RP-3航空煤油在高壓共軌柴油機中的應用

劉伍權，張光超，楊春浩，劉健鋒，劉瑞林

(1.陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 3．海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

● 車輛工程VehicleEngineering

RP-3航空煤油在高壓共軌柴油機中的應用

劉伍權1，張光超2，楊春浩3，劉健鋒2，劉瑞林1

(1.陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 3．海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033)

為研究航空煤油在柴油機中的燃燒特性，用一臺高壓共軌柴油機開展航空煤油的燃燒過程研究，并在全負荷條件下與柴油的燃燒進行對比分析。結果表明：預混燃燒放熱峰值和擴散燃燒放熱峰值較燃用柴油都有所降低。在轉速較低時，燃用航空煤油的燃燒相位較柴油的燃燒相位偏左；轉速較高情況下，情況正好相反。中低轉速時，滯燃期縮短，缸內最高燃燒壓力和最大壓升率升高，發(fā)動機工作粗暴；高轉速時，滯燃期增加，缸內最高燃燒壓力和最大壓升率下降，發(fā)動機工作平緩。

高壓共軌柴油機；航空煤油；燃燒過程

隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)場會更加殘酷，油料保障面臨更加嚴峻的考驗，因此有必要尋找更加高效、保障方式簡單的燃料。1988年美國國防部明確規(guī)定：在未來戰(zhàn)場上采用單一燃料(JP-8)[1]，這一規(guī)定將大大減少油料保障的難度。20世紀80年代末，美國陸軍坦克與自動車輛研究、開發(fā)和工程中心(TARDEC)對2 857臺地面柴油車輛裝備燃用JP-8航空煤油進行了應用試驗[2]。結果表明：可以將JP-8作為地面車用柴油機使用燃料[3]，并分別在海灣戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭及海地維和任務中使用與JP-8性質相似的Jet-A1、TS1與JP-5作為單一燃料[1，4]。經(jīng)過航空煤油的不斷改進，美軍在1999年底，將JP-8+100作為戰(zhàn)場戰(zhàn)斗機、訓練機等小型飛機上的航空用油。

在國內，對車用柴油機燃用航空煤油的燃燒與性能影響等方面的研究較少。張俊強等[5-8]對溶有甲烷的煤油和柴油穩(wěn)態(tài)噴霧特性進行了試驗研究，并對兩種燃料的結果進行了比較，結果表明：溶氣對燃油的霧化有正反兩方面的影響，且與多種因素有關。姚廣濤等[9]將某重型柴油機燃用RP-3航空煤油和柴油的性能進行對比，研究表明：燃用航空煤油相比于柴油其動力性能未出現(xiàn)明顯的下降；在部分負荷時，由于航空煤油有著較好的霧化與蒸發(fā)特點，其燃燒速度更快，熱效率更高，有效燃油消耗率降低。本文基于車用柴油機燃燒特性試驗系統(tǒng)，研究高壓共軌柴油機燃用航空煤油與輕質柴油燃燒特性。

1 試驗系統(tǒng)及試驗方法

1.1試驗裝置

本文以某型高壓共軌柴油機為研究對象，主要技術參數(shù)見表1。

表1 高壓共軌柴油機主要技術參數(shù)

我國的主要航空油料為3號航空煤油(RP-3)，本文選取與美軍的Jet-A1噴氣燃料性質相似的RP-3航空煤油作為試驗用油。RP-3航空煤油與車用輕質柴油理化性質對比見表2[10-13]。

表2 航空煤油與車用輕質柴油理化性質對比

1.2試驗方法

根據(jù)GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動機性能試驗方法》[14]，分別在1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min等3個轉速進行了燃燒航空煤油與柴油的燃燒與性能試驗。曲軸轉角分辨率為0.1°CA，曲軸轉角范圍為-40～100°CA，并把測得的每50個循環(huán)的數(shù)據(jù)取平均值。計算過程中，把燃燒始點設為燃油瞬時放熱率曲線上止點前的突然回升最低點，燃燒終點設為累計放熱率達到90%的時刻[15]。

2 試驗結果與分析

2.1柴油機燃用航空煤油與柴油燃燒放熱參數(shù)對比分析

(a)n=1 000 r·min-1

(b)n=1 500 r·min-1

(c)n=2 100 r·min-1圖1 柴油機燃用航空煤油和柴油放熱規(guī)律曲線

試驗用柴油機分別燃用航空煤油和柴油兩種燃料，并記錄下相關燃燒數(shù)據(jù)。兩種燃料的瞬時放熱率曲線和累計放熱率曲線如圖1所示，并將曲軸轉角從-32～0°CA時滯燃期階段的瞬時放熱率以及1 500 r/min轉速下曲軸轉角從6～20°CA時的瞬時放熱率進行了突出顯示。 對比圖中兩燃料的放熱規(guī)律曲線可以看出，燃用RP-3航空煤油較燃用柴油存在以下差異。

(1)滯燃期對比。發(fā)動機轉速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min時，發(fā)動機燃用RP-3航空煤油時的燃燒始點分別為-4.1°CA、-3.6°CA、-7.2°CA，而燃用輕質柴油時的燃燒始點分別為-3°CA、-3.3°CA、-7.8°CA，導致發(fā)動機燃用不同燃料的滯燃期也有所不同。

在低轉速(1 000 r/min)時，柴油機燃用RP-3航空煤油的滯燃期小于柴油，而在高轉速時，柴油機燃用RP-3航空煤油的滯燃期卻大于柴油。這是由于在低轉速時，發(fā)動機缸內溫度較低，燃料的蒸發(fā)性起主要作用[16]。RP-3航空煤油的沸點(185 ℃)低于柴油(180～370 ℃)，其汽化潛熱值(345 kJ/kg)也小于輕質柴油(375 kJ/kg)。吸熱少更具有揮發(fā)性，利于油霧的擴散，更易形成均勻的可燃混合氣，加上此時燃用RP-3航空煤油的過量空氣系數(shù)為1.19，大于燃用柴油時的1.13(不同轉速下過量空氣系數(shù)對比如圖2所示)，燃燒室內的氧含量較大，更利于混合氣的燃燒。在中等轉速(1 500 r/min)時，缸內溫度隨著轉速的增加而增大，此時十六烷值對燃料的燃燒影響更加明顯，由于柴油的十六烷值(49)低于RP-3航空煤油(43)，燃料的燃燒性能更強，對柴油的弱蒸發(fā)性所引起自燃能力偏低進行了一定補償[17]，且此時兩種燃料的過量空氣系數(shù)幾乎相同，所以此時輕質柴油的滯燃期略大于RP-3航空煤油，相差為0.3°CA；在高轉速(2 100 r/min)時，缸內溫度較高，蒸發(fā)性作用不明顯，而十六烷值對于燃料的燃燒始點起著主要作用，此時柴油的過量空氣系數(shù)(1.66)大于航空煤油的過量空氣系數(shù)(1.64)，對混合氣的燃燒起到促進作用，使柴油的滯燃期要小于RP-3航空煤油。

圖2 不同轉速下兩種燃料的過量空氣系數(shù)對比

(2)預混燃燒放熱峰值點及放熱峰值對比。發(fā)動機轉速分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min時，發(fā)動機燃用兩種不同燃料預混燃燒放熱峰值點及放熱峰值如圖3、圖4所示。

圖3 不同轉速下預混燃燒放熱峰值點

圖4 不同轉速下預混燃燒放熱峰值

從圖中可知，RP-3航空煤油的擴散燃燒放熱峰值點隨轉速的變化而變化。轉速為1 000 r/min時，擴散燃燒放熱峰值點較柴油提前；轉速為1 500 r/min時，擴散燃燒放熱峰值點較柴油有所推遲；轉速為2 100 r/min時，放熱峰值點滯后更加明顯。這是由于RP-3航空煤油的表面張力小、運動黏度低、蒸發(fā)性比柴油的好，擴散速率較快，隨著轉速的升高，缸內溫度增加，十六烷值對燃燒的作用大于蒸發(fā)對燃燒的作用。所以會出現(xiàn)在低轉速時，航空煤油的擴散燃燒放熱峰值提前，而在高轉速時，擴散燃燒放熱峰值滯后。

發(fā)動機3種轉速下，燃用航空煤油預混燃燒放熱峰值均低于輕質柴油，但在轉速為1 500 r/min時，兩種燃料峰值相差不明顯。這是由于輕質柴油的密度大于航空煤油，在相同的噴油壓力下，航空煤油的可壓縮性比輕質柴油好，再加上在預混燃燒階段航空煤油的噴油出現(xiàn)的延遲導致噴油量減少，因此，在此階段航空煤油的放熱峰值比柴油低。

從累積放熱率曲線可以看出，在轉速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min時，發(fā)動機燃用柴油的燃燒終點分別為47.3°CA、46.9°CA、44.8°CA，而燃用航空煤油的燃燒終點明顯滯后0.8°CA、0.6°CA、5.1°CA，分別為48.1°CA、47.5°CA、49.9°CA，造成后燃增加。究其原因，雖然航空煤油的蒸發(fā)性較好，但其密度比輕質柴油小，可壓縮性大，以及出現(xiàn)的噴油延遲，造成擴散燃燒不充分，后燃期增長，使燃燒終點出現(xiàn)滯后。

2.2柴油機燃用航空煤油與柴油缸內壓力參數(shù)對比分析

壓力升高率是反映發(fā)動機性能的一項重要指標。本文按下式計算壓力升高率[15]：

式中：φC、φB分別為缸壓曲線臨近兩點對應的角度；pC、pB分別為缸壓曲線臨近兩點的壓力。

圖5所示為轉速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min，全負荷工況下，兩種燃油的缸內壓力及壓力升高率對比曲線。

(a)n=1 000 r·min-1

(b)n=1 500 r·min-1

(c)n=2 100 r·min-1圖5 柴油機燃用航空煤油和柴油缸內壓力及壓力升高率曲線

圖6所示為RP-3航空煤油和柴油在3種轉速下的缸內壓力參數(shù)。

(a)最高燃燒壓力

(b)最高燃燒壓力對應的曲軸轉角

(c)壓力升高率峰值

(d)壓力升高率峰值對應的曲軸轉角圖6 發(fā)動機燃用兩種不同燃料在不同轉速下缸壓參數(shù)

由圖6可知，不同轉速時，燃用航空煤油與燃用柴油對發(fā)動機的影響不同。在轉速為1 000 r/min、1 500 r/min時，燃用航空煤油相比較于柴油缸內最高燃燒壓力上升明顯，分別為3.6%、3.4%，壓力升高率峰值出現(xiàn)明顯上升，分別為4.8%、5.9%，達到14.8 MPa、16.2 MPa。與中低轉速不同，發(fā)動機在高轉速時(2 100 r/min)，缸內最高燃燒壓力有4.3%的下降，壓力升高率峰值也下降8.5%。

究其原因，發(fā)動機處于較低轉速時，缸內溫度不高，此時缸溫對柴油機的燃燒起主要作用。航空煤油的黏度(1.814 mm2/s)與輕質柴油(2.5 mm2/s)相比較低，減少了在噴孔中的摩擦損失，更利于噴霧的流動，且航空煤油的表面張力也比輕質柴油的小，噴霧與空氣接觸產(chǎn)生的卷吸渦流更加明顯，混合可燃氣的形成也更加迅速，航空煤油的平均閃點低于輕質柴油也會縮短滯燃期，滯燃期短，壓力升高率的峰值相應地增大，使最大壓力升高率對應的曲軸轉角提前；而柴油機處于高轉速時，缸內溫度升高，燃油的蒸發(fā)性、霧化特性對柴油機的燃燒影響不大，燃料的十六烷值起了很大的作用，使柴油放熱量明顯大于航空煤油，在相同的噴油壓力和噴油脈寬下，由于輕質柴油的密度大于航空煤油的密度，相對的燃料的噴入量較大，最高燃燒壓力和最大壓力升高率也會有所增加，但兩者的燃燒相位基本相同。

最大壓力升高率是反映柴油機燃燒粗暴程度的重要指標[18]，發(fā)動機在中低轉速時，燃用航空煤油的最大壓力升高率較燃用輕質柴油的大；在高轉速時，燃用航空煤油的最大壓力升高率低于輕質柴油，所以燃用航空煤油柴油機在中低轉速時工作粗暴，高轉速時工作平穩(wěn)。

3 結 論

在不改變發(fā)動噴油參數(shù)情況下，選取轉速1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min，全負荷工況，分析了車用柴油機燃用航空煤油與燃用輕質柴油的不同燃燒性能，得到如下結論：

(1)低轉速時，燃用RP-3航空煤油相較于燃用輕質柴油，滯燃期縮短，預混燃燒放熱峰值降低，擴散燃燒放熱峰值降低，燃燒相位整體左移，缸內最高燃燒壓力上升3.6%，最大壓升率升高4.8%，發(fā)動機工作粗暴；

(2)中等轉速時，燃用航空煤油相較于燃用輕質柴油，滯燃期縮短，僅相差0.3°CA，預混燃燒放熱峰值接近，擴散燃燒放熱峰值低于輕質柴油，燃燒相位相差不大，缸內最高燃燒壓力上升3.4%，最大壓升率升高5.9%，發(fā)動機工作粗暴；

(3)高轉速時，燃用航空煤油相較于燃用輕質柴油，滯燃期延長，預混燃燒放熱峰值降低，擴散燃燒放熱峰值降低，燃燒相位整體右移，缸內最高燃燒壓力下降4.3%，壓力升高率峰值降低8.5%，發(fā)動機工作平緩；

(4)柴油機燃用航空煤油，在中低轉速時工作粗暴，而在高轉速時工作平穩(wěn)，下一步可開展通過改變噴油參數(shù)優(yōu)化燃用航空煤油燃燒特性的研究。

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(編輯：張峰)

ApplicationofRP-3AviationKeroseneinHighPressureCommonRailDieselEngine

LIU Wuquan1, ZHANG Guangchao2, YANG Chunhao3, LIU Jianfeng2, LIU Ruilin1

(1.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 3．College of Power Engineering, Naval Unviersity of Engineering, Wuhan 430033, China)

To study the combustion characteristics of aviation kerosene in diesel engine, the paper studies the combustion process of a high pressure common rail diesel engine, and compares the combustion with diesel oil under full load. The result shows that the heat release peak of premixed combustion and diffusion combustion are lower than that of diesel oil. The combustion phase of kerosene deviates to left comparing to that of diesel oil at lower rotational speed, and it is opposite at higher rotational speed. At medium-low rotational speed, the ignition delay period is decreased, and the peak combustion pressure and maximum pressure rise rate are increased, and the engine operates roughly. At high rotational speed, the ignition delay period is increased, and the peak combustion pressure and maximum pressure rise rate are decreased, and the engine operates smoothly.

high pressure common rail diesel engine; aviation kerosene; combustion process

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.11.009

TK428.9

A

1674-2192(2017)11- 0040- 06

2017-06-09；

2017-08-21．

劉伍權(1973—)，男，博士，教授，碩士研究生導師．