CCAI与燃烧特性(下)

在上篇【CCAI与燃烧特性(上)】中我们主要分析了CCAI的含义、限值要求以及CCAI在鉴别燃烧时遇到的挑战,在下篇中我们着重讨论一下燃烧方面的研究发现。

关键词:CCAI,燃烧特性,后燃时间,火焰长度,油膜,漆膜,超磨,红色沉积物
1. CCAI和燃烧的关系
 
CCAI将继续被用作识别和避免使用具有异常粘度/密度关系的参数。CCAI不是提供残渣型燃油的燃烧信息,它提供的是滞燃期信息。如发现粘度和密度关系比较异常,需要注意潜在的燃烧风险。
但由于现在新型燃油被大量使用,我们会发现CCAI在判断某些燃油的燃烧好坏时无法起到有效的鉴别作用。因为我们发现对于某些新型低硫燃油,即使CCAI低于870的限值,但实际上燃烧状况还是区别于传统残渣型燃油。
因此我们强调在管理中,无论是检验还是采购,CCAI在CoQ和BDN以及实验室检测报告中不能简单的使用小于870这样的描述,应尽可能地数据化。
2. 燃烧特性的研究
我们需要了解新型燃油中某些潜在的特殊组分(如LCO和HDA/CLO),对燃烧产生什么样的影响。
2.1 燃烧问题
【低硫燃油那些事】中我们介绍了炼厂用于减少硫的工艺,由此产生用于调和燃油的一些特殊组分,并对这些组分做了相应的分析。2020在新型燃油被大量使用后,燃油的点火和燃烧质量必将变得错综复杂,有些案例在很大程度上怀疑和燃油的燃烧性能有很大关联。
在“Rostocker Grossmotoren Tagung”罗斯托克大型发动机会议的报告中指出,通过独特的视觉燃烧研究证实,某些燃油会存在较长的后燃期并形成更长的火焰。
在上篇【CCAI与燃烧特性(上)】中讲到长火焰接近或接触缸壁上的润滑油膜,并对其造成破坏,影响了有效的气缸润滑保护。
2.2 “燃烧质量”和“点火质量”之间的区别
燃油的“燃烧质量”与“点火质量”取决于特定的柴油机类型、设计、操作和发动机状况、负荷以及燃油的化学成分。
有时我们将“燃烧质量”与“点火质量”混为一谈。前者一定要与后者区分开。点火质量等于十六烷值(CN)代表的自燃性。例如,高速或中速四冲程柴油机的“柴油爆震”是由于点火质量差而导致点火延迟时间长的问题。但是,低速二冲程发动机对点火延迟不是特别敏感。因此,可以想象,活塞环与气缸套之间的摩擦学故障将由不良的燃烧质量引起,例如火焰长度和后燃持续时间相对比较长。
在过去的二十年中研究机构从远洋轮上收集了很多HFO 样品,以检查它们在低速二冲程发动机中的点火和燃烧质量。
下图1在CCAI和Ignition delay点火延迟相关(FCA-Fuel Combustion Analyzer 燃油燃烧分析仪)中显示了问题燃油(红色X标记)和非问题燃油(圆点标记)的分布。在上篇【CCAI与燃烧特性(上)】中提到尽管CCAI可以很容易由密度和粘度计算得出,但它在识别有问题燃油方面的准确性并不理想。在图中,很明显CCAI低于840的燃油是安全的。但是CCAI在840至860(ISO限制为870)范围内,存在许多问题燃油和非问题燃油的混合。
图1. CCAI 和点火延迟之间的关系
2.3 “长火焰”的模型
 
两种不同燃油在同一台机器上的表现:
燃烧BFO-A燃油的低速主发动机在短时间内遭受活塞环和气缸套异常磨损(拉缸),而同一台发动机燃烧BFO-S时没有遇到任何问题。由于BFO-A仅包含少量的Al+Si,因此可以认为问题并非由cat fines引起,而是由某种不良的燃烧引起的。
根据上表中的属性,两种燃料之间仅存在少量差异。BFO-A(1.3%)的硫含量低于BFO-S(3.5%)。与BFO-S相比,BFO-A所含沥青质的比例较小。两者的CCAI值几乎相同,并且低于ISO限值870。根据色谱分析,BFO-A芳香性比BFO-S高得多,但未在表中显示。
为了找到使用BFO-A引起故障的原因,进行了视觉燃烧实验。结果表明两种燃料之间的差异很大,BFO-A燃烧形成的火焰比BFO-S燃烧的火焰更长,BFO-A的后燃时间也更长。
根据上述分析,可以设想出一种摩擦故障的机理,如图2所示,当活塞位置降低到一定程度使得润滑油膜暴露于燃烧空间时(这在燃烧后期相当晚的时间点发生),由于后燃时间长,导致长火焰接近或接触气缸上的润滑油膜,从而破坏油膜。并且某些未燃烧完全的燃油成分(例如烟灰或PM颗粒物)混入油膜中发生进一步反应而导致润滑油本身变质。这部分极性物质在和气缸油添加剂混合发生反应后形成胶状物质,随着活塞的运动慢慢分布在缸套的上部,在活塞环和缸套表面形成漆膜,并且/或者沉积物填满活塞环槽使得活塞环卡滞,最终严重破坏了有效的气缸润滑。
图2. 长火焰模型及其在后燃时间(after-burning time)对气缸润滑油膜的不良影响
注:“火焰”是指整个燃烧区域中的发光黄色部分,该发光部分随着碳颗粒(烟灰)的形成和再燃烧而散发出来。这意味着发光火焰是一个燃料丰富的区域,并且包含较大的未燃烧部分。
2.4 燃油组分和火焰长度的关系
通过混合常规五种原料(LCO,CLO,沥青SA ,低芳烃HFO和用于汽车的柴油GO)来分析不同燃油的燃烧特性。实验中使用的LCO,CLO和SA的特性分别列于表1、2和3中。
表1的LCO包含不少于73%的芳烃,其CCAI为918,远高于ISO8217限值。由于低分子1环和2环芳烃是其主要成分,因此其粘度与普通柴油相似,但密度较高。
表2中的CLO被归类为残留部分,并且比LCO具有更高的密度和粘度,因为它主要由包括三环,四环和五环的多环芳族化合物组成。此CLO仅包含0.38%的硫,大多数CLO均具有约0.8%的硫。生产0.5%燃油的 便宜方法是将LCO和CLO混合。但是,考虑到两者的CCAI值都超过900,因此可以确定混合物的CCAI不会满足ISO8217标准。
表3显示了通常称为真空残渣的直沥青(SA)的特性。它是精炼厂中残留量比较大的部分,在室温下看起来像固体。由于SA或是CLO(HDA-high density fuel的一种)的密度超标,所以必须和其他原料混合后使用。 
图3. 不同类型燃油的后燃时间和火焰长度的比较
A是使用纯LCO作为比较的基准。燃油喷射期间和之后的发光火焰都是通过安装在燃烧室下部的玻璃窗直接拍摄的。
B包含LCO 50%+ SA 50%的混合物,该数据模拟了所谓的“Gap Fuel间隙燃油”,一种可疑燃油。LCO降低粘度的能力非常显着,以至于该混合物的粘度仅为24cSt。通常诸如此类的含有大量LCO的HFO具有很高的稳定性。这样可以减少在发动机进气口之前发生的诸如油泥形成的麻烦,因为LCO 中的芳族化合物起着溶剂的作用,很容易溶解重质部分,如沥青质。但是,在燃烧阶段重的残留物和高度芳烃的LCO的组合很难燃烧并不令人意外。从B火焰中可以看出,这种燃油混合物的空间火焰长度和后燃持续时间都比在A中使用纯LCO时更长。
C是LCO(50%)+ CLO(25%)+ 低芳烃HFO(25%)的混合物的情况。如前所述,仅混合LCO和CLO会导致 CCAI值超出限值。然而,可以通过添加较低的芳族部分来降低CCAI。在C的情况下,由于添加了25%的低芳烃HFO,CCAI降低到了合格值 854。由每种成分的平均硫(LCO:0.2%,CLO:0.8%,脱硫HFO:0.5%),计算得出混合物C的硫低于0.5%,如下所示:
LCO:0.2%S X 0.5 + CLO:0.8%S X 0.25+脱硫HFO:0.5%S X 0.25 = 0.425%。但是在比较火焰照片时,情况C看上去比情况B更麻烦。其火焰和后燃持续时间长。这些数据证明了过度混合CLO可能导致不良燃烧,并且仅通过 CCAI调查就很难检测到这种燃料。
D情况下,尽管将GO这样的高质量部分作为溶剂与HFO混合是不现实的,但C中50%的LCO被GO代替,而剩余部分保持与C中相同。结果D显示出比C明显短的火焰长度和后燃持续时间。这似乎表明,混合极易燃烧的轻质部分(如GO)可以在一定程度上改善CLO中多环芳烃的不良燃烧。
所以CCAI的高低不能有效的证明燃油燃烧的好坏,有着相似CCAI数值燃油的燃烧也不尽相同,我们还是需要了解燃油中的主要组分是什么,来帮助判定燃烧是否会发生潜在问题。
 2.5 避免长焰的措施
假设在2020年之后将使用更多的LCO和HDA/CLO,如何在发动机的硬件上进行某些改动,以减轻上述不良燃烧质量所造成的麻烦。
对比不同燃油喷射系统的研究发现,较小的喷射孔直径和较高的喷射压力共同导致燃油喷雾中的空燃比更高,从而使喷雾的渗透率保持不变,从而使燃烧更好更快,从而减少火焰接触润滑油膜的风险。
2.6 红色沉积物
燃油质量不好、缸套/活塞环磨损异常以及油头技术状态不好就容易引发“超磨”现象,大部分时候我们会看到大面积的黑斑,而有时在综合因素的共同作用下产生了高温氧化铁物质,沉积在活塞头甚至附着在缸套表面,形成“红色沉积物”现象。
3. 结束语
对于新型低硫燃油,我们要仔细考量CCAI数值的含义,因为在某些情况下即使CCAI满足低于870的要求,但实际上燃烧状况还是区别于传统燃油的燃烧。
需要了解燃油中是否存在一些特殊的组分,如LCO和HDA/CLO,以及他们对燃烧产生重要的影响。在燃油采购合同中可以要求提供所供燃油的主要组分。
某些燃油组分容易产生较长火焰,特别是当活塞位置降低到一定程度使得缸套上部的润滑油膜暴露在高温燃烧下,就很容易破坏油膜并有可能形成漆膜,影响有效的润滑,如果加上缸套或活塞环处于临界磨损状况下,就很容易发生断环或缸套超磨的现象。
有时在综合因素的共同作用下有可能形成高温氧化铁物质,沉积在活塞头甚至附着在缸套表面,形成“红色沉积物”现象。
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