当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第二章：燃料、工质与热化学 > 2.5 燃料构成与理化特性 > Video
同学们好
这节课我们学习
烃类燃料和含氧燃料的化学结构
及其对理化特性的影响
首先我们来看烃燃料的分子结构
是如何影响其理化特性的
烃燃料有直链结构烃 如烷烃
和环烷结构烃
如环烷烃和芳香烃之分
与直链烷烃相比
环烷烃和芳香烃化学稳定性好
不易断链自燃 抗爆性好
是良好的高辛烷值汽油组分
烃燃料还有直链与支链之分
直链烷烃又称为正烷烃
支链烷烃又称为异构烷烃
正烷烃容易断链自燃
是理想的压燃燃料
用于柴油机比如说
而异构烷烃的化学稳定性好
不易断链自燃 抗爆性好
是理想的汽油高辛烷值组分
人们常用正庚烷
和异辛烷作为标准燃料
或者是参比燃料
来定义汽油燃料的抗爆性
由于正庚烷容易断链自燃
其辛烷值为0
而异辛烷不易断链自燃
其辛烷值为100
烃燃料依据碳碳键特点
又可以分为单键烃和多键烃
支链饱和烃碳碳单键容易断链
是理想的压燃燃料
而支链非饱和烃
碳碳双键结合牢固不易断链
不容易自燃
但是非饱和烃 如烯烃
其化学安定性差
也就是碳氢键不稳定
那个氢原子容易被其他原子抢走
所以长期存放容易氧化变质
基于以上分析
我们对正烷烃 环烷烃 异辛烷
烯烃和芳烃等燃料组分的抗爆性
进行比较如这个图所示
从图中我们可以看出
环烷烃与烯烃的抗暴性差不多
辛烷值从小到大
我们可以按下列顺序排序
正烷烃小于烯烃和环烷烃
小于异烷烃 小于芳香烃
类似的我们对正烷烃 环烷烃
异烷烃 烯烃和芳烃等燃料
组成的组分的自燃性进行比较
如这幅图所示
从图中可以看出
烯烃和环烷烃的十六烷值也相近
十六烷值从大到小的排列为
正烷烃大于烯烃、环烷烃
大于芳香烃
十六烷碳链长 容易压缩着火
十六烷值为100
而α甲基萘化学稳定性好
不易自燃 十六烷值为0
除了分子结构
对燃料着火特性有重要影响外
燃料的碳原子数和氢碳比
对烃燃料的理化特性
也有重要影响
碳原子数越长
碳链越长 越容易断链
化学稳定性差 着火温度低 易自燃
像这个十六烷
而碳原子数越多
燃料的理化稳定性越好
它不容易气化 挥发性差
氢碳比对烃燃料理化特性的影响
主要体现在两个方面
一个方面是氢碳比
对燃料热值有重要影响
由于氢比碳的热值高约3.7倍
因此燃料的氢碳比越高
燃料的热值越高
但是燃料相同质量
燃烧相同质量的氢和碳
氢消耗的氧气也是碳的3倍
因此燃料热值高并不意味着
其混合气热值一定高
从比能量或燃料热值看如图所示
各类烃燃料热值
与其氢碳比密切相关
燃料热值大小排列顺序依次为
烷烃大于环烷烃和烯烃
大于炔烃 大于烷基苯
大于多环芳烃
由于柴油氢碳比一般来说
要小于汽油的氢碳比
因此燃料热值
柴油的这个燃料热值
大约是42.5MJ/kg
一般要小于汽油热值
约44MJ/kg
第二个方面是氢碳比
对发动机有害物排放
也有重要影响
氢碳比越低
燃烧含碳物有害物排放
对环境污染越大
因为碳成分比例越大
会排出更多的一氧化碳和碳烟
就是soot
另外还有微粒等有害物
而氢燃烧后大家知道
都会变为无害的这个水蒸气
所以氢碳比高 像这个气体燃料
CNG（压缩天然气） LPG（液化石油气）等
我们可以常称为清洁燃料
纯氢当然是最清洁的燃料
柴油由于氢碳比较低
容易产生碳烟排放
所以相对来讲
它的清洁程度要低一些
含氧燃料成分中除碳和氢外
还含有一定比例的氧
由于氧本身它没有热值
它只是能助燃
所以含氧燃料的热值
相比烃燃料的热值要低一些
含氧量越高燃料的热值越低
但因燃料本身含氧
燃烧所需外界空气量也相应减少
其混合气热值
不一定比烃类燃料低
醇 英文叫alcohol
可以分为烃分子中
氢原子被羟基OH取代后
生成的一种物质
由于烃基我们这里用R表示
它有烷基 环烷基和芳基等
所以醇也可以分为
羟基与烷基结合的烷基醇
即酯肪醇或称饱和醇
如甲醇 乙醇都是属于这种饱和醇
其分子通式是CnH(2n+1)OH
简写为ROH
在羟基中氢氧共用的电子
靠近氧一边
从而使氧原子周围的
电子云密度较大
导致氢氧原子间的极性增加
而比较容易断链
因此羟基是具有
较强的化学活性的
羟基的这一特性在相当程度
决定了醇类燃料的着火
和燃烧特性
烷基醇与相应的烷烃相比
其分子量 密度 沸点
和汽化潜热均较高
其中分子量和密度高的原因
是由于烷基醇比相应的烷烃
多了一个氧原子
而沸点和汽化潜热高的原因
是由于液态的醇分子间
通过氢键形成缔合分子
破坏这种缔合形成的氢键
需要消耗额外的热量
所以它的这个汽化潜热比较高
总体而言甲醇 乙醇
等醇类燃料的黏度和增加
属于汽油和柴油之间
而汽化潜热远高于汽油和柴油
醚 英文叫ether
是两个烃基通过氧原子
连接起来的化合物
分子式用ROR表示
醚一般与氧相连的烃基
加醚字命名
例如这种CH3OCH3
我们称为二甲基醚
简称二甲醚或甲醚
CH3OC2H5称为甲基乙基醚
简称甲乙醚
醚类化合物具有辛烷值高
与汽油互溶性好 毒性低等优点
因而可以用作
车用汽油的调和组分
其中甲基叔丁基醚（MTBE）
是使用最广泛的
一种辛烷值调和燃料
但是研究发现MTBE易溶于水
又不容易被土壤吸收
在地下不易分解
从而污染地下饮用水
目前美国是禁止
在汽油中添加MTBE
国内也在禁用这种MTBE添加剂
二甲醚（DME）是一种较为理想的
无烟压然柴油代用燃料
DME在常温常压下
是一种无色易燃气体
具有轻微的醚香类
无腐蚀性无毒环境友好
在空气中长期暴露
不会形成过氧化物
对大气臭氧层无损害
在大气中
这个对流层中容易降解
那么二甲醚作为一种代用燃料
它在使用中还面临一些挑战
需要我们后面关注这个问题
酯 英文是ester是用酸与醇反应
生成的一类有机化合物
它的分子通式是RCOOR
R可以用这个烃基
也可以是氢原子
饱和一元酯通式为CNHRNO2
最常用的酯类燃料是植物油甲酯
也就是我们经常讲的生物柴油
一般由植物油经酯化反应得到
那么它的反应式如这个所示
植物油来源广泛像大豆油
菜籽油 棉籽油 葵花油 棕榈油等等
都可以经酯化后
得到这种生物柴油
那么酯化后它的密度
一般会降低4%-6%
它的体积低热值会下降1%-8%
而质量低热值有升有降相差不大
十六烷值是显著升高
达到了柴油的同等水平
如这个表所示
由于植物油酯化后密度下降
从而其黏度表面张力闪点
和着火温度等理化特性明显下降
像这些大大改善了
生物柴油作为代用燃料
在柴油机中的着火和燃烧品质
所以在使用过程中
跟这种化石柴油就比较接近
关于烃类燃料
和含氧燃料的化学结构
及其对理化特性的影响
就介绍到这里
同学们再见
-0.1 总论
--Video
-0.2 车用发动机的种类
--Video
-1.1 示功图及其测取
--Video
-1.2 四冲程发动机示功图分析
--Video
-1.3 二冲程发动机示功图分析
--Video
-1.4 性能指标分类与循环指示功
--Video
-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
--Video
-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
--Video
-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
--Video
-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
--Video
-2.3 汽油的理化特性
--Video
-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
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-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
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-2.8 工质主要热力参数
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-2.9 燃烧热化学
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-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
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-3.1 热力过程与热机循环的简化
--Video
-3.2 理论循环分类及循环热效率
--Video
-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
--Video
-3.4 工质对循环热效率的影响
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-3.5 真实循环对热效率的影响
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-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
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-3.8 机械效率的影响因素
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-3.9 发动机的能量分配与转化效率
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-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
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-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
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-4.2 配气相位对发动机性能的影响
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-4.3 充量系数的解析式
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-4.4 进气阻力对充量系数的影响
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-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
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-4.7 压力波及其传播特性
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-4.8 单缸机的进排气动态效应
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-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
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-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
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-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
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-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
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-5.1 发动机运行工况
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-5.2 发动机特性曲线分类
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-5.3 发动机速度特性
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-5.4 发动机负荷特性
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-5.5 发动机全特性
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-5.6 发动机外特性与整车动力性
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-5.7 发动机全特性与整车经济性
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-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
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-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
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-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
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-6.7 示功图与燃烧放热率
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-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
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-7.2 柴油机燃烧放热规律
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-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
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-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
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-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
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-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
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-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
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-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
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-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
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-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
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-9.4 汽油机机内净化技术
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-9.5 柴油机机内净化技术
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-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
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-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
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-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
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-10.6 天然气发动机
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-10.7 氢燃料发动机
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-10.8 二甲醚发动机
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-10.9 甲醇发动机
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-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
