阻燃抑爆柴油的燃燒性能和排放研究*

付小磊　邵輝　王旭東　黃勇

（1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院　江蘇常州213164；　2.總后勤部油料研究所　北京102300）

阻燃抑爆柴油的燃燒性能和排放研究*

付小磊1邵輝1王旭東2黃勇1

（1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院江蘇常州213164；2.總后勤部油料研究所北京102300）

以-10號(hào)軍用柴油為基礎(chǔ)油配置阻燃抑爆柴油，在WP10.290發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，考察了使用阻燃抑爆柴油時(shí)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。結(jié)果表明：燃用阻燃抑爆柴油相比于燃用-10號(hào)軍柴會(huì)一定程度上降低輸出功率和扭矩 ，動(dòng)力性能下降2.31%～4.26%；燃用阻燃抑爆柴油時(shí)平均質(zhì)量燃油消耗率較燃用軍用柴油時(shí)增加了5.74%。體積燃油消耗率與軍用柴油相比，平均增加了4.32%；能夠降低NO的排放，NO的排放量相較于-10號(hào)軍柴降低了7%～19%；能夠降低排氣溫度，相比較于-10#軍柴 ，阻燃抑爆柴油的排氣溫度最大可以降低19.5℃。

阻燃抑爆柴油 動(dòng)力性 經(jīng)濟(jì)性 排放性

0　引言

阻燃抑爆柴油是指具有阻燃抑爆功能的微乳化柴油，是對(duì)普通柴油的一種性能優(yōu)化 ，通過(guò)添加水、抑爆劑、乳化劑、助乳化劑和功能添加劑 ，采用微乳化技術(shù)生產(chǎn)工藝，結(jié)合抑爆劑特殊添加工藝制備。阻燃抑爆柴油和普通軍用柴油靜爆實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比如圖1所示（左圖為-10號(hào)空白軍用柴油，右圖為-10號(hào)阻燃抑爆柴油）。可以看出，阻燃抑爆柴油相較于普通軍用柴油，在受到外界爆炸能量點(diǎn)燃后能夠很好地抑制爆炸火球的產(chǎn)生，起到了安全保護(hù)作用。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)阻燃抑爆柴油的在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際表現(xiàn)的研究較少，本研究通過(guò)預(yù)乳化工藝配置了含水量為5%的阻燃抑爆柴油。根據(jù)《柴油添加劑發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法》，在WP10.290發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)阻燃抑爆柴油和基礎(chǔ)油-10號(hào)軍柴進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分析對(duì)比不同的配方條件下，阻燃抑爆柴油和-10號(hào)軍柴的燃燒和排放性能，從而評(píng)價(jià)阻燃抑爆柴油在柴油機(jī)上的表現(xiàn)。

圖1　裝填60%體積的50 L油箱在靜爆開(kāi)始300 ms 時(shí)的抑爆效果對(duì)比

1　試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)裝置

為了研究油樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)、排放性能的影響，選取WP10.290發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。本研究試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

表1　WP10.290發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2　試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)示意

該系統(tǒng)的動(dòng)力性采用衢州東宇CW250型電渦流測(cè)功機(jī)測(cè)量；尾氣排放由奧地利AVL公司生產(chǎn)的AVL GAS1000型尾氣分析儀測(cè)量，燃油消耗由奧地利AVL公司生產(chǎn)的AVL 733S油耗儀測(cè)量。

1.2燃油的理化性能

試驗(yàn)所用的燃用油是以-10號(hào)軍用柴油為基礎(chǔ)調(diào)制的阻燃抑爆柴和 -10#軍用柴油，其理化性能如下表2所示。

表2　室溫下燃油的理化特性

1.3試驗(yàn)方法

根據(jù)《柴油添加劑發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法》第5部分試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行了阻燃抑爆柴油和基礎(chǔ)柴油的外特性和標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 200 r/min下的負(fù)荷特性試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意在做完柴油實(shí)驗(yàn)進(jìn)行油品切換后，必須讓柴油機(jī)進(jìn)行足夠時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)使燃油濾清器和油路中完成變成下次試驗(yàn)油樣 ，再進(jìn)行試驗(yàn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1動(dòng)力性

圖3表示外特性條件下，燃用阻燃抑爆柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的影響。

圖3　阻燃抑爆柴油對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性的影響

柴油機(jī)燃用-10#軍柴和阻燃抑爆柴油的動(dòng)力性變化趨勢(shì)一致，阻燃抑爆柴油會(huì)導(dǎo)致扭矩和功率略有下降。相比較于-10#軍柴，燃用阻燃抑爆柴油時(shí)，扭矩和功率平均減小43（N?m）、8.6 kW。動(dòng)力性能下降2.31%～4.26%，這是因阻燃抑爆柴油本身低熱值所導(dǎo)致的。由表2得知，阻燃抑爆柴油的熱值相較于-10號(hào)軍柴降低了9.48%。但動(dòng)力性能降幅并不顯著 ，這和阻燃抑爆柴油采用的微乳化工藝有著密不可分的關(guān)系。

柴油機(jī)在每工作循環(huán)內(nèi)噴入燃燒室內(nèi)的阻燃抑爆柴油雖體積保持不變，但扣除水分后實(shí)際能燃燒的柴油的質(zhì)量少于-10號(hào)軍用柴油，故會(huì)在一定程度上降低氣缸做功能力。但燃燒過(guò)程中氣缸內(nèi)的壓力不會(huì)因?yàn)樗奈鼰嶙饔檬沟酶變?nèi)溫度下降而下降，雖然在燃燒期內(nèi)氣缸內(nèi)的溫度有所下降 ，但是水的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)氣體容積膨脹 ，從而使氣缸壓力有所增加，增加了做功能力。兩種因素相互制約導(dǎo)致燃用阻燃抑爆柴油時(shí)功率和扭矩較-10#軍柴略有降低。

2.2經(jīng)濟(jì)性

圖4表示標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性條件下，在實(shí)測(cè)燃油消耗率的基礎(chǔ)綜合熱值換算出的燃油質(zhì)量消耗率。

圖4　燃油質(zhì)量消耗率

圖5是在實(shí)測(cè)燃油消耗率的基礎(chǔ)綜合熱值換算出的燃油體積消耗率。由圖4和圖5可以看出。在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷的不斷升高，阻燃抑爆柴油的能量消耗率和燃油體積消耗率逐漸向-10號(hào)軍柴逼近，由于阻燃抑爆柴油密度大熱值低 ，因此燃用阻燃抑爆柴油時(shí)平均質(zhì)量燃油消耗率較燃用軍用柴油時(shí)增加了5.74%。因此，柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性下降，為科學(xué)的評(píng)價(jià)裝備使用阻燃抑爆柴油后作戰(zhàn)半徑減少程度，還需要計(jì)算其體積燃油消耗率，如圖5所示。柴油機(jī)燃用阻燃抑爆柴油時(shí)，體積燃油消耗率與軍用柴油相比，平均增加了4.32%。

圖5　燃油體積消耗率

在小負(fù)荷區(qū)域時(shí)，由于缸內(nèi)的溫度和壓力比較低，“微爆”作用減弱，阻燃抑爆柴油的高粘度和高密度會(huì)導(dǎo)致噴霧過(guò)程惡化，在低負(fù)荷區(qū)域時(shí)水分蒸發(fā)起到主導(dǎo)作用，經(jīng)濟(jì)性變差。在大負(fù)荷區(qū)域時(shí) ，由于缸內(nèi)的溫度和壓力高，阻燃抑爆柴油中的表面活性劑能夠很好的參與燃燒，由于“微爆”而產(chǎn)生的“二次霧化”作用導(dǎo)致燃燒更為充分 ，故在一定程度上阻燃抑爆柴油的燃油經(jīng)濟(jì)性略有提高。

2.3排放性

2.3.1對(duì)NOx的影響

實(shí)際的NOx包括NO、NO2等產(chǎn)物，其他產(chǎn)物的含量很少，故本節(jié)中用NO來(lái)表示NOx。

圖6　標(biāo)定轉(zhuǎn)速下阻燃抑爆柴油對(duì)NO排放的影響

由圖6可以看出，燃用阻燃抑爆柴油時(shí)，NO的排放量相較于-10號(hào)軍柴降低了7%～19%。NOx是在柴油機(jī)燃燒室高溫環(huán)境中，由空氣中的N被O原子氧化而得到。阻燃抑爆柴油能夠造成NO排放降低的原因?yàn)椋鹤畛踹M(jìn)入燃燒室內(nèi)的水分是以液體的形式存在的，在燃燒室的高溫環(huán)境下吸收熱量發(fā)生了相變，從而降低了燃燒室的溫度，破壞了燃燒室內(nèi)的高溫環(huán)境。另外水蒸汽沖淡了混合氣中的氧和氮?dú)獾臐舛?，抑制了NOx的生成。

2.3.2對(duì)排氣溫度的影響

圖7為標(biāo)定轉(zhuǎn)速下阻燃抑爆柴油對(duì)排氣溫度的影響。由圖7可以看出，燃用阻燃抑爆柴油能夠降低排氣溫度，相比較于-10#軍柴，阻燃抑爆柴油的排氣溫度最大可以降低4.8%，排氣溫度主要取決于汽缸內(nèi)的燃燒溫度，采用微乳化工藝制備的阻燃抑爆柴油燃燒過(guò)程中燃燒室溫度低于 -10#軍柴。這是因?yàn)樽枞家直裼偷臒嶂档陀?10號(hào)軍柴，在單位時(shí)間內(nèi)噴入氣缸內(nèi)的燃油質(zhì)量保持一定的情況下，低熱值的阻燃抑爆柴油燃燒放熱量低于-10號(hào)軍柴。此外，由于阻燃抑爆柴油采用了微乳化工藝，在燃燒過(guò)程中，水帶走的顯熱和潛熱會(huì)增加，從而影響了缸內(nèi)的燃燒溫度。

圖7　標(biāo)定轉(zhuǎn)速下阻燃抑爆柴油對(duì)排氣溫度的影響

3　結(jié)論

（1）燃用阻燃抑爆柴油相比于燃用-10#軍柴會(huì)導(dǎo)致輸出功率和扭矩在一定程度上降低，對(duì)動(dòng)力性影響較小。

（2）燃用阻燃抑爆柴油時(shí)平均質(zhì)量燃油消耗率較燃用軍用柴油時(shí)增加了5.74%；體積燃油消耗率與軍用柴油相比，平均增加了4.32%。

（3）燃用阻燃抑爆柴油能夠降低NO的排放，燃用阻燃抑爆柴油時(shí)，NO的排放量相較于-10號(hào)軍柴降低了7%～19%。用阻燃抑爆柴油能夠降低排氣溫度，相比較于-10#軍柴 ，阻燃抑爆柴油的排氣溫度最大可以降低4.8%。

Study on Performance and Emissions of Fire Resistant and Explosion Suppression Diesel

FU Xiaolei1SHAO Hui1WANG Xudong2HUANG Yong1
（1.College of Environment&Safety Engineering，Changzhou University Changzhou，Jiangsu 213164）

Millitary diesel-10#is used as base oil to configure fire resistantand explosion suppression dieseland experiments on WP10.290 engine are conducted to study the effects of power，economy and emissions performance when using fire resistant and explosion suppression diesel.The results show that，compared with millitary diesel-10#，the fire resistant and explosion suppression diesel could reduce the output power and torque to a certain extent and dynamic performance degradation 2.31%～4.26%，the fire resistant and explosion suppression diesel can increase the quality fuel consumption by an average 5.74%compared with millitary diesel-10#.While volume fuel consumption is increased by an average by 4.32%，NO emissions can be reduced and emissions of NO is decreased 7%to 19%compared with millitary diesel-10#，the exhaust gas temperature can be reduced and compared with millitary diesel-10#，the exhaust temperature can decrease 19.5℃maximum.

fire resistant and explosion suppression diesel power performance efficiency emission performance

科技部國(guó)際科技合作重大專項(xiàng)資助（2013DFR60080），國(guó)家安全監(jiān)管總局2013年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目（安監(jiān)總廳科技（2013）140號(hào)）。

付小磊 ，碩士，主要從事液體燃料安全技術(shù)研究。

（2015-05-10）