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第二节 汽油的使用要求

发布日期:2014-05-27 21:53  浏览次数:9591
核心提示:  一、点燃式发动机的工作过程  点燃式发动机又叫汽化器式发动机或汽油机,它的主要优点是单位功率金属重量小,发动机比较轻

  一、点燃式发动机的工作过程

  点燃式发动机又叫汽化器式发动机或汽油机,它的主要优点是单位功率金属重量小,发动机比较轻巧。主要用于轻型汽车、活塞式发动机的飞机等。它的工作过程可分为:

  1、进气(空气和油气)

  当气缸活塞从气缸顶部往下运动时,气缸内产生了部分真空,空气受到了气缸内的引力进入汽化器,在汽化器的喉管部分装有汽油的喷嘴,汽油受到真空的作用也被吸入与空气进行混合。由于真空的作用,一部分汽油开始汽化,在混合物经过汽化器到气缸之间的导管时,汽化程度不断增加,混合物进入气缸后,受到气缸壁余热加热继续汽化。

  2、压缩

  当活塞下行经过下死点而往上运动时,混合气被活塞压缩而升温。

  3、点火燃烧作功

  当活塞上行快到死点时,电火花开始点火,混合气迅速燃烧,产生大量高温气体迅速膨胀,推动活塞往下作功。

  4、排气

  活塞依靠惯性又往上运动,将燃烧废气排出。这就完成了一个循环,以后再重复进行上述的过程。

  点燃式发动机一般有4个或6个气缸,4个或6个活塞用4个或6个连杆连接在曲轴上,各气缸在同一时间内进行不同的过程,使点火燃烧的作功过程变成连续的曲轴旋转过程。

  当活塞运动到下死点时,气缸吸入汽油和空气混合气的体积V 和活塞运动到上死点时被压缩后的汽油和空气混合气的体积V (如图3—2)之比,称为压缩比。  压缩比= V /V


图3-2  进气及压缩时气缸中的容积

 

  压缩比是设计内燃机时非常重要的一个数据,压缩比越高,内燃机的功率也越高,单位功率的发动机金属重量也越小。但是压缩比提高时,对内燃机的材质要求和使用汽油的辛烷值也要提高。我国汽油机的压缩比一般为8.5~10.5。

  通常,压缩比在7.5~8.5应选90号车用汽油;压缩比在8.5~9.5应选93号车用汽油; 压缩比在9.5~10.8应选97号车用汽油。一般可在汽车说明书中查到压缩比。另外,汽车生产厂也会在油箱盖内侧标注使用的燃油标号。车主应严格按汽车发动机不同的压缩比选用相应标号的车用汽油,才能使发动机发挥出最佳的效能。

  汽车发动机的压缩比在8.5~10.8范围内,压缩比每提高1, 可节省汽油4~12%(平均7%),但提高压缩比后,发动机的爆燃趋势增加,排放废气中的NOx含量增加,因此要求提高汽油的辛烷值,汽油辛烷值每增加1个单位,可减少汽车油耗0.7~3.1%(平均1.3%),由此可看出汽油质量和汽车制造工业有密切的关系。

 

表3-3  几种汽车的压缩比和对汽油的要求

车   型

压缩比

使用汽油牌号

一汽—大众捷达普/CT/CT/AT

8.5~9.0

93

吉利美日1.3/优利欧1.3

9.3

93

神龙富康1.4/1.6

9.0/9.6

93

上海大众桑塔纳普通/2000

9.0/9.5

不低于93

一汽夏利7101/7131/2000

9.3~9.5

不低于93

一汽红旗世纪星2.0/2.4

9.5

不低于93

上海奇瑞1.6

9.5

不低于93

现代索纳塔2.0/2.7

10.1/10.0

不低于97

一汽大众高尔夫1.6/2.0

10.5

不低于97

东风毕加索1.6/2.0

10.5

不低于97

一汽马自达2.3

10.6

不低于97

宝马3、5、7系列

10.8/10.8/10.5

不低于97

一汽大众宝来1.6/1.8/1.8T

9.3~10.3

93~97

上海大众帕萨特1.8/1.8T

10.3/9.3

93~97

  二、车用汽油的使用要求

  车用汽油的规格见表3—4。车用汽油牌号是按辛烷值大小划分的。

  车用汽油规格中的各项指标在使用上都具有实际意义,归纳起来,主要的使用性能有抗爆性、蒸发性、安全性和腐蚀性等。

  (一)抗爆性

  汽油的抗爆性能是重要的使用指标之一。它说明汽油能否保证在具有相当压缩比的发动机中正常地工作,这对提高发动机功率,降低汽油消耗量等都有直接关系。

  1、爆震现象

  随着发动机压缩比的提高,发动机的功率提高,燃料消耗降低,但是有些汽油在低压缩比时燃烧得很好,而在高压缩比条件下就燃烧得不好,往往会使缸内发生一种金属爆击的声音,气缸温度随之大大升高,在废气中,还带有很多黑烟,结果发动机效率不但没有提高,设备反而受到损害,这种现象就叫内燃机的爆震现象。

  爆震现象产生的原因可以这样解释:

  当汽油和空气的混合气进入气缸后,经过压缩,温度随之升高到300~400℃,这时油气中的烃类被空气氧化生成过氧化物,再经电火花点火后,油气开始燃烧,火焰由电火花点火的地方以15~25m/s的速度向外传播,使没有点火的地方也同样进行燃烧,这是燃料的质量适应压缩比条件下的燃烧情况。

  可是,当提高压缩比或使用质量差的汽油时,混合气被压缩后,压力和温度均比正常燃烧时要高,点火后,在已燃烧的那部分形成的高温高压气体的影响下,在火焰尚未能传到地方的混合气中生成了大量的过氧化物,不等火焰传到,即自行猛烈燃烧,使火焰传播速度剧增至1500~2500m/s,这种爆燃波传播在气缸壁上和活塞之间来回反射,就产生了金属爆击的声音,使发动机不能正常运转。

  由此可见,点燃式发动机的爆震与两方面因素有关:

  (1)燃料性质:燃料易氧化,氧化后的过氧化物不易分解,自燃点低,那么爆震就比较容易发生。反之,爆震现象就不易发生。由于正构烷烃比异构烷烃、芳香烃易氧化产生过氧化物,所以含正构烷烃多的汽油比含异构烷烃、芳香烃多的汽油作燃料时易产生爆震现象。

  (2)发动机的工作条件:如果发动机的温度高,压缩比大,就容易发生爆震现象。

  2、抗爆性能的评定指标

  车用汽油的抗爆性用辛烷值来表示。

  所谓辛烷值就是以纯正庚烷的辛烷值为零,纯异辛烷(2,2,4—三甲基戊烷)的辛烷值为100而定出的一种测定抗爆性能的相对标准。把正庚烷和异辛烷按不同的体积比混合,得到不同抗爆性等级的混合液,在发动机工作条件相同情况下,与待测燃料进行对比,若某一待测汽油的抗爆性能与某一混合液的抗爆性相当时,混合燃料中异辛烷的百分含量即为所测定汽油的辛烷值。例如某汽油的辛烷值为70,就表示它的抗爆性能相当于用70%异辛烷和30%正庚烷组成的混合液的抗爆性能。

  测定辛烷值的方法有马达法和研究法,它们是在特制的辛烷值试验机中进行的。

  汽油的辛烷值和汽油的化学组成有关,在碳原子数相同的烃类中,正构烷烃辛烷值最低,高度分支的异构烷烃和芳香烃辛烷值最高,而环烷烃和烯烃介于它们之间。因此,凡是从含芳香烃较多的芳香基石油馏分得到的汽油,其辛烷值一般较高,从含烷烃较多的烷基石油分馏得到的汽油,其辛烷值一般较低;同一石油,经直馏所得的汽油要比裂化所得的汽油辛烷值低,这是因为裂化汽油中含有较多的异构烃或烯烃;铂重整所得的汽油,由于其中含有较多的芳烃,因而其辛烷值也较高。

  3、提高抗爆性的方法

  在生产上,可用添加少量抗爆添加剂来提高汽油的抗爆性。以前常用的抗爆剂是四乙基铅,分子式为Pb(C H ) 。纯四乙基铅虽然抗爆性很高。为了减少环境污染,现已禁止使用四乙基铅。为了提高辛烷值,也可采用往辛烷值低于规定的汽油中加入适当数量的高辛烷值组分(如重整汽油、催化裂化汽油、烷基化油等)或高辛烷值汽油,就可将辛烷值低的汽油的抗爆性提高到使用汽油的要求,这种方法称为调和。

  此外,可在汽油中加入含氧化合物来提高汽油的辛烷值。常用的汽油抗爆剂有:醇类(甲醇、乙醇和叔丁醇等)以及醚类[甲基叔丁基醚(MTBE)、乙基叔丁基醚(ETBE)和甲基叔戊基醚(TAME)等]。在工艺上可采用铂重整、烷基化、异构化、叠合、醚化等生产高辛烷值汽油及高辛烷值汽油组分进行优化调和。

  (二)蒸发性

  车用汽油是点燃式发动机的燃料,它在进入发动机气缸之前,先在汽化器中汽化并同空气形成混合物。汽油在汽化器中蒸发得是否完全,同空气混合得是否均匀,是跟汽油的蒸发性有关的。汽油轻质馏分含量越多,其蒸发性就越好,同空气混合的就越均匀。因而进入气缸内的混合气燃烧得就越完全,就能保证发动机顺利地工作。若汽油的蒸发性不好,那么混合气中就会含有悬浮状的油滴,破坏混合气的均匀性,使发动机的工作变得不均匀,不稳定,同时,还会增加汽油的消耗量。混合气中含有油滴,有时还会使燃烧过程变坏,由于燃料的不完全燃烧,一部分燃料成气态与废气一道排出,另一部分将沉积在气缸壁上,把润滑油洗掉,并稀释了润滑油。但是汽油的蒸发性也不能过高,否则汽油在未进入汽化器之前就会在输油管中蒸发,形成气阻,中断供油,而且使发动机停止工作。

  评定汽油蒸发性可用馏程和蒸气压两种方法。

  1、馏程

  产品标准中所规定的恩氏蒸馏方法来测定馏程。一般要求测出初馏点、10%、50%、90%点馏出温度和终馏点(干点)。

  汽油的初馏点和10%点馏出温度是说明汽油在发动机中的启动性能,如10%点馏出温度过高,在冬季或严寒地区使用这种汽油时,汽车启动就有困难。

  汽油的50%点馏出温度说明汽油在发动机中的加速性能。若这一馏出温度过高,当发动机由低速骤燃变为高速而需要加大油门增加油量时,燃料就会来不及完全汽化,使燃烧不完全,甚至燃烧不起来,发动机就不能产生需要的功率。我们常见的汽车爬坡速度太慢,或中途停下来,如果机件正常,就有可能是因为汽油不能保证发动机加速性能的缘故。

  汽油的90%点馏出温度和终馏点表示汽油在发动机中蒸发完全的程度,这个温度过高,说明重质成分过多,不能完全汽化而燃烧,其结果是降低发动机的功率和经济性。

  在汽油贮运过程中,常遇见馏程温度升高的现象,特别是裂化汽油中含气体烃较多,10%点馏出温度常在贮存半年左右就不合格了。

  为了使汽油的馏程合格,也可以采取调合的方法。

  2、蒸气压

  汽油的蒸气压用饱和蒸气压表示。汽油的蒸气压是说明其蒸发性能和在进油系统中形成气阻的可能性。汽油的蒸气压过大,在南方、夏季使用和高原等地带行驶的车辆,由于气温升高或大气压降低,就会形成气阻、堵死输油管,中断供油并迫使发动机停止工作。

  大气中的烃类会导致臭氧层的破坏,而汽油的挥发,则是造成大气中烃类污染的重要原因之一,因此,环保部门已把降低汽油蒸气压作为一个目标。为降低汽油蒸气压,炼油厂最有可能采取的办法就是减少调入汽油中的丁烷量。

  (三)安定性

  汽油的安定性,一般指汽油的化学安定性,它表明汽油在储存中抵抗氧化的能力,是一个重要的使用指标。安定性好的汽油储存几年,都不会变质,反之,安定性不好的汽油储存时间不长就会变质。汽油中如果含有大量的不饱和烃,特别是含有二烯烃,那么在汽油的储存和使用时,这些不饱和烃在空气中氧的作用下很容易氧化而形成胶质,这种汽油用于发动机时会发生很多困难。据经验证明,使用含胶质量大的汽油,不蒸发的胶状物将会沉积于油箱、汽油导管和汽油过滤器上,堵死汽油导管和汽化器喷嘴,并在进气阀门杆上积聚成粘稠的黄黑色的胶状物,将进气阀堵塞,中断供油而迫使发动机停止工作。

  为了减少汽油的生胶倾向,除了将汽油进行适当的精制以外,还可用添加抗氧化添加剂的方法来改善汽油的安定性。最常用的抗氧化剂有:2,6—二叔丁基对甲酚、N,N'—二仲丁基对苯二胺。

  表示汽油胶质的方法有两种:一种是实际胶质即在汽油中已经存在的胶质,以mg/100ml汽油表示;另一种是用诱导期表示,也称潜在胶质。潜在胶质是指在一定条件下燃料中能够氧化而变为实际胶质的物质,它表示在储存时生成胶质的可能性。燃料的诱导期是指在精确的温度和压力下由试油和氧接触的时间算起,到试油开始大量吸入氧为止的这一段时间,以min表示。诱导期长说明油品不易氧化,油品较安定,反之亦然。

  (四)腐蚀性

  汽油的腐蚀性说明汽油对金属的腐蚀能力。汽油组成中的烃类并不腐蚀金属。但一些非烃杂质,如水溶性酸和碱、有机酸、硫化物等对金属具有腐蚀性。硫化物燃烧产生二氧化硫等对金属也具有强烈的腐蚀性。

  在一般成品汽油中,元素硫及硫化氢含量极少,硫化物的腐蚀主要是由硫醇所造成的。汽油中存在硫醇,不但使汽油产生恶臭,显著促成生胶,而且引起对金属的腐蚀。硫醇能与金属作用生成硫醇盐,苯硫酚氧化生成的磺酸对金属有强烈的腐蚀性,当汽油中含有少量水分时,它能部分溶于水中,使水中酸度增加,从而强烈的腐蚀设备。

  水溶性酸是指能溶于水的酸。这种酸包括低分子有机酸和无机酸,水溶性碱是指能溶于水的碱。汽油中的水溶性酸和碱,都是在硫酸精制和碱中和后,因水洗过程操作不良而留在汽油里的。成品汽油一般不含水溶性酸碱。

  石油中的有机酸主要是环烷酸,汽油馏分中所含有机酸极少。汽油经氧化变质后也会生成有机酸,它随胶质含量的增加而增大,所以汽油产品标准中规定了酸度的指标,如酸度增大到影响使用程度,应用同牌号、酸度小于标准规格的优质汽油进行调合。

  (五)清洁性

  在车用汽油的规格标准中用不含机械杂质和水分两项来保证车用汽油的清洁性。由炼油厂炼制的成品油本身是不含机械杂质和水分的,但在运输、储存和使用过程中,车用汽油不可避免地会受到外界污染。例如,输油管、泵和储油容器不干净,油罐底部垫水,加油工具不清洁,桶口封盖不严密,新的或经过大修的发动机供给系统有残存物以及汽车油箱呼吸器吸入灰尘等。国内外大量使用经验证明发动机发生事故50%以上是因为车用汽油的清洁性不好所造成的。因此,车用汽油的清洁性是一项很重要的使用性能,绝对不可忽视。

  机械杂质的存在使发动机零件磨损增加,导致发动机功率下降,耗油率上升。水分的存在会加速汽油的氧化,降低安全性。此外水分本身对金属就有锈蚀作用,并且在低温下易于结冰堵塞油路。

  由于机械杂质和水分的危害性很大,所以国家标准中规定汽油中不允许含有水分和机械杂质。规格中要求燃料不含水分,通常是游离水和悬浮水,因为炼制中的溶解水是很难去掉的。

表3-4 车用无铅汽油的质量标准

项     目

质量标准(GB17930-1999)

试验方式

90号

93号

97号

 

抗爆性
研究法辛烷值(RON)不小于
抗爆指数(RON+MON)/2 不大于

90
85

93
88

97
93

GB/T  5487
GB/T 503,GB/T5487

铅含量/(g·L-1)       不大于

0.005

GB/T 8020

馏   程
10%蒸发温度/℃          不高于
50%蒸发温度/℃          不高于
90%蒸发温度/℃          不高于
终馏点/℃                不高于
残留量/%(V/V)         不大于

70
120
190
205
2

GB/T6536

蒸气压/KPa
从9月16日至3月15日   不大于
从3月16日至9月15日   不大于

88
74

GB/T8017

实际胶质/(mg·100mL-1) 不大于

5

GB/T8019

诱导期/min               不大于

480

GB/T8018

硫含量/%                不大于

0.05

GB/T380

硫醇(需满足下列条件之一)
博士试验
硫醇硫含量/%          不大于

通过
0.001

SH/T 0174
GB/T 1792

铜片腐蚀(50℃,3h)   不大于

1

GB/T 5096

水溶性酸或碱

GB/T259

机械杂质及水分

目测

苯含量/%(V/V)         不大于

2.5

ASTMD3606-1996

芳烃含量/%(V/V)       不大于

40

GB/ 11132

烯烃含量/%(V/V)       不大于

35

GB/T11132

 
 
 
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