第6章.油品分析教案

第6章  油品燃烧性能的分析  2学时

§6-1  汽油的抗爆性     1学时

§6-2 柴油的着火性     1学时

教学过程：

[板书]             第六章  油品燃烧性能的分析

[导课] 石油产品绝大部分作为燃料，其中以汽油发动机、柴油发动机及喷气式发动机等发动机燃料为主要地位。对于燃料油品，燃烧性能是评价油品的重要指标。

什么是燃烧性能？

燃烧性能就是指燃料是否具有较高热值，在发动机工作状态下能否充分燃烧并提供更高的有效功率的能力。

燃料能否充分燃烧：发动机结构、工作状态、空气的合理供应、油品的物理性质和化学组成多方面考虑。本章主要从发动机的使用条件出发，介绍评定发动机燃料燃烧性能的标准及其实验方法。

                  第一节  汽油的抗爆性

[板书]一、评定汽油抗爆性的意义      

 1．汽油机的爆震现象        

（1）汽油机工作原理  

[讲述]汽油机是用电火花点燃油气混合气而膨胀作功的机械。

工作过程包括四行程：

①吸气。吸入空气与燃料的混合气。

 ②压缩。压缩吸入的气体。

 ③膨胀作功。点燃，推动活塞向下运动作功。

 ④排气。 惯性推动。

[板书]（2）汽油机的爆震现象  

[讲述]使用燃烧性能差的汽油时，油气不正常爆炸燃烧（产生大量不稳定过氧化物），产生强大冲击波，猛烈撞击活塞头和气缸，发出金属敲击声，这种现象称为爆震。

[思考题]爆震现象对发动机的损害？

[板书]2．影响点燃式发动机爆震的因素

（1）燃料性质    

 [讲述] 使用含烷烃、烯烃较多的燃料，很容易形成不稳定的过氧化物，产生爆震现象。 由同一原油炼制的汽油，馏分越重，越容易发生爆震。

（2）发动机结构和工作状况    

  发动机的压缩比及操作条件不当，都易促使爆震现象的发生。        

[板书]①压缩比  压缩比是指活塞在下止点时的气缸容积（V1）与在上止点时的气缸容积（V2）的比值。提高压缩比，可降低油耗。

但不同压缩比的发动机，必须使用抗爆性与其相匹配的汽油，才能提高发动机的功率而不会产生爆震现象。

[讲述]汽缸内油气与空气的混合程度可用空气过剩系数(a)表示。 

空气过剩系数是指燃烧过程中实际供给空气量和理论需要空气量之比。在a为0.8～0.9时，最易爆震；在a为1.05～1.15时，不易爆震，功率大。

凡是能促进汽油自燃的因素，如气缸内温度、压力的增大等，均能加剧爆震；

凡是能促进汽油充分气化、燃烧完全的因素，均能减缓爆震现象。

[板书]3．评定汽油抗爆性的意义

（1）划分车用汽油牌号   汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆震的能力，用辛烷值评定。辛烷值越高，汽油的抗 爆性越好，使用时可允许发动机在更高的压缩比下工作。

辛烷值是在标准试验条件下，将汽油试样与已知辛烷值的标准燃料（或称参比燃料）在爆震试验机上进行比较，如果爆震强度相当，则标准燃料的辛烷值即为被测汽油的辛烷值。

标准燃料是由抗爆性能很高的异辛烷（2，2，4-三甲基戊烷，其辛烷值规定为100）和抗爆性能很低的正庚烷（其辛烷值规定为0）按不同体积分数配制而成的。

标准燃料的辛烷值就是燃料中所含异辛烷的体积分数。

我国车用汽油按研究法辛烷值划分3个牌号：90号、93号和95号。

[板书]（2）评价汽油质量，指导油品生产  

辛烷值是汽油最重要的质量指标。为了满足汽油的使用要求，成品油必须严格按指标控制生产。 

汽油的辛烷值和汽油的化学组成有关。

辛烷值大小：高度分支的异构烷烃和芳香烃 ＞ 环烷烃和烯烃 ＞ 正构烷烃

[板书]二、汽油抗爆性的评定方法

1．车用汽油抗爆性的评定方法

（1）马达法辛烷值 

 [讲述]马达法辛烷值是在900r/min的发动机中测定的，用以表示点燃式发动机在重负荷条件下及高速行驶时，汽油的抗爆性能。用MON表示

（2）研究法辛烷值

[讲述]研究法辛烷值是发动机在600r/min条件下测定的，它表示点燃式发动机低速运转时，汽油的抗爆性能。（RON）

研究法和马达法所测辛烷值可用下式近似换算。

MON=RON×0.8＋10                (6-1) 

研究法辛烷值和马达法辛烷值之差称为该汽油敏感性。它反映汽油抗爆性随发动机工作状况剧烈程度的加大而降低的情况。

就实际应用而言，汽油的敏感性低些有利，敏感性越低，发动机的工作稳定性越高。通常烃类的敏感性顺序为：

芳烃＞烯烃＞环烷烃＞烷烃

[板书]（3）道路法辛烷值   

[讲述]它是在一定温度下，用多缸汽油机进行辛烷值测定的一种方法（实际行驶状况）。在实际应用中，大多采用经验公式计算道路辛烷值。

MUON=28.5+0.431RON+0.311MON－0.040φ4                   

φ4 ——烯烃体积分数，%

目前道路法辛烷值还未列入我国汽油评定指标。

[板书]（4）抗爆指数  

[讲述]与道路法辛烷值相似，抗爆指数是又一个反映车辆在行驶时的汽油抗爆性能指标。抗爆指数又称为平均实验辛烷值。

ONI=(MON+RON)/2

式中ONI-----抗爆指数

我国车用汽油已对抗爆指数指标提出了明确的要求。

[板书]2．航空汽油抗爆性的评定方法

航空汽油对抗爆性的要求非常严格，规定用马达法辛烷值和品度值两个指标表示。

航空汽油的辛烷值表示航空汽油发动机在贫油混合气（过剩空气系数a为0.7～0.8）下工作，即飞机巡航时燃料的抗爆性。 

品度值是航空汽油在富油混合气（a为0.8～1.0）无爆震工作时发出的最大功率与异辛烷在同样条件下发出的最大功率之比，它表示飞机在起飞和爬高时燃料的抗爆性。

品度值和辛烷值可按下式进行换算：

MPN=100+3(MON―100)

式中MPN——马达法品度值。

我国采用“辛烷值/品度值”表示航空汽油[GB 1787-1979（1988）]的牌号，例如：RH-95/130表示马达法辛烷值不低于95，品度值不低于130。

[板书]三、汽油辛烷值测定方法概述

1．马达法辛烷值

2．研究法辛烷值（重点）

[讲述]按GB/T 5487－1995《汽油辛烷值测定法（研究法）》标准方法进行 。适用于测定车用无铅汽油和车用乙醇汽油的抗爆性，应用于发动机制造厂、石油炼化和商业交货验收。

测定汽油辛烷值在一台连续可改变压缩比的单缸发动机上进行。机上装有测量爆震强度的爆震表（毫伏表），可以把被测试样的爆震强度准确指示出来，通过转换，得到试样的辛烷值。

研究法辛烷值的测定方法可以采用内插法或压缩比法。

[板书]（1）内插法  

基本原理是在固定的压缩比条件下，使试样的爆震表读数位于两个参比燃料调合油的爆震表读数之间，然后采用内插法计算试样的辛烷值。其具体测定的步骤如下。

①将仪器调试到标准爆震强度要求。按标准操作条件（表6-2辛烷值测定的标准操作条件），确定试验装置的工作状态。

进一步调试装置使其符合标准爆震强度要求。

标准爆震强度是已知辛烷值的参比调合油在爆震试验装置中燃烧时产生爆震的程度，通常调整爆震表读数为50。这时参比燃料的研究法辛烷值与测微计数值对应关系符合表6-3要求（表6-3  标准爆震强度测微计读数与研究法辛烷值的对照表）。

[讲述]②估计试样的辛烷值。

先用试样调整燃料与空气的混合比,使之获得最大爆震强度，让爆震表指针接近50的位置上。

再调整压缩比使爆震表读数为50。

确定试样产生标准爆震强度时的气缸高度，记下此时爆震表读数。根据测微计读数，按表6-3估算出试样的辛烷值（表6-3  标准爆震强度测微计读数与研究法辛烷值的对照表）。

[讲述]③用插入法计算试样的辛烷值。

在相同条件下分别对两个参比燃料进行试验,保持压缩比不变，测定爆震强度，记下爆震表的读数，并按式（6-4）计算试样的辛烷值。

                (6-4）

式中：

    X——试样的辛烷值；

    A——高辛烷值参比燃料的辛烷值；

    B——低辛烷值参比燃料的辛烷值；

    a——高辛烷值参比燃料的平均爆震表读数；

    b——低辛烷值参比燃料的平均爆震表读数；

    c——试样的平均爆震表读数。

[讲述]（2）压缩比法  根据试样在标准爆震强度下所需的气缸高度（用测微计读数表示），从表6-3*标准爆震强度测微计读数与研究法辛烷值的对照表)即可查出其辛烷值。

其测定结果要求修约到小数点后一位，报告为研究法辛烷值，简写为：××.×/ RON。

[小结] 评定汽油抗爆性的意义；汽油抗爆性的评定方法；汽油辛烷值测定方法。

                       第二节  柴油的着火性

[板书]一、评定柴油着火性的意义

1．柴油机的工作粗暴现象

（1）柴油机的工作原理  

[讲述]柴油机分为四行程和二行程两类，常见四行程。

   ①吸气。吸入空气。

   ②压缩。压缩吸入的空气。

       ③膨胀作功。喷油，自燃，推动活塞向下运动作功。

   ④排气。

[板书]（2）柴油机的工作粗暴现象  

 [讲述]从喷油器开始喷油到燃料自燃着火这段时间，称为着火滞后期（或称为滞燃期，用曲轴旋转角度表示）。

 如果柴油自燃点高，则着火滞后期增长，以致在开始自燃时，气缸内积累较多的柴油同时自燃，温度和压力将剧烈增高，冲击活塞头剧烈运动而发出金属敲击声，这就是柴油机的工作粗暴。

[板书]2．评定柴油抗爆性的意义

（1）判断柴油燃烧性能，为油品使用及质检提供依据  

[讲述]柴油的着火性就是指柴油的自燃能力。

    柴油着火性通常用十六烷值表示，一般十六烷值高的柴油，自然能力强，燃烧均匀，着火性好，不易发生工作粗暴现象。

不同转速柴油机对柴油十六烷值要求是不同，转速大于1000r/min的高速柴油机，使用十六烷值为40~50的柴油为宜；转速低于1000/min的中、低速柴油机，可以使用十六烷值为30~40的柴油。

我国国家标准GB/T 19147－2003中规定，10、5、0、－10号车用柴油的十六烷值不小于49，－20号车用柴油的十六烷值不小于46，―35、―50号车用柴油的十六烷值不小于45。

（2）了解柴油着火性与化学组成的关系，指导油品生产  

 [讲述]相同碳原子数的不同烃类，正构烷烃的十六烷值 ＞ 正构烯烃、环烷烃、异构烷烃居中＞无侧链稠环芳烃的十六烷值；

 对相同的烃类来说相对分子质量越大，热稳定性越差，自燃点越低，十六烷值越高。

[板书]二、柴油抗爆性评定方法

1．十六烷值（CN）

[讲述]十六烷值是评定柴油着火性的指标之一。它是在规定操作条件的标准发动机试验中，将柴油试样与标准燃料进行比较测定，当两者具有相同的着火滞后期时，标准燃料的正十六烷值即为试样的十六烷值。

标准燃料是用抗爆性能好的正十六烷和抗爆性能较差的七甲基壬烷按不同体积比配制成的混合物。规定正十六烷的十六烷值为100，七甲基壬烷的十六烷值为15。

例如，某试样经规定试验比较测定，其着火滞后期与含正十六烷体积分数为48％、七甲基壬烷体积分数52％的标准燃料相同，则该试样的十六烷值即为：

CN=φ1+φ2

CN：标准燃料的十六烷值

Φ1 ：正十六烷的体积分数，%

Φ2 ：七甲级壬烷的体积分数，%

[板书]2、 十六烷指数（CI）

[讲述]十六烷指数是表示柴油抗爆性能的一个计算值，它是用来预测馏分燃料十六烷值的一种辅助手段。适用于计算直馏馏分、催化裂化馏分以及两者的混合燃料的十六烷指数。

CI= 431.29－1586.88ρ＋730.97ρ2＋12.392ρ3＋0.0515ρ4 － 0.554 t ＋ 97.803(lgt)2

（6-7）

ρ、t  ——试样20℃时的密度及沸点

【例题6-1】若已知某试样在20℃时的密度为0.8400g/mL，按GB/T 6536－1997《石油产品蒸馏测定法》测得的中沸点为260℃，计算该试样的十六烷指数。

解：  由（6-7）得：

CI=431.29-1586.88×0.8400+730.97×0.84002+12.392×0.84003+0.0515×0.84004-0.554×260+97.803×(lg260)2

CI =47.8≈48

目前，十六烷指数已列入我国车用柴油的质量指标。

[板书]3．柴油指数（DI）

[讲述]柴油指数是表示柴油抗爆性能的另一个计算值。它是和柴油密度、苯胺点相关联的参数。

十六烷指数和柴油指数计算简捷、方便，适用于生产过程的质量控制，但不允许随意替代用标准发动机试验装置所测定的试验值，柴油规格指标中的十六烷值必须以实测为准。

[板书]三、柴油十六烷值测定方法概述

[讲述]按GB/T 386－1991《柴油着火性质测定法（十六烷值法）》标准方法进行。测定仪器是一台可改变压缩比的专用单缸柴油机（900r/min），压缩比可调范围为7.95~23.50，机上装有着火滞后期表（见图6-7）及其辅助装置（四个电磁传感器：即燃烧传感器、喷油传感器、及两个参比传感器）。

测定十六烷值的基本原理是：在标准操作条件下，将试样的着火性质与已知十六烷值的两个标准燃料相比较，其中两个标准燃料的十六烷值分别比试样略高或略低，在着火滞后期相同的情况下，测定它们的压缩比（用手轮读数表示）并据此用内插法计算试样的十六烷值。其具体测定步骤如下：

[板书]1．喷油量的测量：

[讲述]稳定发动机，调整喷射量为：13.0mL/min±0.2mL/min。燃料喷油量用测微计调节。

[板书]2．喷油提前角的调整

[讲述]旋转测微计，调整并固定喷油提前角为上止点前13°。

[板书]3．试样着火滞后期的测量

[讲述]将着火滞后期表上的选择开关转到着火滞后的位置，然后用手轮调节发动机压缩比，准确锁紧在上述要求的喷油提前角（上止点前13°）位置上，记录手轮读数。以同样的方法，至少重复三遍，计算平均值。

 [板书]4．标准燃料的选择

[讲述]选择两个相差不大于5个十六烷值的标准燃料进行试验，调节发动机压缩比，使试样在仪表指示13°的手轮读数处于两个标准燃料之间，否则另选标准燃料。根据标准燃料的十六烷值和压缩比数值，用内插法按式即可计算试样的十六烷值。

CN=CN1＋(CN2－CN1)(a －a1)/ (a2 －a1)                （6-11）

CN------试样的十六烷值

CN1-----低十六烷值的标准燃料的十六烷值

CN1-----高十六烷值的标准燃料的十六烷值

a------试样三次测定手轮读数的平均值；

a1------ 低十六烷值的标准燃料三次测定手轮读数的平均值；

a2------ 高十六烷值的标准燃料三次测定手轮读数的平均值；

计算结果准确至小数点后一位作为十六烷值测定结果。报告时，用符号××.×/ CN表示。例如，47.8/CN 。

[小结] 评定柴油着火性的意义；柴油抗爆性评定方法；柴油十六烷值测定方法。

作业布置：第131页习题3、4、9、10