高原地区车辆柴油机燃用DBDD含氧混合燃料台架实验分析

王宪成， 徐冬冬， 张志远， 胡 川

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 76327 部队， 湖南 郴州 423026)

高原地区车辆柴油机燃用DBDD含氧混合燃料台架实验分析

王宪成1， 徐冬冬1， 张志远1， 胡 川2

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 76327 部队， 湖南 郴州 423026)

针对高原地区车辆柴油机燃烧恶化的问题，通过高原模拟台架实验，对比分析了标定转速2 000 r/min、转矩1 450 N·m和最大扭矩转速1 400 r/min、转矩2 110 N·m 两种工况下，某型车辆柴油机燃用-35号柴油和DBDD含氧混合燃料对整机性能和燃烧特性的影响。结果表明：与燃用-35号柴油相比，2种工况下柴油机燃用DBDD含氧混合燃料时燃烧始点和燃烧重心位置提前，燃烧持续期延长，其燃烧特性得以改善；当量油耗率降低，而热效率提高，说明柴油机在动力相同时经济性提高；缸内压力峰值和最大压力升高率下降，说明柴油机机械负荷降低；平均缸内温度和排气温度下降，说明柴油机热负荷降低。

高原地区； 柴油机； DBDD含氧混合燃料； 燃烧特性

在高原环境下，某型车辆柴油机进气压力下降、空气含氧量减少，导致燃油雾化质量变差、滞燃期延长，进而使柴油机发生爆燃，燃烧恶化。燃烧恶化容易引起柴油机功率降低、机械负荷和热负荷增加及热效率下降[1]，因此需要采取有效措施来改善高原地区该型车辆柴油机的燃烧状况，以提高柴油机整机性能。显然，从结构上改善高原环境下该型车辆柴油机的燃烧相当困难，而通过改进燃料来改善燃烧过程是提高柴油机功率、降低其热负荷和机械负荷可行而实用的途径。

含氧混合燃料的最大特点是其分子结构中含有氧原子，相当于增加了混合气的含氧量，从而使燃烧速度加快、燃烧持续期缩短。目前，关于高原环境下柴油机燃用含氧混合燃料的研究大多在单缸机或小型柴油机上进行，且侧重于排放性能方面，而针对含氧混合燃料和添加剂提高高原环境下车辆柴油机的动力性和经济性的研究鲜有报道[2-4]。基于此，笔者通过高原模拟台架实验，对比分析2种工况下某型车辆柴油机燃用-35号柴油和DBDD含氧混合燃料对整机性能和燃烧特性的影响，可为改善高原地区车辆柴油机的燃烧提供理论和工程依据。

1 实验部分

1.1 实验仪器

通过在高原模拟台架上模拟进/排气压力和温度，达到模拟高原环境下柴油机工作的目的。实验主要设备和测试仪器如表1所示。其中，Optrand缸压传感器安装在右六缸的空气起动阀位置。

表1 实验主要设备和测试仪器

1.2 实验燃油

实验燃油包括-35号柴油和DBDD含氧混合燃料。根据文献[5]可得： DBDD含氧混合燃料中-35号柴油(Diesel)、生物柴油(Biodiesel)、碳酸二甲脂(DMC)和二叔丁基过氧化物(DTBP)的体积分数分别为69%、20%、10%和1%。

1.3 实验条件

海拔高度为4 500 m，进气压力为57.6 kPa，环境温度为(25±2)℃，其中：工况A中，标定转速为2 000 r/min，转矩为1 450 N·m；工况B中，最大扭矩转速为1 400 r/min，转矩为2 110 N·m。

主要测试参数有曲轴转角信号、缸内压力、排气温度和燃油消耗量等。

2 结果及分析

2.1 燃烧特性分析

图1、2分别为2种工况下瞬时放热率和累计放热百分比随曲轴转角的变化曲线。图3为2种工况下燃烧重心和燃烧持续期对比。由图1-3可以看出与燃用-35号柴油相比，在A、B两种工况下柴油机燃用DBDD含氧混合燃料时：1)燃烧始点分别提前了1.3、2.3 ℃A，燃烧重心位置分别提前了0.6、0.9 ℃A，5%～90%燃烧持续期分别延长了0.8、2.0 ℃A，这是因为DBDD含氧混合燃料中含有氧原子和能够促进燃烧的DTBP添加剂，使得气缸内的混合气体中的含氧量能够更早地达到着火所需的浓度；2)瞬时放热率峰值分别下降了 20.91%、30.41%，这是由于滞燃期内形成的可燃混合气量减少。上述分析表明：柴油机的燃烧特性得以改善。

图1 2种工况下瞬时放热率随曲轴转角的变化曲线

图2 2种工况下累计放热百分比随曲轴转角的变化曲线

图3 2种工况下燃烧重心和燃烧持续期对比

2.2 整机性能

柴油机整机性能主要包括动力性能和经济性能。由于2种工况下柴油机燃用-35号柴油和DBDD含氧混合燃料时功率和转矩相同，而功率和转矩是衡量柴油机动力性能的主要指标，因此可认为柴油机的动力性能不变。基于此，这里对其经济性能进行讨论。经济性能主要用当量油耗率和热效率表征，其中当量油耗率根据文献[6]计算得到。

2种工况下柴油机燃用-35号柴油和DBDD含氧混合燃料的燃油消耗量、当量油耗率和热效率如表2所示。可以看出与燃用-35号柴油相比，在A、B两种工况下燃用DBDD含氧混合燃料时：1)燃油消耗量分别增加了5.05%、6.92%，当量油耗率分别降低了5.16%、3.47%，这是因为DBDD含氧混合燃料热值为38.37 kJ/g，低于-35号柴油热值42.5 kJ/g，则功率相同时，必然使燃用DBDD含氧混合燃料时的燃油消耗量有所增加，消除燃料热值的影响，当量油耗率降低；2)热效率比分别提高了5.45%、3.60%，这是因为DBDD含氧混合燃料中含有相对较多的氧原子，弥补了高原环境下空气含氧量低的不足，同时DTBP添加剂可促进混合燃料燃烧，使燃烧更加充分。

上述分析表明：柴油机在动力性能相同的情况下，经济性能得以提高。

表2 2种工况下柴油机的燃油消耗量、当量油耗率和热效率

2.3 机械负荷和热负荷分析

图4、5分别为2种工况下缸内压力和压力升高率随曲轴转角的变化曲线。可以看出：与燃用-35号柴油相比，在A、B两种工况下燃用DBDD含氧混合燃料时的缸内压力峰值分别降低了0.63%、3.50%，最大压力升高率分别下降了17.39%、26.15%，这说明柴油机工作时的机械负荷降低。其原因为：1)DBDD含氧混合燃料中DTBP添加剂具有助燃作用，能够缩短滞燃期，使得滞燃期内形成的可燃混合气体减少，进而使速燃期的燃烧速度减缓；2)DBDD含氧混合燃料热值较低[5-6]。

图6、7分别为2种工况下平均缸内温度随曲轴转角的变化曲线及涡后温度对比。可以看出：与燃用-35号柴油相比，在A、B两种工况下燃用DBDD含氧混合燃料时的平均缸内温度整体降低，最高温度分别降低了50、48 ℃，涡后温度分别降低了19、

图4 2种工况下缸内压力随曲轴转角的变化曲线

图5 2种工况下压力升高率随曲轴转角的变化曲线

图6 2种工况下平均缸内温度随曲轴转角的变化曲线

图7 2种工况下涡后温度对比

7 ℃，这说明柴油机工作时的热负荷明显降低[7]。其原因为：1)滞燃期缩短使得着火前缸内可燃混合气量减少，燃烧更加平缓；2)DBDD含氧混合燃料含有10%碳酸二甲脂，其汽化潜热大，能降低缸内温度。

3 结论

通过高原模拟台架实验对比发现：与燃用-35号柴油相比，燃用DBDD含氧混合燃料时，柴油机的燃烧特性得以改善，热效率增大，机械负荷和热负荷降低。本研究为改善高原地区车辆柴油机的燃烧提供了理论和工程依据。下一步，笔者将对添加剂种类和比例进行更深入的研究，以配制最佳的车辆柴油机高原用含氧混合燃料。

[1] 李晓然，许世海，刘晓，等.缺氧条件下含氧燃料燃烧性能研究[J].石油炼制与化工，2015，46(3)：67-69.

[2] 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实验研究[J].车用柴油机，2008，179(6)：11-14.

[3] 刘少华，申立中，张生斌，等.BED混合燃料稳定性及对高原地区柴油机性能影响的研究[J].汽车工程，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] 李华兵.面向高原环境的柴油机燃料改进研究[D].北京：装甲兵工程学院，2013.

[6] 李若亭，李华兵，马宁，等.EHN添加剂对高原环境柴油机燃烧特性的影响[J].装甲兵工程学院学报，2015，29(5)：39-43.

[7] 喻武，张志远，陈财森，等.生物柴油/甲醇混合燃料柴油机的性能和排放[J].装甲兵工程学院学报，2015，29(3)：47-54.

(责任编辑: 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

国家“973”计划项目(201697301)

王宪成(1964-)，男，教授，博士。

TK421+.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.02.009