柴油性能评价指标.doc

柴油的燃烧性、蒸发性、流动性、安定性、腐蚀性与洁净度1 柴油的燃烧性柴油的燃烧性好是指喷入燃烧室内与高温空气形成均匀的可燃混合气之后，能在较短的时间内发火自燃，并正常地完全燃烧。1.1 柴油机内燃料的燃烧过程柴油在发动机内的燃烧过程，从喷油开始到全部燃烧为止，大体可分为四个阶段。其气缸中压力与活塞所处位置（用曲轴的转角来表示）的关系如图1所示。（1）滞燃期（发火延迟期）滞燃期是指从喷油开始（图1中A点）到混合气开始着火（图1中B点）之间的一段时间。这个时期极短，只有13ms。在这一时期的前段，柴油喷入气缸后进行雾化、受热、蒸发、扩散以及与空气混合而形成可燃混合气等一系列燃烧前的物理准备过程，所以，这段时间又称为物理延迟。在这一时期的后段，燃料受热后开始进行燃烧前的氧化链反应，生成过氧化物，过氧化物达到一定浓度便自燃着火，这就是化学延迟。这两种延迟互相影响，在时间上是部分重叠的。滞燃期虽然很短促，但它对发动机的工作有决定性的影响。因为在这一时期结束时，气缸内已积累了一定量的柴油，而且经过了不同程度的物理的和化学的准备，一旦发火后，燃烧极为迅速。由此可见，滞燃期越长，发火前喷入的柴油越多，自行发火后，大量柴油在气缸内同时燃烧，会导致气缸内的压力和温度都急剧升高，造成发动机工作粗暴，甚至出现敲缸现象。因此，缩短滞燃期有利于改善柴油机的燃烧性能，这就要求燃料具有较低的自燃点，发动机应具有较高的压缩比以及较高的进气温度等等。（2）急燃期这是指发动机中柴油开始燃烧（图1中的B点）直至气缸中压力不再急剧升高为止（图1中的C点）的时间。在急燃期内，燃料着火燃烧，其燃烧速度极快，单位时间内放出的热量很多，气缸内温度和压力上升很快，压力升高速率的大小对柴油机的工作影响很大。急燃期中，压力上升的速率取决于滞燃期的长短，滞燃期越短，发动机的工作越柔和，如滞燃期过长，着火前喷人的柴油积累过多，一旦燃烧起来则温度、压力就会上升过快。气缸内的压力上升速率过快，发动机工作就会出现粗暴现象，严重时会发出金属敲击声，导致机件磨损的加剧甚至损坏。（3）缓燃期（主燃期）缓燃期是柴油机中燃烧过程的主要阶段，大量的燃料（约5060%）是在这段时期内烧掉的。所谓缓燃期就是指从气缸压力不再急剧升高时起，到压力开始迅速下降时（通常也即喷油终止时）为止的这一段时间，相当于图1中的CD段。这个时期的特点是气缸内的压力变化不大，在后期还稍有下降。经过急燃期后，气缸中的压力、温度都已上升得很高，这时喷入的燃料的发火延迟期大大缩短，几乎随喷随着火。燃料在柴油机中燃烧时应保证在缓燃期内燃烧掉大部分，从而取得较大的功率和较高的效率，而最大压力又不致过高。（4）后燃期后燃期是燃烧的最后阶段，是指从压力迅速下降到燃烧结束为止，相当于图1中的DE段。在后燃期中，喷油虽已停止，但气缸中尚未燃完的燃料仍继续燃烧。此时的燃烧是在膨胀过程中进行的，压力和温度都逐渐降低，这样会使能量利用效率降低。因此，后燃期中释放出的热量不宜超过燃料释放出的全部热量的20。由此可见，柴油在柴油机中的燃烧与汽油在汽油机中的燃烧是有原则区别的，前者是靠自燃发火，后者是靠点火燃烧。也就是说从燃烧角度看，对柴油的要求是自燃点低，容易自燃，而对汽油则要求其自燃点高，难于自燃。当柴油的自燃点过高时，会造成滞燃期过长，着火前气缸中积累燃料太多，急燃期压力升高太猛，因而使燃烧粗暴，导致敲缸，这种情况发生在燃烧阶段的初期。而汽油机的爆震则是由于汽油的自燃点过低而引起的，这种情况并不发生在燃烧阶段的初期，而是出现在火焰的传播过程中。汽油机爆震和柴油机工作粗暴性的比较如图2所示。1.2 评定柴油发火性能的指标十六烷值十六烷值（Cetane Number，简称CN）是衡量燃料在压燃式发动机中发火性能的指标。十六烷值高，表明该燃料在柴油机中发火性能好，滞燃期短，燃烧均匀且完全，发动机工作平稳。十六烷值低则表明燃料发火困难，滞燃期长，发动机工作状态粗暴。但十六烷值过高，也将会山于局部不完全燃烧，而产生少量黑色排烟。不同转速的柴油机对柴油的十六烷值有不同的要求。高速柴油机的燃料其十六烷值应为4060，一般使用十六烷值为4045的燃料；中速柴油机可使用十六烷值为3035的燃料；对于低速柴油机，即使用十六烷值低于25的燃料，其燃烧也不会发生特殊的困难。和汽油的辛烷值相似，柴油的十六烷值也是在规定操作条件下，在标准的试验用单缸柴油机中测定的(GB/T3861991)。所用的标准燃料是正十六烷和七甲基壬烷。正十六烷具有很短的发火延迟期，自燃性能很好，因而规定其十六烷值为100。而七甲基壬烷发火延迟期较长，自燃性能较差，规定其十六烷值为15。将这两种化合物按不同比例掺合，即可配成各种十六烷慎不同的标准燃料。把所测燃料与标准燃料进行对比，与其发火性能相同的标准燃料的十六烷值即为所测燃料的十六烷值。标准燃料的十六烷值按下式计算：十六烷值100正十六烷15七甲基壬烧我国石油产品标准中规定车用柴油（GB 191472009）的十六烷值不低于45。在没有条件直接测定燃料的十六烷值的情况下，可用下列经验公式从柴油的理化性质来关联其燃烧性能。（l）十六烷指数按照GB/T 111391989标准方法，可以通过馏分油的密度和中平均沸点用下式计算其十六烷指数：式中：20馏分油在20时的密度，g/cm3；t50馏分油的中平均沸点，即用GB/T 65361997方法对油品进行蒸馏时，馏出50体积时的相应温度，。同一柴油的十六烷指数一般与十六烷值比较接近。（2）柴油指数式中的A表示其苯胺点（），苯胺点是等体积的油样和苯胺混合时能完全互溶的最低温度。同一柴油油样的柴油指数和十六烷值并不相等，但两者的数值比较接近。（3）十六烷值计算公式我国石油商业部门根据我国柴油性质的大量实测数据回归出如下相对密度与十六烷值的关联式：十六烷值442.8462.9此式的平均偏差为3.5。1.3 柴油的十六烷值与化学组成的关系柴油的十六烷值决定于它的化学组成，各种烃类的十六烷值不同，其大体规律如下。（1）烷烃正构烷烃的十六烷值最高，并且相对分子质量越大，十六烷值越高。碳数相同的异构烷烃的十六烷值比正构烷烃的低。相对分子质量相同的异构烷烃，其十六烷值随支链数的增加而降低。然而，单取代基和许多二取代基异构烷烃的十六烷值在4070之间，也具有较好的自燃性。（2）烯烃正构烯烃有相当高的十六烷值，但稍低于相应的正构烷烃。支链的影响与烷烃相似。（3）环烷烃环烷烃的十六烷值低于碳数相同的正构烷烃和正构烯烃，有侧链的环烷烃的十六烷值比无侧链的环烷烃的更低。（4）芳香烃无侧链或短侧链的芳香烃的十六烷值最低，且环数越多，十六烷值越低。带有较长侧链的芳香烃的十六烷值则相对较高，而且随侧链链长的增长其十六烷值增高。碳数相同的直链烷基芳香烃比有支链的烷基芳香烃的十六烷值高。各种烃类十六烷值的不同，主要是反映其自燃性质的差别。由表1可见，正构烷烃的十六烷值高是由于其自燃点低，而芳香烃的十六烷值低则是由于其自燃点高。据研究，燃料的十六烷值与自燃点之间有如图3所示的对应关系。表1 烃类的自燃点烃类名称自燃点，烃类名称自燃点，烷烃正庚烷259芳香烃苯562正癸烷253甲苯536正十八烷235间二甲苯528环烷烃环己烷200萘526丙基环戊烷285甲基萘528由于化学组成的差异，产自石蜡基原油的直馏柴油的十六烷值显然要比产自环烷基原油的高。如表2所示，大庆、华北等石蜡基原油中柴油馏分的十六烷值接近70，而环烷基的羊三木原油中柴油馏分的十六烷值还不到40。表2 各类原油中柴油馏分的十六烷值原油名称馏分，十六烷值基属大庆20035068石蜡基华北18035067石蜡基胜利18035058中间基孤岛18035042环烷中间基羊三木20035037环烷基2 柴油的蒸发性2.1 柴油的蒸发性对柴油机工作的影响柴油在柴油机气缸中发火和燃烧都是在气态下进行的，因而必须先汽化并与空气形成可燃混合气后，才能使柴油机启动和正常工作。所以柴油的滞燃期不单是取决于其十六烷值，同时还受其蒸发性的影响。柴油机内可燃混合气形成的速度主要由柴油的蒸发速度决定，而柴油蒸发速度的快慢，又由燃烧室内空气温度的高低和柴油馏分的轻重所决定。温度越高，轻馏分越多，则蒸发速度越快。柴油机的转速越快，它的每一工作循环的时间越短，要求柴油的蒸发速度越快，所用的馏分也就应该越轻。如柴油的馏分过重，则蒸发速度太慢，从而使燃烧不完全，导致功率下降、油耗增大，以及由于润滑油被稀释而磨损加重等。若柴油的馏分过轻，则由于蒸发速度太快而使发动机气缸压力急剧上升，也会导致柴油机的工作不稳定。由于柴油机可燃混合气的形成与气缸内的空气运动有关，所以，不同类型燃烧室的柴油机对柴油蒸发性能的要求也有所差异。由于对柴油需求的日益增多，为了多产柴油，其馏程趋向于放宽。我国轻柴油的馏程一般控制在180380范围内。2.2 评定柴油燕发性的指标（l）馏程柴油的馏程是按GB/T65361997规定的方法测定的，主要的项目是50馏出温度、90馏出温度及95馏出温度。50馏出温度。50馏出温度越低，说明柴油中的轻馏分越多，柴油机易于启动。我国国家标准规定轻柴油的50馏出温度不高于300。研究表明，柴油中300馏分的含量对耗油量的影响很大，300馏分含量越高，则耗油量越小。柴油中300馏分含量与耗油量的关系如表3所示。表3 柴油中300馏分含量与耗油量的关系柴油中300馏分含量393420相对耗油量，%10011413190馏出温度及95馏出温度。90馏出温度及95馏出温度越低，说明柴油中的重馏分越少。我国国家标准规定轻柴油的90馏出温度不高于355，95馏出温度不高于365。（2）闪点为了控制柴油的蒸发性不致过强，国家标准中规定了各种牌号柴油的闭口杯法闪点，要求35号及50号轻柴油的闪点不低于45，20号车用柴油的闪点不低于50，其余各牌号柴油的闪点均要求不低于55。从储存和运输来看，馏分过轻的柴油不仅蒸发损失大，而且也不安全。所以柴油的闪点也是保证安全性的指标。3 柴油的流动性3.1 粘度柴油的粘度对柴油机供油量的大小以及雾化的好坏有密切的关系。柴油的粘度过小，就容易从高压油泵的柱塞和泵筒之间的间隙中漏出，因而会使喷入气缸的燃料减少，造成发动机功率下降。同时，柴油的粘度越小，雾化后液滴直径就越小，喷出的油流射程也越短，因而不能与气缸中全部空气均匀混合，会造成燃烧不完全。柴油的粘度过大会造成供油困难，同时，喷出的油滴的直径过大，油流的射程过长，使油滴的有效蒸发面积减小，蒸发速度减慢，这样也会使混合气组成不均匀、燃烧不完全、燃料的消耗量增大。所以，在柴油的质量标准中对各种牌号柴油都规定了允许的粘度范围。柴油的粘度大小与柴油的化学组成有关。一般含烷烃较多的石蜡基原油的柴油粘度较小，而环烷基原油的柴油粘度较大。3.2 低温流动性柴油在低温下的流动性能，不仅关系到柴油机燃料供给系统在低温下能否正常供油，而且与柴油在低温下的储存、运输等作业能否正常进行有密切的关系。柴油的低温流动性与其化学组成有关，其中正构烷烃的含量越高，则低温流动性越差。我国评定柴油低温流动性能的指标为凝点和冷滤点。我国的轻柴油质量标准中规定了按GB/T5101983测定的凝点。凝点是在规定的实验条件下，试样开始失去流动性时的温度。因为柴油在凝固之前，可能已先出现石蜡晶体，所以严格说来凝点并不能确切表明柴油实际使用的最低温度。冷滤点是指按照SH/T 02482006规定的测定条件，当油品通过过滤器的流量每分钟不足20mL时的最高温度。由于冷滤点测定的条件近似于使用条件，所以可以用来粗略地判断柴油可能使用的最低温度。冷滤点高低与柴油的低温粘度和含蜡量有关。低温下的粘度大或出现的蜡结晶多，都会使柴油的冷滤点升高。我国大部分原油含蜡量较多，其直馏柴油的凝点一般都较高。改善柴油低温流动性能的主要途径有三种：脱蜡。柴油脱蜡成本高而且收率低，在特殊情况下才采用。调入二次加工柴油。添加低温流动改进剂。向柴油中加人低温流动改进剂，可防止、延缓石蜡形成网状结构，从而使柴油凝点降低。此种方法较经济且简便，因此采用较多。4 柴油的安定性、腐蚀性和洁净度4.1 柴油的安定性柴油的安定性一般是用总不溶物和10蒸余物残炭来评定的。安定性差的柴油在储存中颜色容易变深，甚至产生沉淀，严重时会造成喷油嘴和滤清器堵塞等，并导致气缸中沉积物增加、磨损加剧。10蒸余物残炭可在一定程度上大致反映柴油在喷油嘴和气缸零件上形成积炭的倾向。我国轻柴油和车用柴油的质址标准中规定总不溶物不能大于2.5mg/100mL，10蒸余物残炭不大于0.3。柴油的安定性取决于其化学组成。二烯烃、多环芳香烃、含硫化合物、含氮化合物，以及酚类都是不安定组分，它们能使发动机中沉积物的数量显著增加。因此，必须通过各种精制方法减少这些化合物的含量。4.2 柴油的腐蚀性柴油中含硫化合物对发动机的工作寿命影响很大，其中活性含硫化合物（如硫醇等）对金属有直接的腐蚀作用。所有的含硫化合物在气缸内燃烧后都生成SO2和SO3，这些氧化硫不仅会严重腐蚀高温区的零部件，而且还会与气缸壁上的润滑油起反应，加速漆膜和积炭的形成。同时，柴油机排出尾气中的氧化硫还会污染环境。因此，为了保护环境及避免发动机腐蚀，我国轻柴油的质量标准中规定含硫量不大于0.2%，车用柴油的含硫量规定不大于0.05%，北京市地方标准（DB 11/2392007）已限制车用柴油的硫含量不大于0.005。为防止腐蚀，在质量标准中还要求柴油中不含有水溶性酸或碱，并对其酸度限定不大于7mgKOH/100mL。4.3 柴油的洁净度影响柴油洁净度的物质主要是水分和机械杂质。精制良好的柴油一般不含水分和机械杂质，但在储存、运输和加注过程中都有可能混人。柴油中如有较多的水分，在燃烧时将降低柴油的发热值，在低温下会结冰，从而使柴油机的燃料供给系统堵塞。而机械杂质的存在除了会引起油路堵塞外，还叮能加剧喷油泵和喷油器中精密零件的磨损。因此，在柴油的质量标准中不允许有机械杂质，并规定水分含量不大于0.2%，对车用柴油水分含量要求为痕迹。5 清洁柴油和生物柴油5.1 清洁柴油随着人们对环境保护的日益重视，为减少汽车排气污染，同汽油质量的发展趋势一样，提高柴油质量也已成为必然。清洁柴油的重要指标就是低硫和超低硫含量，以及对多环芳香烃和总芳香烃含量的严格限制。柴油的情况与汽油有很大的不同，汽油绝大部分都用作汽车燃料，而柴油的用途则十分广泛，各国的分类标准也不一致，因此适用的柴油标准也是千差万别。但是基于减少污染物排放、保护环境，各国的车用柴油标准迅速趋向于清洁化。其中，对大幅度降低车用柴油硫含童，各国和地区的态度几