活塞式航空發動機燃用生物航煤與RP-3燃料的適用性對比

楊 飛, 陳 偉, 張 晨, 羅 剛*, 徐俊明, 李芳琳

(1.南京航空航天大學 能源與動力學院;航空發動機熱環境與熱結構工業和信息化部重點實驗室,江蘇 南京 210016; 2.中國林業科學研究院 林產化學工業研究所, 江蘇 南京 210042)

生物質是唯一可以直接轉化得到液體燃料油的可再生資源[1]。生物航煤源于可再生的生物質資源，同傳統燃料相比，生物航煤具有分子結構與石化航煤相似、硫含量低、閃點高、燃燒產物排放量低等特點，具有不需要更換發動機和燃油系統便可使用的巨大優勢[2]。此外，生物航煤還具有原料易得、可再生、污染少等優點，與其他替代能源相比更加受到青睞[3]。在生物航煤的研制和應用研究領域，國內外學者針對生物航煤的制備、物理性質、燃燒性能等方面開展了大量研究[4-10]。由于航空發動機造價昂貴且實驗條件苛刻，因此對生物航煤的實驗研究多在小型渦輪機或者替代的燃燒試驗器上進行。Hui等[11]通過使用逆流燃燒器測試研究了航空燃料(Jet-A)和各種替代噴氣燃料的基本燃燒特性，發現替代燃料的理化性質對燃料的燃燒特性影響較大；Rehman等[12]使用麻風樹生物柴油與傳統石油基燃油進行摻混，在IS/60 Rovers燃氣輪機中利用混合燃料進行了工作可行性試驗；Corporan等[13]使用T63渦輪軸發動機和大氣旋流穩定燃燒室研究合成噴氣燃料的排放特征，分析了非揮發性顆粒物質(PM)和氣體排放，以評估無芳烴和無硫噴氣燃料對燃燒器的影響規律。以上研究表明生物燃料的理化性能對其霧化性能起著決定性的作用，進而影響生物燃料的燃燒性質。本研究以大豆油為原料制備了某型生物航煤，并將生物航煤應用在某型活塞式重油航空發動機上，進行了發動機臺架試驗，通過生物航煤與RP-3燃料的成分分析、臺架試驗數據對比，以期制備適用性優良的生物航煤。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

大豆油由江蘇強林生物質能源材料有限公司提供；RP-3燃料、RP-5燃料由南京航空航天大學無人機研究院提供；碳酸鈉(AR)，西隴化工股份有限公司；鈀碳催化劑(10% Pd/C)，阿拉丁公司；HZSM-5催化劑(硅鋁比值為25)，天津南化催化劑有限公司；高純氫氣，南京麥克斯南分特種氣體有限公司。

活塞式重油航空發動機臺架，南京航空航天大學自研產品；SYD-265C-1石油產品運動黏度器由中國林業科學研究院林產化學工業研究所提供；附溫比重瓶，上海崇明建設玻璃儀器廠；6300型氧彈量熱儀，美國Parr公司；890A/5975C氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)儀，美國Agilent公司。

1.2 生物航煤的制備

1.2.1大豆油的催化裂解 本研究所用生物航煤是通過熱化學催化的方法控制大豆油油脂結構進行多級演化，催化裂解得到的裂解油。具體技術路線如下圖所示。

具體操作：使用質量分數5%的Na2CO3為催化劑與1 500 g大豆油在反應釜溫度<450 ℃、精餾柱溫度300 ℃的條件下進行催化裂解反應。反應產生的氣態油中輕質油組分通過精餾柱后，經冷凝管液化導出，即得到輕質油。重質油組分沸點較高，通過精餾柱時被攔截，回流到反應釜中發生進一步裂解后流出。

1.2.2 精餾提取輕質油 將催化裂解得到的的裂解油稱量后，進行精餾，收集<280 ℃的餾分，獲得直鏈烴類(輕質油)。

1.2.3 調整輕質油分子結構制取生物航煤 對輕質油進行GC-MS分析，輕質油的分子鏈長度主要分布在C8～C15，處于噴氣燃料的組成范圍內。由于噴氣燃料主要是烷烴、芳香烴和環烷烴三者的混合物，而輕質油中多數為直鏈烷烴和烯烴，環烷烴和芳香烴含量不足。因此，需要對輕質油的分子結構進行調整。首先，使用質量分數5%的HZSM-5分子篩催化劑對輕質油進行芳構化處理，使部分烷烴、烯烴轉化為芳香烴。取出部分芳烴化的輕質油高壓加氫，通過加氫反應(質量分數3% Pd/C為催化劑)將部分芳香烴加氫為環烷烴。經過調配，最終得到的碳鏈長度分布在C8～C15，主要成分為鏈烷烴、芳香烴和環烷烴的生物航煤。

1.3 分析及性能測定

1.3.1GC-MS分析 采用氣相色譜-質譜聯用儀對生物航煤的組分進行定性分析。采用HP-5色譜柱(30 m×0.05 μm×0.32 nm)，檢測器為FID檢測器。測試條件為50 ℃ 保持2 min，以5 ℃/min升溫至220 ℃保持2 min，氣化室溫度280 ℃，載氣為氮氣，進樣量0.5 μL，分流比為50∶1。質譜檢測條件為電離方式EI源，轟擊能量70 eV，離子源溫度230 ℃，通過全掃描采集數據。

1.3.2性能測定 在20 ℃下，采用附溫比重瓶測定燃料的密度；采用全自動氧彈量熱儀檢測油品熱值；依據GB/T 2430—2008和GB/T 5530—2005分別測定油品的冰點、酸值；依據GB/T 265—1988，在20 ℃下，采用毛細管黏度計在SYD-265C-1石油產品運動黏度器中測定裂解燃料油的運動黏度。

1.4 發動機熱啟動性能對比試驗

利用發動機試驗平臺(圖1)，在相同工況下對生物航煤和RP-3燃料進行發動機熱啟動性能對比試驗。試驗發動機為自主研發的活塞式重油航空發動機(結構見圖2)，兩缸水平對置，排量56 cm3，設計使用燃油為RP-3燃料，冷卻方式為風冷，主要用于無人機。發動機兩側為燃燒室，布置有環形肋片和豎直肋片，用于增加散熱面積。上端安裝螺旋槳葉片，腹部兩側是排氣口，腹部中間是用于加裝加熱設備的槽。經過多架次超過200 h的長時間測試標定和試驗，該型號發動機運行穩定可靠，具體性能參數如下：轉速1 500～7 000 r/min，功率3.2 kW，缸徑36.068 mm，行程27.94 mm，排量56 cm3，適配螺旋槳20X12、21X12和22X10，綜合油耗600 g/h，整機質量3.0 kg。

圖1 發動機臺架系統圖

圖2 發動機結構圖

將地面加熱監控模塊加熱開關調至自動模式，連接兩路PT100缸溫傳感器，打開逆變器開關和控制開關；在自動模式下通過逆變器面板觀察實時加熱功率和電池組實時電壓。將缸體預熱到一定溫度，給發動機控制單元集成(ECU)、油泵、缸內直噴(GDI)點火器供電，將節氣門調節到啟動所需開度，啟動發動機。轉速控制在1 800～2 000 r/min，分析生物航煤和RP-3燃料對發動機啟動溫度的影響。

1.5 活塞發動機臺架試驗

活塞發動機轉速、缸體溫度、舵機開度、燃油消耗等數據通過控制箱匯總到控制室的PC端。ECU模塊控制噴油量、噴油提前角、舵機開度等，單獨的點火模塊控制發動機火花塞。燃油消耗量使用電子秤實時監測，數據通過計算機自動采集分析。

使用同一臺發動機，首先進行RP-3燃料測試，測試完畢后，拆解發動機檢查；隨后進行生物航煤測試。更換生物航煤后開機10 min，確保發動機油路中全部殘余的RP-3燃料消耗完畢后再進行數據采集，避免燃油混燒造成影響。

發動機啟動方式與1.4節啟動試驗步驟一致，通過調節舵機開度，改變發動機轉速。發動機缸體溫度通過連接在缸體上的PT100缸溫傳感器測得，經ECU傳輸給PC端。過量空氣系數(λ，衡量燃燒狀態的穩定性)不能直接測量，通過安裝在發動機排氣管處的氧傳感器實時監測尾氣中的氧氣體積分數(φO2)，根據λ=21%/(21%-φO2)得到過量空氣系數，其中21%為空氣中氧氣的體積分數。

2 結果與分析

2.1 生物航煤的成分分析

經GC-MS分析發現，生物航煤的基本組成如下：直鏈烷烴74.54%、環烷烴13.04%、芳香烴10.31%、醚類1.07%和非α-鏈烯烴1.04%。可以看出，烷烴占大多數，能提供理想的燃燒潔凈度。其中主要成分的結構如圖3所示。

圖3 生物航煤的基本成分結構

生物航煤中的烷烴和烯烴占比接近90%，輕質烴類具有易蒸發、閃點低的特點，在噴嘴噴出時會率先揮發形成燃料蒸氣，可以提供良好的燃燒潔凈度和啟動性能。芳香烴可以防止飛機燃料系統橡膠密封圈收縮，避免燃料泄漏，生物航煤芳香烴質量分數為10.31%，符合航空噴氣燃料芳香烴不高于20%的標準要求。醚類含氧量高，極易燃燒，可以改善發動機貧氧狀態下的燃燒，但醚類經光照易與空氣反應產生過氧化物，運輸儲存過程中需要注意。

2.2 燃油性能分析

輕質油、生物航煤、RP-3和RP-5的部分性能參數如表1所示。

表1 輕質油、生物航煤、RP-3和RP-5的性能參數1)

1)RP-3和RP-5的參數來自GB/T 6537—2006和GB/T 1884—2000 the parameters of RP-3 and RP-5 refers to GB/T 6537—2006 and GB/T 1884—2000, respectively

由表1可以看出，生物航煤的黏度高于RP-3燃料，密度與RP-3燃料接近。生物航煤的熱值為44.4 MJ/kg，相比原材料大豆油的熱值(38.95 MJ/kg)有較大幅度提升，能量密度高，符合航空噴氣燃料的基本熱值要求;冰點為-48 ℃，滿足高空低溫環境下的航空使用條件;酸值為零，存儲、運輸和使用過程中對管路、容器等不會產生腐蝕作用。對比發現，生物航煤與RP-3燃料性能較為接近，滿足航空噴氣燃料熱值不低于42.8 MJ/kg、冰點不高于-47 ℃、密度為775～830 kg/m3、酸值(以KOH計)不大于0.015 mg/g的基本理化性質要求。

2.3 發動機臺架試驗結果分析

2.3.1熱啟動性能 關機冷卻后，在發動機缸體溫度預熱到60 ℃下重復生物航煤的發動機熱啟動試驗，發動機正常啟動。再次關機冷卻后，重復以上步驟，RP-3燃料在相同工況下啟動溫度為65 ℃，60 ℃ 無法成功啟動。熱啟動對比試驗表明生物航煤在航空重油活塞發動機上的啟動性能相較于RP-3燃料更為出色(室溫30.4 ℃)。

2.3.3油耗分析 圖4(b)為生物航煤與RP-3燃料在活塞發動機臺架實驗中的油耗數據。由圖可知，生物航煤和RP-3燃料在油耗數據上非常接近(相差小于0.02 g/s)，同等工況條件下生物航煤的油耗略高。主要原因是生物航煤的黏度偏高，削弱了燃油的霧化效果，進而影響了火焰傳播速度，使得在一個工作循環內燃油無法充分燃燒而被排出，造成油耗升高。

圖4 發動機轉速對溫度(a)和油耗(b)的影響

2.3.4過量空氣系數 為表征生物航煤在活塞發動機中的燃燒狀態，采用過量空氣系數來衡量燃燒狀態的穩定性。燃用生物航煤試驗測量的過量空氣系數(λ)值與燃用RP-3燃料時相比差異較大。燃用生物航煤時過量空氣系數在發動機轉速超過4 200 r/min時開始無法穩定在某一數值上，5 500r/min后趨于正常，表明此時燃燒狀態仍不穩定。將發動機兩缸的過量空氣系數與轉速的關系進行處理，結果如圖5所示。發動機轉速為2 500～4 200 r/min時，生物航煤與RP-3燃料產生的混合氣體濃度都比較接近，基本在1左右浮動，燃燒狀態理想。發動機轉速超過4 200 r/min時，生物航煤的燃燒狀態較不穩定，此時一缸過量空氣系數在0.8～1.2之間跳動，不能穩定在固定值，說明發動機內混合氣濃度發生劇烈變化，濃度忽高忽低，表明燃燒狀態惡化。二缸過量空氣系數也出現類似較大幅度的波動。

圖5 發動機的過量空氣系數隨轉速的變化

發動機在相對高轉速的工況下，噴油頻率變高，生物航煤由于黏度較高的問題導致霧化不充分，存在大粒徑油滴掛壁的現象，隨時可能出現油滴落，致使可燃混合氣濃度瞬間提高，造成過量空氣系數持續不穩定。在發動機燃用生物航煤過程中振動幅值超出正常范圍，發生爆震。生物航煤黏度較高可能是由于生物航煤制備過程中芳構化加氫不徹底而形成的膠質所導致，膠質容易在發動機燃燒過程中產生積炭，積炭溫度較高，使得可燃混合氣在積炭處被點燃，形成多火核，加快混合氣燃燒速度，造成爆震，擾亂正常火花塞點火的火焰傳播方向和燃燒速度。

2.3.5結焦情況分析 生物航煤和RP-3燃料各在發動機上進行臺架試驗測試34 min，燃用生物航煤進行發動機臺架試驗后，對發動機進行了拆解檢查，發現發動機燃燒室壁出現了一定的結焦積炭情況，發動機產生不可逆損傷，如圖6(a)所示。刮取部分結焦物質進行檢測分析，結果表明結焦物質主要成分為炭，以及部分未完全燃燒的生物航煤。而燃用RP-3燃料后拆解發動機未發現積炭現象，如圖6(b)所示，且可繼續正常運行超過200 h。

從生物航煤和RP-3燃料的理化性質對比分析可以發現，由于生物航煤的黏度較高，可能導致生物航煤的噴射與霧化效果較RP-3燃料差，生物航煤燃燒不充分而發生結焦積炭現象，造成發動機爆震。因此，為使生物航煤能夠更好地配合航空活塞發動機的燃油霧化及燃燒工作，后續的制備工藝將試圖去除目前工藝過程中產生的膠質等過程產物，進一步降低生物航煤的黏度等理化指標參數，使其流動性增強，以期能更好地被燃油噴嘴霧化。

圖6 燃用生物航煤(a)和RP-3燃料(b)的燃燒室

3 結 論

3.1大豆油經催化裂解反應，并通過芳構化、加氫進行分子結構的調整，制備得生物航煤，其成分及理化性能分析表明：生物航煤的主要成分為烷烴、芳香烴和環烷烴，其熱值較高(44.4 MJ/kg)，冰點低(-48 ℃)，但黏度較高(2.11 mm2/s)，理化性能與RP-3燃料接近，能量密度高，具有較好的應用前景。

3.2采用活塞式重油航空發動機進行發動機臺架試驗，結果發現：與RP-3燃料相比，生物航煤具有更低的啟動溫度(60 ℃)，熱啟動性能優于RP-3燃料(65 ℃)；油耗與溫升速度和RP-3燃料極為接近；發動機轉速超過4 200 r/min時生物航煤的過量空氣系數波動較大(0.8～1.2)，燃燒狀態惡化；臺架試驗后，燃用生物航煤的發動機出現結焦積炭現象。

3.3生物航煤制備過程中產生的膠質等過程產物，會導致其黏度增加，從而影響霧化效率、燃燒充分程度等發動機工作性能。因此，需要在后續研究中進一步降低生物航煤的黏度等理化參數，以提高生物航煤的發動機燃用適用性。