高原地区柴油发动机燃用混合燃料的研究

张志才, 郭小川, 熊小龙, 蒋明俊, 赵 波, 李晓涛

(1. 后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系, 重庆 401311;2. 成都军区 联勤部, 四川 成都 610041;3. 总装备部 装甲兵装备技术研究所, 北京 100072;4. 空军油料研究所, 北京 100076)

高原地区柴油发动机燃用混合燃料的研究

张志才1, 郭小川1, 熊小龙2, 蒋明俊1, 赵 波3, 李晓涛4

(1. 后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系, 重庆 401311;2. 成都军区 联勤部, 四川 成都 610041;3. 总装备部 装甲兵装备技术研究所, 北京 100072;4. 空军油料研究所, 北京 100076)

针对高原地区低温、低压、低氧特点,考虑油料与车辆发动机适应性,并综合考虑混合燃料代用效益最大化,考察了分别添加不同体积分数4种油品的0#车用柴油混合燃料的理化性能和SRV摩擦磨损性能,同时进行了发动机台架试验。结果表明,与0#车用柴油相比,各混合燃料的凝点和十六烷值均降低;添加93#车用汽油者的馏程和运动黏度(40℃)均降低,而添加10#航空液压油、HM32液压油和SF15W/40内燃机油者的则均升高。25℃时,随着载荷的增加,加入体积分数20%的93#车用汽油者的平均摩擦系数增大,而添加10#航空液压油、SF15W/40内燃机的柴油混合燃料的平均摩擦系数均减小;70℃时,这3种柴油混合燃料的平均摩擦系数均未随载荷的增加而增大。除添加15% SF15W/40内燃机油者外,分别添加20% 93#车用汽油、20% HM32液压油和30% 10#航空液压油者的磨斑直径均未随温度或载荷的变化而减小,且这4种柴油混合燃料均能满足高原地区柴油发动机使用要求。与0#车用柴油相比,此4种柴油混合燃料的燃油消耗率均增大;除添加30% 10#航空液压油者外,其他三者的功率和扭矩均减小。

柴油; 发动机; 高原; 混合燃料; 摩擦系数; 台架试验

高原地区特殊的地理环境和气候特点加剧了油料保障的难度。因突发灾害等破坏了交通运输线,延长了油料运输周期,导致油料断供。扩充燃油供应品种,保证油料的应急代用和供应,对动力机械发挥更好的机动性能显得尤为重要。为了保证车辆的正常运行,研究高原地区柴油混合燃料应急代用及其对柴油发动机工作性能的影响,可为突发情况下燃用柴油混合燃料提供指导和科学依据[1-7]。粟斌[8]确定了军用柴油中添加体积分数不大于40%大豆油、30% 3#喷气燃料等代用方案,并在军用坦克上开展了平原地区实际行车试验。沈颖刚等[9]在0#柴油中加入体积分数10%～30% 生物柴油,明显地改善了柴油发动机的经济性能。目前,关于高原地区燃油代用的研究多集中在添加生物柴油、醇类等富氧燃料,而基于在柴油中添加内燃机油、液压油和汽油的研究则甚少。

地处高原的西藏地区目前使用的车用柴油牌号有0#、-20#、-35#3种,而三者仅在凝点上存在较大差异,而该地区储备量和使用量较大的是93#车用汽油、10#航空液压油、SF15W/40内燃机油、HM32液压油和植物油(大豆油、菜籽油等)。因此,笔者从高原地区油料与车辆发动机适应性角度出发,以供应紧缺之0#车用柴油为基础,选取来源充足的油料品种作为掺兑,通过理化性能分析、SRV摩擦磨损试验和发动机台架试验,并以0#车用柴油标准和美国军用柴油指标为参考,进行柴油发动机燃用柴油混合燃料代用的研究。

1 实验部分

1.1 油料及样品

0#车用柴油、93#车用汽油,取自中国石油青木关加油站;10#航空液压油,取自空军某场站油库;SF15W/40内燃机油、32#液压油,取自西藏地区某部队油库。

将上述油料按不同种类和体积分数配制成0#车用柴油、3个(0#车用柴油+ 93#车用汽油)样品(体积分数20%、30%、40%)、3个(0#车用柴油+ 10#航空液压油)样品(体积分数10%、20%、30%)、3个(0#车用柴油+ SF15W/40内燃机油)样品(体积分数5%、10%、15%)、3个(0#车用柴油+ HM32液压油)样品(体积分数10%、20%、30%),共13个样品。

1.2 柴油混合燃料理化性能测定

根据GB/T6536-2010《石油产品常压蒸馏特性测定法》、GB/T265-1988《石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算法》、GB/T510-1983《石油产品凝点测定法》和GB/T386-2010《柴油十六烷值测试方法》,采用北京中西远大科技有限公司ZL-I石油产品蒸馏测定器、湖南津市市石油化工仪器有限公司JSR1104运动黏度测定器(测定条件:40℃水浴加热)、 大连北方分析仪器有限公司BF-15型多功能低温测定器等仪器测定柴油混合燃料的馏程、运动黏度、凝点和十六烷值。

1.3 柴油混合燃料SRV摩擦磨损试验

采用德国OPTIMOL公司Optimol-1型 SRV摩擦磨损试验机进行柴油混合燃料摩擦磨损试验,润滑形式为球面接触。球直径10 mm,试块尺寸φ24 mm×7.9 mm。载荷30/50 N;振动幅度0.6 ～1 mm;振动频率30～50 Hz;温度25/70℃;时间1.5 h。

1.4 柴油混合燃料发动机台架试验

1.4.1 柴油发动机

采用北内柴油机有限公司F6L913型柴油发动机台架试验机,其主要参数列于表1。

表1 F6L913型柴油发动机的主要参数

1.4.2 外特性试验

先将发动机调定在标定工况运转,油门固定不变,逐渐增加负荷,降低转速,测定功率、扭矩、燃油消耗率。自转速2700 r/min起向下分布8个以上的测量点。

1.4.3 负荷特性试验

在发动机转速1400、2000 和2600 r/min及扭矩40 ～220 N·m下,测定燃油消耗率。

2 结果与讨论

2.1 柴油混合燃料理化性能

0#车用柴油和12种柴油混合燃料的理化性能列于表2。从表2可以看出,在0#车用柴油中加入93#车用汽油,随着添加量的增加,混合燃料的初馏点、10%、50%、90%点及运动黏度(40℃)均不同程度地减小,但其低温性能有所改善,有助于发动机的低温起动。随着10#航空液压油、SF15W/40内燃机油、HM32液压油添加量的增加,混合燃料的初馏点、10%、50%、90%点及运动黏度(40℃)均不同程度地增大,但其低温性能变差,不利于发动机的低温起动。与0#车用柴油相比,各柴油混合燃料的十六烷值均不同程度地降低,此将对发动机的发火性能和燃料完全燃烧程度产生负面影响。

表2 0#车用柴油和12种柴油混合燃料的理化性能

1) Volume ratio, similarly hereinafter

考虑柴油混合燃料的低温性能和燃烧性能,权衡其主要理化性能指标,选择4种柴油混合燃料进行SRV摩擦磨损和发动机台架试验。

2.2 柴油混合燃料SRV摩擦磨损试验结果

2.2.1 摩擦系数

图1为不同载荷下几种柴油混合燃料摩擦系数随试验时间的变化。由图1可知,25℃时,在载荷30N下,0#车用柴油平均摩擦系数最大(0.176),加入体积分数20% 93#车用汽油、15% SF15W/40内燃机油或30%10号航空液压油者的平均摩擦系数分别为0.164、0.150、0.168。在载荷50N下,加入体积分数15% SF15W/40内燃机油者的摩擦系数变化较平稳,平均摩擦系数为0.143。0#车用柴油和加入体积分数30% 10#航空液压油、20% 93#车用汽油者的摩擦系数在试验开始阶段波动较大,但后期较平稳,平均摩擦系数分别为0.162、0.157、0.177。由此可见,25℃时,除加入体积分数20% 93#车用汽油者的平均摩擦系数随载荷增加而增大外,其他2种柴油混合燃料的均减小。

图1 不同载荷下几种柴油混合燃料摩擦系数随试验时间的变化

由图1还可知,70℃时,在载荷30N下,0#车用柴油和加入体积分数15% SF15W/40内燃机油者的摩擦系数变化较平稳,平均摩擦系数分别为0.162和0.160。加入体积分数20% 93#车用汽油、30% 10#航空液压油者的摩擦系数在试验开始阶段波动较大,但试验后期摩擦系数有变大趋势,平均摩擦系数分别为0.164、0.163。在载荷50N下,0#车用柴油和加入体积分数30% 10#航空液压油、20% 93#车用汽油者的摩擦系数在试验开始阶段波动较大,但试验后期较为稳定,平均摩擦系数分别为0.155、0.163、0.164,加入体积分数15% SF15W/40内燃机油者的摩擦系数最小(0.143)。由此可见,70℃时,3种柴油混合燃料的平均摩擦系数均未随载荷增加而增大。

综上还可知,在30N下,除加入体积分数15% SF 15W/40者的平均摩擦系数随温度升高而增大外,其他2种柴油混合燃料的均减小;在50N下,除加入体积分数30% 10#航空液压油者的平均摩擦系数随温度升高而增大外,其他2种柴油混合燃料的均减小。

2.2.2 磨斑直径

表3 列出了不同温度和载荷下几种柴油混合燃料的磨斑直径。由表3可见,在相同温度下,随载荷由30N增至50N,3种混合燃料的磨斑直径均增大。25℃时,0#车用柴油和分别加入体积分数30% 10#航空液压油、15% SF15W/40内燃机油、20% 93#车用汽油者的磨斑直径分别增加20.8%、14.3%、26.0%、56.1%;70℃时,上述四者的磨斑直径分别增加32.2%、16.0%、23.4%、29.1%。在相同载荷下,当温度由25℃升至70℃,3种混合燃料的磨斑直径均增大(50N下,加入20% 93#车用汽油者除外)。30N时,0#车用柴油和分别加入体积分数30% 10#航空液压油、15% SF15W/40内燃机油、20% 93#车用汽油者的磨斑直径分别增加1.1%、5.4%、5.8%、8.0%;50N时,上述四者的磨斑直径分别增加10.7%、6.9%、3.5%、-10.7%。由此可见,在25℃或70℃下,磨斑直径随载荷增加而增大;在30N或50N下,磨斑直径随温度升高而增大。

表3 不同温度和载荷下几种柴油混合燃料的磨斑直径(WSD)

2.3 柴油混合燃料发动机台架试验结果

图2为几种柴油混合燃料发动机功率和扭矩随转速的变化。图3为几种柴油混合燃料的燃油消耗率随转速的变化。由图2可知,与0#车用柴油相比,除加入体积分数30% 10#航空液压油者的功率与扭矩分别增加2.4%和1.8%外,其他混合燃料的均有所降低,加入体积分数20% 93#车用汽油、15% SF15W/40内燃机油、20% HM32液压油者的功率分别降低14%、4.2%和7.8%;以上三者的扭矩分别降低4.4%、5.8%和8.6%。从图3可知,柴油混合燃料的燃油消耗率均高于0#车用柴油,加入体积分数20% 93#车用汽油、20% HM32液压油、15% SF15W/40内燃机油、30% 10#航空液压油者分别增加24%、15.8%、10.8%、8.6%。

图2 几种柴油混合燃料发动机功率和扭矩随转速的变化

图3 几种柴油混合燃料发动机燃油消耗率随转速的变化

由图3还可知,与0#车用柴油相比,在转速1400 r/min时,燃油消耗率较高的依次是加入体积分数20% 93#车用汽油、20% HM32液压油者(增幅分别为9.3%、2.3%),其他两者的变化不大;在转速2000 r/min时,燃油消耗率较高的是加入体积分数20% 93#车用汽油、20% HM32号液压油者,其次是加入30% 10#航空液压油者(三者增幅分别为6.24%、9.37%、1.1%),加入15% SF15W/40者变化不大;在转速2600 r/min时,燃油消耗率较高的依次是加入体积分数20% 93#车用汽油、20% HM32号液压油、15% SF15W/40内燃机油者(增幅分别为16.8%、12.2%、7.9%),加入30% 10#航空液压油者变化不大。

综上,考虑高原地区低温低压低氧特点和柴油混合燃料应急代用的效能最大化,权衡其主要理化性能指标、SRV摩擦磨损性能和发动机台架试验实际成本,兼顾其动力性能、经济性能和发动机运转情况,所研究的4种柴油混合燃料均适于高原地区柴油发动机使用;以台架试验功率与扭矩变化率乘积作为选优依据,确定最优方案为加入体积分数30% 10#航空液压油者,其次依次为加入体积分数15% SF15W/40、20% HM32液压油和20% 93#车用汽油者。

图4 几种柴油混合燃料发动机燃油消耗率随扭矩的变化

3 结 论

(1)与0#车用柴油相比,除加入93#车用汽油者外,其他柴油混合燃料的十六烷值随加入量的增加呈减小趋势,而馏程、运动黏度(40℃)则增大,凝点减小。在相同温度下,仅加入体积分数20% 93#车用汽油者的平均摩擦系数随载荷增加而增大;在相同载荷下,仅加入体积分数15% SF 15W/40者和30% 10#航空液压油者的平均摩擦系数随温度升高而增大。磨斑直径均未随温度或载荷增加而减小。

(2)所研究的4种柴油混合燃料均可满足高原地区柴油发动机应急代用使用要求。与0#车用柴油相比,除加入体积分数30% 10#航空液压油者外,其他三者的功率和扭矩均出现不同程度的减小;4种柴油混合燃料的燃油消耗率均出现不同程度的增大。

(3)本研究尚未进行高原地区道路行车试验,其柴油混合燃料方案有待进一步完善。

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Experimental Study on Diesel Engine Fueled With Blended Fuel in High Altitude

ZHANG Zhicai1, GUO Xiaochuan1, XIONG Xiaolong2, JIANG Mingjun1, ZHAO Bo3, LI Xiaotao4

(1.DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China;2.JointLogisticsDepartment,ChengduMilitaryAreaCommand,Chengdu610041,China;3.TheGeneralArmamentsDepartmentArmoredEquipmentTechnologyResearchInstitute,Beijing100072,China;4.TheAirForceInstituteofFuel,Beijing100076,China)

According to the characteristics of low temperature, low pressure and low oxygen in plateau area, considering the adaptability of the engine vehicle to fuel and the benefit maximization of blended fuel alternative, the physical and chemical properties and the SRV friction and wear properties of 0#diesel blended fuels with different volume fraction of four oils added, respectively, and also the engine bench tests were investigated. The results showed that compared with that of 0#diesel oil, the freezing point and cetane number of blended fuels of decreased, distillation range and kinematic viscosity of 40℃ of the blended fuels adding 93#vehicle gasoline decreased, while the indexes of blended fuels adding 10#aviation hydraulic oil, HM32 hydraulic oil or lubricating oil SF15W/40 increased. At 25℃, with the increase of load the average friction efficiency of the blended fuel adding 20% 93#vehicle gasoline increased, while the average friction efficiencies of the diesel blended fuels adding 10#aviation hydraulic oil and SF15W/40 lubricating oil decreased. At 70℃, the average friction efficiencies of the three diesel blended fuels did not decrease with the load increase. Except for that of the blended fuel with 15% lubricating oil SF15W/40, the WSDs of the blended fuels with 20% 93#vehicle gasoline or 20% HM32 hydraulic oil or 30% 10#aviation hydraulic oil, respectively, were decreased neither with the temperature change nor load change, and the four diesel blended fuels all satisfied requirement of engine in the plateau region. Compared with 0#diesel oil, fuel consumption rate of the four blended fuels increased. Except for that of the blended fuel with 30% 10#aviation hydraulic oil, power and torque of the other three blended fuels were reduced.

diesel; engine; high altitude; blended fuel; friction coefficient; bench test

2014-07-28

高原地区油料技术保障研究项目(X2010511)资助

张志才，男，博士研究生，从事油品应用和油料勤务研究；Tel：023-86736137； E-mail：zhangzhicai1987@163.com

郭小川，男，教授，从事油品应用研究；Tel：023-86730835；E-mail：gxcyl@vip.sina.com

1001-8719(2015)06-1370-06

TE626.24

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.06.017