第三篇 柴油 油料學與煉制工藝

第二節(jié)柴油第一節(jié)柴油

一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求二、柴油的主要性能

柴油機又稱壓燃式發(fā)動機，以柴油為燃料，燃料的汽化和空氣的混合在氣缸內(nèi)進行，燃料的燃燒靠燃料的自燃點火，壓縮比高達16~20，因而熱功效率比汽油機高，耗油量小，運轉(zhuǎn)成本低。柴油機一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求1.柴油的分類輕柴油：用于1000r/min以上的高速柴油機重柴油：用于1000r/min以下的低速柴油機類別種類名稱使用范圍柴油機燃料高速柴油機燃料輕柴油軍用柴油各種柴油機汽車及牽引機、坦克柴油發(fā)動機、艦艇柴油發(fā)動機中速柴油機燃料重柴油中速柴油機低速柴油機燃料船用燃料大功率低速柴油機一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求2、柴油機的原理構造圖

1-油箱;2-粗過濾器;3-輸油泵;4-細過濾器;5-高壓油泵;6-噴油嘴；7-空氣濾清器;8-進氣管;9-氣缸;10-活塞;11-進氣閥;12-排氣閥;13-排氣管;14-消聲器;15-連桿;16-曲軸;17-曲軸箱

進氣過程

壓縮過程做功過程

排氣過程3、柴油機的工作循環(huán)和汽油機是一樣的，都包括進氣、壓縮、膨脹做功、排氣四個過程。

一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求進氣沖程活塞下行，進氣門打開，排氣門關閉，活塞向下運動，把新鮮空氣吸入氣缸內(nèi)，活塞達到最低位置時，進氣門關閉。進氣門關閉，排氣門關閉，活塞向上運動，壓縮氣缸內(nèi)空氣，使其體積減小，溫度升高。壓縮終了溫度500～700℃，壓力3.5~4.5MPa。壓縮沖程進氣門關閉，排氣門關閉，當活塞運動到氣缸頂部時，噴油嘴打開，把柴油噴入氣缸內(nèi)。由于氣缸內(nèi)溫度、壓力很高，達到柴油自然點，柴油迅速汽化、與空氣混合、自然著火燃燒，柴油燃燒的高溫高壓氣體推動活塞向下運動，對外做功，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。

做功沖程進氣門關閉，排氣門打開，活塞向上運動，把氣缸內(nèi)的廢氣排出。排氣沖程一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程柴油的燃燒性好是指噴入燃燒室內(nèi)與高溫空氣形成均勻的可燃混合氣之后，能在較短的時間內(nèi)發(fā)火自燃并正常地完全燃燒。柴油在發(fā)動機內(nèi)的燃燒過程，從噴油開始到全部燃燒為止，大體可分為四個階段。其氣缸中壓力與活塞所處的位置(用曲軸的轉(zhuǎn)角來表示)的關系如圖。一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程1-滯燃期

2-急燃期3-緩燃期DE-后燃期一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程(1)滯燃期(發(fā)火延遲期)滯燃期是指從噴油開始(A點)到混合氣開始著火(B點)之間的一段時間。這個時期極短，只有1～3ms。物理延遲：柴油噴入氣缸后進行霧化、受熱、蒸發(fā)、擴散以及與空氣混合而形成可燃混合氣等一系列燃燒前的物理過程，所以，這段時間又稱為物理延遲。化學延遲：燃料受熱后開始進行燃燒前的氧化鏈反應，生成過氧化物，過氧化物達到一定濃度便自燃著火，這就是化學延遲。這兩種延遲互相影響，在時間上是部分重疊的。一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程滯燃期雖然很短促，但它對發(fā)動機的工作有決定性的影響。因為在這一時期結束時，氣缸內(nèi)已積累了一定量的柴油，而且經(jīng)過了不同程度的物理的和化學的準備，一旦發(fā)火后，燃燒極為迅速。由此可見，滯燃期越長，發(fā)火前噴入的柴油越多，自行發(fā)火后，大量柴油在氣缸內(nèi)同時燃燒，會導致氣缸內(nèi)的壓力和溫度都急劇升高，造成發(fā)動機工作粗暴，甚至出現(xiàn)爆震現(xiàn)象。因此，縮短滯燃期有利于改善柴油機的燃燒性能，這就要求燃料具有較低的自燃點，發(fā)動機應具有較高的壓縮比以及較高的進氣溫度等。一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程1-滯燃期2-急燃期

3-緩燃期DE-后燃期一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求(2)急燃期這是指發(fā)動機中柴油開始燃燒(B點)直至氣缸中壓力不再急劇升高為止(C點)的時間。在急燃期內(nèi)，燃料著火燃燒，其燃燒速度極快，單位時間內(nèi)放出的熱量很多，氣缸內(nèi)溫度和壓力上升很快，壓力升高速率的大小對柴油機的工作影響很大。急燃期中壓力上升的速率取決于滯燃期的長短，滯燃期越短，發(fā)動機的工作越柔和，如滯燃期過長，著火前噴入的柴油積累過多，一旦燃燒起來則溫度、壓力就會上升過快。而氣缸內(nèi)的壓力上升速率過快，發(fā)動機工作就會出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，嚴重時會發(fā)出金屬敲擊聲，導致機件磨損的加劇甚至損壞。4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程1-滯燃期2-急燃期3-緩燃期

DE-后燃期一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求(3)緩燃期(主燃期)緩燃期是柴油機中燃燒過程的主要階段，大量的燃料(約占50%—60%)是在這時期內(nèi)燒掉的。所謂緩燃期就是指從氣缸壓力不再急劇升高時起，到壓力開始迅速下降時(通常也即噴油終止時)為止的這一段時間，相當于圖中CD段。緩燃期的特點：氣缸內(nèi)壓力變化不大，在后期還稍有降低，Pmax=5～12MPa溫度持續(xù)升高到最高值后開始下降，而且溫度的最高值一般在壓力達到最高值之后出現(xiàn)，Tmax=2000℃。4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程1-滯燃期2-急燃期3-緩燃期DE-后燃期一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程(4)后燃期后燃期是燃燒的最后階段，指從壓力迅速下降到燃燒結束為止，約相當于圖中的DE段。在后燃期中，噴油雖已停止，氣缸中尚未燃完的燃料仍繼續(xù)燃燒。但此時的燃燒是在膨脹過程中進行的，壓力和溫度都逐漸降低，這樣會使能量利用效率降低。因此，后燃期中釋出的熱量不宜超過燃料釋放出的全部熱量的20%。一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求4、柴油機內(nèi)燃料的燃燒過程柴油在柴油機中的燃燒與汽油在汽油機中的燃燒不同主要體現(xiàn)在：前者是靠自燃發(fā)火，后者是靠點火燃燒。也就是說從燃燒角度看，對柴油的要求是自燃點低，容易自燃，而對汽油則要求其自燃點高，難于自燃。當柴油的自燃點過高時，會造成滯燃期過長，著火前氣缸中積累燃料太多，急燃期壓力升高太猛，因而使燃燒粗暴，導致爆震，這種情況發(fā)生在燃燒階段的初期；而汽油機的爆震則是由于汽油的自燃點過低而引起的，這種情況并不發(fā)生在燃燒階段的初期，而是出現(xiàn)在火焰的傳播過程中。一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求混合氣形成方式不同，汽油和空氣在氣缸外混合，進入氣缸的是可燃混合氣。柴油機進氣行程進入汽缸的是新鮮空氣，柴油是在做功行程開始階段噴入汽缸，與空氣混合。著火方式不同：汽油機用電火花點燃混合氣（常稱為點燃式發(fā)動機)，而柴油機是用高壓將柴油噴入汽缸內(nèi)，靠高溫氣體加熱，自行著火燃燒(常稱為壓燃式發(fā)動機）。所以汽油機有點火系，而柴油機無點火系。發(fā)生敲缸的時間不一樣，汽油的爆震燃燒是在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，即在燃燒的后期，而柴油的粗暴燃燒發(fā)生在燃燒的初期（即急燃期）。5、汽油機和柴油機的區(qū)別項目柴油機汽油機壓縮比16～208～10壓縮終了溫度,℃500～700300～450壓縮終了壓力,MPa3～50.7～1.5供油方式高壓油泵直噴汽化器啟燃方式自燃電火花點燃進入氣缸的氣體空氣油氣混合氣壓縮的氣體空氣油氣混合氣燃燒氣體的最高溫度,℃1500～20002000～2500燃燒氣體的最高壓力,MPa5～123～4相同功率下的相對油耗,%70～80100柴油機與汽油機工作過程的比較一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求凝點和濁點低、粘度適中--霧化性能好，可靠燃料供給蒸發(fā)性能、燃燒性能好--餾分組成和十六烷值良好的熱安定性和儲存安定性--積炭堵塞濾器和噴油嘴不腐蝕發(fā)動機零件不含機械雜質(zhì)和水分一、柴油機工作原理以及對柴油的使用要求6、柴油機對柴油的使用要求二、柴油的主要性能（一）柴油的流動性良好的流動性有利于柴油的儲存、運輸和使用。柴油的低溫流動性與其化學組成有關。正構烷烴的含量越高，則低溫流動性越差。1.評定柴油低溫流動性的指標凝點:是將盛有油品的試管在一定條件下冷卻到某一溫度時，將試管傾斜45o，并經(jīng)過1min后液面不再流動的最高溫度，用℃表示。凝點并不能確切表明柴油實際使用的最低溫度。傾點：是指在試驗規(guī)定的條件下冷卻時，油品能夠流動的最低溫度，又稱流動極限，用℃表示。冷濾點：指在試驗規(guī)定的條件下，柴油式樣在60s內(nèi)開始不能通過過濾器20mL時的最高溫度，用℃表示。其中冷濾點更能反映車用柴油的低溫使用性能。二、柴油的主要性能2.凝點、傾點和冷濾點的影響因素與柴油的烴類組成有關。正構烷烴的含量越多，三者就越高，低溫流動性越差與表面活性劑有關，加入后，使凝點、傾點下降，低溫流動性變好與含水量有關，若含水量超標，則三者會會明顯提高，低溫流動性越差二、柴油的主要性能柴油的粘度與柴油機中供油量的大小以及霧化的好壞有密切的關系二、柴油的主要性能粘度過?。阂讖母邏河捅玫闹c泵筒之間的間隙回漏，導致供油不足，功率下降。柴油霧化后的液滴直徑太小，噴出的油流射程太短，與空氣混合不均，導致燃燒不完全。

（二）柴油的霧化性能1．柴油的霧化性能評定指標-粘度二、柴油的主要性能粘度過大：泵送困難，導致供油不足。霧化后油滴直徑過大，噴出的油流射程太長，使油滴的有效蒸發(fā)面積減小，蒸發(fā)速度減慢，導致混合不均勻、燃燒不完全、耗油量增加。（二）柴油的霧化性能1．柴油的霧化性能評定指標-粘度二、柴油的主要性能所以規(guī)定了允許的粘度范圍，輕柴油的粘度ν20為3.0~8.0mm2/s。柴油的粘度大小與柴油的化學組成有關。一般含烷烴較多的石蠟基原油的柴油粘度較小，而環(huán)烷基原油的柴油粘度較大。（二）柴油的霧化性能

2．柴油的霧化性能對柴油機工作的影響（三）柴油的蒸發(fā)性能

1．柴油的蒸發(fā)性對柴油機工作的影響二、柴油的主要性能柴油機正常工作和啟動的前提條件：柴油先氣化，氣化后的柴油蒸氣與空氣形成均勻的可燃混合氣。柴油機內(nèi)可燃混合氣形成的速度由柴油的蒸發(fā)速度決定，而柴油的蒸發(fā)速度又由燃燒室內(nèi)空氣的溫度和壓力的高低與柴油餾分的輕重兩個因素來決定。（三）柴油的蒸發(fā)性能

1．柴油的蒸發(fā)性對柴油機工作的影響二、柴油的主要性能壓縮比越大，壓縮終了時，壓縮空氣的溫度與壓力越高，則噴入的柴油蒸發(fā)速度越快，與空氣形成可燃混合氣的速度也越快柴油餾分過輕，蒸發(fā)速度太快，在極短的時間內(nèi)形成大量的可燃混合氣發(fā)火燃燒，而使氣缸內(nèi)的壓力急劇上升，導致柴油機工作不穩(wěn)定。柴油餾分過重，蒸發(fā)速度太慢，來不及在極短的時間內(nèi)形成混合氣，而使燃燒不完全。（三）柴油的蒸發(fā)性能

1．柴油的蒸發(fā)性對柴油機工作的影響二、柴油的主要性能柴油機使用的柴油餾分不宜過重，也不宜過輕，必須保證發(fā)動機在低溫下容易起動，耗油量少，燃燒良好，同時又不能引起工作粗暴。我國輕柴油的餾程控制在200～380℃。餾程為300℃餾出量不小于50%，350℃餾出量不小于90%~95%。（三）柴油的蒸發(fā)性能

2.評定柴油蒸發(fā)性能的指標-餾程、閉口閃點餾分組成影響柴油的霧化和蒸發(fā)，也影響柴油的燃燒性和起動性，燃燒的好壞直接影響著積炭、冒黑煙和耗油率（1）50%餾出溫度50%餾出溫度越低，說明柴油中的輕餾分越多，使柴油機易于起動。我國國家標準規(guī)定輕柴油的50%餾出溫度≤300℃。二、柴油的主要性能50%餾出溫度200225250275285啟動時間/s810276090柴油50%餾出溫度與起動時間關系（三）柴油的蒸發(fā)性能2.評定柴油蒸發(fā)性能的指標-餾程、閉口閃點二、柴油的主要性能300℃餾出量/%393420單位耗油量/g100114131柴油300℃餾出量與耗油率柴油中<300℃的餾分含量越高，柴油機的油耗越低。（三）柴油的蒸發(fā)性能2.評定柴油蒸發(fā)性能的指標-餾程、閉口閃點二、柴油的主要性能（2）90%餾出溫度及95%餾出溫度90%餾出溫度及95%餾出溫度越低，說明柴油中的重餾分越少。我國國家標準規(guī)定輕柴油

90%餾出溫度≤355℃95%餾出溫度≤365℃柴油的閃點太低，其蒸發(fā)性太強，不安全。

為了控制柴油的蒸發(fā)性不致太強，在標準中規(guī)定了柴油的閃點，我國輕柴油閉口閃點不得低于45℃，它是保證柴油安全性的質(zhì)量指標。二、柴油的主要性能（三）柴油的蒸發(fā)性能2.評定柴油蒸發(fā)性能的指標-餾程、閉口閃點（四）柴油的抗爆性1.柴油抗爆性表示方法（1）柴油的抗爆性，指柴油在發(fā)動機汽缸內(nèi)燃燒時抵抗爆震的能力，換言之，就是柴油燃燒的平穩(wěn)性。（2）柴油抗爆性（著火性質(zhì)）通常用十六烷值（CI）來表示。一般其值越高，抗爆性越好，燃燒均勻，不容易發(fā)生爆震現(xiàn)象，發(fā)動機熱功率提高，使用壽命延長。十六烷值過高的柴油，會形成黑煙，燃料消耗增加十六烷值太高，還會減少燃料的來源因此，必須從使用性和經(jīng)濟性兩方面考慮，使用十六烷值適當?shù)牟裼筒藕侠怼６?、柴油的主要性?.十六烷值的測定方法與汽油辛烷值測定相似，它是在規(guī)定操作條件的標準發(fā)動機試驗中，將柴油試樣與標準燃料進行比較測定的，當兩者具有相同的著火滯燃期時，標準燃料的正十六烷值即為試樣的十六烷值標準燃料是用抗爆性好的正十六烷和抗爆性差的α-甲基萘按照不同體積比配制成的混合物規(guī)定正十六烷的十六烷值為100規(guī)定α-甲基萘為0二、柴油的主要性能3.十六烷值的計算（1）十六烷值=0.85×P+0.1×N-0.2×AP：烷烴含量；N:環(huán)烷烴含量；A:芳烴含量（2）十六烷值=442.8-462.9d4204.柴油指數(shù)：表示柴油抗爆性能，DI越大，抗爆性越好二、柴油的主要性能5.十六烷值和柴油指數(shù)的關系6.十六烷值與化學組成的關系（1）正構烷烴的十六烷值最高，隨碳鏈的增長而增加；異構烷烴的比正構烷烴低，鏈分支越多，十六烷值越小（2）烯烴的十六烷值＜烷烴，支鏈的影響與烷烴相似（3）環(huán)烷烴的十六烷值＜烯烴和烷烴，有側鏈的＜無側鏈的（4）芳香烴的最低，尤其是稠環(huán)芳烴隨側鏈長度增加而增加，隨側鏈分支增多而減小，隨環(huán)數(shù)的增多而減小二、柴油的主要性能柴油中含烷烴和環(huán)烷烴較多、芳烴含量較少時，其十六烷值較高，自燃點低；芳烴含量較高，烷烴含量較低時，其十六烷值就較低，自燃點高。二、柴油的主要性能6.十六烷值與化學組成的關系7.十六烷值與自燃點的關系二、柴油的主要性能各種烴類十六烷值的不同，主要是反映其自燃性質(zhì)的差別。正構烷烴的十六烷值高是由于其自燃點低而芳香烴的十六烷值低則是由于其自燃點高為了保證柴油具有良好的自燃性，高速柴油機所用的柴油十六烷值在45～50之間為宜。8.提高十六烷值的方法添加十六烷值改進劑，例如：硝酸酯型十六烷改進劑（RONO2)調(diào)合深加工二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蝕性和潔凈度1.柴油的安定性（1）儲存安定性：柴油在儲存、運輸和使用過程中保持其外觀、組成和使用性能不變的能力（2）氧化安定性：反映在發(fā)動機在高溫和有溶解氧的作用下發(fā)生氧化變質(zhì)的傾向（3）影響柴油安定性的主要因素不安定組分：不飽和烴、含硫、含氮化合物等微量金屬：銅、鐵、鉛等二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蝕性和潔凈度1.柴油的安定性（4）評定指標柴油的安定性一般是用總不溶物和10%蒸余物殘?zhí)縼碓u定的，安定性差的柴油在儲存中顏色容易變深，甚至產(chǎn)生沉淀。嚴重時會造成噴油嘴和濾清器堵塞等，并導致氣缸中沉積物增加、磨損加劇?？偛蝗芪铮罕硎静裼蜔嵫趸捕ㄐ缘闹笜?。我國輕柴油一等品的質(zhì)量標準中規(guī)定總不溶物不能大于2.0mg/100mL。10%蒸余物殘?zhí)迹悍从巢裼驮谑褂弥性跉飧字行纬煞e炭的傾向，殘值大，說明柴油容易形成積炭。我國輕柴油一等品的質(zhì)量標準中規(guī)定10%蒸余物殘?zhí)坎淮笥?.3%。二、柴油的主要性能烷烴、環(huán)烷烴及單環(huán)芳烴的安定性較好。不飽和烴、環(huán)烷芳香混合烴及非烴類是引起柴油儲存安定性差的主要原因。多環(huán)芳烴及非烴類是引起柴油熱安定性不良的主要原因。（五）柴油的安定性、腐蝕性和潔凈度1.柴油的安定性（5）柴油安定性與其化學組成的關系二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蝕性和潔凈度1.柴油的安定性（6）提高安定性的方法柴油精制：例如用堿液堿洗，除去不安定的烴類和其他雜質(zhì)加入添加劑：抗氧劑、金屬鈍化劑等二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蝕性和潔凈度2.柴油的腐蝕性主要指標：硫含量、酸度、水分、銅片腐蝕等硫含量：含硫化合物對發(fā)動機的工作壽命影響很大，其中活性含硫化合物對金屬有直接的腐蝕作用酸度反映柴油中含酸物質(zhì)對發(fā)動機的影響為了保護環(huán)境及避免發(fā)動機腐蝕，輕柴油的質(zhì)量標準中規(guī)定了優(yōu)等品的含硫量不大于0.2%，一等品的含硫量不大于0.5%。此外，對優(yōu)等品和一等品還規(guī)定了硫醇硫的含量不大于0.01%。從發(fā)展來看，隨著對環(huán)境保護的要求日益嚴格，柴油的含硫量指標將會進一步減小。二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蝕性和潔凈度3.柴油的潔凈度影響柴油潔凈度的主要因素是水分和機械雜質(zhì)。精制良好的柴油一般不含水分和機械雜質(zhì)，但在儲存、運輸和加注過程中都有可能混入。含有較多的水分，在燃燒時將降低柴油的發(fā)熱值，在低溫下會結冰，堵塞燃料供給系統(tǒng)。含機械雜質(zhì)，堵塞油路，加劇零件的磨損。因此，在輕柴油的質(zhì)量標準中規(guī)定水分含量不大于痕量，并不允許有機械雜質(zhì)。二、柴油的主要性能（六）柴油產(chǎn)品的品種和牌號我國的柴油分為輕柴油和重柴油輕柴油適用于高速柴油機：按照凝點來劃分，10、5、0、-10、-20、-35、-50七個牌號重柴油適用于低速和中速柴油機：按照其50℃運動粘度劃分為10、20、30三個牌號（cm2/s）二、柴油的主要性能GB/T-19147-2003輕柴油質(zhì)量標準項目質(zhì)量指標試驗方法10號5號0號-10號-20號-35號-50號氧