第八章 燃料与排放
汽车排放是由燃料燃烧引起的，因此污染物种类和数量与
燃料性质直接相关。但是，发动机燃料组成及其理化性质
复杂，同时污染物生成机理的多元性，使得燃料和污染物
的关系复杂，而且，汽车工业与石油工业之间往往缺乏足
够的协调，致使相关研究滞后。
本章主要介绍燃料对发动机排放的影响，讨论汽油和柴油
的改良方法及常用的代用燃料。主要内容有：
1) 燃料对排放的影响
2) 燃料的改善
3) 代用燃料
第一节 燃料对排放的影响
汽油对排放的影响
•辛烷汽油值的影响
•汽油挥发性的影响
•汽油密度的影响
•烃类组成的影响
•硫含量的影响
•添加剂的影响
一、汽油对排放的影响
1) 辛烷值的影响
汽油抗爆性的指标，辛烷值越高，抗爆震能力强。辛烷值
低可能引起爆震，增加NOX排放，损坏发动机。较低的辛
烷值会限制发动机压缩比，增加了燃油消耗率，总污染物
排放量增加。烯烃是提高辛烷值的有效成分，但烯烃的热
稳定性差，易形成胶质，沉积在进气系统中，影响燃烧效
果，增加排放。同时，活泼烯烃是光化学烟雾的前体物，
容易引起光化学污染。
2) 汽油挥发性的影响
汽油从液态变为气态的性质称为汽油的蒸发性。蒸发性决
定了汽油混合气的质量。一般用蒸馏曲线(馏程)和℃
时测得的雷德蒸汽压RVP表示。
汽油馏出温度的范围称作馏程。将100ml试验燃料放在烧瓶
中，加热产生燃料蒸气，经冷凝器凝结，滴入量筒内。第一
滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点，随温度升高，
依次测出对应油量的馏出温度。为了评价燃料的挥发性，汽
油馏程主要由馏出10%、50%、90%的温度表征。
10%馏出温度标志汽油的流动性，温度低说明冷起动性能好，
但过低也容易形成气阻，影响汽油机正常运转。
50%馏出温度标志汽油的平均蒸发性，影响汽油机的暖机时
间、加速性及工作稳定性。温度低说明汽油的挥发性好。
90%馏出温度标志燃料中含有难于挥发的重质成分的数量。
温度低时，重质成分少，有利于燃烧；温度高时，重质成分
多，不易挥发，容易形成积炭或进入油底壳稀释润滑油。
汽油的雷德蒸气压RVP按季节和使用地区的气候条件适当
控制。高温时严格控制RVP，减少热油产生的问题(气阻
和蒸发排放)；低温时，要保证足够的RVP，获得好的起
动和暖机性能。
汽油的挥发性对NOX没有影响，对CO排放影响较小。
3) 汽油密度的影响
汽油密度与汽油的烃类比例有关，特别是总C/H原子比。
由于挥发性不同，夏用和冬用汽油密度不同。汽油密度变
化很小，它对根据标准燃料调整的发动机排放的影响小。
4) 烃类组成的影响
汽油由烷烃(正构烷烃、异构烷烃和环烷烃)、烯烃和芳烃
组成。
烷烃热稳定性好，但正构烷的辛烷值低，异构烷和环烷的
辛烷值高，是汽油的理想成分。烯烃具有较高的辛烷值，
但热稳定性差，易结胶。减少烯烃可使城市中臭氧下降
20%-30%。芳烃的辛烷值高，可作辛烷值提高剂。芳烃
结构稳定，燃烧速度慢，会增加HC排放。芳烃燃烧温度
高，会增加NOX排放。重芳烃和其他高分子化合物在缸内
形成沉积物，增加HC和NOX排放，当前汽油正逐步限制
芳烃含量，特别是苯含量。
5) 硫含量的影响
可降低三效催化器的转化效率，对氧传感器也有不利影响。
高硫汽油还会引起车载诊断系统的混乱和误报。
6) 添加剂的影响
车用汽油的添加剂有：防止汽油爆震的抗爆剂、抑制烯烃
聚合的抗氧化剂和清洗进气系统污染表面、防止喷油嘴堵
塞的表面活性剂。
抗爆剂四乙基铅会使三效催化器和氧传感器失效，还能造
成铅中毒。锰化合物和铁化合物也能提高辛烷值，但它们
燃烧生成的氧化物对发动机有不利影响。例如，锰氧化物
会使火花塞失火，锰沉积物会降低催化剂的起燃特性和稳
态转化效率；铁氧化物会沉积在催化器和氧传感器上，使
排放控制功能下降。
抗氧化和表面活性添加剂能改善排放，提高怠速排放的稳
定性。
二、柴油对排放的影响
柴油对排放的影响
十六
烷值
的影
响
粘度
密度
和馏
程的
影响
芳烃
含量
的影
响
硫含
量的
影响
添加
剂的
影响
1) 十六烷值的影响
柴油十六烷值对滞燃期影响很大。十六烷值低，滞燃期长，
NOX增加；十六烷值高，可推迟喷油，减少NOX排放。高
十六烷值柴油易于自燃，可降低CO和HC排放。十六烷值
对微粒影响比较复杂，低十六烷值会增加蓝白烟排放。高
速柴油机40~55，中低速柴油机可低于35，十六烷>50后
对滞燃期影响不大，>65燃烧不完全。
2) 黏度、密度和馏程的影响
黏度增加，雾化性差，炭烟、CO排放增加。密度过高，
过度供油，微粒排放增加。较重馏分使柴油雾化变差，微
粒较多。目前柴油标准未规定密度，粘度限定也较宽松。
3) 芳烃含量的影响
芳烃含量影响柴油的十六烷值。芳烃燃烧冒烟严重，柴油
芳烃含量增加，微粒排放增加。HC和CO也随柴油芳烃含
量增加，NOX排放受芳烃含量的影响较小，降低芳烃(燃
烧温度下降)，NOX减少。
4) 硫含量的影响
柴油的含硫量比汽油高，降低含硫量可减少微粒排放，降
低催化剂硫中毒的几率。
5) 添加剂的影响
柴油中加入碱土金属或过渡金属的环烷酸盐或硬脂酸盐，
可显著降低柴油机排气的烟度，这类添加剂被称为消烟剂。
微粒则先随消烟剂的增加而降低，然后逐渐上升。
第二节 燃料的改善
一、汽油的改善
使用无铅汽油，降低硫含量。降低烯烃含量，以降低排气
臭氧生成活性，减少缸内沉积物。降低芳烃含量，控制汽
油密度变动范围。对汽油挥发性作细致规定，保证发动机
有良好的起动性，又不会引起气阻、过量蒸发等问题。允
许使用含氧添加剂，但对氧含量进行控制。
二、柴油的改善
提高十六烷值，缩小柴油密度的变动范围，保证燃油量供
给的稳定性。
降低柴油的含硫量，减少柴油芳烃含量，特别是多环芳烃
的含量。
GB17930-1999
GB17930-2006 (国2）
GB17930-2006（国3）
GB17930-2011
2013年12月发布汽油国五标准
硫含量指标限值由第四阶段的50ppm降为10ppm；
锰含量指标限值由第四阶段的8mg/L降低为2mg/L；
冬季蒸气压下限由第四阶段的42kpa提高到45kpa，夏季蒸
气压上限由第四阶段的68kpa降低为65kpa，并规定广东、
广西和海南全年执行夏季蒸气压；
第五阶段车用汽油牌号由90号、93号、97号分别调整为89
号、92号、95号，同时在标准附录中增加98号车用汽油的
指标要求；
烯烃含量由第四阶段的28%降低到24%；
首次规定了密度指标，其值为 20℃时 720-775kg/m3。
国2柴油标准GB/T 19147-2003
国3柴油标准 GB19147-2009
GB19147-2012 (国3柴油新标）
国4柴油标准 GB19147-2012
三、我国汽柴油质量与国外汽柴油质量对比
汽油质量存在的问题：烯烃含量高；芳烃含量高；硫含量
高。
轻柴油质量存在的问题：硫含量高；十六烷值低；芳烃含
量高。
第三节 代用燃料
一、天然气
1.资源概况
天然气是地表下岩储集层中自然存在、以轻质碳氢化合物
为主体的混合物，在我国的储量丰富。预估我国天然气资
源量56万亿m3，可采资源量22万亿m3 。截止到2006年底，
我国探明天然气地质储量近万亿m3 ，探明率仅10%。
2006年我国天然气产量为584亿m3 ，预计到2010年将达
到1000亿m3 。
2. 天然气特点
1) 天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，但理论混
合气热值要比汽油低，甲烷含量越高，相差越大。纯甲烷
的理论混合气热值比汽油低10%左右。
2) 抗爆震性能好。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值
为130，具有高抗爆震性能。天然气专用发动机的合理压
缩比为12，允许压缩比最高可达到15，具有采用提高压缩
比来提高发动机动力性、经济性的潜力。
3) 混合气发火界限宽。天然气混合气具有很宽的发火界限，
过量空气系数的变化范围为~，可采用稀薄燃烧技
术来提高汽车的经济性和环保效益。
4) 天然气的着火温度高，火焰传播速度慢，因此需要更高的
点火能量。
5) 天然气是清洁燃料。由于燃烧温度低，NOX生成少，天然
气为气态，混合均匀，燃烧较完全，微粒排放极低。
6) 天然气发动机的CO和HC排放少。
天然气与汽油主要理化性能
项目 天然气（甲烷） 汽油（90#）
密度（液相kg/m3） 424 700~780
分子量M 96
沸点（℃） 30~90
低热值（MJ/kg）
辛烷值（RON） 130 92
着火极限（%） 537 390~420
火焰传播速度
（cm/s）
39~47
火焰温度（℃） 1918 2197
二、液化石油气
1.资源概况
我国陆上油田和海上油田只能生产少量液化石油气，液化
石油气的生产几乎全部依靠炼油厂，主要成分是丙烷和丁
烷。上世纪90年代以后，我国液化石油气消费量的年均增
长幅度为%。我国是世界第二大液化石油气消费大国。
同时，我国液化石油气产量位居世界第三。我国炼油厂大
都建于油田附近，％的液化石油气生产和供应都集
中在东北、华北、华东地区，造成运输和销售的成本增加。
近年来，受液化石油气居高不下的价格和管道天然气、液
化天然气及煤层气、沼气等替代燃料的影响，我国液化石
油气市场遭受部分挤占。
特点
1) LPG主要成分丙烷和丁烷的单位质量低热值高于汽油，
理论混合气的热值要比汽油低6%左右，与天然气相当。
2) LPG的抗爆性能好于汽油，LPG的研究法辛烷值在100-
110之间，可通过提高压缩比来改善发动机的动力性和经
济性。
3) LPG的着火界限与汽油相当，比天然气的略宽，适合采
用稀薄燃烧技术。
4) LPG的着火温度比汽油高，火焰传播速度慢，因此需要
较高的点火能量和较大的点火提前角。
5) LPG最高燃烧温度比汽油低200℃，有利于减少NOX。
三、 醇类燃料
1.资源概况
醇类燃料包括甲醇和乙醇。甲醇可从天然气、煤、石脑油、
重质燃料、木材和垃圾等物质中提炼。乙醇的原料主要是
从含糖、含淀粉的农作物中提取。
2.醇类特点
1) 辛烷值比汽油高，可采用高压缩比提高热效率。
2) 蒸发潜热大，发动机低温起动和低温运行性能差。
3) 常温下为液态，操作容易，储带方便。
4) 可燃界限宽，燃烧速度快，可以实现稀薄燃烧。
5) 与传统发动机技术有继承性，发动机结构变化不大。
6) 热值低，甲醇热值只有汽油的48%，乙醇只有64%。
7) 沸点低，蒸气压高，容易产生气阻。
8) 甲醇有毒，对人体有害。腐蚀性大，醇-汽油混合燃料
对橡胶、塑料的溶胀作用大。
9)醇的吸水性强，混醇燃料容易发生分层。
3. 醇类燃料的应用
醇类燃料在汽车上应用有三种：掺烧、纯燃料和改质。
掺烧主要是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和E表示，其后的数字表示甲醇或乙
醇的体积混合百分率。
纯燃料是指单纯燃烧甲醇或乙醇燃料。可根据燃料特点改
造发动机，使得纯烧类型汽车的动力性和经济性较汽油机
有较大的提高。
改质主要指甲醇改质，它利用发动机余热将甲醇改质为
CO和H2，再输入缸内燃烧。
4.醇类燃料的排放特性
醇类燃料排放的HC、CO和NOX比汽油低，但乙醇燃料在
大幅度提高压缩比后，NOX排放增加。
四、植物油
植物油一般作柴油机的替代燃料，与柴油相比，植物油热
值略低，但因密度大，体积热值较接近；植物油馏分比柴
油重，黏度和表面张力比柴油大，雾化困难；自燃点高，
十六烷值低，发火性差，着火延迟期长；残炭高，燃烧室
易生成沉积物。容易生成胶状物，堵塞油路。
几种植物油的主要性质表
相对
密度
运动粘度
(38℃)/m
m2/s
残炭
%
热值
MJ/kg
自燃点
℃
十六
烷值
豆油 363 27
芝麻油 320
玉米油 357
菜籽油 350 32
米糠油 340
花生油 360
向日葵
油
360 33
柴油 220 50
未经处理的植物油含有大量的脂肪酸, 它会在发动机喷油
器中凝结变硬, 最终导致严重的发动机故障。而且植物油
的粘度高、挥发性差, 因此对植物油的处理就显得更重要
了。植物油经简单的酯化、稀释或乳化处理后, 即可得到
生物柴油。这些处理方法改善了植物油的粘度和挥发性,
因此生物柴油发动机的性能和排放要比植物油好。在这些
处理方法中, 酯化是最有效最简单的方法（存在产物回收
问题），目前正在研究多种处理方法。
五、氢气
1.概况
氢能是公认的清洁能源，来源广，资源极其丰富，最有希
望在未来替代化石能源。氢能是一种二次能源，通过一定
的方法利用其它能源制取。因此，实现廉价制氢是氢能利
用的根本。我国是世界氢气大国，2006年我国氢气年产量
达800多万吨，是仅次于美国的世界第二大氢气生产大国。
目前，我国氢气生产和消费的主要领域是合成氨。
2.氢的特点
1)氢气点火能量小，是汽油最低点火能量的十分之一，使
用时能可靠着火。
2)氢气火焰传播速度比汽油快5倍。
3)氢气的熄火间隙只有，仅为汽油的三分之一，能使火
焰传播到接近气缸壁，产生更完全的燃烧；
4)氢气燃烧后只产生H2O和NOX，不产生HC、CO、CO2和
碳烟排放。
5)氢气的可燃范围宽，稀燃极限低，即使在稀混合气，氢气
也可完全燃烧。
2.氢的应用
氢作为汽车燃料有两种方法：一是通过氢的燃烧从化学能
转化成机械能，一是通过氢的离子化转化为电能。前者通
过内燃机实现，后者则是通过燃料电池实现。氢在内燃机
上的应用主要有两种途径：一种是作单一燃料；另外一种
是作添加燃料。
1) 单一燃料
氢燃料供给方式有缸外预混合和缸内直接喷射两类。缸外
预混合可采用化油器、进气歧管喷射和进气口喷射等方法
形成混合气。
化油器输送氢燃料的氢发动机，燃料供给方法简单，但氢
气点火能量小，容易产生早燃和回火等不正常燃烧。可采
用低温火花塞、降低冷却液温度、进气冷却和可变气门定
时等技术可以降低其早燃风险，但效果不是很好。
进气歧管喷射或进气口喷射的氢发动机，可通过控制喷射
定时、点火定时或进气道喷水来解决早燃和回火问题，抑
制氢发动机的非正常燃烧；会影响氢发动机的充气效率，
降低发动机功率，缸内直接喷射技术可弥补这一缺点。
氢发动机主要存在两个问题：NOX排放和功率恢复。对于
NOX排放，采用进气喷水、废气再循环、进气掺烧N2和CO2
来降低氢发动机的NOX排放。功率恢复较为困难，因为常
规的功率提高方法会因氢气的独特性质而受到限制。如提
高压缩比会引起早燃或回火；提高当量燃空比会引起NOX
升高和燃烧不完全等问题；采用增压中冷技术会增加早燃
机率和NOX排放。
因此，如何兼顾氢发动机的动力性和排放性是个难题。目
前，液态喷射技术、复合喷射技术（中低负荷时气道喷射，
高负荷时缸内直喷）和氢混合动力技术是氢发动机的研究
重点。
2) 掺烧燃料
将氢气添加到其它碳氢燃料中，利用氢气良好的燃烧特性
来改善混合燃料的燃烧过程。添加一定数量的氢气可以扩
展天然气发动机的稀燃极限，缩短着火延迟期和燃烧持续
期，提高热效率，同时降低HC 排放。汽油机少量掺氢能
提高混合气的稀燃极限，提高火焰传播速率和缸内燃烧速
度，改善汽油机热效率和经济性，降低有害排放。柴油机
掺氢燃烧会显著降低柴油机的烟度排放，掺氢能提高热效
率，降低燃油消耗，但NOX排放有所增加。另外，掺氢燃
烧还可以提高生物柴油发动机的热效率。
总之，单一氢气发动机改造成本高，氢气使用量大，很难
进行商业推广。掺氢燃烧，不但改善常规内燃机性能，而
且氢气使用量少，应是主要发展方向。
3.内燃机供氢方式
内燃机的供氢方式有高压存储、液态存储、储氢材料及碳
氢燃料重整等四种。其中，高压存储和液态存储的效率低，
安全性也低；储氢材料方式虽然安全，但储存密度低；燃
料重整技术只需要一个重整器就可以实现车载制氢。
