CN103361130B - 一种用于重油活塞发动机的煤油燃料组合物 - Google Patents
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- Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
Abstract
用于重油活塞发动机的煤油燃料组合物，包括如下组分：基础油B，蒸馏中压加氢裂化柴油得到155-250℃、155-280℃或155-300℃馏分段馏程，重量分数95±5；C组分，催化裂化煤油段馏分、以催化裂化装置生产的重汽油味原料在精馏装置上切割窄馏份，馏程范围在150-230℃；加入重量分数5±1。本发明经气缸盖同等极限温度条件下，较使用3#航煤，活塞发动机最大功率提高了13％，或在同等最大功率条件下，显著降低了汽缸盖温度，(只有170℃)；提高了发动机的抗爆震能力。
Description
技术领域
本发明涉及用于重油活塞发动机的煤油燃料组合物的制备，更具体的说是涉及一种适用于点燃式航空重油活塞发动机的改进了抗爆性能的煤油燃料或喷气燃料，在原有的3#喷气燃料或5#喷气燃料的基础上，改进了煤油的抗爆燃性。
背景技术
国内外一般大型航空动力装置以航空煤油作为燃料，小型航空动力装置使用航空汽油作为燃料，与汽车发动机使用不同标号汽油工作燃料类似，不同的发动机对燃料油有不同的抗爆震要求。但航空汽油的高挥发性是难以满足航空工业特别是军用油料的贮存、运输、使用的安全要求。
八十年代，美国国防部基于燃料使用的安全性和燃料贮运管理成本考虑，提出了“未来单一燃料”指导准则(DOD4041.25准则)，九十年代，NADA和DOD的航空活塞发动机指南中提出，未来军用活塞动力装置应全部采用重油燃料，包括JP-5、JP-8和柴油，适航安全标准(FAA)要求未来通用航空必须采用重油航空发动机。
国外在发展点燃式航空重油活塞发动机时，使用先进的高压喷射或空气辅助雾化低压喷射技术大大改善了重煤油燃料的雾化质量，结合先进的缸内直喷燃烧技术解决了重油燃烧时发动机冷启动困难、火花塞容易淹缸、发动机低速运转不稳定等技术难题，但由于重煤油燃料辛烷值低、容易产生爆震的特点，造成重油发动机爆震极限功率低于汽油机的水平，目前国外研制的点燃式航空重油活塞发动机最大功率只有汽油机的80～90％左右。以JP-5航空煤油为例与汽油性质比较。
表一国外JP-5航空煤油与汽油的物理化学性质
| 性质 | JP-5 | 汽油 |
| 分子量 | 170 | 120 |
| 密度(Kg/m3) | 823 | 720 |
| 燃烧热(MJ/kg) | 42.9 | 43.4 |
| 气化潜热(MJ/kg) | 0.291(Jet A-1) | 0.339 |
| 比热(KJ/kgK)(液体298K) | 1.97(Jet A-1) | 2.4 |
| 表面张力(dynes/m) | 26.3(25℃) | 20(20℃) |
| 辛烷值 | 46 | 89 |
| 自燃温度，℃ | 242 | 438 |
| 燃烧常数(系数)(cm2/s) | 0.0097 | 0.0144 |
| 活化能(KJ/mole) | 192.6 | 135.6 |
从表一可以看出，JP-5航空煤油比汽油分子量大，因此燃油密度大，这样同样容积的储油箱可以储存较多的燃油重量，对无人机外形尺寸紧凑设计有利；JP-5航空煤油比汽油燃烧热值略低，因此煤油发动机的输出功率比汽油机略低；JP-5航空煤油比汽油的气化潜热低得多，说明缸内直喷煤油发动机降低压缩终了阶段的混和气温度不如缸内直喷汽油机，抑制爆震燃烧能力不如汽油机；JP-5航空煤油比汽油粘度大、表面张力高，因此煤油不容易喷射雾化；JP-5航空煤油比汽油的辛烷值、自燃温度低一半左右，说明煤油发动机容易爆震；JP-5航空煤油比汽油的火焰传播速度较慢，说明煤油发动高转速工况时燃烧后移，气缸壁面温度和排气温度较汽油机高；点燃JP-5航空煤油的所需要的火花能比汽油高，说明煤油不容易点燃，需要更高的点火能量。
抗爆性一般作为汽油的重要性能指标。一定压缩比的发动机，必须燃用一定辛烷值的汽油，才能保证气缸内的正常燃烧而不至于产生爆震现象，以获得最大发动机功率。爆震与汽油在点燃式发动机特定条件下的燃烧有关。不论是汽化器式发动机还是直接喷射式发动机，汽油与空气组成的可燃混和气被点燃后在气缸中的燃烧，实际上存在两个过程，即燃烧过程和预燃反应过程。在已燃部分迅速增加的高压高温作用下，在燃烧火焰前峰到达之前，如果未燃部分中的预燃反应产物，达到某一临界值时，便会产生具有异常火焰传播速度并伴随冲击波为特征的自行爆燃，引起爆震。如果在火焰前峰到达之前，未燃部分中的预然反应产物，尚未达到临界值就被点燃，就不会发生爆震，而以正常的火焰传播速度燃烧。
爆震与油品的化学组成有关。通常用辛烷值和品度表示航空汽油的抗爆的性能，简称抗爆性。汽油是C4-C11各种烃类的混合物。汽油馏分中的单环芳烃辛烷值最高，研究法辛烷值几乎都在100以上，马达法辛烷值都在90以上。正构烷烃辛烷值最低，碳数高于正庚烷的正构烷烃的辛烷值不论是研究法还是马达法均为负值。异构烷烃、烯烃和环烷烃的辛烷值高于碳数相同的正构烷烃的辛烷值。各类烃类组分互相调和，其调和辛烷值有呈线性关系的，也有呈非线性关系的。一般烷烃与烷烃组分或烷烃与环烷烃的调和辛烷值呈线性关系，烷烃与芳烃或烯烃的调和辛烷值呈非线性关系，而且有增值效应。
同样以碳氢化合物构成的煤油作为航空动力装置活塞式发动机的燃料，其组成与抗爆性能好坏有直接的联系，可以通过改进煤油的族组成来改进煤油的抗爆性，本发明就是有关一种煤油组合物，该组合物可以提高重煤油航空动力装置抗爆性能。
发明内容
本发明的目的是：为了解决点燃式航空活塞发动机用航空煤油作为燃料容易引起发动机爆震问题或在同等不发生爆震的条件下发动机输出功率下降问题，提出了一种改进航空煤油或喷气燃料族组成的煤油燃料，由于煤油族组成改变进而改进了燃料的爆震性能。它是把不同工艺生产的煤油组分经过切割得到不同温度馏分，不同的馏分按不同比例经过调和得到煤油燃料组合物，作为活塞发动机燃料提高了爆震极限功率。
本发明的技术方案是：用于重油活塞发动机的煤油燃料组合物，基础油B，蒸馏中压加氢裂化柴油得到155-250℃、155-280℃或155-300℃馏分段馏程，重量分数95±5；C组分，催化裂化煤油段馏分、以催化裂化装置生产的重汽油味原料在精馏装置上切割窄馏份，馏程范围在150-230℃；加入重量分数5±1。
用于重油活塞发动机的煤油燃料组合物，基础油B，是蒸馏中压加氢裂化柴油得到155-250℃、155-280℃或155-300℃馏分段馏程范围，重量分数80±5；A组分，高压加氢生成油煤油馏分，155-250℃、155-280℃或155-300℃馏分段馏分油，重量分数15±2；C组分，催化裂化煤油段馏分、以催化裂化装置生产的重汽油味原料在精馏装置上切割窄馏份，馏程范围在150-230℃，加入重量分数5±1。
本发明尤其是选择用中压加氢生成油煤油馏分作为基础油B，A、C组分油的定义如下：
高压加氢生成油煤油馏分，加氢裂化采用美国联合石油公司专利技术，采用两端全循环工艺流程，以减压柴油(VGO)，轻焦化柴油(LCGO)，和重焦化柴油(HCGO)混合油为原料，加氢反应器反应设计压力150公斤/厘米3，生成物经过精馏可以生产轻石脑油、重石脑油、航空煤油和柴油、尾油等产品，本发明采用155-250℃、155-280℃、155-300℃馏分段馏分油A1、A2、A3，作为航空煤油燃料组合物调和组分之一；用色质连用气相色谱仪测定A1、A2、A3中烷烃、环烷烃、芳烃、烯烃含量分别在0-50％、0-40％、0-20％和0-3％范围。
中压加氢生成油煤油馏分，中压加氢裂化采用石科院专有技术，加氢反应器反应设计压力100公斤/厘米3，生成物经过精馏可以生产轻石脑油、重石脑油、航空煤油和柴油、尾油等产品，本发明采用155-250℃、155-280℃、155-300℃馏分段馏分油B1、B2、B3，作为航空煤油燃料组合物调和组分之一；用色质连用气相色谱仪测定B1、B2、B3中烷烃、环烷烃、芳烃、烯烃含量分别在0-20％、0-40％、0-60％和0-5％范围。
催化裂化煤油段馏分，以催化裂化装置生产的重汽油味原料在精馏装置上切割窄馏份，馏程范围在150-230℃，作为航空煤油燃料组合物调和组分C。
用0-80％的A1或者A2或者A3与10％-100％的B1或者B2或者B3以及0-20％的C馏分调和一种煤油组合物，该种煤油组合物的闪点或大于45℃，相当于3#喷气燃料或航空煤油闪点；或不低于60℃，相当于5#喷气燃料或航空煤油闪点。但是其中烯烃含量超过航空煤油的不大于5％的指标，及芳烃含量超过航空煤油的不大于20％的指标，通过改进调整煤油组合物的族组成改进没有的抗爆燃性。A1或者A2或者A3可以任意比例混合构成A，B1或者B2或者B3可以任意比例混合构成B。
用发明的煤油组合物在改进的重油活塞发动机上台架试验，在气缸盖同等极限温度条件下，较使用3#航煤发动机最大功率提高了13％，提高了燃料抗爆震性能。
本发明的有益效果是：使用本发明的(如实施列1中)煤油燃料组合物，在二冲程进气管喷射的重油活塞发动机上进行台架试验，在气缸盖同等极限温度条件下，较使用3#航煤，活塞发动机最大功率提高了13％，或在同等最大功率条件下，显著降低了汽缸盖温度，(只有170℃)；提高了发动机的抗爆震能力。
具体实施方式
实施例1：蒸馏中压加氢裂化柴油得到155-250℃馏程范围的基础油，在常温下将基础油B1重量分数95％加入容器，然后加入重量分数5％C，混合搅拌均匀，组合燃料闪点指标为63℃，浊点指标为-50℃，用于点燃式航空重油活塞发动机，与比较例3#航煤相比极限爆震功率提高13％。
基础油选用B2或B3亦可；基础油选用B1和B2各半亦可，基础油选用B1和B3各半亦可。
实施例2：蒸馏中压加氢裂化柴油得到155-280℃馏程范围的基础油，在常温下将基础油B2重量分数80％加入容器，然后加入重量分数15％的A2、加入重量分数5％的C，混合搅拌均匀，组合燃料闪点指标为68℃，用于点燃式航空重油活塞发动机，与比较例3#航煤相比极限爆震功率提高10％。
加入重量分数15％的A3代替A2亦可。A3、A2重量分数各7.5％亦可。
实施例3：蒸馏中压加氢裂化柴油得到155-300℃馏程范围的基础油，在常温下将基础油B3重量分数80％加入容器，然后加入重量分数15％的A3和重量分数5％的C混合搅拌均匀，组合燃料闪点指标为70℃，用于点燃式航空重油活塞发动机，与比较例3#航煤相比极限爆震功率提高5％。
以上实施例中，加入重量分数15％的A3亦可。
基础油选用B1亦可，其重量范围可以正负5％的范围。
| 项目 | 比较例3#航煤 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 闪点(闭口) | 不低于38℃ | 63 | 68 | 70 |
| 密度(20℃)，kg/m3 | 775-830 | 0.8 | 0.8342 | 0.8343 |
| 粘度mm2/s | 不小于1.25 | 2.032 | 2.4014 | 2.7527 |
| 硫(mg/L) | 不大于0.2％ | 1.95 | 1.65 | 1.85 |
| 初馏 | 报告 | 184.0 | 189.4 | 191.4 |
| 10％ | 不高于205℃ | 188.6 | 203.2 | 206.9 |
| 30％ | 205.5 | 212.9 | 218.1 | |
| 50％ | 不高于232℃ | 220.9 | 222.0 | 230.1 |
| 90％ | 报告 | 235.3 | 251.1 | 269.1 |
| 终馏 | 不高于300℃ | 249.0 | 266.7 | 284.3 |
| 残留 | 不大于1.5 | 1.0 | 1.2 | 1.3 |
| 损失 | 不大于1.5 | 0.1 | 0.1 | 0.3 |
| 酸值mgKOH/g | 不大于0.015 | 0.0092 | 0.0104 | 0.0094 |
| 极限爆震功率 | 1 | 1.13 | 1.10 | 1.05 |
| 正构烷烃 | 8.9 | 10.1 | 12.3 | |
| 异构烷烃 | 29.8 | 30.6 | 31.7 | |
| 烯烃 | 不大于5％ | 6.6 | 5.3 | 5.0 |
| 环烷烃 | 18.3 | 22.5 | 23.6 | |
| 总芳烃 | 不大于20％ | 36.3 | 31.5 | 27.5 |
Claims (1)
1.用于重油活塞发动机的煤油燃料组合物，其特征是包括如下组分：基础油B，蒸馏中压加氢裂化柴油得到155-250℃、155-280℃或155-300℃馏分段馏程，重量分数95±5；C组分，催化裂化煤油段馏分、以催化裂化装置生产的重汽油原料在精馏装置上切割窄馏份，馏程范围在150-230℃；加入重量分数5±1。
2．用于重油活塞发动机的煤油燃料组合物，其特征是组成如下：基础油B，是蒸馏中压加氢裂化柴油得到155-250℃、155-280℃或155-300℃馏分段馏程范围，重量分数80±5；A组分，是高压加氢生成油煤油馏分，155-250℃、155-280℃或155-300℃馏分段馏分油，重量分数15±2 ；C组分，催化裂化煤油段馏分、以催化裂化装置生产的重汽油原料在精馏装置上切割窄馏份，馏程范围在150-230℃，加入重量分数5±1。
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