RP-3航空煤油在高压共轨柴油机中的应用

刘伍权，张光超，杨春浩，刘健锋，刘瑞林

(1.陆军军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 3．海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

● 车辆工程VehicleEngineering

RP-3航空煤油在高压共轨柴油机中的应用

刘伍权1，张光超2，杨春浩3，刘健锋2，刘瑞林1

(1.陆军军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 3．海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

为研究航空煤油在柴油机中的燃烧特性，用一台高压共轨柴油机开展航空煤油的燃烧过程研究，并在全负荷条件下与柴油的燃烧进行对比分析。结果表明：预混燃烧放热峰值和扩散燃烧放热峰值较燃用柴油都有所降低。在转速较低时，燃用航空煤油的燃烧相位较柴油的燃烧相位偏左；转速较高情况下，情况正好相反。中低转速时，滞燃期缩短，缸内最高燃烧压力和最大压升率升高，发动机工作粗暴；高转速时，滞燃期增加，缸内最高燃烧压力和最大压升率下降，发动机工作平缓。

高压共轨柴油机；航空煤油；燃烧过程

随着科学技术的发展，现代战场会更加残酷，油料保障面临更加严峻的考验，因此有必要寻找更加高效、保障方式简单的燃料。1988年美国国防部明确规定：在未来战场上采用单一燃料(JP-8)[1]，这一规定将大大减少油料保障的难度。20世纪80年代末，美国陆军坦克与自动车辆研究、开发和工程中心(TARDEC)对2 857台地面柴油车辆装备燃用JP-8航空煤油进行了应用试验[2]。结果表明：可以将JP-8作为地面车用柴油机使用燃料[3]，并分别在海湾战争、阿富汗战争及海地维和任务中使用与JP-8性质相似的Jet-A1、TS1与JP-5作为单一燃料[1，4]。经过航空煤油的不断改进，美军在1999年底，将JP-8+100作为战场战斗机、训练机等小型飞机上的航空用油。

在国内，对车用柴油机燃用航空煤油的燃烧与性能影响等方面的研究较少。张俊强等[5-8]对溶有甲烷的煤油和柴油稳态喷雾特性进行了试验研究，并对两种燃料的结果进行了比较，结果表明：溶气对燃油的雾化有正反两方面的影响，且与多种因素有关。姚广涛等[9]将某重型柴油机燃用RP-3航空煤油和柴油的性能进行对比，研究表明：燃用航空煤油相比于柴油其动力性能未出现明显的下降；在部分负荷时，由于航空煤油有着较好的雾化与蒸发特点，其燃烧速度更快，热效率更高，有效燃油消耗率降低。本文基于车用柴油机燃烧特性试验系统，研究高压共轨柴油机燃用航空煤油与轻质柴油燃烧特性。

1 试验系统及试验方法

1.1试验装置

本文以某型高压共轨柴油机为研究对象，主要技术参数见表1。

表1 高压共轨柴油机主要技术参数

我国的主要航空油料为3号航空煤油(RP-3)，本文选取与美军的Jet-A1喷气燃料性质相似的RP-3航空煤油作为试验用油。RP-3航空煤油与车用轻质柴油理化性质对比见表2[10-13]。

表2 航空煤油与车用轻质柴油理化性质对比

1.2试验方法

根据GB/T 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》[14]，分别在1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min等3个转速进行了燃烧航空煤油与柴油的燃烧与性能试验。曲轴转角分辨率为0.1°CA，曲轴转角范围为-40～100°CA，并把测得的每50个循环的数据取平均值。计算过程中，把燃烧始点设为燃油瞬时放热率曲线上止点前的突然回升最低点，燃烧终点设为累计放热率达到90%的时刻[15]。

2 试验结果与分析

2.1柴油机燃用航空煤油与柴油燃烧放热参数对比分析

(a)n=1 000 r·min-1

(b)n=1 500 r·min-1

(c)n=2 100 r·min-1图1 柴油机燃用航空煤油和柴油放热规律曲线

试验用柴油机分别燃用航空煤油和柴油两种燃料，并记录下相关燃烧数据。两种燃料的瞬时放热率曲线和累计放热率曲线如图1所示，并将曲轴转角从-32～0°CA时滞燃期阶段的瞬时放热率以及1 500 r/min转速下曲轴转角从6～20°CA时的瞬时放热率进行了突出显示。 对比图中两燃料的放热规律曲线可以看出，燃用RP-3航空煤油较燃用柴油存在以下差异。

(1)滞燃期对比。发动机转速为1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min时，发动机燃用RP-3航空煤油时的燃烧始点分别为-4.1°CA、-3.6°CA、-7.2°CA，而燃用轻质柴油时的燃烧始点分别为-3°CA、-3.3°CA、-7.8°CA，导致发动机燃用不同燃料的滞燃期也有所不同。

在低转速(1 000 r/min)时，柴油机燃用RP-3航空煤油的滞燃期小于柴油，而在高转速时，柴油机燃用RP-3航空煤油的滞燃期却大于柴油。这是由于在低转速时，发动机缸内温度较低，燃料的蒸发性起主要作用[16]。RP-3航空煤油的沸点(185 ℃)低于柴油(180～370 ℃)，其汽化潜热值(345 kJ/kg)也小于轻质柴油(375 kJ/kg)。吸热少更具有挥发性，利于油雾的扩散，更易形成均匀的可燃混合气，加上此时燃用RP-3航空煤油的过量空气系数为1.19，大于燃用柴油时的1.13(不同转速下过量空气系数对比如图2所示)，燃烧室内的氧含量较大，更利于混合气的燃烧。在中等转速(1 500 r/min)时，缸内温度随着转速的增加而增大，此时十六烷值对燃料的燃烧影响更加明显，由于柴油的十六烷值(49)低于RP-3航空煤油(43)，燃料的燃烧性能更强，对柴油的弱蒸发性所引起自燃能力偏低进行了一定补偿[17]，且此时两种燃料的过量空气系数几乎相同，所以此时轻质柴油的滞燃期略大于RP-3航空煤油，相差为0.3°CA；在高转速(2 100 r/min)时，缸内温度较高，蒸发性作用不明显，而十六烷值对于燃料的燃烧始点起着主要作用，此时柴油的过量空气系数(1.66)大于航空煤油的过量空气系数(1.64)，对混合气的燃烧起到促进作用，使柴油的滞燃期要小于RP-3航空煤油。

图2 不同转速下两种燃料的过量空气系数对比

(2)预混燃烧放热峰值点及放热峰值对比。发动机转速分别为1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min时，发动机燃用两种不同燃料预混燃烧放热峰值点及放热峰值如图3、图4所示。

图3 不同转速下预混燃烧放热峰值点

图4 不同转速下预混燃烧放热峰值

从图中可知，RP-3航空煤油的扩散燃烧放热峰值点随转速的变化而变化。转速为1 000 r/min时，扩散燃烧放热峰值点较柴油提前；转速为1 500 r/min时，扩散燃烧放热峰值点较柴油有所推迟；转速为2 100 r/min时，放热峰值点滞后更加明显。这是由于RP-3航空煤油的表面张力小、运动黏度低、蒸发性比柴油的好，扩散速率较快，随着转速的升高，缸内温度增加，十六烷值对燃烧的作用大于蒸发对燃烧的作用。所以会出现在低转速时，航空煤油的扩散燃烧放热峰值提前，而在高转速时，扩散燃烧放热峰值滞后。

发动机3种转速下，燃用航空煤油预混燃烧放热峰值均低于轻质柴油，但在转速为1 500 r/min时，两种燃料峰值相差不明显。这是由于轻质柴油的密度大于航空煤油，在相同的喷油压力下，航空煤油的可压缩性比轻质柴油好，再加上在预混燃烧阶段航空煤油的喷油出现的延迟导致喷油量减少，因此，在此阶段航空煤油的放热峰值比柴油低。

从累积放热率曲线可以看出，在转速为1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min时，发动机燃用柴油的燃烧终点分别为47.3°CA、46.9°CA、44.8°CA，而燃用航空煤油的燃烧终点明显滞后0.8°CA、0.6°CA、5.1°CA，分别为48.1°CA、47.5°CA、49.9°CA，造成后燃增加。究其原因，虽然航空煤油的蒸发性较好，但其密度比轻质柴油小，可压缩性大，以及出现的喷油延迟，造成扩散燃烧不充分，后燃期增长，使燃烧终点出现滞后。

2.2柴油机燃用航空煤油与柴油缸内压力参数对比分析

压力升高率是反映发动机性能的一项重要指标。本文按下式计算压力升高率[15]：

式中：φC、φB分别为缸压曲线临近两点对应的角度；pC、pB分别为缸压曲线临近两点的压力。

图5所示为转速为1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min，全负荷工况下，两种燃油的缸内压力及压力升高率对比曲线。

(a)n=1 000 r·min-1

(b)n=1 500 r·min-1

(c)n=2 100 r·min-1图5 柴油机燃用航空煤油和柴油缸内压力及压力升高率曲线

图6所示为RP-3航空煤油和柴油在3种转速下的缸内压力参数。

(a)最高燃烧压力

(b)最高燃烧压力对应的曲轴转角

(c)压力升高率峰值

(d)压力升高率峰值对应的曲轴转角图6 发动机燃用两种不同燃料在不同转速下缸压参数

由图6可知，不同转速时，燃用航空煤油与燃用柴油对发动机的影响不同。在转速为1 000 r/min、1 500 r/min时，燃用航空煤油相比较于柴油缸内最高燃烧压力上升明显，分别为3.6%、3.4%，压力升高率峰值出现明显上升，分别为4.8%、5.9%，达到14.8 MPa、16.2 MPa。与中低转速不同，发动机在高转速时(2 100 r/min)，缸内最高燃烧压力有4.3%的下降，压力升高率峰值也下降8.5%。

究其原因，发动机处于较低转速时，缸内温度不高，此时缸温对柴油机的燃烧起主要作用。航空煤油的黏度(1.814 mm2/s)与轻质柴油(2.5 mm2/s)相比较低，减少了在喷孔中的摩擦损失，更利于喷雾的流动，且航空煤油的表面张力也比轻质柴油的小，喷雾与空气接触产生的卷吸涡流更加明显，混合可燃气的形成也更加迅速，航空煤油的平均闪点低于轻质柴油也会缩短滞燃期，滞燃期短，压力升高率的峰值相应地增大，使最大压力升高率对应的曲轴转角提前；而柴油机处于高转速时，缸内温度升高，燃油的蒸发性、雾化特性对柴油机的燃烧影响不大，燃料的十六烷值起了很大的作用，使柴油放热量明显大于航空煤油，在相同的喷油压力和喷油脉宽下，由于轻质柴油的密度大于航空煤油的密度，相对的燃料的喷入量较大，最高燃烧压力和最大压力升高率也会有所增加，但两者的燃烧相位基本相同。

最大压力升高率是反映柴油机燃烧粗暴程度的重要指标[18]，发动机在中低转速时，燃用航空煤油的最大压力升高率较燃用轻质柴油的大；在高转速时，燃用航空煤油的最大压力升高率低于轻质柴油，所以燃用航空煤油柴油机在中低转速时工作粗暴，高转速时工作平稳。

3 结 论

在不改变发动喷油参数情况下，选取转速1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min，全负荷工况，分析了车用柴油机燃用航空煤油与燃用轻质柴油的不同燃烧性能，得到如下结论：

(1)低转速时，燃用RP-3航空煤油相较于燃用轻质柴油，滞燃期缩短，预混燃烧放热峰值降低，扩散燃烧放热峰值降低，燃烧相位整体左移，缸内最高燃烧压力上升3.6%，最大压升率升高4.8%，发动机工作粗暴；

(2)中等转速时，燃用航空煤油相较于燃用轻质柴油，滞燃期缩短，仅相差0.3°CA，预混燃烧放热峰值接近，扩散燃烧放热峰值低于轻质柴油，燃烧相位相差不大，缸内最高燃烧压力上升3.4%，最大压升率升高5.9%，发动机工作粗暴；

(3)高转速时，燃用航空煤油相较于燃用轻质柴油，滞燃期延长，预混燃烧放热峰值降低，扩散燃烧放热峰值降低，燃烧相位整体右移，缸内最高燃烧压力下降4.3%，压力升高率峰值降低8.5%，发动机工作平缓；

(4)柴油机燃用航空煤油，在中低转速时工作粗暴，而在高转速时工作平稳，下一步可开展通过改变喷油参数优化燃用航空煤油燃烧特性的研究。

[1] 姚海法,周立华.油料保障研究[M].北京:中国人民解放军总后勤部物资油料部,1998：34-56．

[2] 任连岭,杨冰,邓才超,等.战场单一燃料研究进展及我军燃料单一化探讨[J].石油商技,2011(1):48-54．

[3] 任连岭,陈国需,粟斌,等.汽油与柴油混合用作柴油机应急燃料的探讨[J].后勤工程学院学报,2006(2):46-48．

[4] LAO L, RAMSHAW C, YEUNG H, et al. Behaviour of water in jet fuel in a simulated fuel tank[C]. SAE Paper 2011-01-2794．

[5] 张俊强.溶有甲烷液态燃油的喷雾特性及发动机性能试验研究[D].西安:西安交通大学,2005.

[6] ZHANG J Q, JIANG D M, HUANG Z H, et al. An experimental study on spray characteristics of diesel fuels containing dissolved [J].Transactions of CSICE, 2005,23(1):10-17.

[7] ZHANG J Q, JIANG D M, HUANG Z H, et al. Experimental study on flashing atomization of methane/liquid fuel binary mixtures[J].Energy and Fuels, 2005(19):2050-2055.

[8] 张俊强,小保方富夫,志贺圣一.溶有甲烷煤油的稳态喷雾特性研究[J].西安交通大学学报,2005,39(1):31-35.

[9] 姚广涛,刘伍权,刘宏威.军用车辆战时燃用航空煤油研究现状与分析[J].军事交通学院学报,2014,16(5):45-49．

[10] 林学东.发动机原理[M].北京:机械工业出版社,2008:69-74．

[11] 于超,王建昕,王志,等.汽/柴油混合燃料对柴油机燃烧与排放特性影响的试验研究[J].内燃机工程,2013,34(5):1-6．

[12] GILLES B, MICKAEL C, ALAA O. Air entrainment in diesel-like gas jet by simultaneous flow velocity and fuel concentration measurements, comparison of free and wall impinging jet configurations[C]. SAE Paper 2011-01-1828．

[13] 范学军,俞刚.大庆RP-3航空煤油热物性分析[J].推进技术,2006,27(2):187-192．

[14] 国家质量监督局.汽车发动机性能试验方法:GB/T 18297—2001[S].北京:国家质量监督局,2001．

[15] 王建昕.汽车发动机原理[M].北京:清华大学出版社,2013:182-184．

[16] MURAT K, GOKHAN E, MURAT H. Effects of the blends containing low ratios of alternative fuels on the performance and emission characteristics of a diesel engine[J]. Fuel,2013(112):537-541．

[17] 顾晨.CA6DL1-30柴油机喷射策略与燃烧过程研究[D].镇江:江苏大学,2010．

[18] 安俏俏,朱建军.柴油机燃用混合替代燃料的燃烧与排放特性[J].燃烧科学与技术,2014,20(3):270-275．

(编辑：张峰)

ApplicationofRP-3AviationKeroseneinHighPressureCommonRailDieselEngine

LIU Wuquan1, ZHANG Guangchao2, YANG Chunhao3, LIU Jianfeng2, LIU Ruilin1

(1.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 3．College of Power Engineering, Naval Unviersity of Engineering, Wuhan 430033, China)

To study the combustion characteristics of aviation kerosene in diesel engine, the paper studies the combustion process of a high pressure common rail diesel engine, and compares the combustion with diesel oil under full load. The result shows that the heat release peak of premixed combustion and diffusion combustion are lower than that of diesel oil. The combustion phase of kerosene deviates to left comparing to that of diesel oil at lower rotational speed, and it is opposite at higher rotational speed. At medium-low rotational speed, the ignition delay period is decreased, and the peak combustion pressure and maximum pressure rise rate are increased, and the engine operates roughly. At high rotational speed, the ignition delay period is increased, and the peak combustion pressure and maximum pressure rise rate are decreased, and the engine operates smoothly.

high pressure common rail diesel engine; aviation kerosene; combustion process

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.11.009

TK428.9

A

1674-2192(2017)11- 0040- 06

2017-06-09；

2017-08-21．

刘伍权(1973—)，男，博士，教授，硕士研究生导师．