量增加。
所以，低排放柴油严格限制芳烃，特别是其中多环芳烃的含量。
8.3代用燃料
根据已探明的世界石油蕴藏量和目前石油消耗量，估计石油最多可满足人类今后100年的要求。
为此，各国正纷纷研发发动机代用燃料。
到21世纪中叶，石油的代用燃料将在发动机燃料中扮演重要角色。
研发和应用代用燃料的另一动因是减少环境污染，因为有些代用燃料可降低有害气体排放，有些燃料甚至能改善大气中的碳循环。
较有前途的发动机代用燃料有天然气、液化石油气、醇类燃料、植物油和氢气等。
其中，液化石油气LPG是石油炼制过程的副产品，可作为近期的发动机燃料之一，显然将随油气资源一起枯竭。
这些燃料以很小的比例加入汽油或柴油中，或者以很大比例甚至百分之百用于经过必要改造的点燃式或压燃式发动机中。
本节将主要介绍天然气、液化石油气、醇类燃料、植物油和氢气的物化特性和排放特性。
8.3.1天然气和液化石油气
1.天然气
天然气主要来源于油田，它是地表下岩石储集层中自然存在的、以轻质碳氢化合物为主体的气体混合物，主要成分是甲烷（CH4），其余为乙烷、丙烷、丁烷及少量其它物质。
地球上天然气资源丰富，是世界上产量增长最快的能源。
天然气按其存在形式分为压缩天然气和液化天然气。
压缩天然气（CNG）是将天然气压缩至20MPa存储在气瓶中，经减压器减压后供给发动机燃烧；
液化天然气是将天然气液化后，存储在高压瓶中，且储气瓶的体积比压缩天然气的小，续驶里程长，但技术要求高。
目前用于汽车上的是压缩天然气。
1）天然气的性能指标
天然气的组成成分决定了其理化性能，该性能与汽油比较见表8-2。
天然气与汽油的理化性能比较表8-2
项目
天然气（甲烷）
汽油（90＃）
C/H原子比
4
2～2.3
密度（液相kg／m3）
424
700～780
分子量M
16.043
96
沸点（℃）
-161.5
30～90
凝固点（℃）
-182.5
－
临界温度（℃）
-82.6
临界压力（MPa）
4.62
汽化热（kJ/kg）
510
比热（液体，沸点，kJ/kg·
K）
3.87
比热（气体，25℃，kJ/kg·
2.23
气/液容积比（15℃）
624
密度（气相，kg/m3）
0.715
化学计量比
质量比
17.25
14.8
体积比
9.52
8.586
高热值（MJ/kg）
55.54
低热值（MJ/kg）
50.05
43.9
混合气热值（MJ/m3）
3.39
3.37
辛烷值（RON）
130
92
着火极限（%）
537
390～420
火焰传播速度（cm/s）
33.8
39～47
火焰温度（℃）
1918
2197
由表8-2可知，天然气具有如下特点：
（１）热值高：
甲烷含量高的天然气的低热值比汽油高，当甲烷含量为80%时，天然气的低热值与汽油相当。
因为天然气的密度低，所以理论混合气热值比汽油稍低。
（２）抗爆性能好：
天然气的主要成分是甲烷，甲烷的研究法辛烷值为130，具有很强的抗爆性能。
研究表明，燃用天然气的专用型发动机应采用的合理压缩比为12，通过提高压缩比可以大幅度地提高天然气汽车的动力性和燃料经济性。
（３）混合气发火界限宽：
天然气与空气混合后具有很宽的发火界限。
这种性能为发动机稀燃技术提供保证，从而提高燃料经济性，降低排放。
（４）着火温度高：
这不利于发动机的性能，由此需要较高的点火能量。
2）压缩天然气的规格
为保证压缩天然气汽车的正常行驶，各国都各自制定了标准，对压缩天然气质量提出技术要求。
我国汽车用压缩天然气标准（SY／T7546-1996）见表8-3。
汽车用压缩天然气技术要求表8-3
项目
质量指标
试验方法
高位发热值（MJ/m3）
≥31.4
GB/T11062
硫化氢（H2S）含量，（mg/m3）
≤20
GB/T11060.1
或GB/T11060.2
总硫（以硫记）含量，（mg/m3）
≤270
GB/T11061
二氧化碳含量（v／v，%）
≤3.0
SY/T7506
水露点
低于最高操作压力下最低环境温度5℃
SY/T7507（计算确定）
3）天然气的排放性能
天然气在汽车上与空气混合时是气态，因此，与汽油、柴油相比，混合气更均匀，燃烧更完全。
另外，天然气的主要成分甲烷中只有一个碳分子，从理论上讲，燃烧产物中CO较少。
表8-4是我国改装某一压缩天然气汽车的排放试验结果，表明压缩天然气的CO和HC排放较汽油明显降低。
但是，燃用CNG排放的甲烷增加。
甲烷是一种温室气体，它对大气的加热潜力是CO2的32倍，甲烷在大气中的存在时间一般为10年，比CO2存在的时间短1／10。
此外，使用中发现纯压缩天然气汽车NOX排放高。
改装的两用燃料（汽油—CNG或柴油—CNG）汽车如果调整使用不当，各种污染物排放并不低。
而且汽车动力性下降。
压缩天然气与汽油排放比较表8-4
污染物
轻型客车
小轿车
汽油
CNG
降低率
CO（%）
3.0
0.5
83.3%
1.00
0.15
85%
HC（10-6）
1000
800
20%
200
150
25%
2.液化石油气
液化石油气（LPG）与汽油、柴油常规汽车燃料相比，具有燃烧完全、积炭少、排放污染物低等优点。
１）液化石油气的理化性能
车用液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷。
丙烷沸点低，极易汽化，冷起动性好，但热值低；
丁烷沸点高，不易汽化，但热值高。
因此，为了保证液化石油气的正常使用，要求车用液化石油气有足够的丙烷、丁烷含量。
液化石油气的理化性能与其他燃料比较见表8-5。
车用气态燃料的主要特性与汽、柴油比较表8-5
柴油
天然气
液化石油气
氢气
沸点常压（℃）
30～220
180～370
－161.5
－0.5
－253
车上的存储状态
液态
气态（CNG）
或液态（LPG）
气态或液态
液态的相对
密度20／4（℃）
0.72～0.75
0.83
0.42（气态）
0.72（液态）
0.54
与空气密度比0.07
雷德蒸气压（kPa）
62.0～82.7
358.5
44.52
43
49.54
45.31
汽化潜热（kJ/kg）
297
丙烷：
358.2
丁烷：
373.2
90，93，95，97
120
94
十六烷值
27
40～60
闪点（℃）
－43
60
－41
0～2
自燃点（℃）
260
700
450
400
530～560
最低点火能量（MJ）
0.25～0.3
0.02
分子量
100～115
226
16
44
58
2
在空气中的可燃范围体积比（%）
1.3～7.6
5～15
2.4～9.6丙烷：
1.8～9.6
14.5
16.75
15.66
15.45
由表可知，液化石油气的特点与天然气相似，具有热值高、抗爆性能好、着火温度高、容易与空气混合和排放低等优点。
2）液化石油气的规格
车用液化石油气必须保证其使用安全性、抗爆性和良好的起动性能和排放性能。
饱和蒸汽压是液化石油气最主要的安全指标。
最高值保证在正常使用允许的最高温度条件下，气瓶内液化石油气的压力在气瓶允许的范围内；
最低值保证在允许的最低使用温度条件下，液化石油气的压力能满足汽车使用要求。
水分是液化石油气中的有害成分，它会促使硫化物腐蚀气瓶、管路、阀门、汽化器等金属部件。
低温时，含水化合物还会堵塞管道、阀门等处。
因此，各国对车用液化石油气均提出了标准要求。
表8-6为我国对车用液化石油气的具体技术要求。
中国车用液化石油气技术要求（SY7548一1998）表8-6
实验方法
车用丙烷
车用丙丁烷混合物
37.8℃蒸气压（表压kPa）
≤1430
按GB/T6602
组分
（%）
丙烷
≥60
按SH/T0230
丁烷及以上组分
≤2.5
戊烷及以上组分
≤2
≤5
残留物
100mL蒸发残留物mL
≤0.05
按SY/T7509
油渍观察
通过
密度（20℃或15℃，kg/m3）
实测
按SH/T0221
铜片腐蚀
不大于1级
按SH/T0232
总硫含量（×
10-6，m/m）
≤123
按SY/T7508
游离水
无
目测
3）液化石油气的排放性能
液化石油气（LPG）与空气混合时也是气态，混合充分，燃烧完全，因此，根据LPG特点设计的发动机可有效降低排放污染物。
LPG排放污染物较低，但它比
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