第三篇 柴油 油料学与炼制工艺

第二节柴油第一节柴油

一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求二、柴油的主要性能

柴油机又称压燃式发动机，以柴油为燃料，燃料的汽化和空气的混合在气缸内进行，燃料的燃烧靠燃料的自燃点火，压缩比高达16~20，因而热功效率比汽油机高，耗油量小，运转成本低。柴油机一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求1.柴油的分类轻柴油：用于1000r/min以上的高速柴油机重柴油：用于1000r/min以下的低速柴油机类别种类名称使用范围柴油机燃料高速柴油机燃料轻柴油军用柴油各种柴油机汽车及牵引机、坦克柴油发动机、舰艇柴油发动机中速柴油机燃料重柴油中速柴油机低速柴油机燃料船用燃料大功率低速柴油机一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求2、柴油机的原理构造图

1-油箱;2-粗过滤器;3-输油泵;4-细过滤器;5-高压油泵;6-喷油嘴；7-空气滤清器;8-进气管;9-气缸;10-活塞;11-进气阀;12-排气阀;13-排气管;14-消声器;15-连杆;16-曲轴;17-曲轴箱

进气过程

压缩过程做功过程

排气过程3、柴油机的工作循环和汽油机是一样的，都包括进气、压缩、膨胀做功、排气四个过程。

一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求进气冲程活塞下行，进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，把新鲜空气吸入气缸内，活塞达到最低位置时，进气门关闭。进气门关闭，排气门关闭，活塞向上运动，压缩气缸内空气，使其体积减小，温度升高。压缩终了温度500～700℃，压力3.5~4.5MPa。压缩冲程进气门关闭，排气门关闭，当活塞运动到气缸顶部时，喷油嘴打开，把柴油喷入气缸内。由于气缸内温度、压力很高，达到柴油自然点，柴油迅速汽化、与空气混合、自然着火燃烧，柴油燃烧的高温高压气体推动活塞向下运动，对外做功，内能转化为机械能。

做功冲程进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把气缸内的废气排出。排气冲程一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求4、柴油机内燃料的燃烧过程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。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的位置(用曲轴的转角来表示)的关系如图。一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求4、柴油机内燃料的燃烧过程1-滞燃期

2-急燃期3-缓燃期DE-后燃期一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求4、柴油机内燃料的燃烧过程(1)滞燃期(发火延迟期)滞燃期是指从喷油开始(A点)到混合气开始着火(B点)之间的一段时间。这个时期极短，只有1～3ms。物理延迟：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过程，所以，这段时间又称为物理延迟。化学延迟：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。一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求4、柴油机内燃料的燃烧过程滞燃期虽然很短促，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，甚至出现爆震现象。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。一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求4、柴油机内燃料的燃烧过程1-滞燃期2-急燃期

3-缓燃期DE-后燃期一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求(2)急燃期这是指发动机中柴油开始燃烧(B点)直至气缸中压力不再急剧升高为止(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，着火前喷入的柴油积累过多，一旦燃烧起来则温度、压力就会上升过快。而气缸内的压力上升速率过快，发动机工作就会出现爆震现象，严重时会发出金属敲击声，导致机件磨损的加剧甚至损坏。4、柴油机内燃料的燃烧过程一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求4、柴油机内燃料的燃烧过程1-滞燃期2-急燃期3-缓燃期

DE-后燃期一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求(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(约占50%—60%)是在这时期内烧掉的。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，相当于图中CD段。缓燃期的特点：气缸内压力变化不大，在后期还稍有降低，Pmax=5～12MPa温度持续升高到最高值后开始下降，而且温度的最高值一般在压力达到最高值之后出现，Tmax=2000℃。4、柴油机内燃料的燃烧过程一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求4、柴油机内燃料的燃烧过程1-滞燃期2-急燃期3-缓燃期DE-后燃期一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求4、柴油机内燃料的燃烧过程(4)后燃期后燃期是燃烧的最后阶段，指从压力迅速下降到燃烧结束为止，约相当于图中的DE段。在后燃期中，喷油虽已停止，气缸中尚未燃完的燃料仍继续燃烧。但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，后燃期中释出的热量不宜超过燃料释放出的全部热量的20%。一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求4、柴油机内燃料的燃烧过程柴油在柴油机中的燃烧与汽油在汽油机中的燃烧不同主要体现在：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，导致爆震，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。一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求混合气形成方式不同，汽油和空气在气缸外混合，进入气缸的是可燃混合气。柴油机进气行程进入汽缸的是新鲜空气，柴油是在做功行程开始阶段喷入汽缸，与空气混合。着火方式不同：汽油机用电火花点燃混合气（常称为点燃式发动机)，而柴油机是用高压将柴油喷入汽缸内，靠高温气体加热，自行着火燃烧(常称为压燃式发动机）。所以汽油机有点火系，而柴油机无点火系。发生敲缸的时间不一样，汽油的爆震燃烧是在火焰传播过程中，即在燃烧的后期，而柴油的粗暴燃烧发生在燃烧的初期（即急燃期）。5、汽油机和柴油机的区别项目柴油机汽油机压缩比16～208～10压缩终了温度,℃500～700300～450压缩终了压力,MPa3～50.7～1.5供油方式高压油泵直喷汽化器启燃方式自燃电火花点燃进入气缸的气体空气油气混合气压缩的气体空气油气混合气燃烧气体的最高温度,℃1500～20002000～2500燃烧气体的最高压力,MPa5～123～4相同功率下的相对油耗,%70～80100柴油机与汽油机工作过程的比较一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求凝点和浊点低、粘度适中--雾化性能好，可靠燃料供给蒸发性能、燃烧性能好--馏分组成和十六烷值良好的热安定性和储存安定性--积炭堵塞滤器和喷油嘴不腐蚀发动机零件不含机械杂质和水分一、柴油机工作原理以及对柴油的使用要求6、柴油机对柴油的使用要求二、柴油的主要性能（一）柴油的流动性良好的流动性有利于柴油的储存、运输和使用。柴油的低温流动性与其化学组成有关。正构烷烃的含量越高，则低温流动性越差。1.评定柴油低温流动性的指标凝点:是将盛有油品的试管在一定条件下冷却到某一温度时，将试管倾斜45º，并经过1min后液面不再流动的最高温度，用℃表示。凝点并不能确切表明柴油实际使用的最低温度。倾点：是指在试验规定的条件下冷却时，油品能够流动的最低温度，又称流动极限，用℃表示。冷滤点：指在试验规定的条件下，柴油式样在60s内开始不能通过过滤器20mL时的最高温度，用℃表示。其中冷滤点更能反映车用柴油的低温使用性能。二、柴油的主要性能2.凝点、倾点和冷滤点的影响因素与柴油的烃类组成有关。正构烷烃的含量越多，三者就越高，低温流动性越差与表面活性剂有关，加入后，使凝点、倾点下降，低温流动性变好与含水量有关，若含水量超标，则三者会会明显提高，低温流动性越差二、柴油的主要性能柴油的粘度与柴油机中供油量的大小以及雾化的好坏有密切的关系二、柴油的主要性能粘度过小：易从高压油泵的柱塞与泵筒之间的间隙回漏，导致供油不足，功率下降。柴油雾化后的液滴直径太小，喷出的油流射程太短，与空气混合不均，导致燃烧不完全。

（二）柴油的雾化性能1．柴油的雾化性能评定指标-粘度二、柴油的主要性能粘度过大：泵送困难，导致供油不足。雾化后油滴直径过大，喷出的油流射程太长，使油滴的有效蒸发面积减小，蒸发速度减慢，导致混合不均匀、燃烧不完全、耗油量增加。（二）柴油的雾化性能1．柴油的雾化性能评定指标-粘度二、柴油的主要性能所以规定了允许的粘度范围，轻柴油的粘度ν20为3.0~8.0mm2/s。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。（二）柴油的雾化性能

2．柴油的雾化性能对柴油机工作的影响（三）柴油的蒸发性能

1．柴油的蒸发性对柴油机工作的影响二、柴油的主要性能柴油机正常工作和启动的前提条件：柴油先气化，气化后的柴油蒸气与空气形成均匀的可燃混合气。柴油机内可燃混合气形成的速度由柴油的蒸发速度决定，而柴油的蒸发速度又由燃烧室内空气的温度和压力的高低与柴油馏分的轻重两个因素来决定。（三）柴油的蒸发性能

1．柴油的蒸发性对柴油机工作的影响二、柴油的主要性能压缩比越大，压缩终了时，压缩空气的温度与压力越高，则喷入的柴油蒸发速度越快，与空气形成可燃混合气的速度也越快柴油馏分过轻，蒸发速度太快，在极短的时间内形成大量的可燃混合气发火燃烧，而使气缸内的压力急剧上升，导致柴油机工作不稳定。柴油馏分过重，蒸发速度太慢，来不及在极短的时间内形成混合气，而使燃烧不完全。（三）柴油的蒸发性能

1．柴油的蒸发性对柴油机工作的影响二、柴油的主要性能柴油机使用的柴油馏分不宜过重，也不宜过轻，必须保证发动机在低温下容易起动，耗油量少，燃烧良好，同时又不能引起工作粗暴。我国轻柴油的馏程控制在200～380℃。馏程为300℃馏出量不小于50%，350℃馏出量不小于90%~95%。（三）柴油的蒸发性能

2.评定柴油蒸发性能的指标-馏程、闭口闪点馏分组成影响柴油的雾化和蒸发，也影响柴油的燃烧性和起动性，燃烧的好坏直接影响着积炭、冒黑烟和耗油率（1）50%馏出温度50%馏出温度越低，说明柴油中的轻馏分越多，使柴油机易于起动。我国国家标准规定轻柴油的50%馏出温度≤300℃。二、柴油的主要性能50%馏出温度200225250275285启动时间/s810276090柴油50%馏出温度与起动时间关系（三）柴油的蒸发性能2.评定柴油蒸发性能的指标-馏程、闭口闪点二、柴油的主要性能300℃馏出量/%393420单位耗油量/g100114131柴油300℃馏出量与耗油率柴油中<300℃的馏分含量越高，柴油机的油耗越低。（三）柴油的蒸发性能2.评定柴油蒸发性能的指标-馏程、闭口闪点二、柴油的主要性能（2）90%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

90%馏出温度≤355℃95%馏出温度≤365℃柴油的闪点太低，其蒸发性太强，不安全。

为了控制柴油的蒸发性不致太强，在标准中规定了柴油的闪点，我国轻柴油闭口闪点不得低于45℃，它是保证柴油安全性的质量指标。二、柴油的主要性能（三）柴油的蒸发性能2.评定柴油蒸发性能的指标-馏程、闭口闪点（四）柴油的抗爆性1.柴油抗爆性表示方法（1）柴油的抗爆性，指柴油在发动机汽缸内燃烧时抵抗爆震的能力，换言之，就是柴油燃烧的平稳性。（2）柴油抗爆性（着火性质）通常用十六烷值（CI）来表示。一般其值越高，抗爆性越好，燃烧均匀，不容易发生爆震现象，发动机热功率提高，使用寿命延长。十六烷值过高的柴油，会形成黑烟，燃料消耗增加十六烷值太高，还会减少燃料的来源因此，必须从使用性和经济性两方面考虑，使用十六烷值适当的柴油才合理。二、柴油的主要性能2.十六烷值的测定方法与汽油辛烷值测定相似，它是在规定操作条件的标准发动机试验中，将柴油试样与标准燃料进行比较测定的，当两者具有相同的着火滞燃期时，标准燃料的正十六烷值即为试样的十六烷值标准燃料是用抗爆性好的正十六烷和抗爆性差的α-甲基萘按照不同体积比配制成的混合物规定正十六烷的十六烷值为100规定α-甲基萘为0二、柴油的主要性能3.十六烷值的计算（1）十六烷值=0.85×P+0.1×N-0.2×AP：烷烃含量；N:环烷烃含量；A:芳烃含量（2）十六烷值=442.8-462.9d4204.柴油指数：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数的关系6.十六烷值与化学组成的关系（1）正构烷烃的十六烷值最高，随碳链的增长而增加；异构烷烃的比正构烷烃低，链分支越多，十六烷值越小（2）烯烃的十六烷值＜烷烃，支链的影响与烷烃相似（3）环烷烃的十六烷值＜烯烃和烷烃，有侧链的＜无侧链的（4）芳香烃的最低，尤其是稠环芳烃随侧链长度增加而增加，随侧链分支增多而减小，随环数的增多而减小二、柴油的主要性能柴油中含烷烃和环烷烃较多、芳烃含量较少时，其十六烷值较高，自燃点低；芳烃含量较高，烷烃含量较低时，其十六烷值就较低，自燃点高。二、柴油的主要性能6.十六烷值与化学组成的关系7.十六烷值与自燃点的关系二、柴油的主要性能各种烃类十六烷值的不同，主要是反映其自燃性质的差别。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为了保证柴油具有良好的自燃性，高速柴油机所用的柴油十六烷值在45～50之间为宜。8.提高十六烷值的方法添加十六烷值改进剂，例如：硝酸酯型十六烷改进剂（RONO2)调合深加工二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蚀性和洁净度1.柴油的安定性（1）储存安定性：柴油在储存、运输和使用过程中保持其外观、组成和使用性能不变的能力（2）氧化安定性：反映在发动机在高温和有溶解氧的作用下发生氧化变质的倾向（3）影响柴油安定性的主要因素不安定组分：不饱和烃、含硫、含氮化合物等微量金属：铜、铁、铅等二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蚀性和洁净度1.柴油的安定性（4）评定指标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。总不溶物：表示柴油热氧化安定性的指标。我国轻柴油一等品的质量标准中规定总不溶物不能大于2.0mg/100mL。10%蒸余物残碳：反映柴油在使用中在气缸中形成积炭的倾向，残值大，说明柴油容易形成积炭。我国轻柴油一等品的质量标准中规定10%蒸余物残炭不大于0.3%。二、柴油的主要性能烷烃、环烷烃及单环芳烃的安定性较好。不饱和烃、环烷芳香混合烃及非烃类是引起柴油储存安定性差的主要原因。多环芳烃及非烃类是引起柴油热安定性不良的主要原因。（五）柴油的安定性、腐蚀性和洁净度1.柴油的安定性（5）柴油安定性与其化学组成的关系二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蚀性和洁净度1.柴油的安定性（6）提高安定性的方法柴油精制：例如用碱液碱洗，除去不安定的烃类和其他杂质加入添加剂：抗氧剂、金属钝化剂等二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蚀性和洁净度2.柴油的腐蚀性主要指标：硫含量、酸度、水分、铜片腐蚀等硫含量：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对金属有直接的腐蚀作用酸度反映柴油中含酸物质对发动机的影响为了保护环境及避免发动机腐蚀，轻柴油的质量标准中规定了优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，对优等品和一等品还规定了硫醇硫的含量不大于0.01%。从发展来看，随着对环境保护的要求日益严格，柴油的含硫量指标将会进一步减小。二、柴油的主要性能（五）柴油的安定性、腐蚀性和洁净度3.柴油的洁净度影响柴油洁净度的主要因素是水分和机械杂质。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入。含有较多的水分，在燃烧时将降低柴油的发热值，在低温下会结冰，堵塞燃料供给系统。含机械杂质，堵塞油路，加剧零件的磨损。因此，在轻柴油的质量标准中规定水分含量不大于痕量，并不允许有机械杂质。二、柴油的主要性能（六）柴油产品的品种和牌号我国的柴油分为轻柴油和重柴油轻柴油适用于高速柴油机：按照凝点来划分，10、5、0、-10、-20、-35、-50七个牌号重柴油适用于低速和中速柴油机：按照其50℃运动粘度划分为10、20、30三个牌号（cm2/s）二、柴油的主要性能GB/T-19147-2003轻柴油质量标准项目质量指标试验方法10号5号0号-10号-20号-35号-50号氧