模拟高原条件下含氧燃料对发动机性能的影响

李晓然, 许世海, 熊　云, 刘　晓

(1. 后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系, 重庆 401311; 2. 解放军95958部队， 上海 200135)



模拟高原条件下含氧燃料对发动机性能的影响

李晓然1,2, 许世海1, 熊云1, 刘晓1

(1. 后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系, 重庆 401311; 2. 解放军95958部队， 上海 200135)

摘要：以掺混不同体积分数(5%、10%)二乙二醇二甲醚(DGM)的柴油为燃料,采用F6L913柴油机进行发动机台架试验,通过控制进气压力模拟高原地区柴油机的工作条件,考察了海拔2000~4000 m下不同掺混比例的含氧燃料对发动机性能的影响。结果表明,在海拔2000 m以上地区,发动机燃用含氧燃料的功率均大于燃用纯柴油,且功率会随燃料中DGM添加量的增加而增大;海拔越高,转速越大,燃用含氧燃料时发动机动力性越好。在海拔2000 m以上地区,发动机燃用含氧燃料的燃油消耗率比燃用纯柴油低,且会随着海拔的升高和DGM添加量的增加而明显降低;含氧燃料可以显著降低柴油机高原地区碳烟、HC、CO的排放,NOspan排放有所增加。在高原地区使用高含氧燃料是恢复柴油机性能的有效方法。

关键词：柴油机; 含氧燃料; 二乙二醇二甲醚; 高原特性

我国高原面积广阔,其中青藏高原面积达2.4×106km2,平均海拔超过4000 m,海拔较低地区也超过了2000 m,被称为“世界屋脊”。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、可靠性等指标都比平原地区大幅下降[1-4],严重影响了柴油机在高原地区的工作状态,特别是对于军用动力装备而言,会导致技战术性能下降,作战半径减小等一系列问题。为解决上述问题,许多科研工作者开展了针对高原地区的替代燃料的研究,但主要是醇类燃料[5-9]。相对于醇类燃料,一些醚类燃料与柴油的互溶性更好,更适宜长期储存,并且着火性能优越[10-13]。为满足高原地区柴油动力装备的作战需求,在柴油中分别掺入体积分数5%和10%的DMG作为高原含氧柴油,测试其理化性能,并且通过控制发动机进气压力,模拟海拔2000 m(79.5 kPa)、3000 m(70.1 kPa)、4000 m(61.7 kPa)处的发动机工作条件,进行台架试验,考察了不同海拔条件下柴油机的动力性、经济性和排放性能。

1实验部分

1.1　实验用燃料

柴油,0号车用柴油,市售;0号车用柴油中添加体积分数5%的DGM,记为5%DGM柴油;0号车用柴油中添加体积分数10%的DGM,记为10%DGM柴油。

1.2　理化性能测定

采用长沙开元仪器厂5E-AC8018等温式全自动量热仪测定燃料热值;采用中国石化抚顺石油化工研究院FSHY-Ⅱ十六烷值机测定燃料的十六烷值;采用上海石油仪器厂SYP1003-Ⅵ石油产品运动黏度测定器测定燃料的运动黏度。

1.3　发动机及主要测试设备

北京内燃机有限公司F6L913型柴油机,其主要技术参数见表1;上海同圆发动机测试工程技术有限公司 CMFG010瞬时油耗仪;洛阳南峰机械设备制造有限公司CW260电涡流测功机;佛山南华仪器有限公司NHA-506废气分析仪;佛山南华仪器有限公司NH1-6不透光度计。

表1　试验用发动机主要参数

1.4　高原模拟试验台架装置

高原模拟综合测控系统如图1所示。其中,高原进气模拟装置利用真空罐调节进气压力,从而模拟不同海拔地区的进气条件。

图1　高原模拟综合测控系统示意图

2结果与讨论

2.1　含氧燃料的理化性能

试验用柴油、DGM及含氧柴油的主要理化性质见表2。从表2可以看出,与纯柴油相比,掺入DGM的含氧柴油黏度、热值略有下降,十六烷值有一定升高,主要性能均符合车用柴油标准要求。

2.2　海拔高度对发动机动力性的影响

海拔分别为2000、3000、4000 m时,发动机燃用柴油、5%DGM柴油和10%DGM柴油时的外特性功率示于图2。由图2可以看出：

(1) 燃用纯柴油时,随海拔高度的升高,发动机功率上限逐渐降低,功率区间缩小,动力性能逐渐变差。这是因为在高海拔条件下,大气压力降低,发动机充气系数下降,造成燃烧室内缺氧,燃料燃烧不完全,热量不能充分释放。与赵作志[14]、张炎[15]的观点相一致。

(2) 当发动机燃用含氧燃料时,3个海拔下的发动机功率均大于燃用纯柴油,且功率随含氧燃料中DGM添加量的增加而增大,发动机动力性得到改善。与纯柴油相比,燃用10%DGM柴油在海拔2000 m时,发动机功率平均增加4.8%,最大增幅8.1%;海拔3000 m时,平均增加6.0%,最大增幅9.4%;海拔4000 m时,平均增加7.5%,最大增幅11.8%。

表2　燃料的主要理化性质

1) Calculated value

图2　不同海拔高度燃用不同DGM添加比例含氧柴油时

(3) 各海拔高度下,发动机在高速工作区燃用含氧柴油提高动力性的效果更明显。可能是由于DGM是含氧化合物,其自身所含的氧能够部分弥补由于海拔升高而减少的进气氧含量,使得燃料燃烧相对充分,热量释放更多一些;而海拔越高,大气压力下降越明显,燃料燃烧缺氧量越多,含氧燃料的补氧效果就越明显,发动机动力性的提高幅度就越大。

2.3　海拔高度对发动机经济性的影响

海拔2000、3000、4000 m发动机燃用不同燃料在低转速(1400 r/min)和高转速(2600 r/min)条件下的负荷特性油耗率示于图3~图5。

由图3~图5可以看出：(1) 随着海拔的升高,相同转速同一负荷条件下发动机燃油经济性逐渐降低。这可能是由于高海拔地区气压低,吸入气缸内的空气量减少,过量空气系数减小,燃料燃烧不完全造成的[16]。(2) 当加入DGM时,燃油消耗率较燃用纯柴油时降低,且同样转速时降幅随着海拔的升高而逐渐增大。转速2600 r/min、海拔2000~4000 m时燃用10%DGM柴油的燃油消耗率较燃用纯柴油平均分别降低1.3%、2.0%、2.9%,转速1400 r/min时也出现同2600 r/min时相同的规律。在相同海拔和转速时,燃用10%DGM柴油的燃油消耗率比燃用5%DGM柴油降低得更多。(3) 3种燃料的燃油消耗率随着负荷的增大区分性越来越明显。

由于DGM的加入引入了一部分氧,改善了高海拔缺氧导致的燃料燃烧不完全,降低了燃油消耗率;柴油机在一定转速下运行时,负荷增大必然导致供油量增加,使得进入气缸内的空气量成为影响燃烧的主要因素,此种情况下,含氧燃料的作用就更明显。

图3　海拔2000 m燃用不同DGM添加比例含氧柴油时发动机油耗率

图4　海拔3000 m燃用不同DGM添加比例含氧柴油时发动机油耗率

图5　海拔4000 m燃用不同DGM添加比例含氧柴油时发动机油耗率

上述对发动机经济性分析时采用的燃油消耗率均为发动机实测燃油消耗率,由于DGM的热值比纯柴油低,若根据燃料热值将实测燃油消耗率转换成当量燃油消耗率进行分析,燃用含氧燃料的经济性将会更加明显。

2.4　海拔高度对发动机排放的影响

2.4.1对HC排放的影响

海拔3000 m发动机标定功率下(下同)燃用不同燃油时HC的排放示于图6。由图6可以看出,在海拔3000 m燃用5%DGM柴油和10%DGM柴油时的HC排放与纯柴油相比分别平均降低48.8%和29.7%,说明燃用含氧燃料能够显著降低发动机HC排放,且DGM添加量越大,排放降低越明显。

图6　海拔3000 m处发动机燃用不同燃油时的HC排放

2.4.2对CO排放的影响

海拔3000 m发动机燃用不同燃油时CO排放示于图7。由图7可以看出,燃用含氧燃料CO排放降低,且DGM添加量越大降低越明显。由于含氧燃料有利于促进混合气的形成和燃烧,气缸内不完全燃烧的现象减少,CO排放降低。

图7　海拔3000 m处发动机燃用不同燃油时CO排放

2.4.3对NOx排放的影响

海拔3000 m发动机燃用不同燃油时NOx排放示于图8。由图8可以看出,海拔3000 m发动机燃用含氧燃料时NOx的排放均有所升高。由于DGM的加入引入了一部分氧,加快了燃料的燃烧速率,促进了完全燃烧,导致了更高的燃烧温度,使发动机的NOx排放增加。

图8　海拔3000 m处发动机燃用不同燃油时 NOx排放

2.4.4对发动机碳烟排放的影响

海拔4000 m中等转速(2000 r/min)发动机燃用不同燃油时负荷特性排气不透光度示于图9。

图9　海拔4000 m发动机燃用不同燃油时负荷特性

由图9可以看出:(1)低负荷时,碳烟排放都维持在一个相对较低的状态,高负荷时排放加剧。(2)DGM的加入能够显著降低柴油机碳烟的排放,在海拔 4000 m时燃用10%DGM柴油的碳烟排放比燃用纯柴油平均降低38.0%。

低负荷时,由于柴油机供油量少,缺氧状况并不严重,碳烟排放相对较少,高负荷时供油量增加,缺氧状况加重,碳烟排放显著增加;DGM的加入使燃料中氧的质量分数增加,缸内不完全燃烧的状态得到改善,碳烟排放降低。

3结论

(1) 在高海拔地区,柴油机燃用DGM含氧柴油能够提高发动机动力性、降低燃油消耗率,同时能够显著降低柴油机碳烟、HC、CO的排放,但NOx排放有所增加。

(2) 海拔越高,发动机转速越大,燃用含氧柴油时发动机动力性提高越明显,且海拔越高、负荷越大,发动机燃用含氧柴油时的燃油经济性提高越明显。

(3) 在发动机动力性、经济性和排放改善方面,10%DGM柴油的效果优于5%DGM柴油。

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Effects of Oxygenated Fuel on Diesel Engine Performance Under the Simulated Condition of Plateau Area

LI Xiaoran1,2, XU Shihai1, XIONG Yun1, LIU Xiao1

(1.DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China; 2.95958TroopsofPLA,Shanghai200135,China)

Abstract：Experiments were conducted on a F6L913 diesel engine with diesel fuels containing of different proportion (5%, 10%) of diglyme (DGM). By controlling the inlet pressure of the diesel engine to simulate the operating conditions at plateau area of 2000-4000 m, the impacts of oxygenated fuels on engine performances were studied. Results showed that the engine power with oxygenated fuel was obviously increased at the altitude above 2000 m, and increased more as the DGM content increased. The higher the elevation, or the greater the engine speed, the more the engine power increased. The specific fuel consumption of engine fueled with oxygenated fuel was lower than that with pure diesel at the altitude above 2000 m, and the more the DGM added, the more the specific fuel consumption decreased. The HC, CO and soot emissions of the engine fueled with oxygenated fuel reduced significantly, while the NOspanincreased slightly. Use of high oxygen contained fuel is an effective way to restore the engine performance at plateau area.

Key words：diesel engine; oxygenated fuel; diglyme; plateau performance

中图分类号：TK46+4

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.01.030

文章编号：1001-8719(2016)01-0215-06

收稿日期：2014-07-28

第一作者： 李晓然，男，硕士，从事替代燃料研究;E-mail：1047862772@qq.com

通讯联系人： 许世海，男，教授，博士，从事油品应用及替代燃料研究;E-mail：xushih@163.com