石油基柴油发动机燃料

本世纪初，当柴油机还在它的幼年期，适用于发动机的 燃料，对工程师们说来是最有生命力的课题。1912年狄塞尔 (Diesel) 写道〔1〕: “早在1899年，在我的试验发动机上， 我就使用过煤炭蒸馏和炼焦厂的副产品，如焦油和杂酚 油… 。它也可以方便地燃用植物油和动物油。1900年首次 试车，使用的是花生油…。可以肯定，即使当天然储存的 固体和液体燃料都被用尽时，作为农用的发动机动力，仍可 以从取之不尽的太阳热能产生”。这是七十年前卓有远见的 评述! 到第二次世界大战末期，柴油机多种燃料的性能，继续 受到极大的关注。但在此后的25年，由于全世界可得到相对 廉价的，技术适中的石油基燃料，柴油机便成为只依靠石油 的原动机。的确，过去七年，涉及柴油机燃料的文章很罕 见。但今天，如果出版的新书中不包括对燃料的讨论，则将 被认为是严重的不足。机械工程师们重新发现，燃料已成为 发动机设计和开发中应认真考虑的变量。由于燃料专家彼彼 皆是，文章激增，因此要对此问题提供真实的原始资料是困 难的。故本章只试图对高速柴油机的燃料前景作一个适当的 述评。 这型不打算增加过多的篇幅去讨论1973年能源危机以来 出现的各种矿物燃料使用的比率，和估计其耗尽的时间趋 势，本章仅作普遍认可的评述。

(a) 到20世纪90年代，石油基燃料将变得不足和昂贵，同 时，技术上也难以适应。

(b) 在本世纪末以前，从煤炭中派生出来的液体燃料将 在工业领域内使用。

(c) 在本世纪末以前，在某些国家，植物油将为能源供 应作出重大贡献。 在1912年狄塞尔的著述〔1〕中可以看出并已证实上述趋 向。 

2.2 实际热效率 当考虑任何一种原动机燃用任何一种燃料的热经济性 时，仅研究发动机本身的热经济性(如历代工程师们所讲授 的“输出的有效能量除以输人的燃料能量”)是已经很不够 了。对发动机燃料生产时所用能量也必须计人。换句话说， 有效效率，就目前所知，应为在变换燃料供应状态下，由天 然能源转换为有效功率的总效率〔2〕。

7。=ηw 。 ·e 

其中： —-转换的总效率； 

nw— 开采和运输天然燃料(如原油)的效率； 

17c-—天然燃料转化为商品燃料的效率； 

η。——原动机的效率。 

油料公司认为 n 是“从油井到飞轮”的效率，就煤炭 来说是“从矿井到动力”或“从采掘到运转”的效率。 

就石油和煤炭说， ηw一般是相当高的(如95%)可以不必讨论；而植物油生产时它是很低的；η。可能很低— 特别是从煤炭生产液体燃料，因此对η。有很大的影响；n。 是人人皆知的概念，就热机说，受限于卡诺极限(Carnot′s Limitation), 本章将不予讨论，而主要集中于η。不过必须 牢记的是：在燃料与发动机不同步发展的现行政策指导下， 能源利用的总效率 (no) 要达到最优化是不太可能的。燃料 和发动机只有结合起来进行研究233,才可能得到真正的利 益。在本章以后各节中将展开叙述。

2.3 石油基柴油机燃料

可以着到，过去35年空运和陆运两方面对蒸馏燃料的需 要量，差不多一直是持续不断的上升趋势。因为基本油料精 炼过程(蒸馏)的同时还产生重质的残余成分。它是用于工 业的燃油。对于此种重油产品，如果不相应增加需要量，将 引起严重问题。在欧洲、油料工业在许多传统市场(如锅 炉，熔炉，窑的燃料)用重油来代替煤炭是成功的，并藉以 保持它对油料各种产品需要量之间的平衡。而在美国，强大 的煤炭工业对油料工业的渗入提出了强烈的反对。因此，油 料工业来取了不同的战略。由于炼油厂引进了新的生产方 法，因此减少了工业燃料的产量。重的残余物质被裂化，产 出另外的蒸馏型产品(图2-1),(在裂化过程中利用加人催 化剂产生热效应，使大分子分裂成易挥发的小分子。) 

一般劣质成分用于柴油，而优质成分裂化的产物合成为 汽油。 

为此，欧洲与北美馏化柴油质量之间，已经出现了明显 的差异。此处生产主要以蒸馏为基础。‘直馏”柴油有很好而稳定的燃烧性能，十六烷值(着火性)通常为50～52。在北 美，在柴油中利用其裂化成分比例的变化，可产生更多的不 同产品(见图2-2)。通过对原油供应的选择，可使十六烷 值的平均水平保持在一个满意的等级。但由于国际形势使这 种情况变得更加困难。显然，逐年来十六烷值有下降的趋势(见图2-3)。

近年来，在欧洲已经作出一定的努力去改变工业的工艺 程序(特别是在发电方面),返回到烧煤，以减少对油料储 备的需要，而这些油料贮量，仅仅是煤炭贮量的极少部分。 此种趋势将打乱欧洲炼油厂的生产格局和对其产品需要之间 的平衡。为改变此种不平衡，欧洲必须转向美国的精炼方 法，结合裂化装置以减少重质残余成分的产品比例。这也暗 示欧洲柴油普遍的质量将下降。油料公司急切希望放宽规格 限制，在生产中让他们有更大的灵活性。

柴油质量不仅受裂化产品掺入比例的影响，也受到航空 煤油需要量不断增长的影响，它们迫使柴油产量进一步下 降，一般说来，可以预料今后十年欧洲柴油质量将出现下列 趋势：

(a) 密度增加；

(b) 粘度增高；

(c) 十六烷值降低；

(d) 挥发性降低；

(e) 残炭增加；

(f) 低温流动性降低。 由于这类燃料在北美已使用了三十年之久，因此美国的 技术文献已详细地涉及过这些内容，而在欧洲，只是现在才 受到较多的重视〔4〕。

虽然上述趋势尚在理论研究之中，但其实际意义在于它 们影响到发动机性能的各个方面，诸如比油耗、完好率和维 修性，按法规要求的适应性等等。此状况受到不庸置疑的事 实所于扰，即柴油机(即使功率和速度在限定的范围以内) 不可能随燃料品质的改变而作出等效的响应。

石油公司经常苦于这一事实的压力，不得不对其产品采 取行动，强施严格的质量限定值。虽然这些论证可以从技术 和经济分析上获得证实，但仍然是引起发动机制造者和使用 者不满的原因。因为在生产和保持发动机废气和噪音的排放 方面，他们是被要求达到法定标准的当事者。我们知道，目 前商用燃料品质的变化，对行驶在公路上的发动机能否遵照 这些标谁、无疑是会产生影响的，因此这些标准往往带有人 为性。

讨论上述列举的燃料质量发展趋向对发动机性能的影响 是有益的(5),因此在这里对这一专题作一简明的概述。 

燃油的密度增加对发动机的使用者有利，因为多数柴油 燃料是按容积出售的，因此密度增加意味着在同样费用支 出，买进燃料的量增加。遗憾的是，由于密度增加，则以质 量计算的燃料含能量下降。另外，浓的燃料往往导致“缓 燃”,这就改变了发动机的热量析出，这两种因素的综合结果是：燃用较浓燃料，以容积计的油料消耗的好转情况，仅 为可能预料的50%左右。

增加燃料的密度，意味着输入到发动机气缸内的能量增 加，但会出现上述的缓慢燃烧。这两种因素产生的结果是： 排气烟度和排放出的一氧化碳及碳氢化合物会增加。 

按定义说，降低燃料的十六烷值必然导致增长点火延迟 期，这就会增加最大气缸压力，也会使 NOx、HC和CO的排 出量增加。然而这种倾向的大小在不同发动机之间有很显著 的差别，有些发动机在很大幅度内差不多对此是不敏感的。 这种倾向使人们对现行确定的十六烷值试验的正确性产生怀 疑，这一点还将在本章第六节中讨论。

燃料挥发性减少和残炭增加都使烟度上升，这迫使未来 发动机速率更趋于保守。欧洲的发动机制造者曾经嘲笑美国 的保守速率，但当他们也被要求使用过去30年北美使用的相 似燃料时，他们的车用柴油发动机不久也不得不采用相同的 速率。残炭指标对柴油机气缸内的燃烧情况关系不大，如第 六节所述。

以上仅是有关课题的一些评论，但必须给读者以足够的 预告，未来柴油机燃料的质量是发动机制造者和使用者都应 谨慎对待的问题。