第3章车用轻柴油

第3章车用轻柴油教学提示：汽车高速柴油机使用的燃料是轻柴油。柴油的主要性能指标有低温流动性、雾化和蒸发性、燃烧性和安定性等。我国将轻柴油按照凝点高低分为10号、5号、0号、-10号、-20号、-35号和-50号7种牌号。教学要求：本章主要介绍车用轻柴油的低温流动性、雾化和蒸发性、燃烧性和安定性等使用性能指标。重点内容是车用轻柴油的使用性能指标。要求学生了解车用轻柴油牌号类别，熟悉车用轻柴油的使用性能指标，掌握车用轻柴油的选择和使用方法。3.1车用轻柴油概述3.1.1柴油的组成与应用柴油和汽油一样，是从石油中提炼出来的，也是由碳、氢元素组成的烃类化合物。在石油蒸馏过程中，温度在200～350℃之间的馏分即为柴油。柴油可分为轻柴油、重柴油等品种。轻柴油用于高速柴油机，重柴油用于中、低速柴油机。汽车用柴油机属高速柴油机，所用柴油为轻柴油。轻柴油与汽油相比，具有馏分重，自燃点低（为200～300℃），黏度大，相对密度大，蒸发性差，贮存和运输过程中损耗少，使用安全等特点。而且柴油发动机与汽油发动机相比较，具有耗油量低，能量利用率高，废气排放量小，工作可靠性好，功率使用范围宽等优点。所以，随着柴油发动机技术的不断提高，柴油车的应用将会越来越广泛。在中、重型汽车动力领域，柴油机保持了其领先地位；在轻型车动力领域，柴油机的应用范围也在不断扩大。3.1.2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，等等。3.2轻柴油的低温流动性3.2.1轻柴油的低温流动性对发动机的影响轻柴油的低温流动性是指在低温条件下轻柴油具有一定的流动状态的性能。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。如果柴油的低温性不好，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。所以，为能按发动机工况需求可靠地供给燃油，要求轻柴油应具有良好的低温流动性。3.2.2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.凝点轻柴油在一定的试验条件下，冷却到液面不移动时的最高温度，称为轻柴油的凝点。我国柴油的牌号即按凝点划分。轻柴油的凝点与其烃类组成有关。饱和烃的凝点比不饱和烃的凝点高；饱和烃中，正构烷烃的凝点比异构烷烃的凝点高；对正构烷烃，其凝点又随碳链长度的增加而升高。轻柴油凝点的测定按照GB/T510－1983《石油产品凝点测定法》的规定进行。测试仪器为凝点测定仪，如图3.1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-冷却器图3.1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。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.浊点轻柴油中开始出现浑浊的最高温度称为浊点。柴油出现浑浊是由于随着温度的降低油中开始析出石蜡晶体所致。含蜡愈多的柴油，其浊点也愈高。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。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。轻柴油浊点的测定按照GB/T6986－1986《石油产品浊点测定法》的规定进行。测试仪器为浊点测定仪，如图3.2所示。图3.2浊点测定仪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3.冷滤点轻柴油在规定的条件下冷却，以2kPa的真空压力进行抽吸，其不能以20mL／min的流量通过一定规格过滤器（363目/in2）的最高温度，称为轻柴油的冷滤点。目前，国内外评价柴油低温流动性时，广泛采用冷滤点。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。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，如图3.3所示。图3.3冷滤点测定仪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3.3轻柴油的雾化和蒸发性3.3.1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。在既定燃烧室和喷油设备的前提下，柴油的雾化和蒸发性就决定了可燃混合气形成的品质和速度。3.3.2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馏程、运动黏度、密度和闪点。1.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％回收温度、90％回收温度和95％回收温度三个温度点。50％回收温度，表示柴油中轻质馏分的含量。50％回收温度高低对发动机启动性能的影响如表3-1所示。50%回收温度低，说明油中轻质馏分多，蒸发性好，易形成均匀的混合气，柴油机易启动。表3-1柴油50%回收温度与发动机启动性能的关系柴油50%回收温度/℃200225250275285发动机的启动时间/s810276090但该温度也不宜过低，过低会因轻质馏分太多而使发动机产生工作粗暴现象。国家标准规定轻柴油50％回收温度不高于300℃。90％回收温度和95％回收温度，表示柴油中重质馏分的含量。90%回收温度和95％回收温度高，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％回收温度不高于355℃，95％回收温度不高于365℃。2.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。油品的黏度也会随温度的变化而变化，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。黏度有动力黏度、运动黏度、条件黏度之分。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，在国际单位制中以m2/s为单位。对汽车油品来说，通常采用mm2／s单位，1mm2/s＝10-6m2／s。轻柴油规格中规定测定20℃的运动黏度。运动黏度影响着柴油的流动性和雾化质量。柴油的运动黏度不可太太，也不可太小。柴油运动黏度的测定按照GB／T265－1988《石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算法》的规定进行。测定仪器如图3.4所示，包括毛细管黏度计、恒温器、温度计和秒表等。图3.4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3.密度柴油的密度过大，将使雾化质量变差，混合气燃烧条件恶化，排气冒黑烟，发动机经济性下降。柴油密度的测定按照GB／T1884－2000《原油和液体石油产品密度测定法（密度计法）》的规定进行。测试仪器为石油密度计，如图3.5所示。图3.5石油密度计及其观测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4.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。根据测定仪器的不同，闪点有开口闪点和闭口闪点两种。用开口杯闪点测定器测得的闪点为开口闪点，用闭口杯闪点测定器测得的闪点为闭口闪点。开口杯闪点测定器如图3.6所示，闭口杯闪点测定器如图3.7所示。一般重质油品采用开口闪点，轻质油品采用闭口闪点。图3.6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-温度计夹轻柴油闭口闪点的测定按照GB／T261－1983《石油产品闪点测定法（闭口杯法）》的规定进行，如图3.7所示。图3.7闭口杯闪点测定器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3.4轻柴油的燃烧性3.4.1轻柴油的燃烧性对发动机的影响轻柴油的燃烧性是指柴油在柴油机中是否容易着火，并防止柴油机发生工作粗暴现象的能力。柴油机对柴油的要求是具有较好的燃烧性能。若柴油燃烧性能较差，其着火延迟期会变长，则此期间内喷入气缸的柴油积存量过多，以致造成速燃阶段有过量的柴油同时燃烧，使气缸压力急剧升高，造成发动机运转不平稳，并产生强烈的震击声。这种不正常燃烧现象，称为柴油机工作粗暴。柴油机工作粗暴的后果会使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，加速零件的磨损和损坏，并使发动机功率下降、油耗增加。对于燃烧性过好的柴油，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，气缸产生的爆发压力下降，柴油机的输出功率下降。此外，由于燃料燃烧不完全，还会出现排气冒黑烟，燃料消耗增大。同时，燃烧性过好的柴油，一般凝点过高，馏分较重，也不利于使用。综上所述，轻柴油应具有较好的燃烧性能，但不可过好。3.4.2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和十六烷指数。1.十六烷值十六烷值是表示压燃式发动机燃料燃烧性的一个约定数值。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。要想知道某一柴油的十六烷值，可以拿它和标准燃料在标准发动机上进行试验比较。如果该柴油的燃烧性能恰好与十六烷值为X的标准燃料相同，则该柴油的十六烷值即为X。十六烷值只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。2.十六烷值的测定十六烷值的测定按照GB／T386－1991《柴油着火性质测定法（十六烷法）》的规定进行。图3.8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。图3.8柴油十六烷值测定机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间，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。3.十六烷指数十六烷指数