燃油品質(zhì)對柴油機(jī)燃燒循環(huán)變動特性及性能的影響

張曉琴， 蔡忠周， 王增全， 李玉峰， 李耀宗， 李云廣， 黃云亮， 王曉滕， 張冬梅， 劉繼林

(1. 中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 2. 裝甲兵駐616廠軍事代表室， 山西 大同 037036)

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燃油品質(zhì)對柴油機(jī)燃燒循環(huán)變動特性及性能的影響

張曉琴1， 蔡忠周1， 王增全1， 李玉峰1， 李耀宗1， 李云廣1， 黃云亮1， 王曉滕1， 張冬梅1， 劉繼林2

(1. 中國北方發(fā)動機(jī)研究所(天津)， 天津 300400； 2. 裝甲兵駐616廠軍事代表室， 山西 大同 037036)

燃用3種柴油進(jìn)行了柴油機(jī)性能試驗(yàn)，研究了不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下柴油對燃燒循環(huán)變動特性及柴油機(jī)性能指標(biāo)的影響。研究表明：在全負(fù)荷速度特性下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動率逐漸減??；相同轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷越小，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動率越大；燃油的十六烷值越小，其自燃性越差，著火滯燃期越長；初餾溫度較低時(shí)，輕餾分含量較高，參加預(yù)混合燃燒的份額大，容易造成燃燒速度加快，壓力升高速度快，導(dǎo)致最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動率變大，對應(yīng)燃燒過程變粗暴，由此實(shí)現(xiàn)的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能變差。

柴油機(jī)； 燃油品質(zhì)； 循環(huán)變動； 性能

燃燒循環(huán)變動是指發(fā)動機(jī)以某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，相鄰循環(huán)燃燒過程的進(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)為壓力曲線、火焰?zhèn)鞑デ闆r及發(fā)動機(jī)功率輸出均不同[1]。國內(nèi)外對燃燒循環(huán)變動的研究多集中于汽油機(jī)[2-4]，但是隨著排放法規(guī)的要求越來越嚴(yán)格，柴油機(jī)的燃燒循環(huán)變動對性能也有重要的影響[5-8]。

燃油品質(zhì)直接影響柴油機(jī)的燃燒過程[9-11]。柴油的自燃性能用十六烷值評價(jià)[12]，十六烷值越大，自燃能力越高，著火延遲時(shí)間越短，柴油機(jī)工作的粗暴性也就越小。餾程表征柴油的蒸發(fā)性能，它是用燃油餾出(蒸發(fā)掉)某一百分比時(shí)的溫度范圍來表示。品質(zhì)好的柴油餾程較窄，在250～350 ℃之間蒸發(fā)的餾分最多[13]。燃油品質(zhì)不同，柴油機(jī)燃燒循環(huán)變動程度也不同。

本研究在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)燃用行不同油品的柴油機(jī)性能試驗(yàn)，旨在研究燃油品質(zhì)對燃燒循環(huán)變動特性以及性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 柴油油樣

本研究選取了3種不同品質(zhì)的柴油，其特性見表1，蒸餾曲線見圖1。由表1和圖1可見：1號柴油的十六烷值最大，3號的最??；1號和2號柴油的餾程相差不多，3號柴油的餾程最大。

表1 試驗(yàn)用柴油參數(shù)

以上數(shù)據(jù)表明：3種柴油中，3號柴油的自燃性最差，著火延遲時(shí)間長，且初餾溫度最低，250 ℃之前蒸發(fā)的餾分最多，其輕餾分含量大，具有易蒸發(fā)的特性。3種柴油理化性質(zhì)的差異造成發(fā)動機(jī)的燃燒特性以及性能有所不同。

1.2 試驗(yàn)臺架

研究對象為某柴油機(jī)，缸徑150 mm，排量38.88 L，標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，標(biāo)定功率588 kW，最大扭矩轉(zhuǎn)速1 400 r/min。試驗(yàn)設(shè)備主要包括SCHENCK D2600測功器、AVL TGS1760油耗儀、流量計(jì)、溫度傳感器以及發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架。試驗(yàn)臺架主要由發(fā)動機(jī)進(jìn)氣調(diào)控系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)排氣模擬系統(tǒng)和控制檢測系統(tǒng)三大部分組成(見圖2)。其中，控制檢測系統(tǒng)通過控制噴油泵最大供油量保護(hù)發(fā)動機(jī)，當(dāng)排氣溫度或增壓器轉(zhuǎn)速超限時(shí)，電控系統(tǒng)自動減小噴油泵齒桿位移，以減小供油量，降低發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，從而降低排氣溫度或增壓器轉(zhuǎn)速進(jìn)行保護(hù)。

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別選取2 000，1 800，1 600，1 500，1 400和1 000 r/min。當(dāng)柴油機(jī)在相應(yīng)工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，測量扭矩、燃油消耗量、氣缸壓力等。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燃燒循環(huán)變動分析

2.1.1 評價(jià)方法

由于壓力參數(shù)比較容易測量，本研究采用此類參數(shù)來表征燃燒循環(huán)變動，主要有最高燃燒壓力(pmax)和最大壓力升高率(dp/dφmax)[14-16]。

通過求各個(gè)參數(shù)的循環(huán)平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和循環(huán)變動率，分析其循環(huán)變動。各參數(shù)的循環(huán)變動率(Cov)由以下公式求得(以pmax為例，其他參數(shù)的變動率可用相同公式求得)，式中N為循環(huán)總數(shù)。

2.1.2 油品在外特性線上對燃燒循環(huán)變動的影響

3種柴油在外特性線上燃燒循環(huán)變動率的變化趨勢見圖3。由圖3可見，3種柴油的最高燃燒壓力循環(huán)變動率和最大壓力升高率的循環(huán)變動率隨著轉(zhuǎn)速的升高逐漸減小，其中，3號柴油對應(yīng)的最高燃燒壓力循環(huán)變動率最大，1號柴油的最小。

分析原因：轉(zhuǎn)速越低，缸內(nèi)壓縮過程的熱力狀態(tài)參數(shù)越低；十六烷值越低，則著火越困難；20%餾出率的輕餾分可以視為引燃燃油，這是速燃期內(nèi)參加預(yù)混合燃燒燃油的主要組分，初餾分越多，預(yù)混合燃燒份額越大。3種柴油中，3號柴油的十六烷值最低，20%餾出率的溫度最低，因此，其著火時(shí)間延遲，滯燃期長，滯燃期內(nèi)積累的熱量多，預(yù)混合燃燒份額大，燃燒速度較快。燃燒加速度過大，容易產(chǎn)生較大的熱負(fù)荷沖擊，形成壓力振蕩，燃燒過程粗暴。

2.1.3 不同負(fù)荷下油品對循環(huán)變動的影響

圖4示出3種柴油在標(biāo)定轉(zhuǎn)速(2 000 r/min)下不同負(fù)荷時(shí)的循環(huán)變動率。由圖4可見，隨著負(fù)荷的減小，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動率均增大，3號柴油對應(yīng)的循環(huán)變動率最大。

轉(zhuǎn)速不變時(shí)，進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量一定，負(fù)荷減小時(shí)，循環(huán)油量減少，空氣與燃油的混合均勻程度變差。3號柴油由于輕餾分含量大，更多的輕餾分蒸發(fā)、擴(kuò)散，與空氣混合并參加預(yù)混合燃燒，初期燃燒加速度較快，最大壓力升高率的循環(huán)變動幅值較大。

圖5示出轉(zhuǎn)速1 000 r/min、低負(fù)荷時(shí)循環(huán)變動率的變化趨勢。由圖5可見，低轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著負(fù)荷的減小，3種柴油對應(yīng)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動率都增大，且差值比2 000 r/min時(shí)更大。

3種柴油中，隨著負(fù)荷的減小，1號柴油的最高燃燒壓力的循環(huán)變動率增幅最大，為56.05%，而3號柴油的最大壓力升高率的循環(huán)變動率增幅最大，為33.36%。

原因是轉(zhuǎn)速越低，負(fù)荷越小，空氣與燃油的混合越不均勻，燃燒過程較不穩(wěn)定，十六烷值低的柴油更難壓燃著火。一旦著火，滯燃期內(nèi)積聚的熱量短時(shí)間釋放，初期燃燒速度過快，燃燒壓力振蕩劇烈。

2.2 燃油品質(zhì)對性能指標(biāo)的影響

圖6示出3種燃油對應(yīng)的不同轉(zhuǎn)速下全負(fù)荷性能指標(biāo)的變化。從圖6可以看出，對于同種燃油，隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動機(jī)功率逐漸增大，有效燃油消耗率呈先減小后增大的趨勢(拐點(diǎn)為最大扭矩點(diǎn)1 400 r/min)。3種柴油中，3號柴油對應(yīng)的有效功率在相同轉(zhuǎn)速下最低，有效燃油消耗率最高。

3 結(jié)論

a) 相同負(fù)荷下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動率逐漸減??；相同轉(zhuǎn)速下，負(fù)荷越小，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動率越大；

b) 燃油的十六烷值越小，初餾溫度越低，則燃燒初期速度越快，對應(yīng)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動率越大；由于燃燒過程較為粗暴，能夠?qū)崿F(xiàn)的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能相對較差。

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[編輯： 袁曉燕]

Effects of Fuel Property on Combustion Cyclic Variation and Performance of Diesel Engine

ZHANG Xiaoqin1, CAI Zhongzhou1, WANG Zengquan1, LI Yufeng1, LI Yaozong1,LI Yunguang1, HUANG Yunliang1, WANG Xiaoteng1, ZHANG Dongmei1, LIU Jilin2

(1. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China;2. Military Representative Office of Armored Forces in No．616 Factory, Datong 037036, China)

The effects of diesel on combustion cyclic variation and engine performance index under different speeds and loads were researched by combusting three kinds of diesel. The results show that the cyclic variations of peak cylinder pressure and pressure rise ratio decrease with the speed increase at full load speed characteristic．Moreover, the variation rates of peak cylinder pressure and pressure rise ratio are larger at lower load of the same speed．With the decrease of cetane number and first distillation temperature, the ignition delay time becomes longer, the percent of light distillation composition and the required amount of premixed combustion increases. Finally, the in-cylinder combustion and pressure rise accelerate, the variation rates of peak cylinder pressure and pressure rise ratio increase, the corresponding combustion process becomes short tempered and so the realized power and fuel economy deteriorate.

diesel engine; fuel property; cyclic vitiation; performance

2014-12-02；

2015-01-28

張曉琴(1986—)，女，助理研究員，碩士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒過程研究；xiaoqinshanxi@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.009

TK421.26

B

1001-2222(2015)03-0041-04