缺氧条件下含氧燃料燃烧性能研究

李晓然，许世海，刘 晓，吴 芃

(解放军后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 401331)

缺氧条件下含氧燃料燃烧性能研究

李晓然，许世海，刘 晓，吴 芃

(解放军后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 401331)

采用低压氧弹法模拟高原缺氧条件下燃料的燃烧状况，选择二乙二醇二甲醚、己二酸二乙酯、生物柴油作为含氧添加剂，分别以不同配比掺混到柴油中，研究了这3种含氧添加剂在缺氧条件下的助燃性能，并采用燃烧改善系数作为评价指标来评价它们的助燃效果。结果表明：在缺氧条件下，加入3种含氧添加剂均能不同程度地提高燃料的燃烧性能；助燃作用的大小与添加剂本身的热值和含氧量有关；在海拔3 000 m处，最优含氧添加剂是二乙二醇二甲醚，其最佳添加量(w)为18%。

柴油 含氧添加剂 低压氧弹法 缺氧

柴油机在高海拔地区运行时，由于充气系数下降和缺氧燃烧，其动力性、经济性、可靠性等指标都较平原地区大幅下降[1-3]。为了适应高原地区的特殊条件，科研工作者开展了大量的高原装备性能恢复方面的研究[4-6]，特别是针对含氧燃料的研究逐渐成为热点[7-9]。但以往的研究主要是利用发动机台架模拟高原环境进行，费用相对较高。本课题利用低压氧弹法模拟高原条件下燃料的燃烧状况，进行含氧添加剂的筛选，以期在降低试验成本的同时提高效率。

1 实 验

1.1 试验装置及材料

采用长沙开元仪器厂生产的5E-AC8018等温式全自动量热仪进行燃料热值的测量。试验材料为：柴油、二乙二醇二甲醚(DGM)、己二酸二乙酯(DEA)、生物柴油，其理化性质见表1。

表1 柴油与含氧添加剂的理化性质

1.2 试验方法

采用低压氧弹法[10]对3种含氧添加剂在高原缺氧条件下的助燃性能进行模拟研究，此方法不涉及燃烧进行的过程，只关系到燃料燃烧时最终状态的放热量。通过降低氧弹内的充氧压力，模拟海拔3 000 m处燃料的燃烧，测量加入添加剂前后的燃烧放热量，利用特定的评价指标，筛选出在海拔3 000 m处的最佳含氧添加剂，并确定其最优添加量。

1.3 试验条件

为了模拟海拔3 000 m处燃料的燃烧状况，根据燃料的发热量(QD)，可由式(1)近似估计理论空气量(V空)[11]。

(1)

柴油的QD=45.2 MJkg，故V空= 11.89 m3kg。

已知空气中氧的体积分数为21%，所以柴油在正常燃烧条件下，需要的理论氧气量V氧=0.21×V空=2.50 m3kg，则可根据式(2)[12]计算出实际弹桶内的压力(P)。

(2)

式中：M为单次试验用油质量，为0.9 g；V代表氧弹弹桶容积，为275 mL。由式(2)计算当P=0.829×106Pa，即当弹筒内压力为0.829 MPa时，柴油以理论空燃比燃烧。由于车辆在运行时均有一定的过量空气[13](此处取过量空气系数为1.1)，可以计算出实际弹桶内的压力P实=P×1.1=0.911 9 MPa。再根据式(3)[14]计算模拟海拔3 000 m时的弹桶内充氧压力。

(3)

式中：P0和P3 000分别代表海拔高度为0 m和3 000 m时的大气压力，具体数值见表2。由式(3)计算出的模拟海拔3 000 m时的弹桶内充氧压力P模=0.6 MPa。因此确定模拟海拔3 000 m处发动机进气量时的弹筒充氧压力为0.6 MPa。

表2 海拔高度与大气压力、空气密度的关系[15]

1.4 评价指标

将纯柴油在低氧压下的燃烧放热量记为Q纯，将含氧柴油在低氧压下的燃烧放热量记为Q含，根据式(4)计算燃烧改善系数Ψ，将其作为评价指标，评价不同类型的含氧添加剂在低氧压下的助燃效果。

(4)

2 结果与讨论

2.1 含氧添加剂添加量对放热量的影响

根据GB 384—1981石油产品热值测定法，测量不同含氧添加剂添加量下燃料完全燃烧时(充氧压力3 MPa)和海拔3 000 m条件下(充氧压力0.6 MPa)的放热量，考察含氧添加剂添加量对燃烧放热量的影响，结果见图1和图2。

图1 3 MPa下含氧添加剂添加量对燃烧放热量的影响■—DGM； ●—DEA； ▲—生物柴油。图2、图3同

图2 0.6 MPa下含氧添加剂添加量对燃烧放热量的影响

图1是根据实际试验结果进行多项式拟合做出的曲线，其中添加DGM、DEA、生物柴油3种含氧添加剂的拟合方程分别为：Y=44.99-0.17X；Y=45.02-0.19X；Y=45.10-0.07X。式中：Y为燃烧放热量Q(MJkg)，X为含氧添加剂质量分数(%)。经验证可知，根据拟合方程计算出的结果与混合燃料低热值经验式计算出的结果基本吻合。

从图1可以看出：在弹桶内氧气充足、燃料能够完全燃烧的情况下，含氧添加剂的加入会导致燃烧放热量下降，并且放热量与添加剂添加量呈线性关系，其中DEA下降速率最大，DGM次之，生物柴油最小。出现以上情况可能是由于此时弹桶内的氧气能够保证燃料完全燃烧，而加入的含氧添加剂自身热值较低，使燃烧放热量降低；3种含氧添加剂中生物柴油热值最高，DGM次之，DEA最低，所以出现图1所示的下降速率。

从图2可以看出：随着3种添加剂添加量的增大，放热量均出现了先增大后减小的情况；DGM、DEA、生物柴油的添加量(w)分别为15%，20%，5%时出现了燃烧放热量的最大值；生物柴油在添加量(w)大于60%之后燃烧放热量又出现了增加的情况。出现以上情况可能是由于此时弹桶内充氧压力不足，燃料燃烧不完全，加入含氧添加剂，其自身含有一部分氧，能够起到促进燃烧的作用，提高了放热量；而由于含氧添加剂本身热值较低，会降低燃料的发热量。当达到最高放热量之前，含氧添加剂的助燃作用大于其本身热值低产生的影响，出现放热量升高的情况；达到最高放热量之后，后者的作用大于前者，使最终结果表现为放热量降低；在达到最高放热量时，两者作用达到平衡。生物柴油添加量(w)大于60%之后出现图中所示的情况，可能是由于生物柴油的黏度较大，造成燃烧状态不稳定的结果。

以上试验结果说明在缺氧条件下柴油中含氧添加剂加入量应控制在一定的范围之内，此范围与添加剂本身的热值和含氧量有关。

2.2 缺氧条件下含氧添加剂的助燃作用

在含氧添加剂的添加量(w)在30%以下的条件下，利用燃烧改善系数Ψ作为添加剂助燃性能的评价指标，将计算出的Ψ值与添加剂添加量进行多项式拟合，拟合结果见图3。

图3 0.6 MPa下含氧添加剂添加量对燃烧改善系数的影响■—DGM； ●—DEA； ▲—生物柴油

从图3可以看出：随着添加剂加入量的增加，加入3种添加剂后的燃烧改善系数均呈现先增大后减小的趋势；根据最大燃烧改善系数来评价，DGM的助燃效果最好，生物柴油次之，DEA效果较差；加入DGM、DEA、生物柴油后出现最佳助燃效果时的添加量(w)分别在18%，23%，7%附近。出现以上情况可能是由于DGM在3种添加剂中含氧量最高，缺氧条件下的补氧效果最好；而生物柴油的含氧量最低却表现出比DEA更好的助燃效果，可能是由于生物柴油热值相对较高，受热值和含氧量共同影响呈现出这样的结果。

3 结 论

(1) 在弹桶内氧气充足时，柴油中加入热值较低的含氧添加剂后，燃烧放热量与添加剂添加量呈负相关关系。

(2) 在缺氧条件下，柴油中的含氧添加剂加入量应控制在一定的范围之内，此范围与添加剂本身的热值和含氧量有关。

(3) 在海拔3 000 m处，DGM、DEA、生物柴油3种含氧添加剂中，DGM的助燃效果最好，其最优添加量(w)为18%。

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STUDY OF COMBUSTION CHARACTERISTICS OF OXYGENATED FUELS UNDER OXYGEN DEFICIENT CONDITION

Li Xiaoran， Xu Shihai， Liu Xiao， Wu Peng

(DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering，LEU，Chongqing401331)

Diglyme， diethyl adipate and biodiesel were selected as oxygenated additives to mix with diesel in different proportions， respectively，to investigate the combustion characteristics of fuels under the oxygen deficient conditions by low pressure oxygen bomb calorimeter. The efficiencies were evaluated by the combustion improvement factorΨ. The results show that the three oxygenated additives can all improve the combustion of diesel fuel under the oxygen deficient condition. The combustion efficiency is concerned with the calorific value and the oxygen content of the oxygenated additive. At the altitude of 3 000 meters， the best oxygenated additive is diglyme， and the perfect dosage is 18%.

diesel； oxygenated additive； low pressure oxygen bomb calorimeter method； oxygen deficit

2014-09-10； 修改稿收到日期： 2014-11-20。

李晓然，硕士研究生，主要从事油品应用及高原替代燃料的研究工作。

许世海，E-mail：xushih@163.com。