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汽 车 运 行 材 料
　　　　　　　　　　　
何义团 主 编
简晓春 主 审
　
教育部高等学校道路运输与工程教学指导分委员会“十三五”规划教材
车用汽油
车用柴油
车用替代燃料
发动机润滑油
第一章
第二章
第三章
第四章
车辆齿轮油
第五章
车用润滑脂
汽车工作液
车用蓄电池与动力蓄电池
汽车轮胎
第六章
第七章
第八章
第九章
第三章
活塞连杆组故障诊断与修复
车 用 替 代 燃 料
车用替代燃料的选择标准主要包括：
（1）燃料的来源及储量必须丰富。随着社会的发展人均汽车拥有量越来越大，燃料的来源及储量必须丰富才能长期可靠地供应。
（2）价格要适宜，可以大范围推广。
（3）能量密度大，热值高，可以保证汽车正常行驶里程的需要。
（4）毒性低最好无毒，对环境污染小。
（5）安全性好，易于输送、储存和使用。
（6）不影响内燃机工作的可靠性。
（7）环境适应性好。我国幅员辽阔，气候条件多变，所以对燃料的环境适应性有较高的要求。
目前比较成熟的且已经开始使用的车用替代燃料主要有醇类燃料、天然气、液化石油气、氢气、生物柴油等。
第一节
活塞连杆组故障诊断与修复
气 体 燃 料
气体燃料主要包括天然气（CNG/LNG）、液化石油气（LPG）、氢气、煤层气和页岩气等，各类气体燃料的主要理化特性见表3-1。
天然气是一种天然存在的无色无味的可燃烃类气体混合物，其主要组分是甲烷（CH4），占80%～99%，其次还含有乙烷、丙烷、总丁烷、总戊烷以及二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、总硫和水分等。
车用天然气分为压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）两种。CNG是将天然气经过脱水、脱硫等净化处理后，经多级压缩到20～25MPa，存储在气瓶中的压缩天然气。CNG是一种无色透明、无味、比空气轻的气体，经过减压阀减压后供给发动机。LNG是将在常压下气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体，其主要成分包括甲烷（90%以上）、乙烷、氮气（0.5%～1%）及少量C3～C5烷烃。天然气液化后可以大大节约储运空间，而且具有热值大、性能高等特点。
一、天然气
与其他燃料相比，天然气具有以下特点：
（1）着火极限宽：天然气与空气的混合气具有很宽的着火极限。混合气过量空气系数变化范围为0.6～1.8，可在大范围内改变混合比，提供不同成分的混合气，可以实现稀薄燃烧，提高发动机效率，降低排放。
（2）理论空燃比混合气热值低：虽然天然气的理论空燃比要比汽油机略高，但就理论空燃比混合气而言，天然气混合气热值为3.39MJ/m3，比汽油混合气低10%左右，因此，天然气发动机的功率略低。
（3）火焰传播速度低：天然气层流火焰传播速度为0.338m/s，比汽油的火焰传播速度低。
（4）点火能量高：天然气着火温度为537℃，比汽油着火温度高。如果在发动机中燃烧稀薄天然气混合气，则需要大幅度提高点火能量，才能满足发动机工作需要。
（5）抗爆性能好：天然气的辛烷值高达130，比汽油高得多，具有良好的抗爆性能。为充分发挥其抗爆能力，可以适当提高发动机的压缩比，提高发动机热效率。
一、天然气
（6）密度小：标准状态（101325Pa，20℃）条件下，天然气密度为0.75～0.8kg/m3，与空气的相对密度为0.58～0.62kg/m3，所以泄漏天然气可以在空气中迅速散发，具有较好的安全性。
（7）排放性能好：天然气混合气燃烧排放物中CO和HC排放比汽油机低。如果采用过量空气系数大于1.2的稀薄混合气，则NOx排放也会大幅度降低。另外，颗粒物排放也远远低于柴油机和汽油机。
（8）携带性较差：常温常压条件下天然气为气体，汽车要携带足够的燃料，则需要进行高压压缩成CNG或者低温冷却成为LNG，技术要求较高。
（9）磨损小：天然气燃料使燃烧室积炭少，且燃烧产物中不含液体燃料成分，对润滑油破坏小。
一、天然气
作为车用燃料，与汽油燃料相比，天然气具有着火极限宽、抗爆性能好、排放污染小等优点，同时具有热值低、密度小、火焰传播速度慢、点火能量高、储运难度大等缺点。天然气在发动机中燃烧，燃烧室几乎没有积炭产生，排放性能好。由于是气体燃料，天然气发动机的热负荷较大。
为了确保天然气能够满足汽车的使用要求，现行国家标准《车用压缩天然气》（GB 18047—2017）对车用压缩天然气的技术指标做出了明确规定，见表3-2。
一、天然气
为了确保天然气能够满足汽车的使用要求，现行国家标准《车用压缩天然气》（GB 18047—2017）对车用压缩天然气的技术指标做出了明确规定，见表3-2。
一、天然气
目前国内发展较快的是压缩天然气汽车。天然气汽车类型根据天然气的储存形式分为CNG汽车和LNG汽车。CNG汽车按燃料供给系统不同又可分为专用CNG汽车、CNG/汽油两用燃料汽车、CNG/柴油双燃料汽车等。
专用CNG汽车以CNG作为唯一燃料，其发动机的燃料供给系统专为CNG燃料设计，能充分发挥CNG燃料的特点。
CNG/汽油两用燃料汽车是通过对原有汽油车改装而成，有两套燃料供给系统，一套为保留的原车供油系统，另一套为增加的CNG供给装置。发动机可以分别使用CNG和汽油作为燃料，两种燃料的转换利用选择开关实现。由于发动机结构未作改动，当使用天然气燃料时，往往不能充分发挥其优点，导致汽车功率下降。
一、天然气
CNG/柴油双燃料汽车是通过对现成柴油车改装而成。其燃料供给系统可根据发动机的运行工况按一定比例同时供给CNG和柴油两种燃料。其中，柴油只作引燃燃料，CNG是主要燃料。
LNG汽车由于液化天然气对储存技术要求较高，使得储存容器的成本高，一定程度上限制了LNG汽车的发展。但由于LNG在储存能量密度、汽车续驶里程、储存容器压力等方面均优于压缩天然气，能解决压缩天然气汽车所存在的一些问题，所以液化天然气作为天然气的使用方式之一，是今后的重点发展方向。
一、天然气
液化石油气又称液化气或压缩汽油，是炼油精制过程中产生并回收的气体在常温下经加压而成的液态产品。主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯。主要用途是作石油化工原料，脱硫后可直接做燃料。其主要理化特性见表3-1。
液化石油气的特性有以下几点：
（1）易挥发。在常温常压下呈气态，液相的液化石油气释压后立即挥发为气体。汽化后体积膨胀250～300倍并急剧扩散漫延，也就是说1L液化石油气能挥发变成250L以上的气体。液相的液化石油气膨胀系数也较大，一般为水的10倍以上，因此储存液化石油气的钢瓶禁止加热和超量灌装，以预防爆炸。
（2）易燃、易爆。液化石油气的爆炸极限为1.5％～9.5％，其爆炸下限较低危险性也较大，可被小火星点燃引爆。
（3）相对密度大。液化石油气比空气重(相对密度是空气的1.5～2倍)，容易停滞和积聚在地低洼处，一时不易被风吹散，与空气混合易形成爆炸性物质，遇火源便会爆炸。
二、液化石油气
液化石油气的特性有以下几点：
（4）中毒性。液化石油气无色透明，具有烃类的特殊气味，在空气中的浓度低于1％时，对人体健康没有危害。但是，长时间接触浓度较高的液化石油气，会使人昏迷、呕吐，严重时可使人窒息甚至死亡。
（5）蒸发潜热高。液化石油气由液态变成气态时需要吸收很多的热量，一旦液化气罐或管道阀门发生泄漏，液化气喷出若喷溅到人身上，急剧吸热会造成冻伤。
（6）腐蚀性低。液化石油气含硫量低，一般没有腐蚀性，但能使橡胶软化。
液化石油气的用途十分广泛，可作为民用及工业用燃料；也可作为合成树脂塑料、合成橡胶、合成纤维、化肥的原料；在工农业生产中广泛用于干燥、烘烤、食品、温室采暖、孵化鸡鸭、加工饲料以及电焊切割、熔化金属、淬火退火、热弯、锻铸等。液化石油气与人们的生活密切相关，随着科学技术的发展，液化石油气的用途越来越广泛。
二、液化石油气
汽车使用液化石油气主要有以下优点：
（1）抗爆性能好。LPG的辛烷值在110左右，而汽油则在90～98，所以LPG具有较好的抗爆震性能。燃用LPG的专用发动机合理压缩比为12，所以采取提高压缩比的方法，可大幅度提高使用LPG汽车的动力性和经济性。
（2）对环境污染小。LPG氢含量大，硫、氮等杂质少，不含芳香烃，在使用时为气相，与空气混合均匀，因而燃烧完全、热值高，CO、HC和微粒的排放极低，CO2的排放因含碳少而大大降低，有助于减少温室效应。加上LPG燃烧温度低，NOx生成少，大大减少了车辆尾气排放对环境的污染。
二、液化石油气
汽车使用液化石油气主要有以下优点：
（3）延长发动机使用寿命。汽车使用汽油作为燃料时，因汽油不能完全汽化而形成液膜，稀释、冲刷了运动部件的润滑油，运动部件润滑情况变差，加快了零部件的磨损。同时，进入曲轴箱的汽油会稀释润滑油，导致润滑油黏度下降，润滑性能变差，加速了发动机摩擦部件的磨损。LPG主要成分是丙烷等低沸点化合物，与空气混合质量好，燃烧完全、无积炭，由于呈气态，不会出现使用汽油时因形成液膜而带来的一系列危害，从而延长了发动机的使用寿命及润滑油的使用寿命。同时，LPG具有较高的抗爆性，可使汽车运转更加平稳，进一步延长了发动机的使用寿命。
（4）低温起动性好。LPG的主要成分丙烷的沸点为-42℃，试验证明，在环境温度为-30℃时，LPG汽车无需采取特别措施仍可顺利起动。
二、液化石油气
汽车使用液化石油气主要有以下优点：
（5）使用方便。液化石油气易于压缩，在常温条件下，约16个标准大气压（1标准大气压=101.3kPa）就可由气体变成液体，可用中压气罐储存，LPG以液态携带，较为方便。由于属中压储存，LPG钢瓶壁厚不大，自重较轻，加上热值高，密度大，一次加气行程较远。
（6）经济性好。LPG的热值比汽油高4％～5％，加上LPG燃烧完全，因而LPG比汽油燃料消耗少约6％，具有较好的经济性。
（7）缓解我国汽车燃料短缺的供需矛盾。我国经济正处于高速发展阶段，交通运输事业迅猛发展，对汽油资源需求量大幅度增加。大力发展车用液化石油气是保证我国石油安全的一项重要措施。以石化生产过程中副产品LPG精制后作为车用LPG，既缓解了汽油供应紧张的问题又满足了环境保护的需要。
（8）发动机尾气清洁，排放物中有害物质少。液化气容易汽化，它总是以气态形式进入发动机混合室，且能与空气良好混合，接近于完全燃烧。和汽油相比，尾气中有害物质极少，且不产生柴油机黑烟。
二、液化石油气
车用液化石油气的技术指标见表3-3。
二、液化石油气
煤层气是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。由于其成分以甲烷为主，往往将其简称为煤层甲烷。
煤层气就是储存在煤层内的煤型气。煤层气常被称为“自生自储”的非常规天然气。应该从广义上理解此观点，气体在煤层内一直处于运移的动态平衡状态，现今的“煤层气”不一定就是原地生成的。
三、煤层气
煤层气或瓦斯的热值跟甲烷(CH4)含量有关，地面抽采的煤层气甲烷（CH4）含量一般大于96.5%，当甲烷含量97.8%时，煤层气的热值为（在0℃, 101.325kPa下）：
（1）高热值：QH=38.9311MJ/Nm3（约9299 kcal/ Nm3）。
（2）低热值：QL=34.5964MJ/Nm3 （约8263 kcal/ Nm3）。
井下抽采的煤层气（瓦斯）一般将甲烷（CH4）含量调整到40.8%后利用，此时瓦斯的热值为（在0℃, 101.325kPa下）：
（1）低热值：14.63MJ/m3（约3494 kcal/ Nm3）。
（2）高热值：16.24MJ/m3（约3878 kcal/ Nm3）。
三、煤层气
页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，是连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的混合，可以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面，还有极少量以溶解状态储存于干酪根和沥青质中，游离气比例一般在20%~85%。页岩气是一种存在于致密碎屑岩中的可燃混合气，主要成分是CH4，全球页岩气资源丰富，已经探明的页岩气储量达到456.2万亿m3，占天然气总储量的11.7%。我国是页岩气资源大国，页岩气储量在100~144.2万亿m3，占世界页岩气总储量的20%，位居全球之首。
页岩气的主要成分与天然气相似，主要成分是甲烷，分子中仅含有一个碳原子，分子结构简单，H/C比较高，相比与燃油汽油与柴油，完全燃烧时CO2的排放量可以降低20%~30%，组分中硫和芳香烃的含量较低，可以降低炭烟排放。
四、页岩气
页岩气的辛烷值较高，抗爆性较好，在发动机上应用时可以采用高压缩比和增压比，提高发动机的有效热效率。
如图3-1所示，页岩气绝大部分是以吸附气的形式赋存于页岩内有机质和黏土颗粒的表面，这与煤层气相似。吸附气量与有机碳含量、地层压力等因素有关 。游离气则聚集在页岩基质孔隙或裂缝（主要为微裂缝）中，这与常规气藏中的天然气相似。 此外，可能还有极少部分页岩气以溶解气形式存在于页岩孔隙束缚水或沥青中。页岩气的形成机理兼具煤层吸附气和常规天然气二者特征，为不间断充注、连续聚集成藏。
四、页岩气
图3-1 页岩气赋存方式与成藏过程示意图
1.天然气、煤层气、页岩气之间的关系与相同点
专业上把天然气称为常规天然气，而把煤层气与页岩气称为非常规天然气，其本质都是“天然气”，即天然形成之气，它们都是古老生物遗体埋藏于沉积地层中，通过地质作用形成的化石燃料，都是自然形成的洁净、优质能源，这是它们的共同点。
（1）常规天然气（Natual Gas）是一种多组分的混合气态化石燃料，主要成分是甲烷（CH4）,另有少量乙烷、丙烷和丁烷，成分相对复杂，相对密度约为0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒之特性。
（2）煤层气（Coalbed Methane）俗称“瓦斯”，主要成分是甲烷，成分较简单，是基本上未运移出煤层，以吸附、游离状态赋存于煤层及其围岩中的煤层气。其热值是通用煤的2～5倍，燃烧后几乎没有污染物。
（3）岩层气（Shale Gas）是从页岩层中开采出来的天然气，成分以甲烷为主。
四、页岩气
2.天然气、煤层气、页岩气之间的不同点
（1）常规天然气以游离赋存为主，蕴藏在地下多孔隙岩层中，主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤田。其开采时一般采用自喷方式采气 、排水式采气，开采技术较简单。
（2）煤层气赋存特点是在成煤的过程中以吸附在煤基质颗粒表面为主，部分游离于煤、围岩孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。其开采一般有两种方式：一是地面钻井开采；二是井下瓦斯抽放系统抽出，相对天然气开采程度大一点。
煤层气是一种以吸附状态为主、生成并储存于煤层及其围岩中的甲烷气体，发热量大于8100cal/m3，与天然气相比主要不同点如下：
①煤层气基本不含碳二以上的重烃，产出时不含无机杂质，天然气一般含有含碳二以上的重烃，产出时含无机杂质。
②在地下存在方式不同，煤层气主要是以大分子团的吸附状态存在于煤层中，而天然气主要是以游离气体状态存在于砂岩或灰岩中。
四、页岩气
2.天然气、煤层气、页岩气之间的不同点
（2）
③生产方式、产量曲线不同。煤层气是通过排水降低地层压力，使煤层气在煤层中解吸→扩散→流动采出地面，而天然气主要是靠自身的正压产出；煤层气初期产量低，但生产周期长，可达20～30年，天然气初期产量高，生产周期一般在8年左右。
④煤层气又称煤矿井斯，是煤矿生产安全的主要威胁，同时煤层气的资源量又直接与采煤相关，采煤之前如不先采气，随着采煤过程煤层气就排放到大气中。据有关统计，我国每年随煤炭开采而减少资源量190亿m3以上，而天然气资源量受其他采矿活动影响较小，可以有计划地控制。
（3）岩层气成藏的生烃条件及过程与常规天然气相同，页岩气藏具有自生自储的特点，页岩既是烃源岩又是储岩。其开采难道较大（因为页岩气储集层渗透率低），主要有水平井技术和多层压裂技术。
四、页岩气
1.氢气的来源
在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢，石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。
传统的工业生产氢能的方法，包括天然气或裂解石油制氢、无二氧化碳排放制氢、煤汽化制氢、甲醇制氢及变压吸附制氢等。
五、氢气
2.氢气的主要物化特性
氢气的主要物化特性见表3-4。
五、氢气
3.氢气的特点
氢是一种无色的气体。燃烧1g氢能释放出142kJ的热量，是汽油发热量的3倍。它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境。氢的质量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻很多，因而携带、运送较不方便，但氢作为燃料仍然被认为是21世纪最理想的能源。氢燃料作为能源的突出特点是无污染、效率高和可循环利用。
（1）无污染。氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损。
五、氢气
3.氢气的特点
（2）效率高。除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142.351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。重要的是其燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。
（3）来源广。在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。
五、氢气
4.氢气在汽车发动机上的使用
近年来，以氢为燃料的“燃料电池发动机”技术取得重大突破， 而“燃料电池汽车”已成为推动“氢经济”的发动机。用氢气作燃料有许多优点，首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境；其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。1965年，外国的科学家们就已设计出能在道路上行驶的氢能汽车；中国也在1980年成功地制造出第一辆氢能汽车，可乘坐12人，储存氢材料90kg。氢能汽车行驶距离远，使用寿命长，最大的优点是不污染环境。
五、氢气
4.氢气在汽车发动机上的使用
氢是可以取代石油的燃料，其燃烧产物是水和少量氮氧化合物，对空气污染很少。氢气可以从电解水、煤的汽化中大量制取，而且不需要对汽车发动机进行大的改装，因此氢能汽车具有广阔的应用前景。推广氢能汽车需要解决三个技术问题：大量制取廉价氢气的方法，传统的电解方法价格昂贵，且耗费其他资源，无法推广；解决氢气的安全储运问题；解决汽车所需的高性能、廉价的氢供给系统。目前常见的供给系统有三种，即气管定时喷射式、低压缸内喷射式和高压缸内喷射式。随着储氢材料的研究进展，可以为氢能汽车开辟全新的途径。科学家们研制出的高效率氢燃料电池，更减小了氢气损失和热量散失。
五、氢气
5.氢气的储存与运输
传统储氢方法有两种，一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢气的容积小，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热。近年来，一种新型简便的储氢方法应运而生，即利用储氢合金（金属氢化物）来储存氢气。研究证明，在一定的温度和压力条件下，一些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金，其储氢能力很强。单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍，也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气。储氢合金都是固体，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，因此是一种极其简便易行的理想储氢方法。目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。
五、氢气
5.氢气的储存与运输
储氢合金还有将储氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热，在放氢时吸热，利用这种放热—吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备。此外它还可以用于提纯和回收氢气，它可将氢气提纯到很高的纯度。例如，采用储氢合金，可以以很低的成本获得纯度高于99.9999％的超纯氢。储氢合金的飞速发展，给氢气的利用开辟了一条广阔的道路。目前我国已研制成功了一种氢能汽车，它使用储氢材料90kg，可行驶40km，时速超过50km/h。今后，不但汽车会采用燃料电池，飞机、舰艇、宇宙飞船等运载工具也将使用燃料电池，作为其主要或辅助能源。另外由于大量使用的镍镉电池（Ni-Cd）中的镉有毒，使废电池处理复杂，环境受到污染。镍氢电池与镍镉电池相比，具有容量大、安全无毒和使用寿命长等优点。发展用储氢合金制造的镍氢电池（Ni-MH），也是未来储氢材料应用的另一个重要领域。
氢的储运有四种方式可供选择，即气态储运、液态储运、金属氢化物储运和微球储运。
五、氢气
6.氢气与传统燃料的对比
（1） 氢气的来源问题。氢气不像氮气和氧气是空气中的最主要组成因素，想得到氢气可以通过电解水，但这是个不太经济的方法，能量损失极大。从电解水开始，耗费电能，产生氢气，氢气再发电过程中会有能量损失；电解水的电现在也是以煤电为主发出来的，烧煤发电也会有能量损失。
（2） 金属铂的稀缺。在氢燃料电池发电的过程中会用到金属铂作为催化剂，成本高昂。
（3） 氢气的安全性。氢气是最轻的气体，它的扩散性极强，氢的扩散系数比空气大3.8倍，比汽油大7.5倍，由此可以证明氢比汽油安全是有根据的。所以少量的氢气泄漏，可以在空气中很快被稀释成安全的混合气。氢气的密度小，易向上逃逸，这使得事故时氢气的影响范围要小得多。
（4）氢燃料电池汽车是环保汽车。氢燃料电池汽车零排放，且一次加氢续驶里程长，加氢时间短。
五、氢气
第二节
活塞连杆组故障诊断与修复
醇 类 燃 料
醇类燃料目前主要指甲醇和乙醇两种。目前它们都已作为汽车替代燃料投入使用，且技术和成本方面也已经达到了实用阶段。
一、醇类燃料的种类和发展状况
1.辛烷值高
醇类燃料的辛烷值与汽油的辛烷值比较，见表3-5。
二、醇类燃料的特点
1.辛烷值高
从表3-5中可以看出，醇类燃料的辛烷值比汽油高，所以使用醇类燃料的发动机可以通过增大压缩比来提高热效率（原理可参考《发动机原理》），从而提高其动力性和经济性。因此，醇类是汽油车良好的替代燃料。另外，醇类燃料也可以作为添加剂添加到汽油中作为高辛烷值组，进而提高汽油的抗爆能力。
二、醇类燃料的特点
1.辛烷值高
从表3-5中我们还可以看出，醇类燃料的灵敏度非常大。灵敏度是利用研究法（测定条件缓和，转速为600r/min，进气为室温。这种辛烷值反映汽车在市区慢速行驶时的汽油抗爆性。对同一种汽油，其研究法辛烷值比马达法辛烷值高0～15个单位，两者之间差值称敏感性或敏感度）测定的辛烷值与利用马达法（测定条件较苛刻，发动机转速为900r/min，进气温度149°C。它反映汽车在高速、重负荷条件下行驶的汽油抗爆性）测定的辛烷值之差值，即灵敏度=RON-MON。灵敏度反映的是汽油机燃料的抗爆性能随汽油机运转工况（如转速提高等）激烈程度增加而降低的情况。对汽油机来说，灵敏度越小越好。醇类燃料的灵敏度大，说明它们在低速时的抗爆性能比中、高速时要好。
二、醇类燃料的特点
2.蒸发潜热大
蒸发潜热是指在常压沸点下，单位质量的纯物质由液体状态变为气体状态需吸收的热量或由气体状态变为液体状态需放出的热量。
醇类燃料的蒸发潜热大，意味着醇类燃料在发动机内由液体状态变为气体状态形成可燃混合气时需要吸收的热量较多，所以醇类燃料在低温条件下起动时，往往会由于汽化所需热量不足，使形成的混合气浓度较低，从而使发动机起动困难。因此，燃烧醇类燃料的发动机需加装进气预热系统，以保证低温起动性能。
3.着火极限宽
着火极限是指混合气可以着火的最小浓度和最大浓度之间的范围，浓度是以空气中可燃气的体积分数表示。
醇类燃料的着火极限比汽油宽得多，可以实现稀薄燃烧，能有效降低发动机在部分负荷时的能量消耗与排放污染。
二、醇类燃料的特点
4.热值低
醇类燃料的热值比汽油低，甲醇热值约为汽油的一半，乙醇热值约为汽油的61%。但由于醇类燃料存在自供氧效应，理论空燃比比汽油低，甲醇的理论空燃比约为汽油的43%，乙醇的理论空燃比约为汽油的60%。所以，在同样的过量空气系数下混合气的热值与汽油相当，汽车使用醇类燃料时的动力性不会降低。
5.腐蚀性大
醇类燃料的化学活性较强，对铜、铝等金属具有较强的腐蚀能力，对橡胶和塑料等非金属材料也具有较大的溶胀作用。
6.易产生气阻
醇类燃料的沸点低，有助于形成燃料和空气的混合气。但温度高时，容易在燃油供给系统中产生气阻现象，严重时会使供油中断，发动机熄火。
二、醇类燃料的特点
7.储存和使用方便
醇类燃料在常温下为液体状态，和传统燃料的汽油、柴油相似，所以储存和使用方便。
8.排放污染低
醇类燃料的蒸发潜热大，甲醇的蒸发潜热约为汽油的3.7倍，乙醇的蒸发潜热约为汽油的2.9倍，所以使用醇类燃料的燃烧温度较低，对NOx的生成有抑制作用；醇类燃料分子中没有C—C键结构，燃烧中不会有多环芳香烃通过缩合形成炭烟粒子的现象，因此排气中基本没有炭烟；醇类燃料氧含量高，且C/H值较汽油小，混合气燃烧较完全，因而排气中未燃烃类与CO含量也相应降低。但醇类燃料的排气中未燃醇类和相应醛类较多。
二、醇类燃料的特点
甲醇燃料和乙醇燃料的主要理化性质与汽油燃料的比较见表3-6。
三、醇类燃料的理化性质
甲醇燃料和乙醇燃料的主要理化性质与汽油燃料的比较见表3-6。
三、醇类燃料的理化性质
2009年1月1日，我国首个车用燃料甲醇质量标准《车用燃料甲醇》（GB/T 23510—2009）国家标准开始实施。《车用燃料甲醇》标准规定了车用燃料甲醇的技术要求、实验方法、检验规则及标志、包装、运输、储存和安全等事项，适用于车用燃料甲醇的生产、检验和销售。《车用燃料甲醇》是把甲醇从化工产品向燃料转变的法律依据，调配各种比例的甲醇汽油时，所使用的甲醇必须符合《车用燃料甲醇》（GB/T 23510—2009）的规定。
四、醇类燃料的质量标准
GB/T 23510—2009对车用燃料甲醇的技术要求见表3-7。
四、醇类燃料的质量标准
我国是煤炭储量最多的国家之一，储量非常丰富。而且在我国煤炭资源的储量比其他能源的储量均多，因此，今后的一段时间内我国的能源消费结构依然以煤为主。所以，以甲醇为替代燃料来弥补石油供应量的不足是非常重要的措施。
我国作为农业国家，随着粮食的丰收已经出现了陈化粮长期库存积压的情况，尤其以黑龙江、吉林、河南等产粮大省库存积压量大。因此，以农作物为原料生产的乙醇作为替代燃料也是非常可行的。醇类燃料的资源比较丰富，可以从多种原料中进行提取，见表3-8。
五、醇类燃料的提取
醇类燃料的辛烷值高，是良好的汽油机替代燃料，但由于其着火性差，十六烷值比柴油低得多，所以在柴油机上使用比较困难。汽油机中应用醇类燃料主要有两种方法：掺醇燃烧和纯醇燃烧。
掺醇燃烧：掺醇燃烧是指把甲醇或乙醇以不同比例掺入汽油中。甲醇、乙醇与汽油的混合燃料分别用M（Methanol）和E（Ethanol）加一数字表示，其后的数字表示混合燃料中甲醇或乙醇的体积分数，如M15表示甲醇体积分数为15%的混合燃料，E10表示乙醇体积分数为10%的混合燃料。
六、醇类燃料的应用
1.掺醇汽油的优点
掺醇汽油的优点，见表3-9。
六、醇类燃料的应用
2.掺醇汽油的使用
鉴于掺醇汽油的优点突出，因而对其使用的研究也非常多。我国对低比例掺醇汽油研究较多，掺醇比例低于15%的低比例掺醇汽油和纯汽油燃料比较，不需要改变现有汽车发动机，不增加改动成本，不存在技术上的难度。因此，低比例掺醇汽油是比较实用的醇类能源利用形式。
2001年我国制定了乙醇燃料发展计划，确定在吉林、河南和黑龙江三省设立燃料乙醇试点项目，并制定了《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽油》两项国家标准，开始推广含10%乙醇的车用乙醇汽油的混合燃料。《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽油》两项国家标准于2001年4月15日正式实施，见表3-10、表3-11。
六、醇类燃料的应用
2.掺醇汽油的使用
六、醇类燃料的应用
2.掺醇汽油的使用
六、醇类燃料的应用
2.掺醇汽油的使用
六、醇类燃料的应用
第三节
活塞连杆组故障诊断与修复
乳 化 燃 料
乳化燃料来源于将水掺到燃料油中改善燃烧这一设想，早在20世纪就已有人提出，到21世纪初，美国、苏联及欧洲一些工业国家，开始乳化掺水燃料油的应用研究，由于在当时的条件下，乳化燃油技术水平较低，能源问题并不突出，乳化燃料技术发展处在较低较缓慢的状态。
20世纪50年代后期，环境与发展矛盾日渐明显，石油危机开始出现，具备节能降污双重机能的燃料油掺水技术获得重视，美国、苏联、日本等都将该技术列为国家级重点项目进行开发研究，并取得积极的应用成果，1981年7月召开的国际燃烧协会第一届年会上，燃料油乳化掺水燃烧被列为三大节能措施之一。我国自50年代末起，也在该领域进行积极研究，并取得一定成果。80年代初，鉴于我国能源短缺，国家计委、国家科委、中科院联合发文，组织研究乳化燃料技术，国家相关研究机构及个人纷纷投入研究，取得了一定的实用成果。
一、乳化燃料的定义和发展状况
乳化燃料燃烧是个复杂的过程，对其节能降污机理较为成熟的解释是乳化燃料燃烧中存在的“微爆”现象和水煤气反应，也就是从燃烧的物理过程和化学过程来解释。
乳化油燃烧过程的物理作用即所谓“微爆”作用，如图3-2所示。
二、乳化燃料降污原理
图3-2 乳化油燃烧过程的物理作用
油包水型分子基团，油是连续相，水是分散相。由于油的沸点比水高，受热后水总是先达到沸点而蒸发或沸腾。当油滴中的压力超过油的表面张力及环境压力之和时，水蒸气将冲破油膜的阻力使油滴发生爆炸，形成更细小的油滴，这就是所说的微爆或称二次雾化。爆炸后的细小油滴与空气更加充分混合，油液燃烧的更完全，使内燃机或油炉达到节能之效果。
化学作用即水煤气反应。在高温条件下，部分水分子与未完全燃烧的炽热的炭粒发生水煤气反应，形成可燃性气体，反应式如下：
二、乳化燃料降污原理
上述这些反应，减少了火焰中的炭粒，提高了油的燃烧程度和燃烧效率，改善了燃烧状况。在缺氧条件下，燃料中由于高温裂解产生的碳粒子，能与水蒸气反应生成CO和H2，使碳粒子能充分燃烧，提高了燃烧率，降低了排烟中的烟尘含量，另一方面，由于乳化水的蒸发作用，均衡了燃烧时的温度场， 从而抑制了 NOx的形成。
通过上述的微爆及水煤气反应可知，乳化油燃料具有减轻大气污染和节约能源的双重效果。
二、乳化燃料降污原理
1.乳化柴油
乳化柴油(“DOE”)于所有相关应用中可直接替代柴油，包括压燃式发动机（高、中、低速柴油发动机）、燃气轮机、小型熔炉和锅炉。最基本的运用是用于公路柴油发动机应用方面，如货车和巴士，以及非公路的应用，如固定发电机、建筑机械、拖拉机等。有赖于其独特的燃烧特性，乳化柴油发挥的环境效益远超柴油。 广泛的测试证明了乳化柴油常见的减排幅度为：氮氧化物——10%～30%，一氧化碳——10%～60%，二氧化碳——1%～3%，颗粒物——高达60%，烟——基本上消除。
三、乳化燃料的分类
1.乳化柴油
具竞争力的价格——乳化柴油不单提高制造商/分销商的边际利润，更由于政府的税务优惠或奖励政策，最终用户可以享受到成本上的节约。
提高效率——由于影响燃油效率的因素有很多，不能明确声称能将燃料效率提升哪个具体的幅度。虽然已进行的测试、试验证明柴油效率的升幅可高达10%，但实际结果会因为如发动机的机龄、型号、大小和应用等多个因素而出现差异。
三、乳化燃料的分类
2.乳化生物柴油
乳化生物柴油(“EBD”)在大多数的柴油和生物柴油应用中可用作直接替代燃料，包括压燃式发动机（高、中、低速柴油发动机）、燃气轮机以及小型熔炉和锅炉。乳化生物柴油的水含量取决于其应用，以及用于与柴油混合的生物柴油的原始分量。然而，水和添加剂的总含量则与乳化柴油技术采用的相似。
生物柴油作为清洁替代燃料由可再生能源中提取而来，是唯一一种完成全面评估并根据美国清洁空气法提交予美国环保局的替代燃料，其相对于传统柴油燃料，具有减排和健康方面的效益。使用生物柴油可减少一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和颗粒物等有害物质的排放。国际汽车工程师学会（SAE）的检测报告和“概念验证”测试证实了乳化后的生物柴油可减少氮氧化物排放量至低于超低硫柴油（ULSD）的基线，如图3-3所示。
三、乳化燃料的分类
2.乳化生物柴油
三、乳化燃料的分类
图3-3 低硫柴油(ULSD)的基线
3.乳化重燃料油
重燃料油(“HFO”)是一种原油精炼过程残渣跟柴油或汽油的典型混合物。那些残渣在常温下为固态，其也称为沥青、焦油、渣油或“塔底产物”，在室温下混合柴油或汽油（切割油）后会产生一种类似糖蜜的液体。重燃料油的一致性高沸点和焦油状特质令它在一般情况下，先要进行加热，才可通过油管或分配到锅炉或其他加热容器中再被燃烧。同样，“HFO”必须通常在加热状态存储。于工业锅炉及其他直接热源应用程序（例如鼓风炉和蒸汽锅炉）。重燃料油也可作为船舶和大型柴油发动机的主要燃料。
水“稀释”重燃料油(“HFO”)以获得稳定的乳化重燃料油(“FOE”)，其有以下优点：大型工业锅炉更有效率；减少氮氧化物和颗粒物的排放；更好的燃烧并提高碳效率；由于乳化重燃料油在燃烧中的“清洁剂”特性而减少维护成本和停机时间。
三、乳化燃料的分类
3.乳化重燃料油
混浊物质（烟）和颗粒物排放一直是锅炉运营者十分关注的问题，乳化重燃料油（“FOE”）可有效减少颗粒物排放，并提高燃烧效率，降低浑浊度。必须注意的是，颗粒物密度及大小均下降，显示乳化重燃料油实现二次雾化和较完整的碳燃耗。料油（“FOE”）的设计主要实现锅炉效率的提升及基础燃油消耗的减少，也降低锅炉的混浊度、颗粒物和氮氧化物数量。
三、乳化燃料的分类
4.乳化残余油
精炼厂使用原油作为原料生产不同的产品，如柴油、煤油和飞机燃油。由于一系列原因如高黏度，在精炼过程中产生的“剩余物”不会直接用于燃烧。为创造价值，“剩余物”通常与其他石油副产品如柴油混合来转换成可燃的重燃料油 (“HFO”)。通常来说，“HFO”包含约35%的分割物质。
乳化残余油成本主要是水、化学添加剂和混合器，可以显著地少于传统使用的分割物质。其优势包括：在燃料罐和燃料线上减少的产品热量；在乳化程序中可使用“含硫污水”；减少灰尘中未燃烧的碳含量，减少排放量（颗粒物，一氧化碳，氮氧化物）。
三、乳化燃料的分类
5.氧化脱硫
使用乳化剂产生的催化系统利用氧气可以改变特种硫的化学构成，从而显著降低取出硫物质的难度。我们发现利用其领先的乳化技术可以生成必要的环境从而令其乳化剂可以在脱硫化学反应中稳定存在而又能达到理想的乳化分离。能够适应严格的环境保护条例所要求的柴油燃料硫含量从几百ppm减少到小于15×10-6。
三、乳化燃料的分类
燃料由烃类物质组成。烃类物质都是非极性化合物。而水是极性化合物，所以二者的互溶性很差。要使二者混合形成均匀、稳定的乳化液，配制上有一定的难度，这需要借助乳化添加剂并采用适当的配置方法才能完成。
乳化添加剂是一种具有乳化作用的表面活性剂，其化学结构由极性基和非极性基两部分构成，极性基具有亲水性质，非极性基具有亲油性质。所以可以使油与水混合比较容易且可保证稳定性。
燃料乳化的常用方法有超声波法和机械混合法两种。
1.超声波法
超声波法是利用超声波在液体媒介中传播时会出现的机械的、热的及空化等作用机制，对传声媒质可产生一系列效应的原理进行配制乳化燃料的。其优点是设备简单、处理能力大、耗能少、乳化添加剂用量少、乳化效果好，是目前最常用的乳化方法。
四、乳化燃料的制备方法
燃料乳化的常用方法有超声波法和机械混合法两种。
2.机械混合法
乳化燃料的配制也可采用机械法把按比例配好的油、水和乳化添加剂进行搅拌、剪切、混合和雾化，并使粒子直径达到要求。混合法设备简单，但乳化燃料的质量差，并且乳化过程的耗能也比较大。
四、乳化燃料的制备方法
目前的乳化燃烧油国内外研究者主要集中在对车辆的内燃机的燃料的研究，对象体系也只是柴油掺水和甲醇，从能源的可再生性、可循环的绿色环保能源角度出发没有从根本上解决问题，但是为我们提供研究燃料能源的手段和方法，我们可以拓宽其应用范围和研究对象。应用范围包括工业锅炉用燃料油、中央空调用燃料油、宾馆用燃料甚至民用燃料替代现用的液化气；研究对象可以是醇类（甲醇、乙醇）和生物质油类（松节油、桐油、麻风树油、棉花油、地沟油）及合成的生物柴油。
大量研究结果表明，微乳化燃油不仅节能，而且可大大减少环境污染，是一种很有发展前途的替代燃料，越来越受到各国科研工作者的重视。但截至目前，市场前景及性能价格比均较好的微乳燃油还未见使用，这和开发的力度及技术成熟度有关，微乳化油的稳定性与乳化剂和助剂的类型及加入量、乳化、储存温度及如何控制生产成本都还需要进行更加深入的研究。
五、前景展望
未来乳化燃油技术的发展可能会集中于以下几个方向。
（1）结合乳液形成及其破乳理论，从乳化剂分子结构考虑其亲水性和亲油性和柴油及水的结构上选择或配制柴油乳化剂，制备稳定的、色泽接近柴油近乎透明的微乳化燃油。
（2）由于生物油的可再生性、可生物降解性和其良好的排气性能，可将柴油和生物油（植物油或动物油脂）混合与水乳化。
（3）在选用乳化剂方面，可以使用乳化性能更好的但相对价格比较低廉的阳离子表面活性剂或高温下可分解的生物表面活性剂。
（4）从应用角度看应该向性质和柴油接近的微乳化燃油发展。
五、前景展望
未来乳化燃油技术的发展可能会集中于以下几个方向。
（5）微乳生物柴油作为一种可再生且环境友好的可替代燃料，主要存在着成本高、生产工艺不成熟等问题。因此，降低微乳生物柴油的成本，提高微乳生物柴油的经济性，将是今后首先要解决的一个问题。
（6）加强水的热裂解和光分解的催化剂的研究，在燃烧过程中以油为载体分解水以强化燃烧效率，同时也达到降低成本的目的。
五、前景展望
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