发动机的燃料及其使用特性

4.1　发动机的燃料及其使用特性

4.1.1　发动机燃料的种类

传统的发动机燃料是汽油和柴油，是石油经过炼制加工后得到的产品。现在，液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)、甲醇和乙醇都已经成为成熟的发动机燃料，在一定范围内得到使用。在全球范围，正积极开发替代燃料，如氢气、二甲醚(DME)和水煤浆等，这些燃料都成为代用燃料。

汽油和柴油都是多种有机物的混合物，在常温常压下是液态，热值高，便于携带。汽油分馏温度为50℃～200℃，易发挥，黏度低，密度小，易点燃但不易自燃。轻柴油分馏温度为250℃～360℃，重柴油的分馏温度更高。柴油不易发挥，黏度和密度较大，自燃倾向大，不易点燃。天然气常温下为气态，不便携带，主要用于公交汽车燃料。天然气作燃料时，为减少燃料体积，要变为压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)。石油气常温常压下也是气态，压缩后成为液态，易于携带，主要作为出租汽车燃料。天然气发动机和LPG发动机的排放特性比传统发动机(汽油机和柴油机)好。

醇类燃料发动机的动力性、经济性和排放性能都较好。醇类燃料的原料来源广泛，常温常压下是液态，便于携带，燃烧需要空气少，蒸发潜热大，沸点低，不易自燃和点燃，易造成发动机腐蚀。甲醇对身体具有一定的危害性，故世界各国竞相研究用甲醇生产二甲醚。二甲醚是性能更为优良的发动机替代燃料，极具发展潜力，但目前其生产成本还高于汽油和柴油。

近来已成功试制出可供车用的氢气发动机，但仍有许多困难没有克服，尚未进入商品化阶段。除氮氧化物(NO _x)外，氢气燃料没有污染，燃烧速度快，对提高发动机性能有利。氢气可从水中提取，燃烧后成为水分子，可以循环使用，因此是很有前途的新型燃料。但氢气很难储存、运输和携带，而且制备代价较高，目前仍在深入研究。

利用植物油、废弃烹调油生产汽油和柴油是近几年发展出来的技术。发动机使用植物汽油和植物柴油时，技术继承性好，而且植物汽油和植物柴油的成分相对简单，有利于有害排放物的控制。此外，油料作物是可再生的，故植物汽油和植物柴油在全球范围内得到了广泛的关注。

4.1.2　发动机燃料的使用特性

燃油品质由相关标准规定，与发动机性能有关的指标称为燃料的使用特性。

1.柴油

柴油分轻柴油和重柴油两种。重柴油主要是工厂、重型汽车和船舶用柴油，轻柴油主要用于柴油汽车和拖拉机。汽车发动机使用轻柴油时，主要考虑以下性能:

(1)凝点。轻柴油牌号按其凝点确定。柴油凝点是指其失去流动性时的摄氏温度，如10号柴油的凝点为10℃。选用柴油时，牌号应比最低环境温度约低5℃。我国国家标准规定了6种柴油牌号，分别为10号、0号、－10号、－20号、－35号和－50号，凝点分别为10℃、0℃、－10℃、－20℃、－35℃和－50℃。

(2)十六烷值。十六烷值是评价柴油自燃性的指标，对发动机的起动性能和工作平稳性有相当大影响。柴油十六烷值高，易自燃，冷起动性能好;但黏度相对较大，蒸发性差，雾化性能不好，排气容易冒黑烟，耗油较多。国家标准规定，轻柴油的十六烷值在40～50之间。

(3)黏度。黏度是表示流体内部摩擦力的物理量，通常用运动黏度评价。流体的黏度大，内部摩擦力大，流动性差。黏度一般随温度升高而降低。

柴油的黏度对柴油机来说，具有双重意义。黏度大，柴油喷射时，雾化特性差。不容易和空气混合，混合气质量不高，燃烧不完全，冷起动困难，燃油消耗率高，排气冒黑烟;从润滑角度说，柴油机喷油泵和喷油嘴中的耦合件依靠柴油润滑。黏度低时，耦合件磨损严重，寿命短。因此，柴油必须具有一定的黏度。国家标准规定，在20℃时，轻柴油的黏度为2.5～8×10^－6m²/s。(柴油的使用特性第六章将详述)

2.汽油

汽油牌号按其辛烷值规定，所以选用汽油时主要考虑的使用特性为辛烷值。辛烷值是评价汽油抗爆性的指标。辛烷值高，则抗爆性好。(汽油的使用特性第五章将详述)

3.代用燃料

(1)醇类燃料的使用特性有:

①热值低(质量热值)，但是理论混合气的体积热值和传统燃料相当，因此，醇类燃料发动机的热效率和动力性都不差。

②醇类燃料的蒸发潜热大。

③抗爆性能好，醇类燃料发动机可采取较高压缩比。

④自燃温度和燃点都较高。

⑤着火界限宽，适应稀燃，燃烧速度比汽油略慢，快于柴油。

⑥燃烧产物含HC极少，几乎没有CO，最高燃烧温度低，NO _x少，排放性能好。

⑦对金属有一定的腐蚀作用，并使润滑油容易变质，此外，甲醇对人体有害。

(2)压缩天然气(CNG)和液化石油气(LPG)作为传统燃料的替代物已经很成熟，世界各地已有几百万辆汽车使用这两种燃料。这两种气体燃料的特点是:

①混合气热值略低，发动机功率有所下降，汽车的加速性能有所不足。

②混合气质量好，燃烧完全，排放的有害物如CO、HC、NO _x都很低。

③抗爆性能好，可采用较高的压缩比，提高热效率。

④燃烧界限宽，适合稀燃，而且低温冷却起动性能好。

⑤自燃温度和燃点比汽油高，需要点火能量大，适合点燃。

⑥天然气不便携带，液化石油气方便携带。