第三章-石油產品的使用性能

第三章石油產品的使用性能及其與化學組成的關系不同的應用場合對石油產品提出了許多不同的使用要求，而油品的使用性能與其化學組成之間具有密切的關系。本章主要講述油品的使用性能與其化學組成之間的關系。本章的主要內容：汽油柴油噴氣燃料潤滑油石油瀝青我國目前將石油產品分為六大類燃料：汽油、柴油、燈用煤油、噴氣燃料、重質燃料油。潤滑劑：潤滑油和潤滑脂。石油瀝青：道路瀝青和建筑瀝青。石油蠟：液體石蠟、石油脂、石蠟、微晶蠟。石油焦炭：電極焦炭、燃料焦炭等。溶劑與化工原料：芳烴溶劑、溶劑油等。第一節(jié)汽油一、汽油機的工作過程1.汽油機的構造及其工作原理汽油機又稱點燃式發(fā)動機，主要用于輕型汽車、螺旋槳飛機和快艇等。圖5-1-1汽油機(點燃式發(fā)動機)的原理構造圖1-浮子室;2-浮子;3-針形閥;4-導管;5-噴嘴;6-喉管;7、8-節(jié)氣閥;9-混合室;10-活塞;11-火花塞;12-進氣閥;13-排氣閥;14-彈簧上止點：活塞在氣缸中上行所能達到的最高位置，此時氣缸中的容積為燃燒室的體積V2

。下止點：活塞在氣缸中下行所能達到的最低位置，此時氣缸中的容積為氣缸的總體積V1。壓縮比:V1/V2，表征汽油發(fā)動機性能的一個重要指標。沖程：從上止點到下止點的直線距離。圖5-1-2汽油機上止點與下止點示意圖圖5-1-3單缸四沖程汽油機工作循環(huán)1-化油器;2-進氣門;3-火花塞;4-排氣門;5-活塞;6-連桿;7-曲軸

進氣過程

壓縮過程做功過程

排氣過程進氣過程：活塞又上止點運行到下止點，活塞上方的容積增大，氣缸內壓力降低；汽油在喉管處與空氣混合，然后進入混合室；在混合室內汽油開始氣化并與空氣形成可燃性混合氣。進氣閥啟開，可燃性混合氣經進氣閥進入氣缸，被氣缸和活塞等高溫機件及殘余廢氣加熱，進氣終了的混合氣溫度T可達85～130℃。壓縮過程：活塞由下止點運行至上止點，進氣閥與排氣閥關閉，氣缸內可燃性混合氣被壓縮，溫度與壓力逐漸升高。壓縮終了時，可燃性混合氣的溫度與壓力取決于壓縮比，一般壓力P=0.7～1.5MPa，溫度T=300～450℃。做功過程（點火燃燒）：壓縮終了時，活塞接近上止點，火花塞發(fā)出電火花即刻點燃混合氣，混合氣劇烈燃燒，火焰以20～30m/s的速度向四周傳播。燃燒產生大量的熱能，使氣缸內的溫度和壓力驟增，最高溫度可達2000～2500℃，最高壓力可達3.0～4.0MPa。高溫高壓氣體使活塞由上止點運行至下止點。活塞的運動通過連桿使曲軸旋轉而對外做功。活塞達到下止點時，做功過程結束，燃氣的溫度降至900～1200℃，壓力降至0.4～0.5MPa。

排氣過程：做功結束后，排氣閥啟開，活塞由下止點運行至上止點。燃燒后的廢氣被排出氣缸，排出的廢氣溫度為700～800℃。汽油機經歷進氣、壓縮、膨脹做功和排氣四個過程之后，汽油機完成一個工作循環(huán)，緊接著進入下一個工作循環(huán)，如此周而復始，往復進行。一般汽油機都是由四個或六個氣缸按一定順序組合而連續(xù)進行工作的。汽油機對其燃料的要求：蒸發(fā)性能良好；燃燒性能良好，不產生爆震；儲存安定性好，生成膠質的傾向??；對發(fā)動機沒有腐蝕性。二、汽油的蒸發(fā)性汽油的蒸發(fā)性是汽油最重要的特性之一。要求汽油在進入氣缸之前，能迅速氣化并與空氣形成可燃性混合氣。一般汽油在進氣管中的停留時間為0.005～0.05秒，在氣缸中的停留時間為0.02～0.03秒。要想使汽油在如此短的時間內與空氣形成均勻的可燃性混合氣，汽油的蒸發(fā)性好壞是決定性的因素，只有當汽油具有良好的蒸發(fā)性時，發(fā)動機才能正常運轉。如果汽油的蒸發(fā)性太差，汽油氣化不完全，導致汽油機的功率降低，起動和加速都較困難。如果汽油的蒸發(fā)性太強，汽油在輸油管中因氣化而產生氣阻，造成供油不足。反映汽油蒸發(fā)性能的質量指標是餾程和飽和蒸氣壓。1.餾程餾程在一定程度上能大體反映汽油的沸點范圍和蒸發(fā)性能。（1）10%的餾出溫度表示汽油中低沸點組分含量。對汽油機的起動難易具有決定性的影響。與產生氣阻有密切的關系。表5-1-1汽油的10%餾出溫度與發(fā)動機迅速起動的最低溫度的關系10%餾出溫度，℃546066717782最低起動溫度，℃-21-17-13-9-6-2表5-1-2汽油10%餾出溫度與開始產生氣阻溫度的關系10%餾出溫度，℃4050607080開始產生氣阻溫度，℃-13+7+27+47+6710%餾出溫度越低，低沸點組分越多，蒸發(fā)性越強，汽油機起動時的溫度越低，但開始產生氣阻的溫度也越低，因而在冬季有利于起動，而在炎熱的夏季卻容易產生氣阻。10%餾出溫度越高，汽油機冬季起動較困難，但在夏季卻不容易產生氣阻。我國車用汽油10%餾出溫度不高于70℃。（2）50%的餾出溫度表示汽油的平均蒸發(fā)性能，與汽油機起動后升溫時間長短以及加速是否及時有密切關系的質量指標。50%餾出溫度低，在正常溫度下汽油能較多地蒸發(fā)，起動時參加燃燒的汽油數(shù)量就多，發(fā)出的熱量較多，可縮短汽油機的升溫時間，即發(fā)動機預熱較快，加速性能良好，運轉平穩(wěn)柔和，也不致熄火，同時耗油量也降低。50%餾出溫度過高，使汽油機在加速過程中的供油量急劇增加而導致大部分汽油不能氣化，燃燒不完全，嚴重時還會突然熄火。我國車用汽油規(guī)定50%餾出溫度不高于120℃。（3）90%餾出溫度和干點（終餾點）表示了汽油中重組分含量的多少，與燃料的燃燒是否完全和發(fā)動機磨損有一定關系的質量指標。90%餾出溫度和終餾點過高，重組分較多，它們不能完全蒸發(fā)和燃燒，容易形成積炭，排氣冒黑煙，導致油耗增加，燃料的使用效率降低。同時沒有蒸發(fā)的汽油重組分流入曲軸箱稀釋潤滑油而加大汽油機活塞的磨損。表5-1-3汽油干點與發(fā)動機活塞磨損及汽油消耗量的關系汽油干點℃發(fā)動機活塞相對磨損%汽油相對消耗量%1759798200100100225200107250500140汽油的干點越高，發(fā)動機活塞的磨損越大，油耗越高。我國車用汽油規(guī)定90%餾出溫度不高于190℃，干點不高于205℃。2.飽和蒸氣壓汽油飽和蒸氣壓的定義：又稱雷德蒸氣壓，是氣、液兩相的體積比為4∶1時，在38℃下兩相達到平衡時燃料蒸氣的最大壓力。汽油的飽和蒸氣壓是蒸發(fā)性好壞的重要質量指標，蒸氣壓越大，表明汽油的蒸發(fā)性越好。蒸氣壓主要是由汽油中的輕質組分所產生，蒸氣壓高，表明汽油中含有較多的低分子組分，容易在發(fā)動機供油系統(tǒng)中產生氣阻，在儲存和運輸過程中較易產生蒸發(fā)損失，著火的危險性也較大，因而蒸氣壓可以作為衡量汽油機燃料供給系統(tǒng)是否產生氣阻傾向的指標，也可相對衡量汽油在儲存和運輸過程中的損耗傾向和安全性。我國車用汽油規(guī)定：冬用型(9月1日～2月28日)：RVP≤80或88KPa夏用型(3月1日～8月31日)：RVP≤67或74KPa。三、汽油的安定性汽油安定性的定義：汽油在常溫和液相條件下抵抗氧化的能力。安定性差的汽油，在儲存和運輸?shù)倪^程中易發(fā)生氧化反應生成膠質，使油品顏色變深，并產生膠狀沉淀。安定性差的汽油產生的后果：油箱、濾網、氣化器中形成膠狀物，影響供油。沉積在電火花塞上的膠質在高溫下形成積炭而短路。沉積在進、排氣閥上的積炭，導致閥門關閉不嚴。沉積在氣缸蓋、活塞上的積炭，造成氣缸散熱不良，溫度升高，以致增大爆震燃燒的傾向。1.烴類的液相氧化機理由于汽油的氧化安定性涉及烴類的液相氧化機理，烴類液相氧化的理論基礎：巴赫-恩格勒的過氧化物理論和謝苗諾夫的自由基鏈反應的理論是烴類液相氧化過程的基礎。烴類液相氧化的定義：在低于烴類沸點的溫度下烴類自身進行的氧化反應，通常是在常溫下進行，因而也稱自動氧化。烴類的液相氧化遵循自由基鏈反應機理。

鏈引發(fā)：烴類分子受氧分子的攻擊如果存在變價金屬鏈增長：鏈的退化分支：烴類氧化是一種具有退化分支的鏈反應，即生成的過氧化物ROOH繼續(xù)分解。生成的自由基如RO和R還可以引發(fā)新的鏈反應。過氧化物ROOH的反應活性大大低于自由基，因而還可以轉化成穩(wěn)定產物如醛、酮、醇等。由于分支鏈反應的速度比較緩和，故稱之為退化分支鏈反應。鏈的終止：由于自由基相互之間結合而消失。圖5-1-4烴類液相氧化反應速率曲線烴類液相氧化分為三個階段:誘導期：燃料與氧氣接觸后沒有發(fā)生明顯變化的一段時間，在此階段氧化反應速度很慢，氧化產物生成較少。加速期：氧化反應加速進行，氧化產物迅速增加。平緩期：氧化反應速度減緩或趨于停止。圖5-1-5烴類液相氧化產率曲線在誘導期，自由基較少，氧化中間產物ROOH濃度較低，氧化的退化分支反應鏈不多，氧化反應進行緩慢。在加速期，自由基和過氧化物濃度較大，退化分支鏈迅速發(fā)展，氧化反應加速進行，氧化產物的濃度急劇增加。在平緩期，由于反應物和過氧化物大量消耗，二者濃度降低，氧化反應速度減緩或趨于停止。2、汽油的化學組成與其安定性的關系影響汽油安定性根本原因是其化學組成。在常溫及液相條件下，汽油中的烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴不易發(fā)生氧化反應。不飽和烴容易發(fā)生氧化、分解和聚合、縮合反應生成膠質，是導致汽油不安定的主要根源。生成膠質的傾向如下：二烯烴>環(huán)烯烴>鏈烯烴汽油中的硫酚和硫醇對促進膠質的生成有很大作用，含氮化合物也會導致膠質的生成。在各種汽油中，直餾汽油的安定性很好，而熱加工如催化裂化汽油和焦化汽油因含有較多的烯烴，其安定性較差。3、外界條件對汽油安定性的影響汽油的變質除了與本身的化學組成有關外，還與許多外界條件有關，如溫度、金屬表面的作用、與空氣的接觸面積等。（1）溫度溫度升高，汽油中的烴類分子受熱而產生的最初自由基濃度增加，促使鏈反應變得容易。同時還會使分子運動速度增加，加速了汽油中烴類分子與氧分子反應以及過氧化物分解，因而汽油誘導期縮短，生成膠質的傾向增大。

（2）金屬表面的作用液體燃料在儲存、運輸及使用過程中，不可避免地要和不同的金屬表面接觸。汽油在金屬表面的作用下，顏色容易變深，膠質的生成速度也特別快。金屬銅25鐵71鋅79鋁83錫85表5-1-4金屬表面對汽油氧化誘導期的影響有金屬存在時的誘導期原誘導期

%在所列的各種金屬中銅具有最大的催化活性，它使汽油的誘導期降低75%，鐵、鋅、鋁、錫也能使汽油的誘導期縮短，安定性降低。在汽油的氧化過程中金屬表面只是對燃料中存在的抗氧劑起消耗或破壞作用，而對純烴類包括不飽和烴的氧化實際上沒有影響。原因可能是抗氧劑被吸附在金屬表面，從而限制了抗氧劑對燃料氧化的抑制作用。（3）與空氣的接觸面積汽油與空氣的接觸面積越大，氧化生成膠質的傾向也越大。（4）水分的影響儲存中水分對汽油的氧化變質有不良影響，如果汽油中含有水，膠質生成的速度比沒有水要快得多。4、評定汽油安定性的指標（1）碘值定義：利用碘與不飽和烴的加成反應，測定汽油中的不飽和烴含量。以100克樣品消耗碘的克數(shù)來表示，即gI2/100g。碘值越大，汽油中不飽和烴含量越高，其安定性越差。（2）實際膠質定義：在150℃的溫度下，用熱空氣吹過汽油表面，使它蒸發(fā)至干，所留下的棕色或黃色殘余物就是實際膠質，以100mL試油中所得的殘余物的毫克數(shù)來表示。實際膠質可用來表征進氣管道和進氣閥上可能生成沉積物的傾向。（3）誘導期

定義：把一定量的油樣放入標準鋼筒中，充入氧氣至0.7MPa，放入100℃的水中，從油樣放入100℃的水中開始到氧壓明顯降低所經歷的時間即為誘導期，以分鐘表示。誘導期較長的汽油在儲存時膠質的生成速度較慢，宜于長期保存。表5-1-5車用汽油誘導期與膠質變化的關系項目汽油Ⅰ汽油Ⅱ誘導期，分270360實際膠質mg/100mL出廠時0.40.4一年后22.04.6二年后32.08.8三年后95.610.4四、汽油的抗爆性抗爆性：衡量燃料是否易于發(fā)生爆震的性質。1、汽油機的正常燃燒與爆震燃燒（1）汽油機的正常燃燒

焰前反應：在汽油機的壓縮過程中，可燃混合氣的溫度和壓力上升很快，汽油開始發(fā)生氧化反應并生成一些過氧化物?；鸹ㄈc火后，在火花附近的混合氣溫度急劇增加，出現(xiàn)最初的火焰中心。①燃燒初期火焰中心形成之后，發(fā)生火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象?；鹧娴那颁h逐層向未燃混合氣推進，未燃混合氣因受到熱輻射而導致其溫度升高，同時已燃混合氣因燃燒膨脹而壓縮未燃混合氣導致其壓力也升高。②燃燒期這樣火焰以球面形狀向周圍擴散，使燃料逐層發(fā)火燃燒，直到絕大部分燃料燃盡為止?；鹧?zhèn)鞑ニ俣葹?0～30m/s，壓力變化也比較平緩。

③補燃期由于混合氣中燃料與空氣的混合和分布不可能完全均勻，所以明顯燃燒期以后和膨脹過程中，仍然有少量的未燃氣體或燃燒不完全的產物在繼續(xù)燃燒，直到燃燒結束為止。汽油機正常燃燒時，發(fā)動機工作平穩(wěn)柔順，動力和經濟性能均較好。（2）汽油機的爆震燃燒

①爆震現(xiàn)象

汽油在發(fā)動機中燃燒不正常時，會出現(xiàn)機身強烈振動的情況，并發(fā)出金屬敲擊聲，同時發(fā)動機功率下降，排氣管冒黑煙。嚴重時還會導致機件損壞，又稱為敲缸或爆燃。爆震燃燒的產生過程：在燃燒過程的后期，火焰中心在氣缸的傳播過程中，未燃混合氣因受到已燃混合氣的熱輻射和壓縮，導致其溫度和壓力急劇升高，氧化反應的速度加快，形成大量的過氧化物并發(fā)生分解反應。在最初的火焰前鋒尚未到達之前，未燃混合氣的局部溫度已超過其自燃點而發(fā)生爆炸性燃燒，這樣就出現(xiàn)兩個或多個燃燒中心，火焰前鋒不象正常燃燒時的那樣逐層推進，而是對立推進，產生爆震波，同時氣缸內局部的溫度和壓力急劇升高。②爆震燃燒的特征

爆震波的推進速度：2000～2300m/s燃氣局部壓力：10MPa以上氣缸內的局部溫度：2000～2500℃③汽油爆震燃燒的危害爆震波撞擊燃燒室壁、活塞頂、氣缸壁，引起震動，并發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，機件磨損增加，發(fā)動機因局部過熱而被燒壞。燃料燃燒不完全而冒黑煙，造成燃料的浪費，能耗增加，發(fā)動機功率降低。燃料燃燒不完全的產物排放到大氣中后，會造成環(huán)境的污染。④汽油爆震燃燒產生的原因

原因之一：燃料的性質是產生爆震的內因，在發(fā)動機構造已確定的情況下，燃料抗爆性的好壞對產生爆震具有決定性的影響，如果燃料的自燃點越低，其抗爆性越差，產生爆震的傾向也就越大。原因之二：發(fā)動機的構造與發(fā)動機的壓縮比有密切的關系。與發(fā)動機的著火提前角有關。與氣缸尺寸、燃燒室形狀及火花塞位置有關。（3）正常燃燒與爆震燃燒之間的比較

項目正常燃燒爆震燃燒Tmax，℃1800～20002000～2500Pmax，Mpa3～410～16火焰?zhèn)鞑ニ俣?m/s20～302000～23002、評定汽油抗爆性的指標汽油的抗爆性是用辛烷值（OctaneNumber，簡稱ON）來表示的，辛烷值越高，抗爆性越好。（1）辛烷值的定義

規(guī)定如下的標準燃料：抗爆性很好的異辛烷的ON=100抗爆性很差的正庚烷的ON=0兩種物質以不同的體積比混合可得到一系列的標準燃料，標準燃料中異辛烷的體積百分數(shù)就是其辛烷值。

將待測汽油與一系列辛烷值不同的標準燃料在標準試驗用單缸發(fā)動機上進行對比，與所測汽油抗爆性相同的標準燃料的辛烷值就是所測汽油的辛烷值。（2）車用汽油辛烷值的測定方法

測定方法主要有兩種：馬達法辛烷值（簡稱MON）研究法辛烷值（簡稱RON）用研究法測定時，由于發(fā)動機的轉速和混合氣溫度與馬達法相比都較低，因而所得的RON比MON要高5～10個單位。還有兩種表示汽油辛烷值的方法：道路辛烷值：是用汽車進行實測或在試驗機上模擬汽車的行車條件而測得的，它介于MON與RON之間。抗爆指數(shù)：為MON和RON的平均值，可近似表示汽車的道路辛烷值，也是衡量車用汽油抗爆性的指標之一。3、汽油的抗爆性與其化學組成的關系（1）各族烴類的辛烷值汽油的抗爆性取決于其化學組成。表5-1-6各族烴類的辛烷值烴類研究法（RON）馬達法（MON）正戊烷62622-甲基丁烷92902,2-二甲基丙烷8580正己烷25262-甲基戊烷73732,2-二甲基丁烷9293正庚烷002-甲基己烷42462,2-二甲基戊烷93962,2,3-三甲基丁烷>100>100烴類研究法（RON）馬達法（MON）正辛烷----172-甲基庚烷22132,2-二甲基己烷72772,2,3-三甲基戊烷1001002,2,4-三甲基戊烷1001001-己烯76632-己烯93814-甲基-2-戊烯99841-辛烯29352-辛烯5656續(xù)表5-1-6各族烴類的辛烷值烴類研究法（RON）馬達法（MON）3-辛烯72682,2,4-三甲基-1-戊烯>10086環(huán)戊烷-85甲基環(huán)戊烷9180乙基環(huán)戊烷6761正丙基環(huán)戊烷3128異丙基環(huán)戊烷8176環(huán)己烷8377甲基環(huán)己烷7571乙基環(huán)己烷4641正丙基環(huán)己烷1814續(xù)表5-1-6各族烴類的辛烷值烴類研究法（RON）馬達法（MON）苯>100>100甲苯>100>100二甲苯>100>100乙基苯>10098正丙基苯>10098異丙基苯>100991,3,5-三甲基苯>100>100續(xù)表5-1-6各族烴類的辛烷值同族烴類，其辛烷值隨分子量的增加而降低。分子量相近時，不同烴類辛烷值的大小順序為：芳香烴>異構烷烴和異構烯烴>正構烯烴和環(huán)烷烴>正構烷烴。烷烴的異構化程度越高，其辛烷值也越高。雙鍵越接近烯烴碳鏈的中間位置，其辛烷值越高；異構化程度越高的烯烴，辛烷值也越高。環(huán)烷烴的環(huán)上若帶正構烷基側鏈，其辛烷值降低，正構烷基側鏈越長，辛烷值越低；環(huán)上若帶異構烷基側鏈，其辛烷值有所增加。許多芳香烴的辛烷值都大于100，帶烷基側鏈的芳香烴辛烷值有所降低，側鏈越長，其辛烷值越低。

（2）各種汽油的辛烷值

①直餾汽油的辛烷值原油不同沸程直餾汽油的MONIBP～130℃IBP～180℃IBP～200℃大慶534237勝利635855大港625450華北524441江漢63.55552雙喜嶺---6260表5-1-7直餾汽油的辛烷值與餾分輕重的關系同一種原油的直餾汽油，餾分越輕，其抗爆性越好。不同基屬原油的直餾汽油，石蠟基原油的辛烷值低高，環(huán)烷基原油最高，中間基原油的辛烷值介于二者之間。由于直餾汽油的抗爆性達不到車用汽油抗爆性的要求，為此必須與辛烷值較高的組分進行調合后方可出廠。②催化裂化汽油催化裂化裝置是我國煉油廠中僅次于常減壓裝置的最重要的原油二次加工裝置，催化裂化汽油是我國目前車用汽油的主要來源，占80％以上，由于它含有較多的芳烴、異構烷烴和烯烴，因而其抗爆性較好，RON為88～90。③催化重整及烷基化汽油催化重整汽油因含有較多的芳烴和異構烷烴，因而其RON可達90以上。烷基化汽油的主要組分是異辛烷，因而其抗爆性很好，RON可達93～96。催化重整汽油和烷基化汽油都是高辛烷值汽油的調合組分。④熱轉化汽油由于熱轉化（熱裂化、延遲焦化、減粘裂化）過程的汽油含有較多的烯烴和二烯烴，其安定性相當差，抗爆性也不是很好，因而基本不用作車用汽油。4、汽油機的壓縮比與爆震燃燒的關系汽油機是否產生爆震燃燒，除了與汽油的抗爆性有關外，還與汽油機的壓縮比有密切的關系。表5-1-8汽油機壓縮比對混合氣溫度和壓力的影響壓縮比6789101112壓縮后溫度，℃387426457490518540558壓縮后壓力,MPa1.051.301.661.952.242.552.85注：壓縮前混合氣溫度為100℃，壓力為0.1MPa。壓縮比越大，壓縮終了時的混合氣的溫度和壓力越高，產生爆震的傾向越大。汽油機的壓縮比越大，所需汽油的辛烷值就越高。壓縮比6810相對熱效率，%100114120相對油耗，%1008883表5-1-9汽油機壓縮比與熱效率和油耗的關系壓縮比越高，汽油機熱效率越高，油耗越低。汽車的發(fā)展方向是提高汽油機的壓縮比，汽車的發(fā)展對于汽油的要求就是提高汽油的辛烷值。五、我國汽油的牌號車用汽油與航空汽油均按辛烷值劃分牌號。車用無鉛汽油：90#、93#、95#，它們的RON分別不小于90、93、95。其中硫含量的指標不大于0.05m%。航空汽油：75#、95#、100#，它們的RON分別不小于75、95、98.6。其中硫含量的指標不大于0.05m%。六、新配方汽油從汽油的餾分組成上看，餾分越輕，其抗爆性越好。從汽油的化學組成上看，芳烴、異構烷烴、烯烴是高辛烷值汽油組分，加入四乙基鉛也可改善汽油的抗爆性能。在二十世紀的30～70年代煉油工業(yè)一直是遵循這個方向來生產高辛烷值汽油的。內燃機排放的尾氣中因含有大量的CO、CO2、SO2、SO3、NOx、揮發(fā)性有機物等，這是造成空氣污染的元兇之一，尤其是與烴類在日光作用下發(fā)生光化學反應生成臭氧和光化學煙霧。從環(huán)境保護的角度來看：含鉛汽油中的四乙基鉛是危害人體健康的劇毒物質，汽油中的各種芳烴也對人體具有毒害作用。因此上述有些提高汽油辛烷值的方法是與環(huán)境保護和維護人體健康背道而弛的。近年來，各國政府都已意識到，環(huán)境保護與經濟發(fā)展同樣重要，因而對環(huán)保的要求也越來越高。為了保護環(huán)境，必須限制汽油中的芳烴含量和禁止使用含鉛汽油。目前我國已開始禁止使用含鉛車用汽油，對車用汽油中的芳烴含有也開始限制，規(guī)定汽油中的芳烴含量不得超過40v%，苯含量不能大于2.5v%，但是汽油的抗爆指數(shù)不能低于87。為了滿足汽油的質量達到從環(huán)境保護角度提出的苛刻要求，而且還具有良好的抗爆性能，美國首先提出了要使用新配方汽油的。采取的主要措施就是在汽油中加入一定量的醚類化合物，如甲基叔丁基醚（MTBE）、乙基叔丁基醚（ETBE）、叔戊基甲基醚（TAME）等。表5-1-11幾種醚類化合物的性質性質甲基叔丁基醚(MTBE)乙基叔丁基醚(ETBE)叔戊基甲基醚(TAME)相對密度0.7410.7500.750RON118118115MON101101100氧含量,m%18.215.715.7沸點,℃55.372.886.3蒸汽壓,kPa514022醚類化合物作為汽油組分具有如下的特點：優(yōu)點：辛烷值高；燃燒性能良好，熱效率高；醚類的蒸氣壓低，揮發(fā)損失??；醚類與烴類完全互溶；具有良好的化學穩(wěn)定性。缺點：醚類的價格比汽油要高；氧化物含量較高時，可能會增加氮氧化物和醛的排放。新配方汽油規(guī)定其含氧量不低于2.0%。七、醇類汽油機燃料實際上，除了使用醚類氧化物作為新配方汽油的調合組分外，長期以來醇類如甲醇和乙醇也是高辛烷值汽油的調合組分和汽油的替代燃料。項目甲醇乙醇一般汽油相對密度0.7910.7890.72～0.78蒸發(fā)壓(37.8℃),bar0.350.160.6～0.9沸點,℃64.778.320～200在水中溶解度,ppm完全互溶完全互溶～200理論空氣燃料,kg/kg6.59.0～14.7低發(fā)熱值,MJ/kg20.027.7～42.7閃點,℃1113～-43燃燒極限,v%6.7～36.04.3～19.01.4～7.6蒸發(fā)熱,kJ/kg～1102～839～330表5-1-12醇類與一般汽油的性質甲醇與乙醇在燃燒過程中不易生成積炭或冒黑煙，排放的尾氣中污染物較少。醇類燃料由于含氧量較低，其低熱值比汽油低很多，其沸點較低，易于蒸發(fā)，比汽油更容易產生氣阻。甲醇毒性較大，一般不使用甲醇作燃料。目前我國已經開始使用車用乙醇汽油和變性燃料乙醇。第二節(jié)柴油柴油是壓燃式發(fā)動機的燃料，根據(jù)柴油機的轉速，應使用不同類型的柴油。1000r/min以上的柴油機使用輕柴油，而1000r/min以下的柴油機使用重柴油。柴油機主要應用于農用機械、重型車輛、坦克、鐵路機車、船舶艦艇、工程礦山機械等。一、柴油機的工作過程圖5-2-1柴油機的原理構造圖1-油箱;2-粗過濾器;3-輸油泵;4-細過濾器;5-高壓油泵;6-噴油嘴；7-空氣濾清器;8-進氣管;9-氣缸;10-活塞;11-進氣閥;12-排氣閥;13-排氣管;14-消聲器;15-連桿;16-曲軸;17-曲軸箱

進氣過程

壓縮過程做功過程

排氣過程圖5-2-2柴油機的工作循環(huán)柴油機和汽油機的工作循環(huán)是一樣的，都包括進氣、壓縮、膨脹做功、排氣四個過程。雖然柴油機與汽油機的工作循環(huán)是一樣的，但是二者之間有本質的差別。項目柴油機汽油機壓縮比16～208～10壓縮終了溫度,℃500～700300～450壓縮終了壓力,MPa3～50.7～1.5供油方式高壓油泵直噴汽化器啟燃方式自燃電火花點燃進入氣缸的氣體空氣油氣混合氣壓縮的氣體空氣油氣混合氣燃燒氣體的最高溫度,℃1500～20002000～2500燃燒氣體的最高壓力,MPa5～123～4相同功率下的相對油耗,%70～80100表5-2-1柴油機與汽油機工作過程的比較由于柴油機與汽油機的這些差別導致了柴油與汽油的質量指標顯著不同。目前不少柴油機都采用了增壓技術，將進入氣缸的空氣預先進行壓縮，提高進入氣缸內空氣的密度，增加充氣量，從而可以提高柴油機的功率和經濟性。由于氣缸內的柴油燃燒的溫度提高，可以降低CO以及未燃烴等污染物的排放量，有利于保護環(huán)境。柴油機對燃料的使用要求：良好的燃燒性能良好的蒸發(fā)性能和霧化性能適當?shù)恼扯群土己玫牡蜏匦阅芰己玫膬Σ匕捕ㄐ院蜔岚捕ㄐ詫Πl(fā)動機沒有腐蝕和磨損作用二、柴油的燃燒性柴油良好的燃燒性能是指柴油噴入燃燒室內與空氣形成均勻的可燃混合氣之后，能在較短的時間內發(fā)火自燃并正常完全燃燒。1、柴油機內柴油的燃燒過程柴油在柴油機內的燃燒過程大體分為四個階段（從噴油開始到全部燃燒為止），即滯燃期、急燃期、緩燃期、后燃期。圖5-2-3柴油機中氣缸壓力變化1-滯燃期2-急燃期3-緩燃期（1）滯燃期（發(fā)火延遲期）

指從噴油開始到混合氣著火燃燒為止，即圖中的A-B段，時間極短，只有1～3毫秒，此段包含兩個過程：物理延遲：在氣缸中霧化、受熱、蒸發(fā)、擴散、并與空氣混合而形成可燃性混合氣?；瘜W延遲：受熱后開始進行燃燒前的氧化鏈反應，即焰前氧化，生成一些過氧化物。雖然發(fā)火延遲期分為物理延遲和化學延遲兩個過程，但應該看到，這二者的時間是部分重疊的，因為蒸發(fā)和氧化是相互影響，交錯進行的。滯燃期時間雖短，但對發(fā)動機的工作有決定性的影響，因為在這一時期結束后，氣缸內已積累了一定量的柴油，而且經歷了不同程度的物理和化學準備，一旦發(fā)火，燃燒極為迅速。如果滯燃期過長，發(fā)火前噴入的柴油多，自燃開始后大量的柴油在氣缸內同時燃燒，導致氣缸內的溫度與壓力急劇升高，造成發(fā)動機工作粗暴，嚴重時還會敲缸?？s短柴油的滯燃期有利于改善柴油機的燃燒性能。這就要求：柴油的自燃點低。發(fā)動機具有較高的壓縮比。進氣溫度高。減小噴霧顆粒直徑，改善霧化條件。（2）急燃期（速燃期）柴油開始燃燒到氣缸內的壓力不再升高為止，即圖中的B—C段，這個階段是柴油的急燃階段。在滯燃期的末期，氣缸內已噴入大量的柴油，由于受到被高度壓縮的空氣加熱，細小的油粒完全蒸發(fā)，噴入較晚的或較大油粒也大部分蒸發(fā)呈氣體狀態(tài)，氣缸內的混合氣進行了不同程度的氧化反應，當混合氣的氧化反應達到一定程度時就開始著火，即轉入急燃期。燃料發(fā)火后，不僅氣缸內積累的燃料迅速燃燒，而且噴入的燃料也迅速參與燃燒，此時燃燒速度極快，單位時間內放出的熱量很多，氣缸內的溫度與壓力上升很快。急燃期中壓力升高的速率大小對于發(fā)動機的工作影響很大，如果壓力升高速率太快，發(fā)動機工作就會出現(xiàn)粗暴現(xiàn)象，嚴重時氣缸內會發(fā)出金屬敲擊聲（敲缸）。敲缸會給發(fā)動機帶來很大危害：使發(fā)動機動力不足，功率下降；排氣冒黑煙，耗油率增加；曲軸連桿機構受到很大沖擊，加劇機件的磨損，嚴重時會影響發(fā)動機工作的可靠性和使用壽命。滯燃期短，壓力上升平穩(wěn)，發(fā)動機工作柔和；滯燃期長，著火前噴入的柴油過多，一旦燃燒后，溫度、壓力急劇升高，發(fā)動機工作粗暴。急燃期中壓力升高的速率取決于柴油滯燃期的長短：（3）緩燃期（主燃期）是指氣缸內壓力不再急劇升高到壓力開始迅速下降的這段時間，為圖中的C—D段。這是燃燒的主要階段，約有50～60%的燃料是在這段時期內燃燒的。緩燃期的特點：氣缸內壓力變化不大，在后期還稍有降低，Pmax=5～12MPa。溫度持續(xù)升高到最高值后開始下降，而且溫度的最高值一般在壓力達到最高值之后出現(xiàn)，Tmax=2000℃。在緩燃期，由于壓力和溫度都很高，這時噴入的燃料發(fā)火延遲期大大縮短，幾乎是隨噴隨著火。大部分柴油在緩燃期內被燃燒，從而使柴油機獲得較大的功率和較高的效率。為了保證達到上述目的，在緩燃期應努力改善柴油與空氣的混合程度，采用過量的空氣，以提高燃料的燃燒速度，使燃燒反應趨于完全，以釋放出最大的熱量。（4）后燃期指壓力迅速降低到燃燒結束為止的這段時期，為圖中的D-E段，這是燃燒的最后階段。在后燃期，噴油雖已停止，但氣缸內尚有未燃燒完的燃料仍在繼續(xù)燃燒，此時的燃燒是在膨脹過程中完成的，因而壓力和溫度都在逐漸下降。顯然，應使后燃期盡量縮短，避免過多的燃料在膨脹過程中燃燒，還會使排氣溫度升高，通過氣缸壁損失的熱量增加，燃料熱能的利用效率降低。因此后燃期中釋放的熱量不易超過燃料燃燒釋放的全部熱量的20%。（5）柴油與汽油燃燒過程的比較柴油在柴油機中的燃燒與汽油在汽油機中的燃燒有本質的區(qū)別：汽油與柴油的啟燃方式不同，前者是靠點燃，而后者是靠柴油本身的自燃。發(fā)生敲缸的時間不一樣，汽油的爆震燃燒是在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，即在燃燒的后期，而柴油的粗暴燃燒發(fā)生在燃燒的初期（即急燃期）。對汽油要求其自燃點高，而要求柴油的自燃點要低。（6）汽油機爆震與柴油機工作粗暴性的區(qū)別圖5-2-4汽油機爆震與柴油機工作粗暴性的比較表5-2-2汽油機與柴油機工作粗暴性的比較汽油機柴油機爆震現(xiàn)象敲缸、燒壞機件、冒黑煙、功率降低、油耗增加燃燒粗暴、敲缸、燒壞機件、冒黑煙、功率降低、油耗增加爆震時間燃燒的中后期（火焰?zhèn)鞑ミ^程中）燃燒的初期（滯燃期和急燃期）爆震原因自燃點太低，著火前就形成了過多的過氧化物自燃點太高，不能產生足夠多的過氧化物，使滯燃期過長壓縮比對爆震的影響壓縮比大，容易產生爆震。壓縮比小，容易產生工作粗暴性。2、影響柴油燃燒的主要因素（1）柴油的理化性質影響柴油機燃燒過程最重要的因素之一是柴油的理化性質，其中主要是柴油的發(fā)火性能和蒸發(fā)性能。（2）柴油的霧化質量柴油的霧化質量良好，可以縮短燃料發(fā)火的物理延遲時間，使發(fā)動機工作平穩(wěn)，同時還有利于燃料和空氣混合均勻。霧化質量的好壞取決于燃料的粘度和表面張力的大小。（3）氣缸的熱狀態(tài)壓縮終了時氣缸內的溫度和壓力如果較高，則燃料著火前的化學反應速度很快，發(fā)火延遲期較短，發(fā)動機工作柔和，否則發(fā)動機工作粗暴。氣缸內壓縮空氣的溫度和壓力的高低取決于發(fā)動機的壓縮比的大小。（4）噴油提前角

如果開始噴油時間過早，活塞還在壓縮過程中柴油就已經開始燃燒，這樣燃燒氣體就給活塞以很大的反壓力，使柴油機工作粗暴，功率和經濟性降低。開始噴油時間過晚，燃燒不完全，后燃嚴重，排氣中易冒黑煙，油耗增加。3、評定柴油發(fā)火性能的指標—十六烷值十六烷值（簡稱CN）是衡量柴油在壓燃式發(fā)動機中發(fā)火性能的指標。（1）柴油的十六烷值與其燃燒性能的關系

十六烷值高，自燃點低，滯燃期短，燃料的發(fā)火性能好，燃燒完全，發(fā)動機工作平穩(wěn)。十六烷值低，自燃點高，滯燃期長，燃料發(fā)火燃燒困難，發(fā)動機工作粗暴。十六烷值過高，自燃點很低，燃燒過程中形成的過氧化物太多，自燃速度極快，燃料來不及燃燒就隨廢氣排出。為了保證柴油具有良好的自燃性，高速柴油機所用的柴油十六烷值在45～50之間為宜。我國車用柴油質量標準規(guī)定，其十六烷值不能低于45。（2）十六烷值的測定方法人為規(guī)定標準燃料：正十六烷的CN=100；-甲基萘的CN=0。將這兩種標準燃料按不同的體積比混合，即可配成不同十六烷值的標準燃料，其正十六烷的體積百分數(shù)即表示該標準燃料的十六烷值。把待測燃料與標準燃料在標準的單缸試驗機上進行比較，與發(fā)火性能相同的標準燃料的十六烷值即為所測燃料的十六烷值。（3）柴油十六烷值的經驗計算公式

柴油指數(shù)DI：柴油的苯胺點越高，表明柴油中的芳烴含量越低，烷烴含量越高，因而其柴油指數(shù)就越高。相對密度越大，芳烴含量越高，柴油指數(shù)越低。十六烷指數(shù)CI十六烷值CN4、柴油十六烷值與其化學組成的關系（1）各族烴類的十六烷值表5-2-3烴類的十六烷值烴類名稱十六烷值正庚烷55正辛烷63正十二烷72正十四烷96正十六烷100續(xù)表5-2-3烴類的十六烷值烴類名稱十六烷值3-甲基癸烷474,5-二乙基辛烷202,2,4,6,6-五甲基庚烷97,8-二甲基十四烷40七甲基壬烷157,8-二乙基十四烷679,10-二甲基十八烷609,10-二丙基十八烷47續(xù)表5-2-3烴類的十六烷值烴類名稱十六烷值1-正十四烯791-正十六烯885-丁基-4-十二烯46十氫萘48正丙基十氫萘35正丁基十氫萘31仲丁基十氫萘34叔丁基十氫萘24正辛基十氫萘31續(xù)表5-2-3烴類的十六烷值烴類名稱十六烷值正己基苯27正庚基苯36正辛基苯51正十二烷基苯58α-甲基萘0α-正丁基萘6β-叔丁基萘3β-正辛基萘18不同的烴類，其十六烷值的關系為：正構烷烴的十六烷值最高，而且分子量越大，十六烷值越高。碳數(shù)相同的異構烷烴十六烷值低于正構烷烴，而且異構化程度越高，十六烷值越低。正構烯烴的十六烷值略低于相同碳數(shù)的正構烷烴。異構烯烴的十六烷值低于同碳數(shù)的正構烯烴，分支越多，十六烷值越低。環(huán)烷烴的十六烷值低于同碳數(shù)的正構烷烴和正構烯烴，帶側鏈的環(huán)烷烴十六烷值更低。無側鏈或短側鏈的芳烴十六烷值最低，而且環(huán)數(shù)越多，十六烷值越低。帶有較長側鏈的芳烴十六烷值相對較高，而且側鏈越長，十六烷值越高。帶直鏈烷基側鏈的芳烴十六烷值高于同碳數(shù)的帶支鏈烷基側鏈的芳烴。（2）各族烴類的自燃點烴類名稱自然點，℃正庚烷259正癸烷253正十六烷235環(huán)己烷200丙基環(huán)戊烷285苯562甲苯536間-二甲苯528萘526甲萘528表5-2-4烴類的自然點正構烷烴的自燃點低，而芳烴的自燃點高，因而正構烷烴的十六烷值高，而芳烴的十六烷值低。燃料的十六烷值與其自燃點的關系如下圖所示。圖5-2-3十六烷值與自燃點的關系曲線（3）柴油的十六烷值與其化學組成的關系

樣品號族組成，m%十六烷值烷烴環(huán)烷烴芳香烴185966627512135536715184544522333254185124表5-2-5柴油的族組成與十六烷值的關系柴油中含烷烴和環(huán)烷烴較多、芳烴含量較少時，其十六烷值較高，而芳烴含量較高，烷烴含量較低時，其十六烷值就較低。表5-2-6各類原油直餾柴油餾分的十六烷值原油餾分柴油指數(shù)十六烷指數(shù)十六烷值類別大慶200～35071.558.468石蠟基勝利180～35064.956.258中間基華北180～35078.263.767石蠟基遼河200～35061.252.0---中間基孤島180～35038.641.242環(huán)烷－中間基羊三木200～35034.438.437環(huán)烷基大慶、華北等石蠟基原油的柴油餾分十六烷值較高，而環(huán)烷基的羊三木原油的柴油餾分十六烷值較低。直餾柴油、減粘裂化柴油、焦化柴油及加氫裂化柴油的十六烷值較高，而催化柴油因含有較多的芳烴，其十六烷值較低。三、柴油的蒸發(fā)性1、柴油的蒸發(fā)性對柴油機工作的影響柴油機正常工作和啟動的前提條件：柴油先氣化，氣化后的柴油蒸氣與空氣形成均勻的可燃混合氣。影響柴油滯燃期的因素：柴油的十六烷值柴油的蒸發(fā)性柴油機內可燃混合氣形成的速度由柴油的蒸發(fā)速度決定，而柴油的蒸發(fā)速度又由燃燒室內空氣的溫度和壓力的高低與柴油餾分的輕重兩個因素來決定。壓縮比越大，壓縮終了時，壓縮空氣的溫度與壓力越高，則噴入的柴油蒸發(fā)速度越快，與空氣形成可燃混合氣的速度也越快。柴油餾分越輕，蒸發(fā)速度越快，柴油蒸氣與空氣形成可燃性混合氣的速度也就越快。柴油餾分過輕，蒸發(fā)速度太快，在極短的時間內形成大量的可燃混合氣發(fā)火燃燒，而使氣缸內的壓力急劇上升，導致柴油機工作不穩(wěn)定。柴油餾分過重，蒸發(fā)速度太慢，來不及在極短的時間內形成混合氣，而使燃燒不完全。柴油餾分過輕或過重對柴油機的工作也有不利影響：所以柴油機使用的柴油餾分不宜過重，也不宜過輕，必須保證發(fā)動機在低溫下容易起動，耗油量少，燃燒良好，同時又不能引起工作粗暴。我國輕柴油的餾程控制在200～380℃。2、評定柴油蒸發(fā)性能的指標（1）餾程主要指標：50%餾出溫度和90%餾出溫度。①50%餾出溫度表5-2-7柴油50%餾出溫度與起動性的關系50%餾出溫度,℃200225250275385發(fā)動機起動時間,s81027609050%餾出溫度越低，柴油中的輕餾分越多，發(fā)動機起動時間越短。我國的輕柴油規(guī)定，50%餾出溫度不高于300℃。表5-2-8柴油中<300℃餾分含量與耗油量的關系柴油中<300℃餾分含量,m%393420相對耗油量,%100114131柴油中<300℃的餾分含量越高，柴油機的油耗越低。②90%餾出溫度90%餾出溫度越低，柴油中的重餾分越少，燃燒越完全。我國的輕柴油規(guī)定90%餾出溫度不能高于355℃。

（2）閉口閃點柴油的閃點太低，不僅其蒸發(fā)性太強，而且還不安全。為了控制柴油的蒸發(fā)性不致太強，在標準中規(guī)定了柴油的閃點，我國輕柴油閉口閃點不得低于45℃，它是保證柴油安全性的質量指標。四、柴油的流動性1、粘度柴油的粘度對柴油機中供油量的大小以及霧化的好壞有密切的關系。粘度過?。阂讖母邏河捅玫闹c泵筒之間的間隙回漏，導致供油不足，功率下降。柴油霧化后的液滴直徑太小，噴出的油流射程太短，與空氣混合不均，導致燃燒不完全。粘度過大：泵送困難，導致供油不足。霧化后油滴直徑過大，噴出的油流射程太長，使油滴的有效蒸發(fā)面積減小，蒸發(fā)速度減慢，導致混合不均勻、燃燒不完全、耗油量增加。柴油的粘度與其化學組成有密切的關系：石蠟基原油的柴油因含較多的烷烴，因而粘度較小。環(huán)烷基原油的柴油因含較多的環(huán)狀烴，因而粘度較大。2、低溫流動性柴油的低溫流動性是關系到柴油在低溫下的供油、儲存和運輸?shù)茸鳂I(yè)能否正常進行的性能。柴油的低溫流動性與其化學組成有關，正構烷烴含量越高，其低溫流動性越差。為了使柴油具有良好的低溫性能，柴油不能含有較多的正構烷烴；而只有一個或兩個支鏈的異構烷烴的凝點較低，又具有較高的十六烷值，因而它是柴油的理想組分。評定柴油低溫流動性能的指標：凝點（或傾點）和冷濾點凝點和傾點是表示油品開始失去流動性的溫度。由于冷濾點的測定條件近似柴油的使用條件，因而可以用它來粗略判斷柴油可能使用的最低溫度。五、柴油的安定性、腐蝕性、潔凈度1、柴油的安定性柴油的安定性包括儲存安定性和熱安定性。柴油在儲存和運輸過程中抵抗氧化變質的能力稱為柴油的儲存安定性，儲存安定性良好的柴油，在儲存和運輸過程中能較好地保持其顏色不變深，實際膠質變化不大，基本上不生成沉淀，宜于長期保存。柴油的熱安定性是指柴油在較高的溫度下抵抗氧化變質的能力。在較高的溫度以及氧氣存在下，柴油中的一些不安定組分會氧化成氧化縮合產物，在高壓油泵、噴油嘴等處形成積炭，導致供油中斷、柴油的霧化質量不良，金屬零件的磨損加劇等危害。柴油安定性的評定指標：實際膠質和10%蒸余物殘?zhí)浚?）實際膠質實際膠質，mg/100mL708090100積炭相對值，%10017250320活塞環(huán)磨損相對值，%100127160190表5-2-9柴油的實際膠質與燃燒室積炭和磨損間的關系實際膠質高，造成噴油嘴和濾清器堵塞，導致氣缸內沉積物增加，磨損加劇。（2）10%蒸余物殘?zhí)?0%蒸余物殘?zhí)吭谝欢ǔ潭壬洗笾路从巢裼驮趪娮旌蜌飧字行纬煞e炭的傾向。柴油安定性與其化學組成的關系：烷烴、環(huán)烷烴及單環(huán)芳烴的安定性較好。不飽和烴、環(huán)烷芳香混合烴及非烴類是引起柴油儲存安定性差的主要原因。多環(huán)芳烴及非烴類是引起柴油熱安定性不良的主要原因。2、柴油的腐蝕性含硫化合物尤其是活性硫化物如硫醇對金屬有腐蝕作用，它的存在會嚴重影響發(fā)動機的工作壽命。含硫化合物燃燒后生成的SO2、SO3不僅嚴重腐蝕高溫區(qū)的零部件，而且還與氣缸壁上的潤滑油反應，加速漆膜和積炭的生成。3、柴油的潔凈度表征柴油潔凈度的指標是水分和機械雜質。水分較多，燃燒時降低發(fā)熱值，在低溫還容易結冰，使燃料供給系統(tǒng)堵塞。柴油中含有機械雜質會堵塞油路，加速磨損。六、柴油的品種和牌號我國的柴油分為輕柴油和重柴油。輕柴油適用于高速柴油機，按其凝點分為六個牌號：10、0、-10、-20、-35、-50號。重柴油適用于低速和中速柴油機，按50℃的運動粘度分為10、20、30三個牌號。第三節(jié)噴氣燃料一、噴氣發(fā)動機的工作過程二戰(zhàn)以前，活塞發(fā)動機與螺旋槳的組合已經取得了極大的成就，使得人類獲得了挑戰(zhàn)天空的能力。但到了三十年代末，航空技術的發(fā)展使得這一組合達到了極限。螺旋槳在飛行速度達到800千米/小時的時候，槳尖部分實際上已接近了音速，跨音速流場使得螺旋槳的效率急劇下降，推力不增反減。螺旋槳的迎風面積大，阻力也大，極大阻礙了飛行速度的提高。同時隨著飛行高度提高，大氣稀薄，活塞式發(fā)動機的功率也會減小。這促生了全新的噴氣發(fā)動機推進體系。噴氣發(fā)動機吸入大量空氣，燃燒后高速噴出，對發(fā)動機產生反作用力，推動飛機向前飛行。1913年，法國工程師雷恩·洛蘭就提出了沖壓噴氣發(fā)動機的設計，并獲得專利。但當時沒有相應的助推手段和相應材料，噴氣推進只是一個空想。1930年，英國人弗蘭克·惠特爾獲得了燃氣渦輪發(fā)動機專利，這是第一個具有實用性的噴氣發(fā)動機設計。1941年后他設計的發(fā)動機首次飛行，從而成為了渦輪噴氣發(fā)動機的鼻祖。近幾十年來，噴氣發(fā)動機在航空上得到了廣泛的應用，已基本上取代了點燃式（螺旋槳）航空發(fā)動機。表5-3-1點燃式航空發(fā)動機與噴氣發(fā)動機的主要區(qū)別項目點燃式航空發(fā)動機噴氣發(fā)動機推動力螺旋漿高溫燃氣飛行高度，m<10000>20000飛行時速，km/hr<900>2380所用燃料航空汽油航空煤油1、渦輪噴氣發(fā)動機的工作過程圖5-3-1渦輪噴氣發(fā)動機結構示意圖渦輪噴氣發(fā)動機組成部件：離心式壓縮器燃燒室燃氣渦輪尾噴管（1）壓縮由于在2萬米的高空空氣很稀薄，氧氣濃度低，為此需要將迎面進入發(fā)動機內的空氣用離心式壓縮器壓縮至0.3～0.5MPa，溫度達到150～200℃后，方可進入燃燒室。空氣的壓力越高，燃料的熱能利用率越高，從而可以提高發(fā)動機的經濟性，增強發(fā)動機的推動力。（2）燃燒在燃燒室中，壓縮空氣與航空煤油形成可燃性混合氣，啟動時經電火花點火后可連續(xù)不斷地燃燒。燃燒室內的中心溫度可達1900～2200℃，為了防止渦輪葉片燒壞，需要通入部分冷空氣，使燃氣的溫度降至750～800℃。（3）燃氣渦輪做功高溫高壓燃氣推動高溫渦輪高速旋轉，將熱能轉化成機械能，渦輪的轉速可達8000～16000轉/分鐘。同時燃氣渦輪帶動同一軸上的離心式壓縮器旋轉，反復地壓縮由進氣管吸入的空氣。（4）排氣從渦輪中排出高溫高壓燃氣，在尾噴管中膨脹加速，在500～600℃的高溫下高速噴出，由此產生反作用推動力推動飛機前進。表5-3-2噴氣發(fā)動機與活塞式發(fā)動機的區(qū)別噴氣發(fā)動機柴油機、汽油機供油方式連續(xù)供油供油具有周期性燃燒方式連續(xù)燃燒燃燒具有周期性燃燒空間敞開的高速氣流密閉的氣缸中噴氣發(fā)動機的推動力是借助于燃料的熱能轉變成燃氣的動能產生的，能量的轉換是在高空飛行的條件下實現(xiàn)的，所以對于燃料的質量要求非常嚴格，以求十分安全可靠。噴氣發(fā)動機對燃料的要求：良好的燃燒性能適當?shù)恼舭l(fā)性較高的熱值良好的安定性良好的低溫性能無腐蝕性良好的潔凈性較小的起電性適當?shù)臐櫥远?、噴氣燃料的燃燒性能噴氣燃料的燃燒性能良好表現(xiàn)在：熱值較高；燃燒穩(wěn)定，不因工作條件變化而熄火，一旦熄火后在高空中容易再起動；燃燒完全，產生的積炭少。1、燃料的起動性、燃燒穩(wěn)定性及燃燒完全度（1）起動性噴氣燃料的起動性包括：嚴冬季節(jié)能迅速起動高空一旦熄火后能迅速再點燃，恢復正常燃燒，保證飛行安全對燃料的要求：在0.01～0.02MPa、-55℃的條件下能與空氣形成可燃性混合氣并能順利點燃，穩(wěn)定燃燒。影響噴氣燃料起動性的因素：燃料的自燃點、著火延滯期、燃燒極限；可燃混合氣發(fā)火所需的最低點火能量、蒸發(fā)性的大小、粘度。燃料的蒸發(fā)性和粘度是最主要的影響因素。噴氣燃料的蒸發(fā)性，即輕組分含量的高低。燃料中的輕組分多，在低溫下就容易形成可燃性混合氣，發(fā)動機易于啟動。合適的低溫粘度是燃料在低溫下的霧化程度的決定因素。粘度越低，低溫下燃料越容易霧化，發(fā)動機起動越容易。燃料在-40℃時的粘度不大于6～10厘斯。（2）燃燒穩(wěn)定性燃料在噴氣發(fā)動機中連續(xù)而穩(wěn)定的燃燒對發(fā)動機的工作具有重要意義，如果燃燒不穩(wěn)定，不僅會導致發(fā)動機功率降低，嚴重時還會熄火，釀成機毀人亡的惡性事故。影響燃料燃燒穩(wěn)定性的因素：發(fā)動機燃燒室的結構與操作條件燃料的烴類組成與餾分的輕重燃燒室的結構與操作條件：

要使大量的燃料在高速空氣流中進行穩(wěn)定燃燒，首要條件就是火焰?zhèn)鞑ニ俣葢扔诨蚵源笥跉饬魉俣?。由于烴類燃料燃燒時的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲鬄?0～25m/s，而從壓縮機出來的空氣流速超過130m/s，為此必須采取措施將空氣流速降低到15～25m/s的燃燒區(qū)域，以便于燃燒穩(wěn)定。烴類組成與餾分的輕重：正構烷烴與環(huán)烷烴的燃燒極限比芳香烴寬，在低溫下更加明顯，因而正構烷烴與環(huán)烷烴是較理想的組分，而芳香烴的燃燒極限窄，容易熄火，對噴氣燃料而言是不理想組分。如果餾分太輕，燃燒極限就太窄。

因此，噴氣燃料一般選用燃燒極限較寬、燃燒比較穩(wěn)定的煤油餾分，噴氣燃料又稱航空煤油。（3）燃燒的完全度噴氣燃料首先要解決起動和燃燒穩(wěn)定的問題，這兩個問題解決好以后，隨之而來的問題是如何燃燒得更好、更有效，即燃燒是否完全的問題。定義：單位質量的燃料燃燒時實際放出的熱量占燃料凈熱值的百分率。表5-3-3噴氣燃料燃燒完全度對飛行性能的影響燃燒完全度%燃料相對消耗率%飛行航程下降率

%10010009510559011111851181880120207513333燃燒完全度影響飛機的動力性能、航程和經濟性。影響燃料燃燒完全度的因素：工作條件包括進氣壓力和溫度、發(fā)動機轉速、飛行高度。燃料性質包括粘度、蒸發(fā)性、烴類的化學組成。粘度：粘度是影響霧化質量的關鍵因素，而霧化程度越好，可燃性氣體形成的速度越快，越有利于燃燒的穩(wěn)定性和完全度。粘度過大，霧化效果差，燃燒完全度降低。粘度過小，雖然燃燒完全度較高，但是射程太短，燃燒時局部過熱。蒸發(fā)性:在地面工作條件下，蒸發(fā)性相差較大的噴氣燃料，其燃燒完全度均接近100%，而在10000~20000米高空條件下，由于氧氣含量低，噴氣燃料燃燒時，蒸發(fā)性較高的燃料具有較好的燃燒完全度。餾分較輕的噴氣燃料蒸發(fā)快，混合氣形成速度快，燃燒較完全。餾分較重的噴氣燃料不易蒸發(fā)，混合氣形成速度慢，燃燒不完全。我國的噴氣燃料質量標準規(guī)定：其干點不得高于300℃。

化學組成：

各種烴類的燃燒完全度的順序如下：正構烷烴>異構烷烴>單環(huán)環(huán)烷烴>雙環(huán)環(huán)烷烴>單環(huán)芳烴>雙環(huán)芳烴因此，不同的烴類相比，烷烴燃燒較完全，環(huán)烷烴較差，而芳烴最差，尤其是雙環(huán)芳烴。圖5-3-2噴期燃料芳香烴含量對燃燒完全度的影響燃料中芳烴含量越高，燃料的燃燒完全度越低由此可見，以烷烴和環(huán)烷烴為基礎的噴氣燃料較為理想，具有較高的燃燒完全度，因此在噴氣燃料中要限制芳烴含量。進氣壓力：燃燒室進口處壓力大于0.13MPa時，壓力的變化對燃燒完全度無顯著影響，而當壓力低于0.1MPa時，燃燒完全度便顯著降低，因為進氣壓力降低后，氣流的紊流強度減弱，導致燃料的霧化分布質量及燃燒速度下降。進氣溫度：進氣溫度高，燃料的燃燒效率也高。2、噴氣燃料生成積炭的傾向噴氣燃料在燃燒過程中會產生碳質微粒，積聚的噴嘴、火焰筒壁上形成積炭。（1）生成積炭的危害噴嘴上的積炭會惡化燃料的霧化質量，使燃燒過程變壞，進一步使積炭增多?；鹧嫱脖谏系姆e炭，會使其受熱不均而變形，甚至產生裂紋。脫落在渦輪上的積炭，會擦傷葉片。隨廢氣排出的炭粒，雖對發(fā)動機的工作影響不大，但在飛行中排出的廢氣冒黑煙，造成高空的大氣污染。（2）生成積炭的影響因素噴氣燃料燃燒時生成積炭的傾向與下列因素有關：燃燒室的結構、發(fā)動機的工作條件。燃料的化學組成及蒸發(fā)性。噴氣燃料的蒸發(fā)性：蒸發(fā)性低，在燃燒過程中處于液態(tài)的時間較長，其在高溫下裂解的傾向增加，因而容易生成積炭。燃料的化學組成：是影響積炭生成的最重要因素。

烴類積炭,g烴類積炭,g正己烷很少十氫萘1.65正庚烷很少苯1.64異辛烷很少甲苯1.15異癸烷0.40異丙苯1.71環(huán)戊烷0.28四氫萘2.36環(huán)己烷0.45甲基萘2.79表5-3-4各種烴類在燃燒室生成積炭的比較（試驗時間為15分鐘）表5-3-5芳烴含量對噴氣燃料生炭性的影響項目燃料Ⅰ燃料Ⅱ燃料Ⅲ燃料Ⅳ芳烴含量，m%16192328萘系烴含量，m%1.31.41.82.4氫含量，m%13.8213.6313.4413.07煙點,℃25222119相對生炭性*1.001.081.221.28從生成積炭的傾向看：芳烴尤其是雙環(huán)芳烴最容易生成積炭，而烷烴生成的積炭最少。在噴氣燃料中芳烴含量越高，尤其是萘系芳烴含量越高，生成積炭的傾向越大。因此，在噴氣燃料中要限制芳烴含量，而且更要限制萘系芳烴的含量。我國噴氣燃料質量規(guī)定芳烴含量不高于20v%。（3）表征積炭傾向的指標在噴氣燃料質量標準中，表征其積炭傾向的指標：萘系芳烴含量煙點輝光值在上述三個指標中可以任選其一。萘系芳烴的含量：我國噴氣燃料質量指標規(guī)定，萘系芳烴（雙環(huán)芳烴）的含量不能高于3v%。煙點：又稱無煙火焰高度，是指油料在標準的燈具內，在規(guī)定條件下作點燈試驗所能達到的無煙火焰的最大高度。噴氣燃料的煙點取決于其化學組成。表5-3-6燃料的煙點與芳烴含量的關系芳烴含量10182228煙點，℃23191412燃料的煙點與其芳烴含量有關，燃料中的芳烴含量越高，其煙點越低。表5-3-7燃料的煙點與在發(fā)動機燃燒室生成積炭量的關系煙點,℃12182123263043積炭,g7.54.83.21.81.60.50.4燃料的煙點與發(fā)動機中生成的積炭有關，煙點越低，生成的積炭就越多。當無煙火焰高度超過30mm時，積炭的生成量降低到很小值。我國規(guī)定噴氣燃料的煙點不得低于25mm。輝光值：在相當于四氫萘煙點時的火焰輻射強度下，將試驗燃料與兩個標準燃料分別在燈中燃燒，比較它們火焰的溫度升高值。兩個標準燃料分別為四氫萘（輝光值人為定為0）、異辛烷（輝光值人為定為100）。T—試樣或標準燃料燃燒時火焰的溫升，℃燃料的輝光值越高，表示燃料的燃燒性能越好，燃燒越完全，生成積炭的傾向越小。相同碳數(shù)的烴類其輝光值的大小順序為：烷烴>環(huán)烷烴>芳香烴。3、熱值和密度噴氣發(fā)動機的推力取決于所用燃料的熱值。（1）重量熱值和體積熱值重量熱值是指單位重量的燃料燃燒時所放出的熱量，kJ/kg。體積熱值是指單位體積的燃料燃燒時所放出的熱量，kJ/dm3。體積熱值＝重量熱值×密度燃料的密度越大，單位體積內儲備的燃料重量越大，如果重量熱值較大的話，則單位體積的燃料燃燒時所能放出的熱量就越多。重量熱值越大，發(fā)動機的推力越大，耗油率越低。對于飛機而言，其油箱的容積是一定的，為了使一定容量的油箱中能夠儲備較多的熱量，使飛機的航程盡可能地遠一些，因而要求噴氣燃料具有較高的體積熱值，換言之，要求噴氣燃料具有較高的重量熱值和較大的密度。體積熱值越大，飛機航程越遠。燃料凈熱值kJ/kg相對密度油箱儲備熱量

/MJ航程,km癸烷442670.72940.614500某寬餾分燃料433330.76541.214500某航空煤油429150.82044.015000十氫萘428100.89048.115900表5-3-8燃料熱值與密度對飛行的影響燃料的密度越大，油箱儲備的熱量就越多，航程也就越遠。（2）噴氣燃料的熱值與其化學組成的關系烴類相對密度重量熱值kJ/kg體積熱值kJ/kg正癸烷0.72994425432300丁基環(huán)己烷0.79924343834716丁基苯0.86464150435844表5-3-9不同C10烴類的密度、重量熱值與體積熱值由于氫的重量熱值比碳大得多，因而H/C原子比越高的烴類，其重量熱值越大。碳數(shù)相同時，烴類的H/C原子比大小順序為：烷烴>環(huán)烷烴>芳烴，因而烷烴的重量熱值最大，而芳烴最小。碳數(shù)相同時，其密度大小順序為：烷烴<環(huán)烷烴<芳烴，因而芳烴的體積熱值最大，而烷烴最小。兼顧重量熱值和體積熱值，噴氣燃料的理想組分是環(huán)烷烴。噴氣燃料的凈熱值測定比較麻煩，一般采用經驗公式進行計算。對于不含硫的噴氣燃料：QJ=41.6796+(0.00045733A+0.00813204)API對于含硫的噴氣燃料：QT=QJ(1－0.01S)＋0.1016S三、噴氣燃料的安定性噴氣燃料的安定性也包括：儲存安定性熱安定性1、儲存安定性燃料本身的原因：含有較多的烯烴、帶不飽和側鏈的芳烴、非烴化合物等。這些都是不安定的組分，導致其膠質和酸度增加。外界因素：儲存溫度、與空氣及金屬表面接觸、水分的存在等都能促進噴氣燃料的氧化變質，導致膠質與酸度增加。噴氣燃料在儲存過程中不安定的原因：表征噴氣燃料儲存安定性的質量指標：實際膠質碘值硫含量及硫醇含量酸度2、熱安定性由于飛機在高空中以兩倍以上的音速飛行，飛機表面不可避免地要與空氣摩擦生熱，導致油箱內燃料的溫度達到100℃以上。在這樣高的溫度下，燃料中不安定組分更加容易氧化而生成膠質和沉積物。噴氣燃料受熱不安定的原因：膠質沉積在熱交換器表面，導致冷卻效率降低。沉積物沉積在過濾器或噴嘴上，會使過濾器與噴嘴堵塞，并使噴射的燃料不均勻，引起燃燒不完全。噴氣燃料受熱不安定對飛行安全的危害：因此，對于長時間作超音速飛行的噴氣燃料，要求具有良好的熱安定性。噴氣燃料的熱安定性與其化學組成的關系表5-3-10大慶2號噴氣燃料的烴組分對其熱安定性的影響試樣沉淀物,mg/100mL大慶噴氣燃料餾分14.3大慶噴氣燃料餾分中的飽和烴1.4大慶噴氣燃料餾分中的飽和烴+8.1%的芳烴14.2表5-3-11噴氣燃料的非烴組分對其熱安定性的影響試樣沉淀物,mg/100mL大慶噴氣燃料餾分12.6脫除膠質后9.6脫除硫醇后10.4脫除硫醇及二硫化物后7.2脫除含硫化合物后1.6飽和烴生成的沉積物較少，而加入芳烴后沉積物成十倍的增加。燃料中的膠質和含硫化合物都會使沉積物的生成量顯著增加。芳烴、膠質和含硫化合物是噴氣燃料中的熱不安定組分，應盡可能地脫除去。四、噴氣燃料的低溫性能噴氣燃料低溫性能的定義：低溫下燃料在飛機燃料系統(tǒng)能否順利泵送和過濾的性能，即不能因為產生烴類結晶或所含水分結冰而堵塞過濾器影響供油。表征噴氣燃料的低溫性能的質量指標：結晶點：燃料在低溫下出現(xiàn)肉眼可見的結晶時的最高溫度。冰點：是燃料出現(xiàn)結晶時，再升高溫度是原來結晶消失時的最低溫度。噴氣燃料的低溫性能與其化學組成的關系：分子量較大的正構烷烴以及某些芳烴的結晶點較高，而環(huán)烷烴與烯烴的結晶點較低。在同族烴類中，分子量越大，結晶點越高。噴氣燃料的低溫性能與其含水量的關系：燃料中所含的水分在低溫下也能形成冰晶，會堵塞過濾器，導致供油不暢。水在燃料中的存在形態(tài)：游離水，與烴類燃料不互溶。溶解在烴類中的水。不同的烴類在水中的溶解度是不同的，相同的溫度下，芳烴尤其是苯對水的溶解度最高。因此，從降低燃料對水的溶解度的角度，要限制噴氣燃料中的芳烴含量。噴氣燃料的腐蝕可分為：液相腐蝕：噴氣燃料對輸運設備和發(fā)動機燃料系統(tǒng)的腐蝕。氣相腐蝕：噴氣燃料燃燒過程產生的高溫對于燃燒室內的火焰筒、渦輪、尾噴管的侵蝕。五、噴氣燃料的腐蝕性1、液相腐蝕對于金屬材料具有腐蝕主要是燃料中的含氧、含硫化合物以及水分。由于噴氣發(fā)動機的高壓燃油泵采用了鍍銀機件，而銀對于硫化物特別敏感。因此噴氣燃料的質量標準中規(guī)定了酸度、水溶性酸或堿、含硫量、硫醇含量、銅片腐蝕以及銀片腐蝕。2、氣相腐蝕目前我國廣泛使用鎳鉻合金制造發(fā)動機燃氣系統(tǒng)的部件，高溫燃氣對這些部件的腐蝕主要表現(xiàn)在：燒蝕，與燃料組成有關硫化腐蝕，與燃料中的含硫量有關氧化燒傷，與燃料組成無關滲碳，與燃料組成無關燒蝕所產生的腐蝕現(xiàn)象。外觀特征：腐蝕處呈深圓坑，圓坑上積有毛狀結晶碳，嚴重時腐蝕坑連成片，甚至蝕穿火焰筒壁。鎳鉻合金的燒蝕機理：碳氫化合物在燃燒過程中由于裂化和部分氧化生成甲烷和一氧化碳，它們在高溫和鎳的存在下分解產生活潑碳?；顫娞寂c金屬鉻極易發(fā)生化學反應生成碳化鉻。生成碳化鉻后，原來與鉻結合成合金的鎳被釋放出來成鎳原子，而鎳原子具有很高的催化活性。在其催化作用下，烴類尤其是萘系芳烴脫氫生成碳而形成一定結構的碳晶體，碳晶體在表面微細的裂縫中長大，所產生的壓力足以使合金基體局部解體，而形成麻狀點凹坑。研究表明，如果噴氣燃料中含有一定量的硫，會在高溫下使合金中的鎳中毒而失去對烴類的催化作用，從而防止燒蝕現(xiàn)象。表5-3-12清楚地表明了噴氣燃料中的含硫量與燒蝕現(xiàn)象之間的關系。表5-3-12不同含硫量的噴氣燃料燒蝕試驗結果噴氣燃料含硫量，m%試驗時間試驗結果玉門原油餾分0.0158嚴重燒蝕新疆原油餾分0.0053明顯燒蝕大慶原油餾分0.0214明顯燒蝕勝利原油餾分0.05050無燒蝕遼河原油餾分0.0125明顯燒蝕大港原油餾分0.0225明顯燒蝕南陽原油餾分0.0075明顯燒蝕美國JP-ⅠB0.05020無燒蝕前蘇聯(lián)T-10.064200無燒蝕六、噴氣燃料的潔凈度噴氣發(fā)動機燃料系統(tǒng)機件的精密度很高，即使較細的顆粒物質也會造成燃料系統(tǒng)的故障。表征燃料清潔度的主要指標為：水、表面活性物質、固體雜質及微生物水的存在除了對燃料的腐蝕性、低溫性能產生不良影響外，還會破壞燃料在系統(tǒng)部件中的潤滑作用，導致絮狀物的生成和微生物的生長。燃料中的表面活性物質會增強油水乳化，使油中的水不容易分離，并會促使一些細微的雜質聚集在過濾器上。噴氣