（机械工程专业论文）冬季高凝点柴油加热研究与运用.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ie n g i n r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n f o rd i e s e lo i l w i t hh i g hs o l i d i f y p o i n tt oh e a ti nw i n t e r b yl uj i a j l g s u p e r v i s o r ： p r o f e s s o rs o n gg u i q i u s e n i o re n g i n e e rz h o uy u l l n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 d e c e mb e r2 0 0 7 、 i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者 诊 日 期；2 阳7 年2 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期1年月 日 导师签名： 签字日期： 。， ， 、摹 r - ； l ， 五，-tiit-if， 善； r ， ， 吖 l t - 、 =、一 t ， - ， t 、 摘要 冬季高凝点柴油加热研究与运用 摘要 运输车辆柴油发动机在冬季一般都根据气温使用相应牌号的低凝点柴油，低凝点柴 油发动机的燃烧性能、动力性能、经济和环保性能都不如高凝点柴油好。而冬季使用高 凝点柴油由于其分子量较大，柴油的低温流动性、雾化与蒸发均受影响，会使燃烧不完 全，导致发动机功率下降、油耗升高及排放污染等问题。 通过对国内外柴油机在低温启动方面的研究和应用现状了解，结合高凝点柴油的特 性，提出了运用加热的方案解决高凝点柴油在低温状态的使用问题，根据车辆运行的不 同阶段设计了相应的加热装置。 以斯太尔w d 6 1 5 型发动机为模型，运用传热学相关理论，根据设想的对高凝点柴 油加热的方法，考虑了影响因素，依据能量守恒定律建立了加热高凝点柴油供油系统的 物理模型，并在物理模型的基础上根据具体使用工况分别建立了其在启动前停车加热阶 段和行驶阶段的各个不同加热装置的数学模型。通过理论数值计算出加热各部位的加热 功率。 介绍了a n s y s l 0 0 软件瞬态热分析的基本理论、进行瞬态热分析的基本步骤及求 解参数设置方法。利用a n s y s l o o 软件的热分析功能对模型加热过程进行瞬态分析， 通过模拟和优化确定各加热部位的加热功率。 通过对确定的加热功率进行独立实验测试，实验结果与理论和模拟结果对照分析， 找出误差原因。 对加热装置进行了工业试验验证，对工业试验中存在的问题进行分析改进，研究获 得了成功。 课题和国内外车辆常用的低温启动装置相比，研究的方向不同，低温启动装置主要 考虑发动机的进气预热，而本课题则是为了解决冬季燃油的低温流动性问题。通过对柴 油发动机供油系统各部位进行合理功率的加热方法达到了车辆在冬季使用高凝点柴油的 目的。经工业试验验证课题研究是成功的，有一定的推广价值。 关键词：高凝点柴油；加热功率；有限元；瞬态热分析 i i 噍 ，b ， 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n f o rd i e s e lo i l w i t hh i g hs o l i d i f y i n g p o i n tt oh e a ti nw i n t e r a b s t r a c t i i lt l l i sp a p e r ，i ti si r i 的d u c e dt l l a t 廿h i 曲s 0 1 i d i 匆i i l g p o nd i e s e lo i l i sa p p l i c di 1 1d i e s e l m o t o ro f 恤p o r t a t i o nv e 粗c l ei n 诚n t 既b e c a l l s ew h a tt h ek g hs o l i d i 匆i n g p o i n td i e s e lo i l h a m n gb i g g e rm o l e c u l ep a r t i c l em a | 【e s “sf l u i d i 够，p u l v e r i 2 舭i o na n de v a p o 枷o n 射f e c ti i l l o wt e r n p e r a t l l r e ，w b j c hm a | ( e sb u m i r 玛i i l c o m p l e t e ，a u _ t 0p o w e r 川u i c e ，o i l 、e 盯a r l d d i s c h a 玛ep o l l u t i o na i ls oo n s o ， i ti su s e dt 0d i 触t ) 俘i ed i e s e lo i l 、i ml o ws o l i d i 匆i l l g p o i n ta c c 溅g t 0t e m p e r a ：t u r ei 1 1w 缸e r f i r s t l y ，u s e dh e a t i l l gw a y sc a ns o l v es o m eu s i i 培q p e s t i o n so nl l i 曲s o l i d i f - y i n g p o i n t d i e s e lo i l 恤t l l el o wt e m p er a ：t u r ea c c o r d i i 培t oi t sf e a ：t u r e ，n l r o u g hk i l o w i i l gs o m er e s e a r c h e s a 1 1 dc o n d i t i o 璐a _ b o u td i e s e lm o t i d r ss t a n u pi nn l e1 0 wt e i n p e r j m 勰敞臌h o m ea n da b r o a d t h e nh e 撕i l ge q 试p m e n t sa r ed e s i g n e di i lt e n n so fd i 饪e r e n tn 】珈：l i l l gs t e pt 0v e i l i c l e s e c o l l m y ， i i lt h e 踟t 0o fs i t a i lw d 6 1 5t ) ，p e ， p h y s i c a lm o d e l i sb l l i ni i lo i ls u p p l y i n g s y s t e mt 0a d a p th e a t m g1 1 i g hs o l i d i 矽i n gp o n d i e s e lo i lb ye x e r t i n g 吐1 e n n a lc o n d u c t i o nm e o 巧 a n dc o i 塔e n ，a ：t i o nl a wo fe n e 曜莎a n dd i 任e r e n tm a m e m a t i c 加【0 d e lo fh e a t i i 培e q u i p m e n ta r e b u i nb e f o r es t a r t i n g - u pi i lm ep 破i n g 趾dh e a t i i 培s t e pa r l do nt h er u m l i i 唱s t 印i i lt e n 】够o f s p e c i f i cc o n d i t i o n s a t 也es 锄et i i i l e ， h e a 血1 9p o w 盯o fe a c hp a i ti sa c c 0 u n t e dt l l r o u g l l a c a d e m i cva ：l u e 1 1 1 i r d l y ，a n s y s l 0 0s o f 啊a 陀i s 砷d u c e dt 0 锄m y z e6 m d 姗e n t a lt h e 0 d r ，p r o c e s s a n da c c 0 1 m l i i l gp 越如：1 酏e r 、a y s0 n 位m s i e n t s t ；a t eh e a t s 0 0 n ， h e a 血gp r 0 c e 豁o fm o d e l i s a 1 1 础y z e do n 眦i e n t s t a _ t eu s e di t a t n l es a n l et i l l l e ，h e a t i i l gp o w 盯i sc c i n f _ 啪e db y s i m u l a 恤g 砒l do p t i i n i z i n ge a c hh e a 痂唱p l a c e a r e rd o 访g 访d e p e n d e n te ) 【p e r i 】m e n t ， 锄r c a u s ei sf o u r l d 也r o u 曲c o m p 撕r l ge x p e r i m e n t m 锄da c a d e m i cw i ms 证m l a t i i 培r e s u h s u b s e q u e n t l y ，h e a t i l l ge q u i p m e n ti sv a h d a t e di n d u s t r i a l l y ni ss u c c e e d e d 恤o u g hi m p r 0 v i i l g s o m eq u e s t i o i l s 洫t l l ei 1 1 m i s t r i a le x p e 曲e n t f i n a l l y ， w h a tr e s e a r c hd i r e c t i o no fs t a r t i n g - u pe q u i p m e n ti nt l l el o wt e m p e r a t u r e 自o m h o m ea n da b r o a dv e l l i c l ei sm a i l l l yc o i l s i d e rp r e - h e a t i n go fa i ri i d e ti nm ea u t o ，w m l em yt a s k s o l v e df l u i d i t ) ro fo i ld u r i n gl o wt e m p e r a t u r ei i l 谢n t e r h i g l ls o i i d i 研n g - p o h nd i e s e lo i li s a p p i i e di i lt l l e 谢n t e rm r o u g l lu s m gr e 弱o n a b l eh e a t i n g 、v a y st 0 d i f i e r e n tp a r ti nt l l eo i l s u p p l y i i l gs y s t e mo fd i e s e lm o t o r p r e s e n t l y ， t b j st a s ki ss u c c e s s m lb yi r l d u s 仃i a l le x p e r i m e n t 如di ti sp o p u l a r v m u e i i i a b st r a c t 谢lh i 曲s o l i 击劬n gp o 缸， h e a t i n gp o w e r ， f i l l i t ee l e m e n t ，1 h e 姗a 1 s 1 舭 一 l 入 、 曩 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要_ i i a b s t r a c t 。i i i 第1 章引言“1 1 1 前言1 1 1 1 课题研究背景1 1 1 2 课题研究目的：2 1 2 课题的研究意义2 1 2 1 提高汽车的使用经济性2 1 2 2 减少车辆排放污染4 1 3 国内、外的研究现状。4 1 3 1 国外研究现状4 1 3 2 国内的研究现状6 1 4 主要研究内容和研究方法：9 1 4 1 主要研究内容9 1 4 2 论文完成的任务和研究方法1 0 第2 章供油系统加热理论研究与模型建立1 1 2 1 相关传热学理论1 1 2 1 1 温度场1 1 2 1 2 热传递的方式1 1 2 2 柴油机供油系统加热物理模型的建立1 3 2 2 1 发动机供油系统的组成及工作原理1 3 2 2 2 拟采用的方法l3 2 2 3 加热系统物理模型的建立1 4 2 3 发动机供油系统加热数学模型的建立。1 4 2 3 1 各种影响因素的确立- 1 5 2 3 2 加热方式的确定16 2 3 3 建模的理论依据1 7 2 3 4 启动前加热阶段的数学模型及行驶阶段数学模型1 7 v 东北大学硕士学位论文目录 2 3 5 运行阶段的数学模型“。：2 0 2 4 小结j 21 第3 章发动机供油系统加热理论计算2 3 3 1 行驶阶段理论计算2 3 3 1 1 主油箱不供油加热阶段2 3 3 1 2 主油箱供油后的加热阶段2 4 3 2 启动前停车加热阶段的理论计算2 4 3 2 1 加热副油箱的理论计算2 4 3 2 2 加热粗滤器的理论计算：2 5 3 2 3 加热滤清器的理论计算2 6 3 2 4 加热输油管的理论计算：2 7 3 3 小结。2 9 第4 章发动机供油系统加热元件材料的选择3 1 4 1 电加热元件介绍3l 4 2 电加热元件性能比较3l 4 3 电伴热带介绍：3 2 4 4 电伴热元件的选择3 4 4 5 电伴热元件的安装_ 3 5 4 6 安全要求o 3 6 4 7 小结。3 6 第5 章发动机供油系统加热仿真分析3 7 5 1a n s y s 软件介绍一：3 7 5 1 1a n s y s 热分析简介3 7 5 1 2 瞬态热分析概述。3 8 5 2 进行仿真分析的基本步骤4 2 5 2 1 前处理4 2 5 2 2 加载求解4 3 5 2 3 求解并显示结果一：4 4 5 3 对加热各部分的温度场模拟_ “ 5 3 1 对加热副油箱的温度场模拟4 4 5 3 2 对加热粗滤器的温度场模拟5 3 东北大学硕士学位论文 目录 5 3 3 对加热滤清器的温度场模拟：5 3 5 3 4 对加热输油管的温度场模拟5 4 5 4 小结：5 5 第6 章发动机供油系统加热试验与改进5 7 6 1 实验：5 7 6 1 1 实验条件5 7 6 1 2 实验方法和实验步骤5 7 6 1 3 实验结果5 7 6 1 4 实验结果误差原因分析5 9 6 2 工业运用试验6 0 6 3 对存在问题的改进61 6 3 1 对输油管温度偏高问题的改进。6 1 6 3 2 对主油箱温度控制的改进6 l 6 4 j 、结6 1 第7 章结论与展望6 3 7 1 结论6 3 7 2 展望：6 3 参考文献6 5 致j 射。6 7 硕士期间发表论文6 9 作者从事科学研究和学习经历的简历7 0 v i i 东北大学硕士学位论文第l 章引 言 ，1 1 前言 第1 章引言 随着世界经济的快速发展，汽车工业也得到迅猛发展，特别是象我国这样的发展中 国家，交通运输作为国家的经济命脉，公路运输又是交通运输的重要组成部分，汽车工 业发展速度更是迅猛。国际能源机构的调查报告指出，2 0 0 0 年全球约5 0 的石油消耗在 运输行业，到2 0 2 0 年将达到6 0 以上。当前我国汽车拥有量逐年在递增。我国在运输 方面消耗的汽、柴油占全国消耗的7 0 以上【1 1 。随着中、重型汽车销量的急剧增加，而 这些车型的发动机多以柴油机为主流配置，柴油的消耗将会大幅度增加。 1 1 1 课题研究背景 轻柴油是我国产量最大的石油产品之一，是汽油的2 倍左右。广泛用于汽车、农机、 船舶、铁路机车、矿山等。柴油发动机根据环境温度的不同使用不同牌号的柴油，不同 的牌号是依据柴油的凝点和冷滤点确定的。通常夏季使用o 号、1 0 号柴油，冬季根据环 境温度不同使用一1 0 号一5 0 号低凝点柴油。我国西北、华北、东北地区每年约有半年 时间平均温度均在o oc 以下，通常情况下柴油车冬季必须使用低凝点柴油；西部和南方 部分地区有一定的时间气温也在o o c 以下，为了使汽车适应天气，在冬季通常都使用低 凝点柴油。在低温天气下使用高凝点柴油，因为柴油低温流动性差会发生供油不畅或断 油现象，使车辆难以正常运行。而高凝点柴油的自燃性、雾化性、蒸发性等性质高于低 凝点柴油，若能在冬季使用高凝点柴油，发动机燃烧过程可以得到改善，可提高发动机 的指示热效率，从而能提高发动机的动力性和经济性。 - 作者所在单位为中国铝业贵州分公司石灰石矿，是一座年产1 0 0 万吨优质溶剂石灰 石的大型石灰石矿山。拥有各类矿山运输车辆3 0 余台，年运输量超过1 0 0 0 万吨公里， 年消耗柴油在6 0 0 吨以上，平均每年冬季约有四个月使用一1 0 号柴油，用油量在1 7 0 吨 左右。由于矿山运输条件比较恶劣，运矿道路坑凹不平，坡陡弯多，对运矿车辆的运载 能力要求较高。冬季使用一1 0 号柴油后发动机功率降低，不能有效发挥车辆的运输能力， 给冬季生产带来相当大的压力。同时一1 0 号柴油价格比0 号柴油每吨要高2 7 0 元左右， 比1 0 号柴油高3 2 0 元左右，同比造成矿石运输成本增加。因此，在冬季使用高凝点柴油， 无论从提高车辆的运载能力，还是降低车辆的运行成本都是有必要的。 本论文拟通过对所在矿山运矿车在冬季使用高凝点柴油的研究，以提高柴油发动机 的动力性和经济性，为柴油机在冬季使用高凝点柴油技术的推广运用积累一定参考依据。 东北大学硕士学位论文第1 章引言 1 1 2 课题研究目的 我国地处温带及亚热带地区，地理纬度跨度大，北方地区冬季气候比较寒冷。我国 所产原油大部分是低硫石蜡基原油【2 】，凝点高，低温流动性差，需要对其进行深度脱蜡 或加氢裂变等复杂的工艺处理，才能生产出适合寒区和高寒区冬季使用的柴油。 本文拟通过对柴油车动力性、经济性的探讨，通过加热的方法在冬季使用高凝点柴 油以提高柴油车运行的动力性和经济性，同时减少柴油生产过程的不必要消耗，节约原 油资源。不仅有较高经济效益，其社会效益也意义深远。 1 2 课题的研究意义 1 2 1 提高汽车的使用经济性 冬季使用高凝点柴油可改善燃烧过程，提高柴油机的热效率，同时高凝点柴油价格 优势明显，可降低汽车的使用成本，提高汽车的使用经济性。 1 2 1 1 改善发动机燃烧过程 冬季使用高凝点柴油可改善燃烧过程，提高柴油机的热效率。柴油发动机工作经济 性，取决于混合气能否及时着火和完全燃烧。柴油机在压缩终了时，缸内温度可达 5 0 0 0 c 6 0 0 0 c ，压力达3 4 m p a 【3 】，这时柴油在高压作用下呈细雾状喷入燃烧室内，由 于燃烧室的温度已超过柴油的自燃点，故从理论上讲，柴油一旦喷入燃烧室，便具备了 着火燃烧的基本条件。但从柴油喷入至自燃，往往还有o 0 0 2 0 0 0 6 秒的时间间隔，在 这一时间间隔内，柴油需完成与空气的充分混合、先期氧化及形成局部着火点等物理化 学的进一步准备，从喷油开始到柴油开始燃烧的时间间隔称为着火延迟期。如果着火延 迟期长，则喷入燃烧室的柴油量增多，着火前形成的混合气数量就多，一旦着火，就有 过量的柴油着火燃烧，这会造成缸内压力剧增，气缸内便将产生强烈的震击作用，通常 把这种震击作用称为柴油机工作粗暴。柴油机工作粗暴会使发动机曲柄连杆机构承受过 大的冲击力作用，产生强烈的金属敲击声，加速零件的磨损并且使柴油机起动困难，造 成柴油机功率下降，油耗增大。影响着火延迟期的因素较多，其中柴油的发火性是主要 因素之一。柴油的发火性是指柴油自燃的能力，发火性好的柴油，着火延迟期短，着火 燃烧后缸内压力上升平缓，柴油机工作柔和。提高压缩比或增高气缸温度能减轻柴油机 - 工作粗暴的倾向。柴油中所含的正构烷烃( 十六烷) 值大小对柴油机工作粗暴的影响最直 接。十六烷值是代表柴油在柴油发动机中发火性能的一个约定量值。它是在规定条件下 的标准发动机试验中，通过和标准燃料进行比较来测定，采用和被测定燃料具有相同着 火延迟期的标准燃料中十六烷的体积百分数来表示。柴油的十六烷值对柴油机在不同气 温下的启动性能也有影响，十六烷值高的柴油，即使在较低气温条件也易于启动。但柴 油的蒸发性对发动机启动性的影响比十六烷值重要，而十六烷值高的柴油，蒸发性就差 2 - 、 ，- 东北大学硕士学位论文第1 章引 言 些。所以，评定柴油的启动性应将十六烷值与柴油的蒸发性结合起来综合评定。柴油的 十六烷值高，其燃烧性能就好，但柴油的十六烷值过高了也不适宜。因为当柴油的十六 烷值高于5 0 后再继续提高，对着火延迟期的缩短作用不大。另外，十六烷值过高的柴油 其分子量均较大，使柴油的低温流动性、雾化与蒸发均受影响，会使燃烧不完全，导致 发动机功率下降、油耗升高及排气冒黑烟。通常要求柴油的十六烷值在4 0 6 0 之间， g b 2 5 2 8 7 规定轻柴油的十六烷值应不小于4 5 ( 欧盟e n 5 9 0 2 0 0 3 标准规定柴油十六烷 值为4 7 5 1 ) 【4 】。柴油的有关性质参见表1 1 ，柴油的粘度越大，其雾化性越差，同等油 量情况下，雾化颗粒数量少，直径大，蒸发表面积小，影响柴油的蒸发性能，使混合气 的物理和化学准备时间加长，从而影响柴油机的燃烧过程。柴油的十六烷值影响到柴油 的发火性，十六烷值越高，柴油的发火性越好。 表1 1 不同牌号柴油的十六烷、凝点、冷凝点( ：车用柴油g b 1 9 1 4 7 - 2 0 0 3 ) t a b l e l 1c e t a f l e ，s o l i d i 郇n gp o i n t ，c o n d e 馏撕0 np o mo f d i 位r e n td i e lo i l ( d i e s e lo i lu s 酣b ya u t o g b 19l4 7 - 2 0 0 3 ) 1 2 1 2 降低车辆运行成本 随着世界能源危机的加剧，我国又是个石油资源比较贫乏的国家，随着中国经济的 快速发展，中国石油生产己远远不能满足国内市场的需求，近几年能源需求增长的态势 在2 0 0 6 年得到延续。去年，中国能源消费的增长超过了8 。2 0 0 6 年，中国所消耗的各 种形式的能源均有所增长，使中国的能源消费占了全球能源消费的1 5 以上。仅2 0 0 6 年我国就进口原油2 6 亿吨【5 】。从市场价格情况来看，不同牌号柴油的价格随凝点的增 高而降低，通常每提高一个牌号价格降低3 7 。同时高凝点柴油的燃烧值比低凝点柴 油高，燃烧经济性相对较好。因此使用高凝点柴油明显能降低车辆运行成本。 1 2 1 3 降低柴油生产成本 柴油的凝点都是由其烃组成所决定的。柴油的烷烃( 尤其是正构烷烃) 含量越多或其 相对分子质量越大，则凝点越高。生产中提高柴油十六烷值的方法，一种是用硫酸或选 择溶剂除去柴油中的芳香烃。这种提高柴油凝点方法产率低，且消耗大量硫酸或溶剂。 另一种简便的方法是用石蜡基原油直按蒸馏制取柴油，这种直馏柴油其十六烷值可达 5 0 6 0 ，但直馏柴油产量受限，一般在生产中以直馏柴油中调入热裂化和催化裂化柴油 以增加产量，但裂化柴油的十六烷值只有3 0 4 0 ，与直馏柴油调合后，可保证成品柴油 的十六烷值达5 0 左右。还有一种方法是通过向柴油中添加能提高十六烷值的添加荆，如 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章引 言 丙酮过氧化物、烷基硝酸酯、四氢过氧化物等。采用添加剂的办法提高柴油的十六烷值 必须考虑柴油本身的化学安定性。柴油本身的化学安定性好，添加剂加入后能在较长时 间内发挥效用，否则，在柴油储存期间，其十六烷值就将降低。为生产低凝点的柴油， 需选择合适的原油，生产低凝点柴油的原油越来越少，原油成本也越来越高。国产原油 石蜡基的较多，须进行脱蜡处理，采用脱蜡工艺生产低凝点的柴油产率要降低，因而生 产成本高。因此柴油凝点越低，其生产成本越高。可见如果能在冬季使用高凝点柴油则 可降低生产成本，节约特殊原油资源。随着车辆柴油化进程的加快，柴油的需求量和生 产量会逐年增加，节约效果将更加显著。 1 2 2 减少车辆排放污染 随着人们环保意识的增强，汽车排放已引起世界各国越来越强烈的关注。提高燃油 质量、减少大气污染已成为不可逆转的发展趋势。目前，虽然已有合成燃油，醇类燃料 及气体燃料等环保型燃料可代替汽油和柴油作为汽车燃料，但在未来的一定时期内，汽 油和柴油仍将是车用燃料的主角。车用燃油的质量好坏是影响尾气排放的重要因素之一。 因此，各国对车用燃油的质量要求越来越高。日本早在1 9 8 7 年就已停止有铅汽油的生产 和使用。美国也在1 9 9 6 年不再生产和使用含铅汽油。为与国际接轨，兼顾我国的现实情 况，新出台的三项国家标准加严了有害物质指标，对我国车用燃油生产的技术进步、提 高燃油质量会起到很大的促进作用。这有利于减少大气污染及保护生态环境，也有利于 我国汽车工业的发展。 柴油机的主要排放污染物主要由碳氧化物、碳氢化合物、氮氧化物及微粒组成网。 碳氧化物是油料在空气不足情况下的燃烧产物，主要发生在低温缺氧的情况下。碳氢化 合物主要是未完全燃烧的燃料或中间产物，其浓度随发动机工况不同差别很大。氮氧化 物是在高温富氧条件下产生的，其浓度与过量空气系数及空气在燃烧室内高温区停留时 间长短有关。柴油机的微粒是一种类如石墨形成的含碳物质( 碳烟) ，并凝聚和吸附了相 当的高分子量有机物，这些有机物包括未燃的燃油、润滑油以及不同程度的氧化和裂解 产物，其含量与燃烧室的温度及燃烧室内气流运动强度有关。由此可见，除了提高柴油 的生产质量，提高柴油机的燃烧性能，可有效的降低车辆的排放污染。所以欧盟e n 5 9 0 一2 0 0 3 标准执行十六烷值不低于5 1 的具体指标。2 0 0 5 年，车用柴油的十六烷值增加到 了5 8 。 1 3 国内、外的研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外针对发动机冬季启动和使用问题，重点采取了提高柴油质量的措施，主要在低 一4 一 东北大学硕士学位论文笫1 章引 言 温启动方面进行了研究和应用，以改善车辆的低温启动性能而设计了多种低温启动装置 睁7 1 。国外的汽车使用低温启动装置，目的是为了提高发动机的低温启动性能，使汽车能 在寒冷的条件下顺利启动，同时保证启动过程中磨损减少、排气污染降低、耗油率下降， 从而缓解环保和能源等问题。在北美及一些北欧国家，预热器的使用己很普遍，在多数 新车上己由选装变成了标准装备【8 】，政府部门也给予重视，早在1 9 8 4 年美国国家环保署 ( e p a ) 就对预热器对节能和排放的影响做过测试和评估。其它国家也做过类似的测试和评 估，这些国家己把预热器的使用作为节能和环保的重要手段列入政府计划，如加拿大自 然资源部在1 9 9 8 年开始实施的o e e 计划，认为预热器是一种“简单、经济、有效的装 置 【9 】。美国e p a 在2 0 0 5 年开始实施的美国洁净校车计划( c l e a ns c h o o lb u su s a ) 所提 出的主要技术措施也是使用预热器【1 0 1 。 应用最多的是进气预热装置。进气预热装置是在启动时加热进气气流的一种低温启 动附加装置。按照加热进气热源不同，可分为电热进气预热装置与火焰进气预热装置两 大类。电热进气预热装置使用电热元件来加热进气气流，如法国g b d 6 型军用越野车、 日本五十铃货车均装有电热进气预热装置。火焰进气预热装置是在进气管内利用火焰来 加热进气气流( 一般不应用于汽油机) ，如德国道依茨f l 系列风冷发动机、奔驰o m 系列 发动机、军用越野车、依发货车、日本五十铃货车以及我国生产的4 9 5 、4 1 1 5 型柴油机 均装有火焰进气预热装置。 进气预热装置主要有以下优点： ( 1 ) 效果明显。进气预热装置可以明显地提高发动机的低温启动性能，采用火焰进气 预热装置，柴油机能启动的温度可以下降2 0 0 c ，使用电热进气预热装置，发动机能启动 的温度下降2 3 0 c 。 ( 2 ) 工作平稳。用启动液启动发动机，如果混合气过浓就会使用发动机工作粗暴，发 出金属敲击声，而使用进气预热装置启动发动机时工作平稳柔和。 ( 3 ) 使用方便。使用启动液，可以保证柴油机在一4 0 0 c 时可靠启动，但必须携带启动 液，而进气预热装置利用本车的燃油或蓄电池的电能为能源来加热进气气流，使发动机 在低温下顺利启动，不需携带启动液。 ( 4 ) 使用成本低。用启动液启动发动机，启动一次约两元，而进气预热装置却不需要 这一笔费用。 ( 5 ) 降低污染。发动机启动后，在升温期，由于可燃混合气不完全燃烧，排气管冒白 烟，空气污染严重。采用进气预热装置后，可燃混合气形成条件得到完善，从而降低了 发动机启动后在升温期间产生的排气污染。 ( 6 ) 火焰预热塞功率为2 0 0 5 0 0 w ，启动一次耗电量约为0 3 5 o 4 5 a h ，这对容量为 1 5 0 a h 的蓄电池来说，耗电量是很小的。 进气预热装置可以明显地提高发动机的低温启动性能，尤其火焰进气预热装置发展 很好，现已成为一种主要的柴油机低温启动附加装置。电加热进气装置，需要以蓄电池 5 1 3 2 国内的研究现状 国内在冬季使用高凝点柴油也有不少研究和运用，一是使用燃油流动性改进剂；二 是采用兑油提号；，三是燃油供给系统加热方面的研究；四是低温冷启动装置方面的研究 【1 1 捌 o ( 1 ) 使用燃油流动性改进剂 柴油的流动性能主要取决于柴油中含蜡量的多少，以及蜡晶的结构形式和蜡晶在柴 油中的存在状态。通常情况下，当柴油冷却到一定温度时，溶于柴油中的蜡便析出，并 逐渐交联在一起形成网状三维结构，包住油分子而使柴油凝固，失去流动性。为了降低 油品的凝固温度，通常可采用两种办法：一是使用尿素脱蜡工艺把其中所含的蜡脱除出 去，一是向油品中加人流动性能改进剂。流动性能改进剂就是加在润滑油、柴油等油品 中，干扰蜡结晶，使凝固点下降的添加剂。柴油流动性能改进剂的功能就是阻止在低温 下析出的蜡晶相互交联集聚并长大，从而使柴油的凝点和冷凝点下降，达到改善柴油低 温流动性的目的。流动性能改进剂一般是具有极性分子的有机物，加入柴油后与柴油中 的蜡分子发生亲和形成共晶并吸附在蜡分子表面，当温度降低时蜡晶析出，但由于蜡晶 表面吸附着极性分子，而使蜡晶分子间相互排斥阻碍了蜡晶的结合生长，直至温度降至 到某一温度后，蜡晶分子间的凝聚力大于极性分子间的排斥力，蜡晶分子逐渐交联在一 起形成网状三维结构，使柴油失去低温流动性。而此时柴油失去低温流动性的温度低于 6 东北大学硕士学位论文第1 章引 言 未加剂时的温度，使得柴油在较低温度下也能具有需要的低温流动性能。 流动性能改进剂对于含蜡较多的油，能防止蜡在低温下的结晶及成长扩大成网状， 并抑制油分子在蜡结晶表面的吸附，从而使凝点下降；对于含蜡极少的油品，则能在低 温下阻止油分子的缔合，使开始生成胶结构的温度下降，即凝点降低。当油品中加入流 动性能改进剂后，由于流动性能改进剂上长长的直链烃基( 约2 0 个碳原子) 与蜡分子的形 状和本质是一样的，所以每个烃基都是一组蜡开始结晶生长的场所，蜡的分子由干吸附、 共晶作用在每个流动性能改进剂的长烃基上发展晶体，使得所有蜡的结晶成为均匀的、 细小的和互相分离的结晶体。这些晶体不能互相聚集交联成一体结构，避免了油品的凝 固。 我国产的原油，特别是大庆原油主要以链烃类为主，含蜡量较高，如果对其进行深 度脱蜡。其结果不仅使产品的十六烷值降低，燃烧性能变差，还会使产量大大减少，造 成对油品资源的浪费。有资料表明，若以生产凝点为1 0 0 c 的柴油产量为l o o ，则凝点为 0 0c 的柴油产量为6 4 5 ，凝点为一1 0 0c 的柴油产量为4 6 5 。可见凝点越低，柴油成 本越高，来源越少。与此相比，采用流动性能改进剂降凝的方法就显得更经济、更有效， 这种方法特别适用于没有油罐保温条件的单位。 我国原油含蜡量高，各地原油成分差异比较大，原油成分重，柴油馏分窄，国外进 口的流动性能改进剂在我国应用，市场前景并不乐观，一是它不适应各种特性因数类型 的柴油，对柴油的选择性强，二是它的价格比较高。在使用时必须事先做好室内添加试 验，了解柴油的结构、特性及添加效果后，再决定下一步的实施方案，否则会得不偿失， 造成机器故障。但国外低温流动性能改进荆产品性能比较稳定，放置一年后产品性能不 变。国产低温流动性能改进及产品价格比较低，是根据我国柴油的特点研制开发的产品。 但由于我国原油结构复杂，不同的生产厂家生产工艺各不相同，因此对低温流动性能改 进剂是有选择性的。在实际使用时同样要事先做好室内试验，根据不同厂家生产的柴油 特点选择恰当的产品和合适的添加比，并及时检验实际中的添加效果，随时调整，达到 内燃机正常工作的需要。另外一些国内产品性能不稳定，放置一定时间后粘度增大，一 些组分易挥发，失去其应有的性能。 ( 2 ) 采用兑油提号 市场柴油标号少，无法根据外界温度细微变化使用两个标号间的柴油。各种标号柴 油都有它自己的凝点，当温度下降时，并不是立即凝固，要经过一个稠化阶段，在相当 宽的温度范围内逐渐凝固。根据柴油这一特性，只要两种柴油是正常的合格油，其理化 指标改变最大的是凝点和冷滤点，只要比例掌握适当，对不同标号柴油进行勾兑，使其 凝点低于日最低温度，勾兑后混油的质量也能满足发动机用油的质量需要。通过兑油， 使柴油低烧不局限在固定的o 撑、1 0 群、2 0 撑、3 5 稃标号柴油，可以根据温度变化，低烧 任何一标号的柴油，如5 撑、1 4 撑等，从而达到增大柴油低烧幅度的目的。 采用不同牌号的柴油进行勾兑，要求现场具备一定勾兑条件。要根据天气温度勾兑 7 第1 章引 言 同时还 要求柴 高凝点柴油。 温启动性。 适合柴油流动 加热会增加发 动机电瓶的负荷，降低其使用寿命。同时在运行过程中还须不断的利用发动机电瓶对散 失的热量进行补充，需要消耗大量的电瓶电能。 ( 2 ) 利用冷却介质的热量或废气的热量通过热交换器对供给系中的工质进行加热 从运转的柴油机中排出的高温冷却水，水温高达8 0 0c 以上，而经过冷却注入柴油 机冷却水腔的水温也在6 5 7 0 0c 。通过一定的换热装置利用这部分热能实现对柴油的加 热，但用发动机循环热水加热柴油，冷车启动时必须有辅助的加热系统，系统设计较为 复杂。另外此种加热方式会降低发动机的循环水温，增加气缸套的磨损，降低发动机的 使用寿命。柴油机运转时排气温度通常在5 0 0 0c 以上，用发动机的排烟废气加热柴油， 这种方法可以在不消耗任何能源，不会对发动机产生任何不良影响的情况下，实现对柴 油的加热。但排烟废气不能直接加热柴油，必须通过换热装置。如热管式换热装置，不 。 仅安全可靠，而且热效率高。利用排烟废气对油箱里的柴油进行加热，其技术难点是低 温条件下发动机正常工作时，利用排出的烟气可对柴油进行加热。然而当发动机起动前 无烟气排出不能对柴油加热时，必须采取其它的技术措施才能实现发动机的起动。因为 此时油箱里的柴油处于凝稠状态，无法使发动机正常工作，同时油箱及输油管路必须采 取保温、加热或其它技术措施，才能保证在低温条件下柴油畅通无阻。否则柴油将凝结 或堵塞管路，使发动机无法正常工作。 ( 3 ) 先用低凝点柴油启动，废气加热油箱柴油后，转入使用高凝点柴油工作 为了解决低温条件下发动机的起动问题，对于油箱容积大的大功率柴油车发动机， 一8 一 ， 东北大学硕士学位论文 可在燃料供给系内增设一个盛装低凝点柴油 其产生烟气对主油箱内的高凝点柴油进行加热，在到要求的温度后，通过换向阀切断副 油箱、启通主油箱，使发动机转入正常工作。 运用以上加热方法，常用的柴油供油加热装置有： 水箱余热式装置 水箱余热式装置是将循环冷却水用管子通过油箱使其预热，或采用一个夹层油箱， 内层装油，外层则通过循环水来进行加热。 废气余热式装置 废气余热式装置预热的方法是由发动机的排气管接一根管子穿过油箱，利用排气的 余热来加热油箱中的柴油。 独立燃烧加热式装置( 燃油加热器) 在低温下，发动机整个机体的