高原环境下油品对柴油机燃烧特性的影响研究

蔡忠周， 张晓琴， 王增全， 李耀宗， 李云广， 黄云亮， 王晓滕， 张冬梅

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)



高原环境下油品对柴油机燃烧特性的影响研究

蔡忠周， 张晓琴， 王增全， 李耀宗， 李云广， 黄云亮， 王晓滕， 张冬梅

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

在模拟高原条件下，针对3种不同品质的柴油(十六烷值和馏分)对某增压柴油机的燃烧特性的影响规律进行了研究分析，并据此简要分析在高原运行时出现活塞烧蚀故障与所用油品的关系。结果显示：目前在用柴油由于其十六烷值低，柴油不易被压燃着火，滞燃期长，且初馏温度低，柴油容易蒸发，预混合燃烧期内积累的热量多，造成缸内压力的升高速率增大，燃烧过程粗暴；海拔升高，空气密度下降，柴油的着火时间延长，燃烧速度加快，最大压力升高率增大，由此产生强烈的热负荷和机械负荷冲击，容易造成活塞烧蚀。

燃油品质； 高原； 柴油机； 燃烧过程

我国海拔超过1 000 m的高原分布广阔，约占我国国土面积的37%。其中，青藏高原作为中国最大的高原，平均海拔达4 500 m，其气候昼夜温差大，大气压力低，空气密度小，空气含氧量低，大气条件恶劣[1-2]。增压柴油机在高原地区工作时，受大气条件的影响，滞燃期长，容易造成燃烧恶化和活塞烧蚀等现象[3-5]。燃油的品质(如十六烷值、馏程、密度等)直接影响柴油机的性能[6-10]。柴油的自燃性能用十六烷值评定[11-13]；蒸发性能用馏程表征，蒸发性影响着火延迟期燃油的蒸发量，从而影响燃烧过程。品质好的柴油其馏程较窄，在250～350 ℃之间蒸发的馏分最多[14-15]。

本研究对某重型增压柴油机燃用3种不同品质柴油进行高原性能模拟试验，考察了柴油理化性质的差异对高原环境下柴油机燃烧特性的影响规律，并对高原运行时出现的活塞烧蚀现象进行简要分析。

1 试验

1.1 柴油油样

本研究选取了3种不同品质的柴油，油品参数见表1(数据由石科院提供)。表中的3号柴油为目前某重型增压柴油机在用柴油。

表1 试验用柴油的主要参数

1.2 试验设备及方案

试验台结构示意见图1。该试验台主要由发动机进气调控系统、发动机排气模拟系统和控制检测系统三大部分组成。主要试验设备包括SCHENCK D2600测功器、AVL TGS1760油耗仪、流量计、压力传感器、DEWETRON燃烧分析仪及高原模拟试验台。

试验时，模拟海拔分别选取1 000 m(0.090 MPa)和4 500 m(0.058 MPa)，环境温度控制在(25±2) ℃；试验转速分别选取外特性线上的柴油机转速：2 000 r/min，1 800 r/min，1 600 r/min，1 500 r/min和1 400 r/min。相同转速下燃用不同燃料时供油参数保持一致，当工况稳定后，测量扭矩、燃油消耗量、气缸压力等，燃烧参数由实测的气缸压力进行数据处理而获得。

按照柴油机扩散燃烧过程的特点，可将燃烧过程划分为4个阶段：滞燃期、预混燃烧期、扩散燃烧期和后燃期。此处定义滞燃期为从喷油始点到着火始点，预混燃烧期为从着火点到放热率曲线第一个峰值过后的低谷，扩散燃烧期为从预混燃烧期终点到90%放热率点，后燃阶段为扩散燃烧结束后的燃烧阶段。

按照DEWETRON燃烧分析仪手册定义燃烧始点为放热率零点，燃烧结束点为95%放热率点。

2 试验结果分析

2.1 柴油的理化特性分析

由表1可知：3号柴油的十六烷值最低，与1号柴油相比降低13.6%，与2号柴油相比降低11.2%，表明了3号柴油具有自燃性差、着火延迟时间长的特性。

图2示出3种柴油对应的蒸馏曲线。由图可见：3号柴油的初馏温度最低，馏程宽度最大，250～350 ℃馏出量最少。

以上分析表明：3号柴油自燃性差，不易压燃着火，着火延迟时间长，且馏出温度低，轻馏分含量多，易挥发。3种柴油理化性质的差异会影响到发动机的燃烧过程，尤其是高原环境下的燃烧特性，容易导致活塞烧蚀现象。

2.2 3种柴油对燃烧特性的影响

2.2.1 油品对标定点燃烧特性的影响

图3分别示出海拔1 000 m和4 500 m时燃用3种柴油在标定点(2 000 r/min)的平均缸内压力的变化趋势(图中出现的“锯齿形”毛刺是由于测量气缸压力的压力传感器距离缸盖底平面有一段通道造成的)。

由图可见，相同海拔下，1号柴油对应的最高燃烧压力最大，3号柴油的最小；在海拔为1 000 m时，3号柴油对应的最高燃烧压力相比1号柴油降低4.6%，海拔4 500 m时，降低幅度增大为5.6%。随着海拔的增加，3种柴油对应的平均气缸压力均下降，其中3号柴油的最高燃烧压力降低了18.5%。

表2示出3种燃油在不同海拔时标定点工况的燃烧特征参数对比。结合图3和表2可见，相同海拔下，3号柴油的燃烧始点最晚，滞燃期最长(由于供油时刻一致，则喷油始点一致，滞燃期取决于燃烧始点)，预混燃烧期最长，扩散燃烧期最短。

相同海拔时，在同一工况下柴油机进气压力与温度条件一致，因此，柴油的品质决定了燃烧特性的不同。由于3号柴油的十六烷值最小，因此自燃性最差，不容易着火，着火滞燃期偏长，造成滞燃期内累积的可燃混合物较多，预混合燃烧份额增大，燃烧速率加快，导致压力急剧升高，压力升高率峰值增大；扩散燃烧持续期短，燃烧速率降低，放热量减少。

随着海拔的升高，空气密度减小，缸内压缩后混合气的压力和温度下降，燃用3种柴油的滞燃期都延迟。燃烧过程中20%馏出率的轻馏分可以视为引燃燃油[16]，3号柴油由于轻馏分含量最大，因此，更多的轻馏分蒸发、扩散，与空气混合并参加预混合燃烧，相比前两种柴油，3号柴油的初期燃烧速率大，更容易造成压力升高率急剧增大。

表2 3种柴油在标定点的燃烧特征参数对比

2.2.2 油品对最大扭矩点燃烧特性的影响

图4分别示出海拔1 000 m和4 500 m时3种柴油在最大扭矩点(1 400 r/min)的平均缸内压力的变化趋势。由图可见，3种柴油在最大扭矩点的平均缸内压力变化趋势与标定点的基本一致，不同的是，在最大扭矩点缸内压力随海拔高度变化幅度更大。海拔为4 500 m时，3号柴油在最大扭矩点对应的最高燃烧压力比海拔1 000 m时降低24.1%。

图5示出3种柴油在不同海拔下最大扭矩点对应的最大压力升高率的变化趋势。从图中可看出：相同海拔条件下，3号柴油的最大压力升高率最大，1号柴油的最小；海拔升高，3种柴油的最大压力升高率均增大，其中，3号柴油的升高幅度最大。

通过对3种柴油的燃烧特性分析可知：以最大压升率衡量发动机工作粗暴程度，3号柴油的燃烧过程与1号和2号柴油相比更为粗暴，尤其是当海拔升高时，差异更明显。

2.3 试验故障分析

在模拟海拔1 000 m和4 500 m大气状态下，进行了整机性能试验、燃烧过程测试。其中，海拔4 500 m大气状态下，3号柴油适应性考核18 h40 min，拆检发动机发现燃烧室部件出现烧蚀、拉缸现象；海拔1 000 m大气状态下，3号柴油适应性考核试验累计运转至17 h16 min时，柴油机曲轴箱废气压力突然升高，拆检发动机发现活塞烧蚀、拉缸。

图6示出活塞典型损伤。图6a可见，喷油器周围出现活塞局部斑点现象；图6b可见活塞顶部金属脱落，气门阀坑周围烧蚀严重，出现凹坑现象。

由于未能检测到工况的实际燃烧发展历程，通过之前的分析可知，3号柴油的燃烧特性更容易造成活塞故障。3号柴油的轻馏分含量高，蒸发性能好，因此，当在较高的喷射压力作用下，雾化好的柴油在喷孔出口处快速蒸发，具备着火条件，在气缸中央位置剧烈燃烧，造成压力升高率急剧增大，更容易产生强烈的热负荷冲击以及机械负荷冲击。

3 结论

a) 柴油的十六烷值越低，着火时间越长，滞燃期越长；初馏温度越低，柴油越容易蒸发，预混合燃烧期内积累的热量剧增，缸内压力的升高速率较快，燃烧过程粗暴；

b) 海拔越高，压缩终了的压力和温度越低，自燃性差的燃油更难压燃着火，滞燃期延长，燃烧速率加快，最大压升率更高，燃烧恶化；

c) 目前在用柴油由于其自燃性差，易蒸发等燃烧特性更容易造成活塞烧蚀现象。

[1] 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究[M].北京：北京理工大学出版社,2013:1-7.

[2] 周广猛,刘瑞林,董素荣，等.柴油机高原环境适应性研究综述[J].车用发动机,2013(4)：1-5.

[3] 张海雷.柴油机变海拔涡轮增压技术研究[D].北京：清华大学,2008.

[4] 刘瑞林,周广猛,董素荣，等.高压共轨柴油机高海拔性能仿真研究[J].车用发动机,2012(3):87-91.

[5] 王宪成,姜力,和穆.大功率柴油机燃烧过程高原试车测试与分析[J].车用发动机,2012(3):32-36.

[6] Ruan D F，Cheng W L，Lee C F. Comparison of performance and combustion chatacteristics of diesel fuel and vegetable oils in DI diesel engine[C].SAE Paper 2008-01-1639.

[7] Devan P K, Mahalakshmi N V. An Experimental investigation on Performance and Emission Characteristics of Eucalyptus Oil-Diesel Blends in a D.I. Diesel Engine[C].SAE Paper 2008-01-0757.

[8] 熊春华,任连玲,邓才超.车辆装备专用仲裁燃料探讨[J].车用发动机，2011(4):1-4.

[9] Avinash Kumar Agarwal. Bio-fuels (alcohols and bio-diesel) applications as fuels for internal combustion engines[J]. Progress in energy and combustion science,2007(33): 233-273.

[10] 沈颖刚,毕克刚,翁家庆，等.柴油机在高原地区燃用混合燃料的试验研究[J].车用发动机，2008(6):11-14,19.

[11] 邓名华.直喷式柴油机燃烧低十六烷值柴油的研究[J].内燃机学报,2001,19(4):345-348.

[12] 孙万臣,解方喜,刘忠长，等.燃料着火性对小型柴油机燃烧特性的影响[J].燃烧科学与技术,2009,15(2):129-134.

[13] 于世涛,郭英男,卓斌，等.乙醇-柴油混合燃料的理化特性的研究[J].内燃机工程,2004,25(6):30-33.

[14] 陈文淼,吴复甲,王建昕，等.十六烷值对欧-Ⅳ柴油机燃烧与排放性能的影响[J].内燃机工程，2008,29(6)：1-5.

[15] 12150L柴油机编写组. 12150L柴油机[M].北京:国防工业出版社,1976:172-174.

[16] 何学良,李疏松.内燃机燃烧学[M].北京:机械工业出版社,1990:336-340.

[编辑： 潘丽丽]

Effects of Fuel Properties on Combustion Characteristics of Diesel Engine at Plateau Environment

CAI Zhongzhou， ZHANG Xiaoqin， WANG Zengquan， LI Yaozong， LI Yunguang，HUANG Yunliang， WANG Xiaoteng， ZHANG Dongmei

(China North Engine Research Institute(Tianjin)， Tianjin 300400， China)

The combustion characteristics of turbocharged diesel engine fueled with three types of diesel fuel with different cetane number and distillation were researched at plateau environment and the relationship between piston ablation and fuel property was briefly analyzed.The results show that the fuel with low cetane number and low dropping point leads to difficult compression ignition,long ignition delay,accumulative heat in premixing period,in-cylinder pressure fast increase and even abrupt combustion process.With the increase of altitude,the atmospheric density decreases,the ignition period of diesel fuel prolongs,the combustion accelerates,and the maximum pressure rise rate increases.The intensive thermal load and mechanical load due to the previous factors tend to cause piston ablation.

fuel property； plateau； diesel engine； combustion process

2015-03-26；

2015-08-04

蔡忠周(1967—)，男，研究员，主要研究方向为柴油机燃烧过程研究；zhongzhou0213@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.015

TK421.24

B

1001-2222(2015)04-0076-04