中高速船用柴油机燃用重油的应用

0 # 柴油属于轻质燃料,是石油的直馏产品, 主要是从原油中以常压、减压蒸馏法生产的轻质燃料;

重油由直馏残渣油与二次加工柴油按一定比例调和而成。

炼油厂商对原油采取二次精炼的炼制工艺,以炼取更多的轻质成品油,故剩余渣油的分量减少,以渣油为主要组成的重油所含杂质相应增加。

0 # 柴油和两种常用的船用重油的理化特性见表1。 

从表1可知,重油的粘度、灰分、硫分、残炭、机械杂质较轻油有明显增加,这是重油和轻油最大的区别。 

1.粘度增加对柴油机的影响

燃料粘度在很大程度上可以决定柴油机气缸内形成燃料流的性质和喷射深度。

粘度太大的燃油会形成大油滴燃料流,并且喷射深度大,会引起燃料喷雾恶化,使油气混合物产生不均衡性,不能充分燃烧。 

较高的粘度主要影响燃油泵送、净化处理和雾化,增加气缸套和活塞环磨损;

还会造成喷油压力过高,导致燃油系统零部件机械应力过高,甚至损坏高压油泵、滚轮和凸轮轴。 

2.硫含量增加对柴油机的影响

硫含量显著增加是重油的主要特性之一。

硫含量反映燃油中所含硫的质量分数高低。

液态硫化物对燃油喷射系统有腐蚀作用,同时还会增加喷油孔积炭。

燃烧产物中的 SO3 和水蒸气( H2O) 会生成硫酸附着在缸壁表面,产生强烈的低温腐蚀。

同时SO3 能加速碳氢化合物聚合而结炭,此结炭较硬不易清除,增加气缸套和活塞环的磨损。

硫燃烧后生成的SO2是柴油机排放的主要有害成分。 

中高速柴油机不另外使用汽缸油,直接用系 统机油,采用飞溅润滑,硫的酸性生成物会渗入润滑系统,使润滑油的总碱值迅速降低。

3.机械杂质和灰分增加对柴油机的影响 

燃油中的机械杂质会导致油路和过滤器堵塞,因而使柴油机的燃料供给中断,发生停车事故。

燃油中如果混有砂子或其他硬质颗粒,则会造成高压油泵及喷油嘴严重磨损。 

灰分相当于磨料,易造成高压油泵和喷油器损坏,加剧气缸套磨损,排气门密封面磨损和增压器叶片及气道积垢。

灰分变成积炭,将大大增加积炭的坚硬性和磨蚀性。

灰分在燃油中的质量分数很小,往往被人忽视,但其绝对量相当可观。 

4.十六烷值降低对柴油机的影响

十六烷值是衡量燃油着火性能的指标,燃油 的十六烷值高则自燃性能好,燃油中的轻馏分也多,滞燃期就短,容易点燃,柴油机工作柔和。

十六烷值过高,会产生不完全燃烧,排气冒黑烟,使燃油消耗量增大,原因是燃油燃烧时裂解太快,生成了游离碳。

不同转速的柴油机对十六烷值有不同的要求 ,见表2。

高速柴油机燃料十六烷值为40～60,中速柴油机为35～40之间。

重油的十六烷值较柴油低,其着火性能相对较差,燃烧时滞燃期长,燃烧后延且不完全,排气温度增高,燃油消耗率增加,并且气缸结炭严重。 

5.密度增加对柴油机的影响

燃油的密度随温度而变,通常应按温度的变化对密度进行修正。 

1) 在装载重油时应根据重油的密度和油舱的舱容计算装载量; 

2) 应根据重油密度的变化正确选择分油机的比重环,燃油的分离性能受密度限制,一般分油机允许的最高分离密度是0.991g/ cm3;

3) 由柴油换用密度较大的重油时,油量调节机构不变而喷油泵的循环供油量不同,柴油机的转速将相应变化; 

4) 当重油中残碳和沥青含量高时,其密度也相应较高。

高密度的重油油滴燃烧时易产生热裂解,导致机件结碳增多及燃烧品质不佳。 

6.水分增加对柴油机的影响

重油在储存、运输及加热过程中可能会混入相对较多的水分,甚至是海水,不仅会增加气缸内的积炭,同时也会增加气缸内的磨损。

海水会使排气门发生高温腐蚀及废气涡轮积垢。

另外,重油中的水分还会加剧储油设备的腐蚀 ,并能加速油品的氧化和形成油泥。

在中高速船机上燃用重油必须进行相应的净化处理,降低燃油的粘度,并且对柴油机燃油喷射系统,如喷油泵的柱塞偶件间隙、喷油器的针阀偶件升程、喷油定时等参数进行调整,使重油和柴油机的喷射系统互相适应,以 满足燃烧的需要。 

1.对重油进行预处理

(1)净化重油

要获得最佳的净化效果,须在重油沉淀柜和重油日用柜之间设置离心分油机,同时重油在沉淀柜中至少要经过 24h的静置沉淀;

分离时重油的粘度应尽可能降低,使重油在经过分离机预热器后的温度尽可能达到最高许可值。

对于粘度高于180mm²/s(50 ℃) 的重油,分离时,重油的温度应尽可能维持在最高许可值95～98 ℃。

重油在分离盘中停留的时间则应尽可能延长,根据主要厂商提供的说明给出的分离机容量和预热温度的曲线 ,见图1。

图 1 分离机容量和预热温度曲线

对于粘度为 180 mm²/s(50℃) 的重油 ,分离机的分离流量应不大于分离机额定流量的35%。 

此外,要注意及时清洗分离机,以免发生堵塞。 

（2）改善重油质量

通过均质器对重油进行研磨,细化颗粒杂质和沥青质,改善重油品质。

为了使重油均质器发挥最大的作用,必须选择合适的安装位置。

① 装在重油分油机前。

减少系统排渣量;但重油经过燃油泵、加热器的加压加温后,沥青团重新凝结,堵塞滤器 ,影响柴油机正常使用。 

②装在重油分油机后。

均化了重油结构,使重油燃烧更充分,但系统排渣量并未减少。 

（3）加热重油 

为使雾化良好,重油进机前的粘度值应设定在合适的范围内。

压力和温度对燃油粘度均有影响 ,当温度增高时,燃油粘度降低,因此必须对重油加热以保证重油进机时保持一定的温度。

中低速柴油机,重油粘度应降至12～20 mm²/ s;

中高速柴油机重油粘度应降至9～11mm²/ s。 

通常情况下,中低速柴油机重油加热装置大都使用蒸汽雾化加热器,并采用粘度控制器调节蒸汽量,以保持粘度在预定的范围内。

中高速柴油机对燃油粘度要求较高,仅靠蒸汽加热器无法快速达到重油加热温度,可采用电加热装置加热。 

根据图2粘-温曲线确定合适的重油加热温度。

图 2 重油粘2温特性曲线

重油要经过加热后才能进机燃烧 ,因而柴油机回油温度也很高,应防止回油管中发生沸腾和泡沫化以及燃油输送泵吸入侧发生气蚀。

2.优化柴油机结构 

(1) 增大柴油机压缩比

适当增大压缩比对改善重油着火性能是非常有效的,同时在降低燃油消耗率,缩短滞燃期等方面也有显著的效果。 

(2)改进零部件材质 

1) 采用在气缸套内壁加装除炭环的结构形式,通过除去活塞头部外圆的炭,使积炭不会吸附缸套内壁的油膜,达到减少润滑油损耗的目的。 

2) 采用镀铬、氮化等工艺提高缸套、活塞环、活塞环槽表面的硬度,以改善其耐磨性。 

3.优化燃油喷射系统 

(1)增大喷油提前角

由于重油燃烧速度慢,着火延迟期长,为增加重油在气缸中的燃烧时间,将喷油提前角增大2～3℃A为佳。

(2)提高喷油器喷油压力

喷油压力太低,燃油喷射距离短,油气不能充分混合;

喷油压力太高,重油油滴喷射到活塞头上,导致燃烧恶化,且会增大喷油设备的机械负荷。

为了保证雾化质量,可适当提高喷油器喷油压力。

同时,高压油管的强度必须加强,否则高压油管接头处易断裂。 

(3) 确定合适的喷油嘴孔径和孔数

喷油嘴孔径增大,雾化细度和均匀度下降,但 油束射程增大而锥角减小;

相反,喷孔直径减小, 雾化细度及均匀度提高 ,油束锥角增大而射程减小。

燃油雾化质量好,涡流较强则孔数少,一般4～6个,甚至单孔;

雾化质量差,涡流弱则孔数多, 如7～12 个。

喷油器喷孔数目及孔径要根据所要求的雾化质量来确定,中高速柴油机对燃油雾化质量要求较高,而重油的密度较大。

如喷油嘴孔径太大,不利于燃油雾化,易喷射到活塞头上,使燃烧恶化,油耗增加。

喷油嘴孔径太小,在燃用油品相对较差的重油时容易赌塞,影响发动机正常运转。

适当减小孔径增加孔数,保证总流通面积略为降低较为合适。 

(4)调整柱塞和针阀偶件间隙

重油在进机前需要加热,柴油机喷油泵和喷 油器的工作温度由原来的20～30℃(常温) 提高到100 ℃以上, 柱塞偶件和针阀偶件受热可能会卡死 ,故需要增大高压油泵柱塞、喷油嘴针阀偶件的间隙。

对于中高速柴油机, 间隙可增大0.002mm,使得这两个偶件在高温状况下工作既不卡死又不漏油,以确保正常工作。 

(5)采用喷油嘴冷却系统

现代中低速重油柴油机普遍采用喷油嘴冷却系统,以导热油或润滑油作为冷却介质,设置单独的喷油嘴冷却油箱。

当柴油机在高负荷运行时, 冷却喷油嘴以预防和减少油嘴积炭;

空转或低负荷运行时,加热油嘴以防止油嘴低温腐蚀。

中高速柴油机采用这种喷油嘴冷却系统可以延长喷油器使用寿命,改善重油雾化效果。

然而喷油嘴冷却系统比较复杂,在中高速柴油机上使用有一定难度。 

4.加强运行管理

(1) 润滑油的选用和净化

对于中低速柴油机,普遍采用离心分离机对 润滑油进行净化处理;

而对于中高速柴油机,气缸润滑采用曲轴箱滑油飞溅润滑的方式,需定期检查曲轴箱油质量 ,更换润滑油。 

(2) 燃油管理

加强对低质燃油质量的检查,尤其防止不同 牌号的燃油混合,以避免两种油品中悬浮的沥青分发生凝聚而生成油泥沉淀物。

(3) 冷却水温度调整

注意调整并控制各需冷却部位的工作温度, 防止因过冷而引起低温腐蚀。

低负荷运转时适当提高进气温度和冷却淡水温度,改善气缸热状态,以利于重油的充分燃烧。

(4) 增压系统及换气系统管理 

废气涡轮增压器的的喷嘴环、工作叶轮,以及压气机叶轮等易发生结炭、堵塞、烧损、腐蚀,空冷器、扫气箱与气口易发生污染、堵塞 ,应定期检查与清洗。 

(5)启动、停车运行管理 

中高速船用柴油机在起动和停车时燃用轻 油,当柴油机运转稳定时才换用重油;避免油温突变使得柱塞和针阀偶件卡死。