模擬高原條件下含氧燃料對發動機性能的影響

李曉然, 許世海, 熊　云, 劉　曉

(1. 后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系, 重慶 401311; 2. 解放軍95958部隊， 上海 200135)

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模擬高原條件下含氧燃料對發動機性能的影響

李曉然1,2, 許世海1, 熊云1, 劉曉1

(1. 后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系, 重慶 401311; 2. 解放軍95958部隊， 上海 200135)

摘要：以摻混不同體積分數(5%、10%)二乙二醇二甲醚(DGM)的柴油為燃料,采用F6L913柴油機進行發動機臺架試驗,通過控制進氣壓力模擬高原地區柴油機的工作條件,考察了海拔2000~4000 m下不同摻混比例的含氧燃料對發動機性能的影響。結果表明,在海拔2000 m以上地區,發動機燃用含氧燃料的功率均大于燃用純柴油,且功率會隨燃料中DGM添加量的增加而增大;海拔越高,轉速越大,燃用含氧燃料時發動機動力性越好。在海拔2000 m以上地區,發動機燃用含氧燃料的燃油消耗率比燃用純柴油低,且會隨著海拔的升高和DGM添加量的增加而明顯降低;含氧燃料可以顯著降低柴油機高原地區碳煙、HC、CO的排放,NOspan排放有所增加。在高原地區使用高含氧燃料是恢復柴油機性能的有效方法。

關鍵詞：柴油機; 含氧燃料; 二乙二醇二甲醚; 高原特性

我國高原面積廣闊,其中青藏高原面積達2.4×106km2,平均海拔超過4000 m,海拔較低地區也超過了2000 m,被稱為“世界屋脊”。柴油機在高海拔地區運行時,由于充氣系數下降和缺氧燃燒,其動力性、經濟性、可靠性等指標都比平原地區大幅下降[1-4],嚴重影響了柴油機在高原地區的工作狀態,特別是對于軍用動力裝備而言,會導致技戰術性能下降,作戰半徑減小等一系列問題。為解決上述問題,許多科研工作者開展了針對高原地區的替代燃料的研究,但主要是醇類燃料[5-9]。相對于醇類燃料,一些醚類燃料與柴油的互溶性更好,更適宜長期儲存,并且著火性能優越[10-13]。為滿足高原地區柴油動力裝備的作戰需求,在柴油中分別摻入體積分數5%和10%的DMG作為高原含氧柴油,測試其理化性能,并且通過控制發動機進氣壓力,模擬海拔2000 m(79.5 kPa)、3000 m(70.1 kPa)、4000 m(61.7 kPa)處的發動機工作條件,進行臺架試驗,考察了不同海拔條件下柴油機的動力性、經濟性和排放性能。

1實驗部分

1.1　實驗用燃料

柴油,0號車用柴油,市售;0號車用柴油中添加體積分數5%的DGM,記為5%DGM柴油;0號車用柴油中添加體積分數10%的DGM,記為10%DGM柴油。

1.2　理化性能測定

采用長沙開元儀器廠5E-AC8018等溫式全自動量熱儀測定燃料熱值;采用中國石化撫順石油化工研究院FSHY-Ⅱ十六烷值機測定燃料的十六烷值;采用上海石油儀器廠SYP1003-Ⅵ石油產品運動黏度測定器測定燃料的運動黏度。

1.3　發動機及主要測試設備

北京內燃機有限公司F6L913型柴油機,其主要技術參數見表1;上海同圓發動機測試工程技術有限公司 CMFG010瞬時油耗儀;洛陽南峰機械設備制造有限公司CW260電渦流測功機;佛山南華儀器有限公司NHA-506廢氣分析儀;佛山南華儀器有限公司NH1-6不透光度計。

表1　試驗用發動機主要參數

1.4　高原模擬試驗臺架裝置

高原模擬綜合測控系統如圖1所示。其中,高原進氣模擬裝置利用真空罐調節進氣壓力,從而模擬不同海拔地區的進氣條件。

圖1　高原模擬綜合測控系統示意圖

2結果與討論

2.1　含氧燃料的理化性能

試驗用柴油、DGM及含氧柴油的主要理化性質見表2。從表2可以看出,與純柴油相比,摻入DGM的含氧柴油黏度、熱值略有下降,十六烷值有一定升高,主要性能均符合車用柴油標準要求。

2.2　海拔高度對發動機動力性的影響

海拔分別為2000、3000、4000 m時,發動機燃用柴油、5%DGM柴油和10%DGM柴油時的外特性功率示于圖2。由圖2可以看出：

(1) 燃用純柴油時,隨海拔高度的升高,發動機功率上限逐漸降低,功率區間縮小,動力性能逐漸變差。這是因為在高海拔條件下,大氣壓力降低,發動機充氣系數下降,造成燃燒室內缺氧,燃料燃燒不完全,熱量不能充分釋放。與趙作志[14]、張炎[15]的觀點相一致。

(2) 當發動機燃用含氧燃料時,3個海拔下的發動機功率均大于燃用純柴油,且功率隨含氧燃料中DGM添加量的增加而增大,發動機動力性得到改善。與純柴油相比,燃用10%DGM柴油在海拔2000 m時,發動機功率平均增加4.8%,最大增幅8.1%;海拔3000 m時,平均增加6.0%,最大增幅9.4%;海拔4000 m時,平均增加7.5%,最大增幅11.8%。

表2　燃料的主要理化性質

1) Calculated value

圖2　不同海拔高度燃用不同DGM添加比例含氧柴油時

(3) 各海拔高度下,發動機在高速工作區燃用含氧柴油提高動力性的效果更明顯。可能是由于DGM是含氧化合物,其自身所含的氧能夠部分彌補由于海拔升高而減少的進氣氧含量,使得燃料燃燒相對充分,熱量釋放更多一些;而海拔越高,大氣壓力下降越明顯,燃料燃燒缺氧量越多,含氧燃料的補氧效果就越明顯,發動機動力性的提高幅度就越大。

2.3　海拔高度對發動機經濟性的影響

海拔2000、3000、4000 m發動機燃用不同燃料在低轉速(1400 r/min)和高轉速(2600 r/min)條件下的負荷特性油耗率示于圖3~圖5。

由圖3~圖5可以看出：(1) 隨著海拔的升高,相同轉速同一負荷條件下發動機燃油經濟性逐漸降低。這可能是由于高海拔地區氣壓低,吸入氣缸內的空氣量減少,過量空氣系數減小,燃料燃燒不完全造成的[16]。(2) 當加入DGM時,燃油消耗率較燃用純柴油時降低,且同樣轉速時降幅隨著海拔的升高而逐漸增大。轉速2600 r/min、海拔2000~4000 m時燃用10%DGM柴油的燃油消耗率較燃用純柴油平均分別降低1.3%、2.0%、2.9%,轉速1400 r/min時也出現同2600 r/min時相同的規律。在相同海拔和轉速時,燃用10%DGM柴油的燃油消耗率比燃用5%DGM柴油降低得更多。(3) 3種燃料的燃油消耗率隨著負荷的增大區分性越來越明顯。

由于DGM的加入引入了一部分氧,改善了高海拔缺氧導致的燃料燃燒不完全,降低了燃油消耗率;柴油機在一定轉速下運行時,負荷增大必然導致供油量增加,使得進入氣缸內的空氣量成為影響燃燒的主要因素,此種情況下,含氧燃料的作用就更明顯。

圖3　海拔2000 m燃用不同DGM添加比例含氧柴油時發動機油耗率

圖4　海拔3000 m燃用不同DGM添加比例含氧柴油時發動機油耗率

圖5　海拔4000 m燃用不同DGM添加比例含氧柴油時發動機油耗率

上述對發動機經濟性分析時采用的燃油消耗率均為發動機實測燃油消耗率,由于DGM的熱值比純柴油低,若根據燃料熱值將實測燃油消耗率轉換成當量燃油消耗率進行分析,燃用含氧燃料的經濟性將會更加明顯。

2.4　海拔高度對發動機排放的影響

2.4.1對HC排放的影響

海拔3000 m發動機標定功率下(下同)燃用不同燃油時HC的排放示于圖6。由圖6可以看出,在海拔3000 m燃用5%DGM柴油和10%DGM柴油時的HC排放與純柴油相比分別平均降低48.8%和29.7%,說明燃用含氧燃料能夠顯著降低發動機HC排放,且DGM添加量越大,排放降低越明顯。

圖6　海拔3000 m處發動機燃用不同燃油時的HC排放

2.4.2對CO排放的影響

海拔3000 m發動機燃用不同燃油時CO排放示于圖7。由圖7可以看出,燃用含氧燃料CO排放降低,且DGM添加量越大降低越明顯。由于含氧燃料有利于促進混合氣的形成和燃燒,氣缸內不完全燃燒的現象減少,CO排放降低。

圖7　海拔3000 m處發動機燃用不同燃油時CO排放

2.4.3對NOx排放的影響

海拔3000 m發動機燃用不同燃油時NOx排放示于圖8。由圖8可以看出,海拔3000 m發動機燃用含氧燃料時NOx的排放均有所升高。由于DGM的加入引入了一部分氧,加快了燃料的燃燒速率,促進了完全燃燒,導致了更高的燃燒溫度,使發動機的NOx排放增加。

圖8　海拔3000 m處發動機燃用不同燃油時 NOx排放

2.4.4對發動機碳煙排放的影響

海拔4000 m中等轉速(2000 r/min)發動機燃用不同燃油時負荷特性排氣不透光度示于圖9。

圖9　海拔4000 m發動機燃用不同燃油時負荷特性

由圖9可以看出:(1)低負荷時,碳煙排放都維持在一個相對較低的狀態,高負荷時排放加劇。(2)DGM的加入能夠顯著降低柴油機碳煙的排放,在海拔 4000 m時燃用10%DGM柴油的碳煙排放比燃用純柴油平均降低38.0%。

低負荷時,由于柴油機供油量少,缺氧狀況并不嚴重,碳煙排放相對較少,高負荷時供油量增加,缺氧狀況加重,碳煙排放顯著增加;DGM的加入使燃料中氧的質量分數增加,缸內不完全燃燒的狀態得到改善,碳煙排放降低。

3結論

(1) 在高海拔地區,柴油機燃用DGM含氧柴油能夠提高發動機動力性、降低燃油消耗率,同時能夠顯著降低柴油機碳煙、HC、CO的排放,但NOx排放有所增加。

(2) 海拔越高,發動機轉速越大,燃用含氧柴油時發動機動力性提高越明顯,且海拔越高、負荷越大,發動機燃用含氧柴油時的燃油經濟性提高越明顯。

(3) 在發動機動力性、經濟性和排放改善方面,10%DGM柴油的效果優于5%DGM柴油。

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Effects of Oxygenated Fuel on Diesel Engine Performance Under the Simulated Condition of Plateau Area

LI Xiaoran1,2, XU Shihai1, XIONG Yun1, LIU Xiao1

(1.DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China; 2.95958TroopsofPLA,Shanghai200135,China)

Abstract：Experiments were conducted on a F6L913 diesel engine with diesel fuels containing of different proportion (5%, 10%) of diglyme (DGM). By controlling the inlet pressure of the diesel engine to simulate the operating conditions at plateau area of 2000-4000 m, the impacts of oxygenated fuels on engine performances were studied. Results showed that the engine power with oxygenated fuel was obviously increased at the altitude above 2000 m, and increased more as the DGM content increased. The higher the elevation, or the greater the engine speed, the more the engine power increased. The specific fuel consumption of engine fueled with oxygenated fuel was lower than that with pure diesel at the altitude above 2000 m, and the more the DGM added, the more the specific fuel consumption decreased. The HC, CO and soot emissions of the engine fueled with oxygenated fuel reduced significantly, while the NOspanincreased slightly. Use of high oxygen contained fuel is an effective way to restore the engine performance at plateau area.

Key words：diesel engine; oxygenated fuel; diglyme; plateau performance

中圖分類號：TK46+4

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.01.030

文章編號：1001-8719(2016)01-0215-06

收稿日期：2014-07-28

第一作者： 李曉然，男，碩士，從事替代燃料研究;E-mail：1047862772@qq.com

通訊聯系人： 許世海，男，教授，博士，從事油品應用及替代燃料研究;E-mail：xushih@163.com