液体燃料：汽油和柴油及其评价方法

汽车用液体燃料有从石油中精制提取的汽油和柴油。通常汽车运行的环境条件为，周围大气温度为-30℃～+40℃，大气压力为0.5～1×10⁵Pa。在如此宽幅条件下，要充分发挥汽车的性能，燃料的品质很重要。燃料的品质通过ASTM蒸馏特性、抗爆性（或着火性）和其他添加剂等进行评价。

1.汽油

汽油（ULP），外观为透明液体，主要由C₄～C₁₀各族烃类组成，按研究法辛烷值分为90号、93号、95号三个牌号。具有较高的辛烷值和优良的抗爆性，用于高压缩比的汽油机上，可提高发动机的功率，减少燃料消耗量；具有良好的蒸发性和燃烧性，能保证发动机运转平稳、燃烧完全、积炭少；具有较好的安定性，在储运和使用过程中不易出现早期氧化变质，对发动机部件及储油容器无腐蚀性。

汽油主要是由C₄～C₁₂各族烃类200余种碳氢化合物燃料混合而成，是沸点范围在30～220℃的挥发性石油馏分的总称。汽油通常呈现无色透明状，挥发性较高，易燃，不仅作为汽油机的燃料，还广泛使用于其他用途。

汽油所具备的条件如下：

①具备适当的挥发性和高发热量。

②抗爆性强，无腐蚀性，不易生成燃烧沉积物。

③不对排气净化装置产生恶劣影响。

在韩国通常生产销售普通汽油和高级汽油两种无铅汽油。这两种汽油的差异为，仅辛烷值不同，其他蒸馏特性、蒸汽压、铅含量和烯烃含量等都相同。韩国汽车用汽油的品质标准见表4-2。

（1）蒸馏特性 汽油的挥发性与发动机的起动、加速性能等有密切的关系，以蒸馏特性和蒸汽压（雷德蒸汽压，在37.8℃时的汽油饱和蒸汽压）进行定义。

图4-2 ASTM蒸馏试验装置

燃料的挥发性评价方面有ASTM（美国材料试验协会）蒸馏法。如图4-2显示，ASTM蒸馏装置很简便，其测量方法也很简单。在烧杯中加入100mL燃料，在大气压下进行加热，并测量每10%燃料蒸发时的温度。把测量的数据在横坐标为流出量（%）和纵坐标为蒸馏温度（℃）的坐标上标出，可以获得1条曲线。其中，10%、50%和90%的馏出温度与运行性能有直接的关系，品质标准见表4-2。

表4-2 韩国汽车用汽油的品质标准

注：1.对于烯烃含量可以适用括号内的标准。此时，芳烃类化合物含量也适用括号内的标准。

2.氧的质量分数表示在MTBE（甲基t-丁醚）、ETBE（乙基t-丁醚）和生物乙醇中含有的氧气量。

3.蒸汽压为雷德蒸汽压（RVP），不是汽油绝对蒸汽压，是相对于大气压的值。

（2）辛烷值 在奥托循环中，压缩比越大，理论热效率就越高。但在实际发动机上，如果压缩比过大，发生异常燃烧（爆燃），不仅会使发动机过热和性能下降，甚至会损坏发动机，所以压缩比的增加是有限度的。导致汽油机异常燃烧的因素有燃料的性质、压缩比、点火时刻、燃烧室形状等许多因素，其中燃料抗爆性的影响最大。

汽油抗爆性的度量尺度为辛烷值（ON）。辛烷值是，把抗爆性较高的异构体辛烷（C₅H₉（CH₃）₃）定为100，抗爆性最低的正构体庚烷（C₇H₁₆）定为0，把此两种燃料混合制成任意辛烷值的燃料，把此燃料作为试验标准燃料，对进行试验的燃料发生爆燃的特性与此标准相比较判定其燃料的辛烷值。

如，把90%异构体辛烷和10%正构体庚烷混合的标准燃料加入到CFR发动机上，并改变压缩比，使发动机发生适当的爆燃，之后加入任意汽油，如果在相同的压缩比条件下，发动机发生同等程度爆燃，此汽油的辛烷值就是异构体辛烷的含油率90。

辛烷值分为研究法和马达法。研究法辛烷值（RON，称为F-1法）为发动机在低速、低温条件下进行测量的方法，马达法辛烷值（MON，又称为F-2法）为发动机在高速、高负荷、高温条件下进行测量的方法。在韩国以研究法进行测量，在美国取用这两者的平均值，并以抗爆指数加以利用。

如表4-1显示，碳氢化合物分子的辛烷值随碳元素结合状态的不同而不同，直链结构烷烃较低，具有双键结合结构的烯烃类和环状饱和结构的环烷为其次，以芳烃类为最高。

（3）挥发性和发动机性能 汽油的蒸馏特性对发动机的运行性能产生影响，如图4-3所示。蒸馏特性不仅对发动机的冷起动性能、暖机特性、加速性和润滑性有影响，还对发动机的高温重起动性能和排气特性等有影响。

蒸馏特性10%馏出温度与发动机的起动性能和气阻有关联。发动机起动时，气缸内混合气必须在可燃范围内。但是，在冬季寒冷气候条件下，汽油的气化很困难。通常，对汽油机来说，ASTM蒸馏曲线10%的点决定能否起动的难易度。10%馏出温度越低，越容易起动，但如果过低，在夏季就越易发生气阻^[1]现象。

图4-3 汽油的蒸馏特性与运行性能之间的关系

50%馏出温度与发动机的暖机性能和加速性能有关联。为了加速加大节气门的开度，向气缸内进入的空气量会急剧增加，但汽油的增加量相对于进气量不能立即增加。尤其是，如果汽油的挥发性不良，汽油的气化不良，不直接进入到气缸内，而粘附在管壁上，加速性能反而会降低。50%馏出温度低的汽油，发动机的暖机速度快，加速性能良好，相反50%馏出温度高的汽油，暖机时间长，急加速时容易导致失火，加速性能会恶化。

90%馏出温度高的汽油，在气缸内不能完全气化，通过活塞与气缸壁之间进入到曲轴箱内，稀释机油，使机油的黏度显著降低。

燃料的蒸馏特性对燃烧废气也会有影响。特别是对发动机暖机前（冷态时）碳氢化合物（HC）（未燃碳氢化合物）排出量带来很大影响。尤其是50%馏出温度的影响大，在与排放废气之间的关系上成为重要的指标。图4-4显示了ULEV（超低排放汽车）汽车和LEV（低排放汽车）汽车随50%馏出温度和90%馏出温度的碳氢化合物（HC）排放量。试验结果显示：以50%馏出温度97℃为基准，如果小于此温度，碳氢化合物（HC）排放量小；如果高于此温度，碳氢化合物（HC）排放量显著增加。90%馏出温度以150℃为基准，高低不分碳氢化合物（HC）排放量都多。

图4-4 蒸馏特性对碳氢化合物（HC）排放量的影响

（4）汽油添加剂 为了提高汽油的品质，使用有许多添加剂。如，防爆燃剂、防氧化剂、防表面着火剂和防腐蚀剂等。

①防爆燃剂：是辛烷值提高剂。无铅汽油中主要使用辛烷值高的乙醇或乙醚系列含氧化合物，有甲醇、乙醇、TBA（叔丁醇）、MTBE（甲基t-丁醚，甲基叔二丁醚）等。这些防爆燃剂的特性见表4-3。

表4-3 防爆燃剂特性

②防氧化剂：汽油的分解大部分为烯烃类引起。烯烃与空气接触容易氧化产生胶状物质。对此预防措施为添加5～100p柴油颗粒（PM）的烷基酚类或氨基苯酚类。

③防表面着火剂：燃烧室内沉积物达到高温时，有时会出现点燃混合气的现象。对此应添加磷成分。

④防腐蚀剂：一旦水分进入汽油，汽油就会变质，导致供油系统腐蚀，进而堵住燃油滤清器或喷油器等。因此应添加防腐蚀剂表面活性剂。

（5）汽油的种类 汽油根据用途可以分为粗汽油（工业用汽油）、汽车汽油、航空汽油。根据制造法可以分为直馏汽油、改质汽油、分解汽油、异构化汽油、聚合汽油、天然气汽油等。汽车用汽油是把很多种汽油混合并添加了很多添加剂的产品。

①直馏汽油：是通过把原油单纯地升压蒸馏在LP气体（丙烷等）后制造的直馏粗汽油，是消除硫化氢等不纯物质的汽油。利用此方法生产的汽油产量很少，约为20%，辛烷值也低，约为55～70。直馏汽油要通过催化剂改质或与高辛烷值汽油混合提高其辛烷值后使用。

②改质汽油：在直馏汽油中把辛烷值低的成分（正构体烷烃、环烷）通过加热或与白金催化剂等进行反应，改质为辛烷值高的化合物（芳烃、异构体烷烃）所制造的汽油。

③分解汽油：把从原油蒸馏生产的轻油和重油进行热分解、加氢裂化、催化裂化等所制造的汽油。即，把沸点高的石油馏分进行分解制造为沸点低的汽油，包含的烯烃类比芳烃类更多。

④异构体汽油：把在轻质粗汽油馏分中碳原子数为C₄～C₆左右的正构体烷烃碳氢化合物利用催化剂转换为辛烷值高的中质异构体烷烃所制造的汽油。

⑤聚合汽油：通过丙烯、丁烯、异构体丁烷等催化裂化装置，进行聚合或烷基化反应制造的汽油，耐爆燃性良好，因此作为高级汽油使用。

⑥天然气汽油：是从油井开采的湿性气体中含有的、沸点较低的汽油。把在开采原油时同时喷出的湿性天然气汽油引入到生产工厂，通过压缩、冷却或利用精制油吸收等方法制造的汽油。

2.轻油

轻油（柴油）是200余种C₁₂～C₁₉碳氢化合物混合而成的化合物，沸点范围为200～340℃的石油馏分，主要作为高速柴油机（客车、货车）的燃料。此外，还作为燃烧炉的燃料、机械类清洁油和切削润滑油。

柴油着火温度（燃点）即燃料被加热燃烧的温度为250℃，比汽油300～400℃的着火温度低，这就是把柴油作为自点火柴油机燃料的原因。即汽油的沸点（或引火点）比柴油低，而柴油的着火温度比汽油低。如在加热到280℃的铁板上滴落汽油和柴油，汽油在接触铁板的瞬间加热蒸发，但柴油蒸发时常常会发生燃烧现象。燃点为火焰接近燃料时燃料能着火的最低温度，燃料的沸点越低，其燃点越低。通常，汽油的燃点为-45℃，但柴油的燃点为60℃左右，与燃点特性正好相反。

柴油是通过石油蒸馏和脱硫过程制造的。随着汽车用燃料（轻质馏分）消耗量的不断增大，把重质馏分进行分解制造分解柴油加以使用。但是，分解柴油中除了加氢裂化柴油（在重油中加入氢气通过裂化反应制造的柴油）外，因十六烷值低，其混合量受到限制。在欧洲等地，从蔬菜等生物质中提炼植物油，并与甲醇混合反应制造脂肪酸甲酯（FAME），把此物质再与柴油混合作为燃料使用。另外，把生物质原料汽化后合成的费托合成油也可与柴油混合使用。韩国柴油的品质标准见表4-4。

表4-4 韩国柴油的品质标准

注：1.生产、进口阶段和流通阶段检查适用-15℃。

2.冷滤点仅在酷寒期（11月15日开始来年2月25日为止）生产、进口阶段检查时适用。

3.润滑性和多环芳烃质量分数仅在生产、进口阶段检查时适用。

（1）蒸馏特性 柴油基本上是通过原油蒸馏制造的，因此如果原油的种类不变，柴油的特性仅与蒸馏特性有关。

柴油机也同样面对起动或低负荷运行等燃烧环境不良的条件，燃料（柴油）的挥发性给发动机的性能带来很大影响。另外，如果在燃料中含有沸点较高的油分，可能会导致喷油器积炭，以及炭烟的排放，在低负荷运行条件下还会产生焦油（tar）等物质。对此具有影响力的蒸馏特性为90%馏出温度。

通常，燃料特性的90%馏出温度因其对炭烟的产生、燃烧室积炭等带来影响，因此350℃以下较为良好。在韩国柴油的90%馏出温度为360℃以下，根据ASTM法的90%蒸馏温度为613K（340℃）以下。

（2）着火性 柴油机直接在高温、高压空气中喷射燃料使其自着火，因此燃料的着火性是影响发动机性能的最重要的性质。如果着火性不良，因延迟着火，喷射的燃料会突然燃烧，局部压力急剧上升，导致发生柴油爆燃。

着火性指标有十六烷值、柴油指数、十六烷指数等。如果着火性（或发火性）良好，着火延迟时间短，则起动容易，燃烧压力也不会急剧上升，因此可以稳定运行。

①十六烷值。辛烷值是，把抗爆性较高的异构体辛烷[C₅H₉（CH₃）₃]定为100，抗爆性最低的正构体庚烷（C₇H₁₆）定为0，把此两种燃料混合制成任意辛烷值的燃料，把此燃料作为试验标准燃料，对进行试验的燃料发生爆燃的特性与此标准相比较判定其燃料的辛烷值。

十六烷值定义与汽油辛烷值的定义方法相同，把着火性良好的正构体十六烷（C₁₆H₃₄）定为100，着火性不良的α-甲基萘（C₁₀H₇CH₃）定为0，把此两种燃料混合制成任意标准样品燃料，对在单缸CFR发动机上进行试验的燃料特性与此样品燃料特性进行比较，如果着火性相同，以样品燃料中正构体十六烷的体积分数（%）来确定此燃料的十六烷值，即

目前，柴油机为以直接喷射类型为主，虽然测量十六烷值的CFR发动机为副燃烧室方式，与目前使用的发动机有所不同，但其检测方式在世界上已成为标准化方式。

柴油指数是CFR发动机检测方法之外的着火性十六烷值的计算方法。先利用下述方程计算出柴油指数，然后用图4-5计算出十六烷值。

图4-5 柴油指数与十六烷值

式中，A（℉）为苯胺点；G为美国石油协会（API）制定的60℉温度下的API密度，计算式为

柴油指数、十六烷值数值越大，其着火性能越好。

十六烷指数（CI）也是CFR发动机检测方法之外的十六烷值的计算方法。利用燃料的10%、50%、90%馏出温度和密度计算十六烷指数可以代替十六烷值广泛使用，其计算式为

十六烷指数=45.2+（0.0892）（T_10N）

+[0.131+（0.901）（B）][T_50N]+[0.0525-（0.420）（B）][T_90N]

+[0.00049][（T_10N）²-（T_90N）²]+（107）（B）+（60）（B）²

式中，B=exp（-0.035D_N）-1，其中D_N=D-850，D=ρ₁×1000（kg/m³），ρ₁为15℃时的密度（g/cm³）；T_10N为体积分数为10%的馏出温度（℃），T_10N=T₁₀-215；T_50N为体积分数为50%的馏出温度（℃），T_50N=T₅₀-260；T_90N为体积分数为90%的馏出温度（℃），T_90N=T₉₀-310。十六烷指数不适用于添加十六烷值添加剂的燃料中。

②十六烷值的影响。十六烷值会影响发动机的起动性能和废气排放性能。十六烷值越低，即着火性越不良，低温起动性能越不好，并在暖机过程中不完全燃烧产生白烟（白色烟），因而增加碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）的排放量。图4-6所示为添加十六烷值添加剂，把十六烷值从50提高到58时，随发动机运行负荷的氮氧化物（NO_x）的排放特性。在中速和额定速度运行的条件下，随负荷的增加，氮氧化物（NO_x）的排放量均有增加。另外，低十六烷值会延长着火延迟时间，导致发生急剧燃烧，继而发生柴油爆燃。

图4-6 十六烷值对废气排放的影响

图4-7 十六烷值与芳烃类的关系

十六烷值高的燃料会在燃料喷射结束之前着火，热产生率和压力上升受到燃料喷射率和燃料-空气混合情况的支配，比起低十六烷值燃料能获得较缓和的运行状态。因此，柴油的十六烷值越高越好。

十六烷值与辛烷值具有倒数关系。燃料的十六烷值越高，辛烷值就越低，辛烷值越高，十六烷值就越低。各种碳氢化合物的辛烷值（RON）和十六烷值（CN）的关系为

辛烷值=120-2×十六烷值

如前所述，十六烷值与芳烃类碳氢化合物的含油量有关，其关系如图4-7所示。柴油的芳烃类成分含量越高，十六烷值越低。

（3）黏度 柴油的黏度对高压泵的润滑、油雾特性和废气的排放影响很大。柴油机的燃料通过高压泵压送，因此需要适当的燃料黏性。另外，小型柴油机主流的转子式燃油泵或者最新共轨用燃油泵均以燃料进行润滑，因此燃油黏度非常重要。尤其是，使用低硫柴油时，因在柴油脱硫工艺中原油中的润滑成分也随之一起清除，因此为了保持柴油的黏度，需要添加提高润滑性的添加剂。

柴油黏度的另一重要方面是它对油雾特性的影响。如果黏度过大，因燃料雾气分子过大，分散性不好，会导致燃烧不良。如果黏度过低，因润滑性不良，会导致高压泵的泄漏或磨损。韩国规定，柴油的黏度在40℃时汽车用为（1.9～5.5）×10^-6m²/s，船舶用为（1.5～6.0）×10^-6m²/s。

（4）硫 燃料中的硫在燃烧时全部生成为二氧化硫（SO₂），继续与氧气反应生成无水硫酸（三氧化硫，SO₃）。无水硫酸易吸附在灰尘或墙壁上，增加柴油颗粒（PM）的排放量，还与燃烧气体中的水蒸气反应生成硫酸蒸气（H₂SO₄），硫酸蒸气易吸附在低温金属表面，导致金属的腐蚀和磨损。因此，柴油车配备有后处理装置，如柴油颗粒滤清器（DPF）、氧化催化转化器（DOC）等，氮氧化物净化（De）装置的耐久性和净化效率与硫含量有直接的关系。因此，配备有后处理装置的柴油机必须使用超低硫柴油或无硫柴油。在韩国的柴油品质标准中，汽车用柴油的硫含量为30mg/kg以下，船舶用为1%以下（质量分数）。

（5）柴油添加剂 柴油燃料也使用各种各样的添加剂。表4-5所示为柴油添加剂的种类。低温流动性增强剂、防氧化剂等与废气排放和燃油消耗特性没有直接的关系，但低硫柴油中的润滑性增强剂和喷油器清洁剂不但提高柴油机的耐久性和可靠性，还对燃油经济性和废气排放性能方面有少量的影响。

目前，对于柴油添加剂试验法，美国和欧洲等国家对直喷柴油机中最重要的喷油器清洁性做出了规定。