王憲成， 徐冬冬， 張志遠(yuǎn)， 胡 川

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072； 2. 76327 部隊， 湖南 郴州 423026)

高原地區(qū)車輛柴油機(jī)燃用DBDD含氧混合燃料臺架實(shí)驗(yàn)分析

王憲成1， 徐冬冬1， 張志遠(yuǎn)1， 胡 川2

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072； 2. 76327 部隊， 湖南 郴州 423026)

針對高原地區(qū)車輛柴油機(jī)燃燒惡化的問題，通過高原模擬臺架實(shí)驗(yàn)，對比分析了標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 000 r/min、轉(zhuǎn)矩1 450 N·m和最大扭矩轉(zhuǎn)速1 400 r/min、轉(zhuǎn)矩2 110 N·m 兩種工況下，某型車輛柴油機(jī)燃用-35號柴油和DBDD含氧混合燃料對整機(jī)性能和燃燒特性的影響。結(jié)果表明：與燃用-35號柴油相比，2種工況下柴油機(jī)燃用DBDD含氧混合燃料時燃燒始點(diǎn)和燃燒重心位置提前，燃燒持續(xù)期延長，其燃燒特性得以改善；當(dāng)量油耗率降低，而熱效率提高，說明柴油機(jī)在動力相同時經(jīng)濟(jì)性提高；缸內(nèi)壓力峰值和最大壓力升高率下降，說明柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷降低；平均缸內(nèi)溫度和排氣溫度下降，說明柴油機(jī)熱負(fù)荷降低。

高原地區(qū)； 柴油機(jī)； DBDD含氧混合燃料； 燃燒特性

在高原環(huán)境下，某型車輛柴油機(jī)進(jìn)氣壓力下降、空氣含氧量減少，導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量變差、滯燃期延長，進(jìn)而使柴油機(jī)發(fā)生爆燃，燃燒惡化。燃燒惡化容易引起柴油機(jī)功率降低、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷增加及熱效率下降[1]，因此需要采取有效措施來改善高原地區(qū)該型車輛柴油機(jī)的燃燒狀況，以提高柴油機(jī)整機(jī)性能。顯然，從結(jié)構(gòu)上改善高原環(huán)境下該型車輛柴油機(jī)的燃燒相當(dāng)困難，而通過改進(jìn)燃料來改善燃燒過程是提高柴油機(jī)功率、降低其熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷可行而實(shí)用的途徑。

含氧混合燃料的最大特點(diǎn)是其分子結(jié)構(gòu)中含有氧原子，相當(dāng)于增加了混合氣的含氧量，從而使燃燒速度加快、燃燒持續(xù)期縮短。目前，關(guān)于高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用含氧混合燃料的研究大多在單缸機(jī)或小型柴油機(jī)上進(jìn)行，且側(cè)重于排放性能方面，而針對含氧混合燃料和添加劑提高高原環(huán)境下車輛柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性的研究鮮有報道[2-4]。基于此，筆者通過高原模擬臺架實(shí)驗(yàn)，對比分析2種工況下某型車輛柴油機(jī)燃用-35號柴油和DBDD含氧混合燃料對整機(jī)性能和燃燒特性的影響，可為改善高原地區(qū)車輛柴油機(jī)的燃燒提供理論和工程依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

通過在高原模擬臺架上模擬進(jìn)/排氣壓力和溫度，達(dá)到模擬高原環(huán)境下柴油機(jī)工作的目的。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備和測試儀器如表1所示。其中，Optrand缸壓傳感器安裝在右六缸的空氣起動閥位置。

表1 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備和測試儀器

1.2 實(shí)驗(yàn)燃油

實(shí)驗(yàn)燃油包括-35號柴油和DBDD含氧混合燃料。根據(jù)文獻(xiàn)[5]可得： DBDD含氧混合燃料中-35號柴油(Diesel)、生物柴油(Biodiesel)、碳酸二甲脂(DMC)和二叔丁基過氧化物(DTBP)的體積分?jǐn)?shù)分別為69%、20%、10%和1%。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

海拔高度為4 500 m，進(jìn)氣壓力為57.6 kPa，環(huán)境溫度為(25±2)℃，其中：工況A中，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，轉(zhuǎn)矩為1 450 N·m；工況B中，最大扭矩轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，轉(zhuǎn)矩為2 110 N·m。

主要測試參數(shù)有曲軸轉(zhuǎn)角信號、缸內(nèi)壓力、排氣溫度和燃油消耗量等。

2 結(jié)果及分析

2.1 燃燒特性分析

圖1、2分別為2種工況下瞬時放熱率和累計放熱百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。圖3為2種工況下燃燒重心和燃燒持續(xù)期對比。由圖1-3可以看出與燃用-35號柴油相比，在A、B兩種工況下柴油機(jī)燃用DBDD含氧混合燃料時：1)燃燒始點(diǎn)分別提前了1.3、2.3 ℃A，燃燒重心位置分別提前了0.6、0.9 ℃A，5%～90%燃燒持續(xù)期分別延長了0.8、2.0 ℃A，這是因?yàn)镈BDD含氧混合燃料中含有氧原子和能夠促進(jìn)燃燒的DTBP添加劑，使得氣缸內(nèi)的混合氣體中的含氧量能夠更早地達(dá)到著火所需的濃度；2)瞬時放熱率峰值分別下降了 20.91%、30.41%，這是由于滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量減少。上述分析表明：柴油機(jī)的燃燒特性得以改善。

圖1 2種工況下瞬時放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖2 2種工況下累計放熱百分比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖3 2種工況下燃燒重心和燃燒持續(xù)期對比

2.2 整機(jī)性能

柴油機(jī)整機(jī)性能主要包括動力性能和經(jīng)濟(jì)性能。由于2種工況下柴油機(jī)燃用-35號柴油和DBDD含氧混合燃料時功率和轉(zhuǎn)矩相同，而功率和轉(zhuǎn)矩是衡量柴油機(jī)動力性能的主要指標(biāo)，因此可認(rèn)為柴油機(jī)的動力性能不變。基于此，這里對其經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行討論。經(jīng)濟(jì)性能主要用當(dāng)量油耗率和熱效率表征，其中當(dāng)量油耗率根據(jù)文獻(xiàn)[6]計算得到。

2種工況下柴油機(jī)燃用-35號柴油和DBDD含氧混合燃料的燃油消耗量、當(dāng)量油耗率和熱效率如表2所示?？梢钥闯雠c燃用-35號柴油相比，在A、B兩種工況下燃用DBDD含氧混合燃料時：1)燃油消耗量分別增加了5.05%、6.92%，當(dāng)量油耗率分別降低了5.16%、3.47%，這是因?yàn)镈BDD含氧混合燃料熱值為38.37 kJ/g，低于-35號柴油熱值42.5 kJ/g，則功率相同時，必然使燃用DBDD含氧混合燃料時的燃油消耗量有所增加，消除燃料熱值的影響，當(dāng)量油耗率降低；2)熱效率比分別提高了5.45%、3.60%，這是因?yàn)镈BDD含氧混合燃料中含有相對較多的氧原子，彌補(bǔ)了高原環(huán)境下空氣含氧量低的不足，同時DTBP添加劑可促進(jìn)混合燃料燃燒，使燃燒更加充分。

上述分析表明：柴油機(jī)在動力性能相同的情況下，經(jīng)濟(jì)性能得以提高。

表2 2種工況下柴油機(jī)的燃油消耗量、當(dāng)量油耗率和熱效率

2.3 機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷分析

圖4、5分別為2種工況下缸內(nèi)壓力和壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線?？梢钥闯觯号c燃用-35號柴油相比，在A、B兩種工況下燃用DBDD含氧混合燃料時的缸內(nèi)壓力峰值分別降低了0.63%、3.50%，最大壓力升高率分別下降了17.39%、26.15%，這說明柴油機(jī)工作時的機(jī)械負(fù)荷降低。其原因?yàn)椋?)DBDD含氧混合燃料中DTBP添加劑具有助燃作用，能夠縮短滯燃期，使得滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣體減少，進(jìn)而使速燃期的燃燒速度減緩；2)DBDD含氧混合燃料熱值較低[5-6]。

圖6、7分別為2種工況下平均缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線及渦后溫度對比?？梢钥闯觯号c燃用-35號柴油相比，在A、B兩種工況下燃用DBDD含氧混合燃料時的平均缸內(nèi)溫度整體降低，最高溫度分別降低了50、48 ℃，渦后溫度分別降低了19、

圖4 2種工況下缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖5 2種工況下壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖6 2種工況下平均缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖7 2種工況下渦后溫度對比

7 ℃，這說明柴油機(jī)工作時的熱負(fù)荷明顯降低[7]。其原因?yàn)椋?)滯燃期縮短使得著火前缸內(nèi)可燃混合氣量減少，燃燒更加平緩；2)DBDD含氧混合燃料含有10%碳酸二甲脂，其汽化潛熱大，能降低缸內(nèi)溫度。

3 結(jié)論

通過高原模擬臺架實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)：與燃用-35號柴油相比，燃用DBDD含氧混合燃料時，柴油機(jī)的燃燒特性得以改善，熱效率增大，機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷降低。本研究為改善高原地區(qū)車輛柴油機(jī)的燃燒提供了理論和工程依據(jù)。下一步，筆者將對添加劑種類和比例進(jìn)行更深入的研究，以配制最佳的車輛柴油機(jī)高原用含氧混合燃料。

[1] 李曉然，許世海，劉曉，等.缺氧條件下含氧燃料燃燒性能研究[J].石油煉制與化工，2015，46(3)：67-69.

[2] 沈穎剛，畢克剛，翁家慶，等.柴油機(jī)在高原地區(qū)燃用混合燃料的實(shí)驗(yàn)研究[J].車用柴油機(jī)，2008，179(6)：11-14.

[3] 劉少華，申立中，張生斌，等.BED混合燃料穩(wěn)定性及對高原地區(qū)柴油機(jī)性能影響的研究[J].汽車工程，2012，34(9)：816-820.

[4] CHAUHAN B S,KUMAR N,HAENG M C.A study on the performance and emission of a diesel engine fueled with jatropha biodiesel oil and its blends[J].Energy,2012,37(1):616-622.

[5] 李華兵.面向高原環(huán)境的柴油機(jī)燃料改進(jìn)研究[D].北京：裝甲兵工程學(xué)院，2013.

[6] 李若亭，李華兵，馬寧，等.EHN添加劑對高原環(huán)境柴油機(jī)燃燒特性的影響[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2015，29(5)：39-43.

[7] 喻武，張志遠(yuǎn)，陳財森，等.生物柴油/甲醇混合燃料柴油機(jī)的性能和排放[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2015，29(3)：47-54.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Bench Test Analysis of Vehicle Diesel Engine Fueled with DBDD Oxygenated Fuel in Plateau Area

WANG Xian-cheng1, XU Dong-dong1, ZHANG Zhi-yuan1, HU Chuan2

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Troop No.76327 of PLA, Chenzhou 423026, China)

To solve the combustion deterioration problem of vehicle diesel engine in plateau area, the plateau simulation bench test is carried out for the analysis of diesel engine fueled with No.35 diesel and the DBDD oxygenated fuel effect on certain vehicle diesel engine performance and combustion characteristics under two kinds of working conditions such as the rated speed 2 000 r/min, torque 1 450 N·m and the maximum torque speed 1 400 r/min, torque 2 110 N·m. The results show that compared with No.35 diesel, DBDD oxygenated fuel will advance the ignition starting point and the combustion center of gravity position, the combustion duration prolongs, the combustion characteristics are improved; the equivalent fuel consumption rate reduces, and the thermal efficiency increases, illustrating that the economy of the diesel engine is improved at the same power; the peak pressure and the maximum cylinder pressure rise rate decrease, illustrating that the mechanical load of the diesel engine is reduced; the average temperature in the cylinder and the exhaust temperature drop, illustrating that the heat load of diesel engine is reduced.

plateau area; vehicle diesel engine; DBDD oxygenated fuel; combustion characteristics

1672-1497(2017)02-0040-04

2016-11-23

國家“973”計劃項(xiàng)目(201697301)

王憲成(1964-)，男，教授，博士。

TK421+.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.02.009