第二章 柴油

第2章柴油2.1柴油概述2.1.1柴油的组成和性质1.柴油的组成和分类2.柴油的颜色、密度、自燃点、初馏点2.1.2对柴油使用性能要求由于柴油机的可燃混合气形成方式、着火方式、燃烧过程等与汽油机不同，所以柴油机要求的柴油使用性能与汽油不同。为了保证柴油发动机正常、高效地工作，满足排放要求，对柴油的主要性能要求有：良好的低温流动性；良好的雾化和蒸发性；良好的燃烧性；良好的安定性；对机件等无腐蚀性和柴油本身的清洁性。2.2轻柴油的低温流动性2.2.1低温流动性对发动机的影响：柴油在低温条件下具有一定流动状态的性能叫低温流动性。轻柴油的密度和黏度都比汽油大，随着温度的降低，轻柴油的黏度会变得更大。如果柴油的低温流动性不好，柴油在低温下失去流动性，就会妨碍柴油在油管和滤清器中顺利通过，使供油量减少甚至中断，导致发动机不能正常工作甚至熄火。而且柴油的低温流动性与柴油在低温下的储存、运输、倒装等作业能否正常进行都有密切关系。所以，为满足柴油发动机各工况的需求，轻柴油应具有良好的低温流动性。2.2.2轻柴油低温流动性的评价指标轻柴油低温流动性的评价指标为凝点、浊点和冷滤点。我国采用凝点和冷滤点，日本采用凝点，美国采用浊点，欧洲国家采用冷滤点。1.凝点：是指在一定的试验条件下，将柴油装在规定的试管内，冷却到预期的温度，然后将试管倾斜45°经过1min后液面不移动，此时的温度，就是柴油的凝点。我国柴油的牌号是按凝点划分的。轻柴油分为10号、5号、0号、-10号、-20号、-35号、-50号共七个牌号。重柴油的牌号分为10号、20号、30号共三个牌号。柴油的凝点是多少度，它的牌号就是多少。柴油的凝点的测定标准是GB/T510—1991《石油产品凝点测定法》。测试仪器为凝点测定仪，如下图所示：a)凝点测定仪示意图b)凝点测定仪实物照片1-试管2-搅拌器3-套管4-温度计5-冷却器凝点测定仪测定方法是：先将试样装入试管，再将试管放在冷却器中进行冷却。当试样的温度冷却到预期的温度时，将放在冷却器中的试管倾斜45°，保持1min，观察试样的液面是否有移动迹象。按上面的做法找出其液面停止移动的最高温度，即为所测试样的凝点。2.浊点：是指在特定的试验条件下，柴油中开始析出石蜡晶体从而使柴油失去透明时的最高温度。含蜡愈多的柴油，其浊点也愈高。柴油达到浊点后，虽然有石蜡晶体析出，使柴油在燃油供给系中的流动阻力增大，但是还能保证正常的供油，不影响柴油机的正常工作。因此，浊点不是限制轻柴油使用的最低温度。同时，对加有流动性能改进剂的柴油的低温性能，浊点也不能准确表示。所以，用浊点作为柴油低温性能评价指标过于苛刻。除美国等少数国家现在还采用浊点外，其他国家大都不采用浊点指标。浊点的测定标准是GB/T6986—1991《石油产品浊点测定法》。测试仪器为浊点测定仪，如下图所示：a)浊点测定仪示意图b)浊点测定仪实物照片1-温度计2-搅拌器3-环形标线浊点测定仪3.冷滤点:是指在特定的试验条件下，1min内通过过滤器的柴油不足20mL时的最高温度。试验证明，用冷滤点模拟发动机的实际工作情况，近似于发动机的实际使用条件，它与柴油的实际使用温度有良好的对应关系。所以冷滤点与浊点、凝点相比，更具有实用性，是选择柴油低温流动性的依据。目前，国内外评价柴油低温流动性时，广泛采用冷滤点。冷滤点可以作为根据最低气温选用柴油牌号的依据。一般冷滤点要高于凝点4℃～6℃，比浊点稍低。轻柴油冷滤点的测定按照SH／T0248－1992《馏分燃料、柴油冷滤点测定法》的规定进行。测试仪器为冷滤点测定仪，如下图所示。a)冷滤点测定仪示意图b)半导体柴油冷滤点测定仪实物照片1-温度计2-三通阀3-橡胶管4-吸量管5-橡胶塞6-支持环7-弹簧环8-试杯9-固定架10-铜套管11-冷浴12-过滤器冷滤点测定仪2.2.3改善柴油低温流动性的途径是：1.脱蜡：在炼制柴油的过程中采用脱蜡措施。2.在柴油中掺入二次加工柴油馏分和裂化煤油：高含蜡原油在裂化加工中得到的柴油馏分有较低的凝点，其他性能也较好；往柴油中掺入裂化煤油，能降低凝点，改善挥发性。3.加入降凝添加剂：柴油中加入降凝添加剂后能够延迟或防止石蜡结晶析出，因此可以降低柴油的凝点和冷滤点。降凝剂一般为烷基萘和乙烯酸酯的共聚物，加入量一般为0.05％～0.1％。2.3轻柴油的雾化和蒸发性2.3.1轻柴油的雾化和蒸发性对发动机的影响轻柴油的雾化和蒸发性是指轻柴油在柴油机气缸内经喷油器喷出时分散成液体雾粒及液体雾粒汽化蒸发的能力。柴油的雾化和蒸发性的好坏决定了混合气形成的速度和质量，高速柴油机混合气形成时间极短，因此对柴油的雾化和蒸发性有较高要求。柴油的雾化和蒸发性好，柴油机的起动性能就好，燃烧完全，不易稀释润滑油，油耗较低，积炭少，排烟较少；但是如果雾化和蒸发性过好，会严重增大贮运和使用中的蒸发损失，并且影响使用安全性，而且发动机的工作容易粗暴。2.3.2轻柴油雾化和蒸发性的评价指标轻柴油雾化和蒸发性的评价指标有运动黏度、馏程、密度和闪点。1.运动黏度：黏度是指液体在外力作用下发生移动时，在液体分子间所呈现的内部摩擦力。它是表示油品流动性能好坏的一项指标。黏度小的油品流动性能好，黏度大的油品流动性能差。油品的黏度随着温度的变化而变化，这称为油的粘温性能。一般是温度升高黏度变小，温度降低黏度变大。所以，表示某一油品的黏度时必须标明温度，不标明温度的黏度是没有意义的。黏度分为动力黏度、运动黏度、条件黏度三种。评价轻柴油的雾化和蒸发性时，采用的是运动黏度指标。运动黏度表示液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度，其值为相同温度下液体的动力黏度与其密度之比，单位是m2/s。柴油规格中要求测定20℃的运动黏度。运动黏度不仅影响柴油的流动性，更主要的是影响柴油的雾化质量。柴油的规格中，对每种牌号柴油的运动黏度都规定了一定的范围。运动黏度的测定标准是GB/T265-1988《石油产品运动黏度测定法》。测定仪如下图所示：运动黏度测定仪a)毛细管黏度计b)运动黏度测定仪实物照片1、6-管身2、4-扩张部分3、5-标线7-支管2.馏程柴油馏程的测定方法与汽油馏程的测定方法基本相同。评定柴油的蒸发性采用的是50％蒸发温度、90％蒸发温度和95％蒸发温度三个温度点。1）50％蒸发温度，表示柴油中轻质馏分的含量。50％回收温度低，说明轻质馏分多，蒸发性好，易形成均匀的混合气，柴油机容易起动。50％蒸发温度对发动机启动性能的影响如下表所示：柴油50%回收温度/℃200225250275285发动机的启动时间/s810276090但该温度也不宜过低，过低时，因轻质馏分太多柴油蒸发太快，易引起全部柴油迅速燃烧，缸内压力升高剧烈，发动机工作粗暴。国家标准规定轻柴油50％蒸发温度不高于300℃。2）90％蒸发温度和95％蒸发温度，表示柴油中重质馏分的含量。90％蒸发温度和95％蒸发温度低，说明柴油中重质馏分含量少，柴油燃烧会越充分，可以提高柴油机的动力性，降低油耗，减小机械磨损。90％蒸发温度和95％蒸发温度高，说明柴油中重质馏分多，蒸发性差，形成的混合气质量差，燃烧不完全，易造成发动机排气冒黑烟，功率下降，油耗增多，零件磨损增大等。所以，应严格控制这两个温度不能太高。国家标准规定轻柴油90％蒸发温度不高于355℃，95％蒸发温度不高于365℃。3.闪点在规定的试验条件下，加热油品所产生的蒸气与周围空气形成的混合气接触火焰发生瞬间闪火的最低温度称为闪点，用℃表示。根据测定方法和仪器不同，分为开口闪点和闭口闪点。用开口杯闪点测定器测得的闪点为开口闪点，开口闪点用于高闪点（重质油）的油品，如发动机油、车辆齿轮油等；用闭口杯闪点测定器测得的闪点为闭口闪点，闭口闪点用于低闪点（轻质油）的油品，如轻柴油。闭口闪点测定时GB/T261-1991《石油产品闪点测定法（闭口杯法）》进行，将试样放在闭口闪点测定器内，加盖连续搅拌，以很慢的恒定速率加热，当油中温度计读数达到预期的闪点前10℃时，按规定每隔1s或2s中断搅拌，同时将一火焰引入杯内，引起杯内油蒸气闪火时的最低温度为闪点。闭口杯闪点测定器如下图所示：a)闭口杯闪点测定器示意图b)闭口杯闪点测定器实物照片1-点火器调节螺钉2-点火器3-滑板4-油杯盖5-油杯6-浴套7-搅拌器8-壳体9-电炉盘10-电动机11-铭牌12-点火管13-油杯手柄14-温度计15-传动软轴16-开关箱闭口杯闪点测定器开口杯闪点测定器如下图所示：开口杯闪点测定器a)开口杯闪点测定器示意图b)开口杯闪点测定器实物照片1-点火器支柱2-点火器3-屏风4-底座5-坩埚托6-外坩埚7-内坩埚8-温度计9-支柱10-温度计夹闪点低说明柴油中的轻质馏分多，蒸发性好，但闪点太低时说明轻质馏分过多，蒸发过快，会造成汽缸压力突然上升，使柴油机工作粗暴，同时储运及使用中的安全性下降。柴油的闪点主要用来控制其挥发性的上限，下限由馏程控制。国家标准规定了各号轻柴油的闭口闪点的最低数值。4.密度柴油的密度过大，将使雾化质量变差，使汽缸中的混合气形成不均匀，难以形成良好的混合气，导致燃烧条件变差，排气冒黑烟，发动机经济性下降。柴油的密度大说明芳香烃含量较多，芳香烃多将导致柴油机工作粗暴。柴油密度的测定按照GB／T1184－2000《原油和液体石油产品密度测定法（密度计法）》的规定进行。a）密度计b）密度计读数观察示意c)石油产品密度试验器照片石油密度试验器及其观测测试仪器为石油密度计，如下图所示。2.4柴油的燃烧性（发火性）2.4.1轻柴油的燃烧性对发动机的影响柴油的燃烧性是指柴油的自燃能力。燃烧性良好的柴油其自燃点低。如果柴油的燃烧性差，会引起柴油机工作粗暴。柴油燃烧性差时，会使着火延迟期变长，喷入燃烧室的柴油就会越积越多，达到自燃点时就会有过量的柴油参加燃烧反应，这样会使汽缸压力上升过快，产生强烈的发动机敲击声，功率下降，油耗增大，磨损加剧。如果柴油的燃烧性过好，其自燃点会太低，着火延迟期会过短，易使混合气来不及混合均匀就燃烧，导致燃料燃烧不完全，出现排气冒黑烟，燃料消耗增大。气缸产生的爆发压力下降，柴油机的输出功率下降。综上所述，轻柴油应具有较好的燃烧性能，但不可过好。2.4.2柴油燃烧性的评价指标柴油燃烧性的主要评价指标是十六烷值。1.十六烷值十六烷值是表示压燃发动机燃料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的，采用和被测定燃料具有相同燃烧性能的标准燃料的十六烷值表示。十六烷值可以缩写为CN（CeaneNumber）。测定十六烷值的标准燃料是用两种燃烧性能相差悬殊的烃作基准物配制而成的。一种是正十六烷（C16H34），它的燃烧性能良好，规定其十六烷值为100；另一种是α-甲基萘（C11H10），它的燃烧性能差，规定其十六烷值为0。按不同体积比例混合即得到多种标准燃料。标准燃料中正十六烷的体积百分数规定为标准燃料的十六烷值，该值范围为0～100。十六烷值只能表明某一燃料的燃烧性与标准燃料相同，而不是说它含有那么多的正十六烷。如乙醚的十六烷值为53，但它并不含正十六烷。2.十六烷值的测定测定某一油品的十六烷值时，将试油用于单缸柴油机后，调节柴油机压缩比，确定被试验燃料的闪火时间。如果被试燃料和某一标准燃料在同样条件下同期闪火，所选用的压缩比又相同，则它们的十六烷值相同，标准燃料的十六烷值即为被测柴油的十六烷值。十六烷值的测定按照GB／T386－1991《柴油十六烷值测定法（同期闪火法）》的规定进行。下图所示为柴油十六烷值测定机，该试验设备为一台压缩比可在7～23范围内变化的单缸柴油机，柴油机飞轮轮缘内圈上装有两个氖灯，一个指示喷油器喷油时刻，一个指示混合气着火时刻。飞轮上方有观察窗孔，观察窗孔内装有窥视镜。柴油十六烷值测定机3.柴油各烃类组分的十六烷值柴油中的烃类组分主要有正构烷烃、异构烷烃、环烷烃、烯烃、芳香烃。柴油化学成分对十六烷值的影响如下表所示：柴油编号柴油化学成分（质量分数）（%）十六烷值烷烃环烷烃芳香烃123458580756745