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为了保证柴油在高速柴油发动机中能正常燃烧,对柴油的质量要求如下:
l.良好的燃烧性,十六烷值适宜,自燃点低,燃烧完全,发动机工作稳定性好,不发生爆震现象。
2.良好的蒸发性能,蒸发速度要适宜,轻馏分所占比例应大些,否则会使发动机油耗增大,磨损加剧,功率下降。
3.柴油的粘度应适宜,即具有良好的流动性,以保证高压油泵的润滑和喷油雾化的质量,形成良好的混合气。
4.含硫量小,以保证不腐蚀发动帆。含硫量较低是我国国产柴油的特点之一。
5.安定性好,在储存时生成胶质及燃烧后形成积炭的倾向都较小。
l.柴油的燃烧性能及其评价指标
(l)柴油机的工作粗暴与柴油的发火性 为使读者对柴油的发火性能有一个更为全面的理解,我们先介绍柴油在柴油机气缸内燃烧的情况。柴油机在压缩终了时,缸内温度可达500'C一600`C,压力达3~4MPa。这时柴油以高压呈细雾状喷入燃烧室内,由于燃烧室的温度巳超过柴油和自燃点,故从理论上而言,柴油--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,往往还有一定的时问间隔,这是因为在这一时问问隔内,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,我们将从喷油开始到柴油开始燃烧的时间问隔称之为着火延迟期。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。柴油机工作粗暴的后果与汽油机爆震一样,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。
另外需要指出的一点是柴油机的工作粗暴与汽油机的爆震在本质上是有很大区别的。汽油机的爆震是由于点火燃着的火焰前沿还没传播到的那部分混合气生成过氧化物,自行燃烧而致,一般发生在燃烧末期;而柴油机工作粗暴却是由于柴油的发火性差使得着火延迟期过长而致、一般发生在燃烧的初期。因此,各种影响汽油机爆震与柴油机工作粗暴的因素也完全不同。如汽油机若提高压缩比或增高气缸温度会促发爆震,而柴油帆若提高压缩比或增高气缸温度却能减轻其工作粗暴的倾向。汽油中的正构烷烃易使汽油机发生爆震,而对于柴油而言,所含的正构烷烃却能减轻柴油机工作粗暴。由此,我们可了解汽油机爆震与柴油机工作粗暴的根本区别。
可见,柴油的发火性,是评价柴油燃烧性能的一个重要指标。
(2)柴油的十六烷值 十六烷值是代表柴油在柴油发动帆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。供参比用的标准燃料是用两种发火性相差破为悬殊的烃作为基准物对比得出的数渣。一种烃是正十六烷,它在高温条件下可迅速形成过氧化物.着火延迟期最短,即自燃点低,发火性好,规定它的十六烷值为100。另一种烃是a-甲基茶,属于芳烃.它的着火延迟期长.自燃点高,友火性差.规定它的十六烷值为0,将此二种烃按不同的体积比例混合,就可以得到十六烷值从O一100供参比用的标准燃料。
柴油十六烷值可按GB/T38G一91的规定进行测定。主要的测试设备为一台可调压缩比(7-23)的供试验用的标准单缸柴油机。试验时调节柴油机压缩比,确定被试燃料的闪火时问。如果被试燃料和某一参比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,标准燃料中十六烷的体积百分比合量即为被测燃料的十六烷值。
除通过上述办法测定柴油的十六烷值外,还可以通过测取柴油的某些较易获得的物理参数,而后通过简单计算得出柴油的近,拟十六烷值。
①柴油指数 表示柴油在柴油机中发火性能的一个计算值。该值通过柴油的相对密度与苯胺点计算而得,且不因使用发火促进剂而改变其计算值。柴油的苯胺点是普通化验室都可测定的，它是按GB/T262一88的规定进行。方法概要:将规定体积的苯胺和试样置于试管(或U形管)中,并用机械搅拌使其混合。混合物以控制速度加热至两相完全混合。然后将混合物在控制速度下冷却当两相分离时,记录的温度即为苯胺点。可按下述经验公式计算柴袖指数:
柴油指数=(1.8T十32)X(141.5一131.5p)/100p
式中:T-柴油的苯胺点，C;
p一柴油在15.6'C时的密度,g/cm3。
根据计算的柴油指数,可按下列公式计算十六烷值在20一60之问的柴油十六烷值,即:
十六烷值=(2/3)X柴油指数十14
②十六烷指数 通过测定柴油的50X馏出温度和密度并利用经验公式,也可以直接计算出十六烷值来,所得的计算值称为十六烷指数,以便与实测的十六烷值相区别。计算公式如下：
十六烷指数=一418.51+（162.42）lgt50/p20
式中:t50---柴油试样50%馏出温度,'C;
p20---柴油试样20'C时的密度,g/cm3。
(3)十六烷值与柴油使用的关系
柴油机的额定转速越高,就要求柴油的发火性好,以确保在短时问内燃烧完全,对柴油十六烷值的要求就高。一般情况下,额定转速在1 000r/min以下的柴油机,可使用十六烷值为35一40的柴油;转速在1 000~1 500r/min的柴油机,可使用十六烷值为40-45的柴油;转速在1 500r/min以上的柴油机,可使用十六烷值为45一60的柴油。
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50后再继续提高,对着火延迟期的缩短作用不大。另外,十六烷值过肩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。因此,在选用柴油时不应单纯地追求高十六烷值,通常要求柴油的十六烷恒在40一60之间,基本上已能满足高速柴油机的工作要求。GB252一87规定轻柴油的十六烷值应不小于45。
(4)提高柴油十六烷值的方法 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。这种方法柴油产率低、凝点提高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50一60,甚至更高一些。但直馏柴油产量受限,故可在直馏柴油中调人 热裂化和催化裂化柴油馏分以增加产量。裂化柴油的十六烷值虽然只有30一40,但与直馏柴油调合后,可保证成品柴油的十六烷值达50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剂,添加剂应无毒、能很好地溶解于柴油中、没有爆炸的危险、性能稳定、无腐蚀性且成本低。能满足上述要求的添加剂主要有丙酮过氧化物、烷基硝酸酯、四氢蔡过氧化物等。加入量一般根据添加剂的不同控制在0.*25%~3儿之间,可提高十六烷值16一24个单位,加注过量时,对提高十六烷值作用并不明显。这种方法的优点是:无成品损失也不改变柴油的凝点。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。柴油本身的批学安定性好,添加剂加入后能在较长时间内发挥效用,否则,在柴油储存期问,其十六烷值就将降低。
2.柴油的蒸发性及其评价指标
在既定的燃烧室与喷油设备条件下,柴油的蒸发性决定了混合气形成的速度与质量,高速柴油机混合气形成时问极短,故对柴油的蒸发性有较高要求。柴油蒸发性主要是用馏程与闪点来评价的。
(l)馏程 测定柴油馏程的方法与测定汽油馏程的方法大致相同,所不同的只是柴油馏程的测定项目有50%、90%和95%馏
出温度。柴油的馏程是按GB/T6536一86(91)的规定进行。
50%馏出温度越低说明柴油中的轻质馏分含量多,柴油机易于起动。但柴油中轻质馏分含量过多,会使喷入气缸的柴油蒸发太快,易引起全部柴油迅速燃烧,造成压力剧增,使得柴油机工作粗暴。
90%与95%馏出温度越低,说明柴油中重质馏分含量低,这就使得柴油的燃烧更加充分,不仅可以提高柴油机的动力性,减少机械磨损.避兔发动机产生过热现象,而且还可使油耗降低。
由上可知,柴油的馏分过轻、过重都是不适宜的。GB252一87规定柴油的50灯馏出温度不高于300'C;90%馏出温度不高于355’C;95%馏出温度不高于365'C。当然,不同类型的柴油机对柴油馏分的要求也不同,预燃室式和涡流室式柴油机,可以允许使用馏分较宽、较重的柴油;而直喷式柴油机则只能使用馏分较窄、较轻的柴油。
(2)闪点 闪点是石油产品在一定试验条件下加热后,当油料蒸气与周围空气形成的混合气接近火焰时,开始发出闪火时的温度。根据测定仪器之不同,又分为开口闪点与闭口闪点两种。液体燃料多采用闭日闪点,在同样条件下闭日闪点要比开日闪点约低10C一20C。柴油的闪点是测其闭口闪点,测定时按GB/T261一83的规定进行。方法概要:试,样在连续搅拌的条件下用很慢的恒定速率加热,在规定的温度间隔,同时中断搅拌的情况下,将一小火焰引入杯内。试验火焰引起试样上的蒸气闪火时的最低温度作为闪点。
柴油的闪点既是控制柴油蒸发性的指标,也是确保柴油安全性的指标。闪点低的柴油,其蒸发性好,但柴油的闪点也不能过低。因为:其一,闪点过低,则柴油含轻质馏分过多,使得柴油蒸发性过强,会使得气缸内混合气燃烧过猛,气缸压力骤增而致柴油机工作粗暴。其二,柴油的闪点又是柴油储运及使用中的安全指标.对柴油闪点的要求随发动机的工作条件和油箱的位置而不同。汽车、工程机械等多在露天工作与加油,对闪点要求相对而言不是十分严格。而对于一些固定式柴油机八由箱多在室内,对闪点的要求就较严格,不可过低八以确保安全。柴油在使用前如需预热,其加热温度应低于其闪点10C一20C。
用馏程与闪点两个指标相互配合,主要是控制柴油轻重馏分适宜,以满足使用要求。GB252一87规定10号、O号、一10号及一20号柴油闪点不低于65‘C;一35号、一50号柴油闪点不低于45'C。
3.柴油的低温流动性及其评价指标
柴油的低温流动性,对于柴油能否可靠地喷入气缸有一定影响。如我国“三北”地区冬季气候严寒,若柴油流动性差，往往造成柴油不能可靠地供往气缸,严重时.甚至使车辆无法行驶。评定柴油低温流动性的指标主要有柴油的凝点、浊点与冷滤点。
(l)凝点 试样在规定温度下冷却至停止移动时的最高温度,以’C表示。柴油的凝点可按GB/T510一83(91)的规定进行测定.方法概要:将柴油试样装在规定的试管中,并冷却到预期的温度.将试管倾斜45。,经过lmin若液面不移动',记录下此时的冷却温度;这便是柴油的凝点。柴油的凝点直接影响着柴油在各种气候条件下的使用特性,我国轻柴油就是按其凝点的不同来划分牌号的。
（2)浊点 在规定的条件下,清晰的液体石油产品由于蜡晶体的串现而呈雾状或浑浊时的温度,以'C表示。柴油达到浊点后虽未失去流动性,但在燃料系中易造成油路堵塞使供油出现故障。
(3)冷滤点 在规定的条件下,20mL试样开始不能通过过滤器时的最高温度,以'C(按l'C的整数表示),称之为冷滤点。 随着柴油流动改进剂日益广泛地采用,凝点与浊点之间的距离拉大,也就是说柴油虽巳到达浊点,但仍能有效地通过柴油滤清攒的滤网,保证正常供油。只有冷到浊点下某一温度时,析出的石蜡足以堵塞滤网造成供油故障时,柴油机才不能正常工作。所以,近年来我国也引进了介于浊点与凝点之间的被称为冷滤点的新指标。冷滤点又称为冷过滤堵塞点,它是按SH/T0428一92的规定进行测定的,方法概要:在规定的条件冷却试样,并在2kPa压力下抽油,以l'C问隔降温,直至lmin内通过过滤器的试样不足20mL,时为止,此时的温度即为冷滤点。研究表明,柴油的冷滤点复j攀油实际使用的最低温度有良好的对应关系,可作为根据气温条件选择柴油的依据。由上可知,凝点与柴油的低温使用性能并无直接对应关系,而有直接对应关系的应是柴油的冷滤点。一般情况下,辈油的冷滤点要高于其凝点约4'C一6'C;而添加了降凝剂的
攀油其冷滤点则高于其凝点10'C一15'C,最高者可达30'C。
(4)改善柴油低温流动性的方法 为了降低柴油的凝点,改善眷低温流动性,可采用脱蜡方法,将柴油中的蜡分脱出来,还可以采朔掺兑裂化煤油的方法。再一种方法就是采用添加降凝剂的办法,常用的降凝剂有烷基蔡和乙烯醋酸乙烯酯共聚物等。前者用量为0.5%，约可降低凝点6'C一10'C;后者用量为0.05%一O.l%,约可降低凝点20'C一40'C(均指凝点O'C的柴油)。但降凝剂对于降低柴油凝点效果显著,而对于降低冷滤点的效果则不是很显著。
4.柴油的粘度及其对柴油机工作的影响
粘度是液体流动时内摩擦力的量度,粘度值随温度升高而降低。粘度又有动力粘度与运动粘度之分。动力粘度表示液体在一定剪切应力下流动时内摩擦力的量度,其值为所加于流动液体的剪切应力和剪切速率之比,在国际单位制(SI)中以Pa.s表示。运动粘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粘度与其密度之比,在国际单位中以m2/s表示。
柴油的粘度是表征柴油使用性能的重要指标,柴油粘度对柴油机工作的影响主要有:
(l)影响供油量 如柴油粘度过小,在供油系统中运行时,因内漏失量较多,使有效供油量减少;反之,粘度过大,则会使有效供油量超过标准,虽然提高了功率,但会造成燃烧不完全,排气冒黑烟及造成油耗上升。
(2)影响雾化质量 粘度过小的柴油,油束易扩散,细微度好,但其透穿距小,燃烧时,离喷油器较远的一部分空气便不能与柴袖有效混合,从而使得空气利用系数降低;粘度大的柴油/隋况正好相反。所以要求柴油粘度应适宜,以利于形成均匀的可燃混合气。(3)影响供油系精密偶件的润滑 柱塞偶件、针阀与针阀体等精密配合的运动偶件,主要靠柴油润滑,柴油粘度若过小,则会使上述偶件相对运动阻力增大,磨损加剧。
5.柴油的安定性及其评价指标
柴油的安定性是指柴油在储存、运输和使用过程中保持其外观颜色、组成和使用性能不变的能力。主要要求柴油有较好的热安定性与氧化安定性,以保证柴油机能正常工作。柴油安定性的评价指标主要有:实际胶质、10X蒸余物残炭、催速安定性沉渣、碘值及色度等。柴油安定性的好坏,主要决定于其化学组成。
(l)实际胶质 指柴油在规定的试验条件下,油中的烃类经热空气流蒸发、氧化、聚合和缩合所生成的深棕黄色或黑色残留物,以100mL试样中所含实阝示胶质的毫克数(mg/100mL)表示。和测定汽油中的实际胶质一样,按GB/T509一88规定进行,所不同的是柴油是在2500条件下进行测定(汽油是在150'C八使用实际胶.质大的柴油,会使燃烧室内易生成大量积炭、胶状沉积物等,附着于活塞顶与气门上,造成气门关闭不严。GB252一87对于柴油合搽品规定其实际胶质应不大于70mg/100mL。
(2)10%蒸余物残炭 在规定条件下,油品在裂解中所形成的残留物,以质量百分数来表示,称之为残炭。把测定柴油馏程中馏出90%以后的蒸余物作为试样,所测得钠残炭就称之为柴油的10筛蒸余物残炭。可按GB/T268一87的规定进行测定,方法概要,将已称重的试样放在坩埚内进行分解蒸馏。残余物经强烈加热~产定时问即进行裂化和焦化反应。在规定的加热时间结束后,将盛有炭质残余物的坩埚置于干燥器内冷却并称重,计算残炭值(以原然样的质量百分数表示)。柴油的轻质馏分含量越多,精制程度越深,则残炭值越小。残炭值大,柴油在燃烧室中生成积炭的倾向就大,喷油器孔也易结焦堵塞,影响柴油机的正常工作。GB252一87规定柴油10%蒸余物残炭优级品与一级品不大于0.3%;合格品中10号与O号柴油不大于0.4%;其余牌号不大于0.3%。
(3)催速安定性沉渣 指柴油在规定条件下所形成沉渣的数量,以mg/100mL表示。它主要用以评定柴油储存安定性。试验时.可按SH/T0238一92的规定进行,方法概要:将700mL试样注入试验烧瓶中,置入恒温油溶,在100'C条件下,经16h(50’‘C时为4周)加速储存后,用玻璃纤维纸过滤试样,测量其沉渣量及透光率,拟判定柴油储存安定性之优劣。GB252一87规定,一级品柴油的催速安定性沉渣不大于2mg/100mL。
(4)碘值 柴油炼制过程中,直馏柴油由于烯烃等不饱和烃含量少,所以安定性好,但直馏柴油产率低,需调入催化'裂化等二次棚工馏分进行调合。二次加工馏分中含有较多的烯烃等不饱和烃，使得柴油安定性变差,故柴油在调合后要测不饱和烃的含量。测定时按SH/T0234一92的规定进行,测出碘值,再根据计算得出试样中不饱和烃的含量。方法概要:以碘的乙醇溶液与试样产生作用盾用硫代硫酸钠溶液滴定剩余的碘,以1009试样所能吸收碘的克数表示碘值。再根据碘值和平均分子量计算出试样中不饱和烃含有量。GB252-87中规定优级品柴油碘值应不大于6gI(碘)/100g,以此来控制柴油不饱和烃的含量。
(5)颜色 柴油颜色的深浅可直观地反映其馏分的轻重,颜色深浅可用色号来表示。颜色可按GB/T6540一86(91)的规定进行测定,方法概要:将试样注入试样容器中,用一个标准光源照射,将试样的颜色与标准比色板(颜色玻璃圆片)进行比较八以相等的色号作为该试样的色号,颜色由浅入深,标准色板从0.5一0.8共16个值(每0.5为一级八如果试样颜色找不到确切匹配的颜色而落在两个标准颜色之间,则报告两个颜色中较高的一个颜色。GB252一87规定柴油的色号(优级品、一级品)不深于3.50。控制柴油的色号,主要是控制柴油重质馏分,控制其残炭与沉渣,从而使得柴油的热安定性满足要求。
6.柴油的防腐性及其评价指标
柴油的防腐性可用硫含量、硫醇硫含量、水分、酸度、铜片腐蚀、水溶性酸或碱等指标来评定。
(l)硫与硫醇硫含量 柴油中的含硫及硫的衍生物情况与汽油中相同,在柴油机气缸中燃烧后生成硫的氧化物。将对柴油机组件产生腐蚀,而且还会对气缸壁上的润滑油和尚未燃烧的柴油起催化作用J目速烃类的聚合反应,使燃烧室、活塞顶和排气门等部位的胶状物与积炭增加。在有硫存在的条件积炭层会更加坚硬,不仅加剧机件磨损而且清除困难。当气态硫的氧化物由气缸窜入曲轴箱时,遇水分将生成亚硫酸与硫酸,会强烈腐蚀机件,同时也会加速润滑油老化变质。所以,对于柴油中的硫与硫醇硫含量应严格限制。硫含量可依据G13,/T380一77(88)进行测定,方法与汽油中测硫含量相同。对于硫醇硫可依据GB/T1792一88规定进行。GB252一-87规定.优级品柴油硫含量不大于0.2儿;一级品柴油硫含量不大于0.5%;合格品硫含量不大于l.O%。优级品与一级品柴油的硫醇硫含量不大于O.Ol%。
(2)柴油的酸度、水分、铜片腐蚀及水溶性酸碱等 柴油的防腐性指际,其意义及试验方法与汽油的大致相同。所不同的是柴油机有供油系统,柴油防腐性的各项指标将对喷油泵的工作产生影响。
7.柴油的清洁性
柴油的清洁性可用灰分、水分和机械杂质等项指标进行评定。
(l)灰分 在规定条件下,油品被炭化后的残留物经锻烧所得的无机物,以质量百分数来表示。灰分是油中不能燃烧的粒状矿物_质,非常坚硬,是磨料磨损中的磨料,且对金属有侵蚀作用,是造成 气,缸壁与活塞环磨损的重要原因。柴油的灰分测定按GB/T508_85(91)的规定执行。GB252一87中规定,优级品与一级品柴油,其灰分不大于O.Ol%;合格品灰分不大于0.02%。
(2)水分 柴油中存在的水分,将降低柴油燃烧时的发热量在冬季还易于堵塞油路,溶解可溶性盐类,使柴油灰分增大,并增加硫化物对金属零件的腐蚀作用。所以,GB252一87对柴油中水分作出严格规定。柴油中水分的测定按GB252一87注①或GB/T26O一77(88)执行。
(3)机械杂质 柴油机的燃料供给系中有许多精密配合的偶件，如柴油中存有机械杂质,除可能造成油路堵塞外,还可能加剧上述精密零件的磨损。严重时,甚至造成供油系统故障。因此，GB252-87中规定柴油中不允许机械杂质的存在。柴油中机械杂质的测定按GB252一87注①或GB/T511一88的规定执行。
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