高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用聚醚型含氧燃料熱平衡試驗(yàn)研究

王旭東， 熊春華， 魯長波， 安高軍， 王鋒

(1.軍事科學(xué)院 軍事新能源技術(shù)研究所, 北京 102300； 2.陸軍裝備部 北京軍事代表局, 北京 100012)

0 引言

青藏高原平均海拔4 000 m以上，高原特殊的地理環(huán)境和氣候條件，對裝備柴油機(jī)產(chǎn)生極大影響。隨著海拔高度增加，大氣壓力逐漸降低，當(dāng)海拔高度從海平面上升到4 500 m時，大氣壓力從101.3 kPa降到57.6 kPa，空氣密度由1.29 kg/m3降至0.79 kg/m3. 由于大氣壓力下降，缸內(nèi)進(jìn)氣壓縮終點(diǎn)壓力降低，滯燃期增加，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量不能及時轉(zhuǎn)化為有用功，造成排氣溫度增加，熱負(fù)荷增大。隨著海拔升高，冷卻液沸點(diǎn)降低，容易發(fā)生開鍋現(xiàn)象；而且因空氣密度下降，造成裝備動力艙流經(jīng)冷卻風(fēng)扇的空氣質(zhì)量流量減少，散熱能力大幅低于設(shè)計要求。這些因素綜合作用，造成高原環(huán)境下柴油機(jī)熱負(fù)荷嚴(yán)重、可靠性降低、故障頻發(fā)[1-2]。某型柴油機(jī)在高原使用過程中出現(xiàn)了大量的活塞燒蝕、呲缸墊等故障。如何在高海拔條件下，降低柴油機(jī)的熱負(fù)荷，提高柴油機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，已成為亟待解決的問題。

近年來，裝備設(shè)計單位主要從發(fā)動機(jī)技術(shù)角度來解決這一問題，如采用兩級增壓、調(diào)節(jié)噴油泵循環(huán)供油量和供油提前角，減小噴孔直徑等方法[3-6]。本文從燃料角度入手，通過研究自身帶活性含氧基團(tuán)的聚醚型含氧燃料，來提高柴油機(jī)過量空氣系數(shù)，緩解裝備柴油機(jī)因空氣稀薄、氧含量不足導(dǎo)致的動力下降、熱負(fù)荷加劇和壽命縮短等問題。

1 聚醚型含氧燃料

王旭東等[7]研發(fā)了一種以甲基封端的聚甲氧基二甲基醚型含氧燃料，分子式為CH3-O-(CH2O)n-CH3(n=3，4，5，6，7，8為甲氧基的聚合度，以下簡稱DMM)，DMM可顯著改善高原環(huán)境下柴油機(jī)因空氣稀薄、氧含量不足導(dǎo)致的燃燒性能惡化、動力下降等問題[7]。由于DMM含氧量高且熱值低，僅能與現(xiàn)用石油基柴油摻混使用，但DMM與石油基柴油的低溫互溶性較差，當(dāng)摻混比大于30%時，該混合燃料在-35 ℃環(huán)境下會出現(xiàn)分層，且溫度回升后燃料的分層現(xiàn)象不可恢復(fù)，不能滿足軍用燃料的低溫性能要求。因此，本文在DMM基礎(chǔ)上，合成了一種氧含量適中、不需與現(xiàn)用柴油摻混使用的聚甲氧基二丁基醚型含氧燃料，分子式為C4H9-O-(CH2O)n-C4H9(n=1，2，以下簡稱DMB100)，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。DMB100以多聚甲醛和多碳醇為原料，在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度、壓力條件下，采用固體酸催化體系合成。主要理化性能參數(shù)如表1所示，具有十六烷值高和含氧量高等優(yōu)點(diǎn)，其餾程、密度、凝點(diǎn)、閃點(diǎn)等與柴油相近，不含硫、不含芳烴，可與柴油以任意比例互溶[8-9]。

表1 試驗(yàn)燃料理化特性

目前，在DMB100實(shí)驗(yàn)室合成技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了千噸級的中試放大生產(chǎn)，完成了理化性能、毒性、材料相容性、儲存安定性、與石化柴油配伍性研究，并進(jìn)行了柴油機(jī)燃油系統(tǒng)耐久性試驗(yàn)、高原模擬環(huán)境發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)和部隊實(shí)裝試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)柴油機(jī)為某型6缸增壓柴油機(jī)，其基本技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)裝置包括發(fā)動機(jī)高原環(huán)境進(jìn)氣調(diào)控系統(tǒng)、排氣模擬系統(tǒng)，大氣壓力控制范圍為57.57～100 kPa(可模擬海拔0～4 500 m條件)、SCHENCKD電渦流測功機(jī)、AVL油耗儀、DEWETRON燃燒分析儀、冷卻液和空氣流量計等，柴油機(jī)熱平衡試驗(yàn)臺架如圖2所示。

選取外特性工況點(diǎn)，測定柴油機(jī)燃油總熱量的分配情況。柴油機(jī)冷卻介質(zhì)進(jìn)出口溫差和潤滑油進(jìn)出口溫差的不確定度應(yīng)不大于±0.1 ℃. 測試參數(shù)包含進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗量、燃油進(jìn)油溫度、空氣質(zhì)量流量、排氣溫度、冷卻介質(zhì)流量、冷卻介質(zhì)進(jìn)出口溫度、潤滑油流量、潤滑油進(jìn)出口溫度等[10-12]。

3 外特性對比分析

3.1 功率油耗對比

模擬海拔4 500 m，在控制功率相同的條件下，進(jìn)行了試驗(yàn)柴油機(jī)燃用-35號車用柴油和DMB100的熱平衡試驗(yàn)，柴油機(jī)燃用不同燃料的功率對比和燃油消耗量對比如圖3所示。

DMB100低熱值較車用柴油低，因此燃用聚醚型含氧燃料時，為達(dá)到與燃用車用柴油相同的功率，需調(diào)整噴油泵各轉(zhuǎn)速最大油量限制參數(shù)，增加柴油機(jī)循環(huán)供油量[13-15]，故質(zhì)量燃油消耗量平均增加20.2%.

燃油消耗率對比和能量消耗率對比如圖4所示。由圖4可以看出，柴油機(jī)燃用DMB100時，體積燃油消耗率平均增加13.1%，在油箱體積不變的情況下，會對裝備的最大行駛里程造成一定影響。由于單位質(zhì)量的含氧燃料低熱值只有車用柴油的74%，本文選擇能量消耗率的指標(biāo)來評價柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性[16]，柴油機(jī)燃用DMB100時能量消耗率下降10.5%.

3.2 有效功熱量對比

柴油機(jī)燃用不同燃料的有效熱效率對比與有效功熱量對比如圖5所示。

Qr=3.6×103Pr,

(1)

式中：Qr為有效功熱量(MJ/h)；Pr為有效功率(W).

由于控制柴油機(jī)功率相同，燃用DMB100與-35號車用柴油時，有效功所占熱量相同，但使用含氧燃料后，柴油機(jī)缸內(nèi)過量空氣系數(shù)提高，顯著改善了高原缺氧條件下的燃燒狀況，有效熱效率平均提高11.8%，幾乎恢復(fù)到了試驗(yàn)柴油機(jī)平原條件下的有效熱效率。

3.3 冷卻水散熱量對比

柴油機(jī)燃用不同燃料的冷卻水進(jìn)出口溫差對比和冷卻水帶走熱量對比如圖6所示。

Qc=Gc·cpc·ΔT,

(2)

式中:Qc為冷卻水帶走的熱量(MJ/h)；Gc為冷卻水流量(kg/h)；cpc為冷卻水定壓比熱容(MJ/(kg·K))；ΔT為冷卻水進(jìn)出口溫差(K)。

柴油機(jī)燃用DMB100時，由于冷卻水進(jìn)出口溫差減小，冷卻水帶走熱量平均減少7.5%. 經(jīng)高原實(shí)裝試驗(yàn)驗(yàn)證，燃用DMB100可以有效緩解裝備長時間、長距離行駛時冷卻液沸騰和因冷卻系統(tǒng)長期過熱所導(dǎo)致的呲缸墊等故障。

3.4 排氣散熱量對比

柴油機(jī)燃用不同燃料的排氣溫度對比和排氣散熱量對比如圖7所示。

Qg=(B+A)·cg·ΔTga,

(3)

式中：Qg為排氣帶走的熱量(MJ/h)；B為燃油消耗量(kg/h)；A為空氣消耗量；cg為排氣比熱容(MJ/(kg·K))；ΔTga為排氣溫度與環(huán)境溫度之差(K)。

柴油機(jī)燃用DMB100時，渦后排氣溫度平均下降26.8 ℃，排氣帶走熱量平均減少4.2%，缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的熱量盡可能多地轉(zhuǎn)化為有用功對外輸出，熱負(fù)荷狀況得到了改善，有助于緩解冷卻系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，同時還可以降低裝備紅外特征。

3.5 滯燃期對比

柴油機(jī)燃用不同燃料的滯燃期對比如圖8所示。由圖8可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，以曲軸轉(zhuǎn)角計的滯燃期增加，但以時間計的滯燃期減小。燃用DMB100時滯燃期平均減少8.7%. DMB100相比-35號車用柴油具有黏度小、餾程輕、十六烷值高的特點(diǎn)，噴入缸內(nèi)時易破碎、易蒸發(fā)、易著火，因此燃燒始點(diǎn)提前，滯燃期明顯縮短。

4 標(biāo)定點(diǎn)對比分析

4.1 燃燒特性對比

海拔4 500 m條件下，大氣壓力57.6 kPa、環(huán)境溫度25 ℃、相對濕度25%、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min、功率270 kW時，缸內(nèi)氣體壓力與壓升率對比如圖9所示。

由圖9可以看出，燃用DMB100相比-35號車用柴油最高燃燒壓力略有下降，壓升率峰值從1.1 MPa/°CA下降至0.6 MPa/°CA，燃燒始點(diǎn)由上止點(diǎn)前6.7°CA提前至上止點(diǎn)前8.3°CA，本文燃燒始點(diǎn)定義為缸內(nèi)氣體壓力突升對應(yīng)的時刻。滯燃期過長會導(dǎo)致燃料達(dá)到著火條件前缸內(nèi)混合氣過多，而一旦著火，熱量瞬時釋放，缸內(nèi)壓力急劇上升，軍用柴油機(jī)鋁制活塞和缸蓋在長期沖擊負(fù)荷下，容易造成活塞頭部和缸蓋火力面燒蝕。因此，高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用DMB100時，滯燃期縮短、壓升率降低，工作更加柔和，有助于延長裝備使用壽命。

柴油機(jī)缸內(nèi)氣體溫度對比和放熱率對比如圖10所示。由圖10可以看出，燃用DMB100時，缸內(nèi)氣體最高溫度由1 825 ℃下降至1 729 ℃，渦后排氣溫度由578 ℃降至545 ℃，瞬時放熱率峰值由562 J/°CA降至288 J/°CA，缸內(nèi)熱負(fù)荷得到有效緩解，因此冷卻水和排氣帶走的熱量減少。

柴油機(jī)累積放熱量對比如圖11所示。由圖11可以看出，燃用-35號車用柴油時單缸實(shí)際放熱量為6 643 J，如果噴入缸內(nèi)的燃料完全燃燒，理論放熱量應(yīng)為7 918 J，燃燒效率為84%. 燃用DMB100時單缸實(shí)際放熱量為6 164 J，理論放熱量應(yīng)為6 991 J，燃燒效率為88%. 這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)燃用DMB100時，燃料中的氧元素參與了燃燒，燃燒更加充分，燃燒效率得到了提高。此外，由于后燃現(xiàn)象得到了緩解，燃燒放熱的等容度增加，做功能力更強(qiáng)，有效熱效率提高，因此在單缸實(shí)際循環(huán)放熱量偏小情況下仍可以達(dá)到相同的功率輸出。

4.2 熱量分配對比

高原環(huán)境下，柴油機(jī)燃用DMB100的熱量分配對比如圖12所示。

由圖12可以看出，由于柴油機(jī)功率相同，因此有效功熱量相同。冷卻水進(jìn)出口溫差由3.5 ℃減少至3.3 ℃，冷卻水帶走熱量減少5.8%. 渦后排氣溫度由578 ℃下降為545 ℃，排氣帶走的熱量減少5.2%.

高原條件下，造成柴油機(jī)熱負(fù)荷加劇和排溫升高的主要原因?yàn)闇计谘娱L、后燃嚴(yán)重，尤其是在膨脹沖程后期釋放的熱量，不能及時高效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只能以冷卻水和排氣散熱的形式浪費(fèi)，在高原實(shí)裝試驗(yàn)時經(jīng)常發(fā)生排氣孔噴火的現(xiàn)象。當(dāng)柴油機(jī)燃用DMB100時，由于其高十六烷值和自供氧的特性，滯燃期縮短，極大地緩解了后燃現(xiàn)象，提高了燃燒放熱過程的等容度，燃料燃燒所放出的熱量在膨脹沖程中更多地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對外做功，因此有效熱效率提高，冷卻水和排氣帶走的熱量減少。

高原環(huán)境下，燃料的不完全燃燒損失是余項(xiàng)損失的重要組成部分，由于DMB100含有約22%的氧元素，提高了柴油機(jī)的過量空氣系數(shù)，燃料燃燒更加充分，不完全燃燒損失大幅減少。

5 結(jié)論

1) 模擬海拔4 500 m條件下，柴油機(jī)運(yùn)行在外特性工況，以-35號車用柴油試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在控制功率相同條件下，柴油機(jī)燃用DMB100時，有效熱效率平均提高10.4%，冷卻水帶走熱量平均減少7.5%，排氣帶走熱量平均減少4.2%.

2) 模擬海拔4 500 m條件下，柴油機(jī)燃用DMB100時，燃燒始點(diǎn)提前，滯燃期縮短，壓升率降低，缸內(nèi)最高溫度降低，有效緩解了高原環(huán)境下柴油機(jī)后燃嚴(yán)重和熱負(fù)荷加劇的問題。