活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物航煤與RP-3燃料的適用性對比

楊 飛, 陳 偉, 張 晨, 羅 剛*, 徐俊明, 李芳琳

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院;航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210016; 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所, 江蘇 南京 210042)

生物質(zhì)是唯一可以直接轉(zhuǎn)化得到液體燃料油的可再生資源[1]。生物航煤源于可再生的生物質(zhì)資源，同傳統(tǒng)燃料相比，生物航煤具有分子結(jié)構(gòu)與石化航煤相似、硫含量低、閃點(diǎn)高、燃燒產(chǎn)物排放量低等特點(diǎn)，具有不需要更換發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)便可使用的巨大優(yōu)勢[2]。此外，生物航煤還具有原料易得、可再生、污染少等優(yōu)點(diǎn)，與其他替代能源相比更加受到青睞[3]。在生物航煤的研制和應(yīng)用研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者針對生物航煤的制備、物理性質(zhì)、燃燒性能等方面開展了大量研究[4-10]。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)造價(jià)昂貴且實(shí)驗(yàn)條件苛刻，因此對生物航煤的實(shí)驗(yàn)研究多在小型渦輪機(jī)或者替代的燃燒試驗(yàn)器上進(jìn)行。Hui等[11]通過使用逆流燃燒器測試研究了航空燃料(Jet-A)和各種替代噴氣燃料的基本燃燒特性，發(fā)現(xiàn)替代燃料的理化性質(zhì)對燃料的燃燒特性影響較大；Rehman等[12]使用麻風(fēng)樹生物柴油與傳統(tǒng)石油基燃油進(jìn)行摻混，在IS/60 Rovers燃?xì)廨啓C(jī)中利用混合燃料進(jìn)行了工作可行性試驗(yàn)；Corporan等[13]使用T63渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)和大氣旋流穩(wěn)定燃燒室研究合成噴氣燃料的排放特征，分析了非揮發(fā)性顆粒物質(zhì)(PM)和氣體排放，以評(píng)估無芳烴和無硫噴氣燃料對燃燒器的影響規(guī)律。以上研究表明生物燃料的理化性能對其霧化性能起著決定性的作用，進(jìn)而影響生物燃料的燃燒性質(zhì)。本研究以大豆油為原料制備了某型生物航煤，并將生物航煤應(yīng)用在某型活塞式重油航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，通過生物航煤與RP-3燃料的成分分析、臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，以期制備適用性優(yōu)良的生物航煤。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

大豆油由江蘇強(qiáng)林生物質(zhì)能源材料有限公司提供；RP-3燃料、RP-5燃料由南京航空航天大學(xué)無人機(jī)研究院提供；碳酸鈉(AR)，西隴化工股份有限公司；鈀碳催化劑(10% Pd/C)，阿拉丁公司；HZSM-5催化劑(硅鋁比值為25)，天津南化催化劑有限公司；高純氫氣，南京麥克斯南分特種氣體有限公司。

活塞式重油航空發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，南京航空航天大學(xué)自研產(chǎn)品；SYD-265C-1石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度器由中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所提供；附溫比重瓶，上海崇明建設(shè)玻璃儀器廠；6300型氧彈量熱儀，美國Parr公司；890A/5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)儀，美國Agilent公司。

1.2 生物航煤的制備

1.2.1大豆油的催化裂解 本研究所用生物航煤是通過熱化學(xué)催化的方法控制大豆油油脂結(jié)構(gòu)進(jìn)行多級(jí)演化，催化裂解得到的裂解油。具體技術(shù)路線如下圖所示。

具體操作：使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的Na2CO3為催化劑與1 500 g大豆油在反應(yīng)釜溫度<450 ℃、精餾柱溫度300 ℃的條件下進(jìn)行催化裂解反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的氣態(tài)油中輕質(zhì)油組分通過精餾柱后，經(jīng)冷凝管液化導(dǎo)出，即得到輕質(zhì)油。重質(zhì)油組分沸點(diǎn)較高，通過精餾柱時(shí)被攔截，回流到反應(yīng)釜中發(fā)生進(jìn)一步裂解后流出。

1.2.2 精餾提取輕質(zhì)油 將催化裂解得到的的裂解油稱量后，進(jìn)行精餾，收集<280 ℃的餾分，獲得直鏈烴類(輕質(zhì)油)。

1.2.3 調(diào)整輕質(zhì)油分子結(jié)構(gòu)制取生物航煤 對輕質(zhì)油進(jìn)行GC-MS分析，輕質(zhì)油的分子鏈長度主要分布在C8～C15，處于噴氣燃料的組成范圍內(nèi)。由于噴氣燃料主要是烷烴、芳香烴和環(huán)烷烴三者的混合物，而輕質(zhì)油中多數(shù)為直鏈烷烴和烯烴，環(huán)烷烴和芳香烴含量不足。因此，需要對輕質(zhì)油的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。首先，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的HZSM-5分子篩催化劑對輕質(zhì)油進(jìn)行芳構(gòu)化處理，使部分烷烴、烯烴轉(zhuǎn)化為芳香烴。取出部分芳烴化的輕質(zhì)油高壓加氫，通過加氫反應(yīng)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3% Pd/C為催化劑)將部分芳香烴加氫為環(huán)烷烴。經(jīng)過調(diào)配，最終得到的碳鏈長度分布在C8～C15，主要成分為鏈烷烴、芳香烴和環(huán)烷烴的生物航煤。

1.3 分析及性能測定

1.3.1GC-MS分析 采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對生物航煤的組分進(jìn)行定性分析。采用HP-5色譜柱(30 m×0.05 μm×0.32 nm)，檢測器為FID檢測器。測試條件為50 ℃ 保持2 min，以5 ℃/min升溫至220 ℃保持2 min，氣化室溫度280 ℃，載氣為氮?dú)猓M(jìn)樣量0.5 μL，分流比為50∶1。質(zhì)譜檢測條件為電離方式EI源，轟擊能量70 eV，離子源溫度230 ℃，通過全掃描采集數(shù)據(jù)。

1.3.2性能測定 在20 ℃下，采用附溫比重瓶測定燃料的密度；采用全自動(dòng)氧彈量熱儀檢測油品熱值；依據(jù)GB/T 2430—2008和GB/T 5530—2005分別測定油品的冰點(diǎn)、酸值；依據(jù)GB/T 265—1988，在20 ℃下，采用毛細(xì)管黏度計(jì)在SYD-265C-1石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度器中測定裂解燃料油的運(yùn)動(dòng)黏度。

1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)性能對比試驗(yàn)

利用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)(圖1)，在相同工況下對生物航煤和RP-3燃料進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)性能對比試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為自主研發(fā)的活塞式重油航空發(fā)動(dòng)機(jī)(結(jié)構(gòu)見圖2)，兩缸水平對置，排量56 cm3，設(shè)計(jì)使用燃油為RP-3燃料，冷卻方式為風(fēng)冷，主要用于無人機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)為燃燒室，布置有環(huán)形肋片和豎直肋片，用于增加散熱面積。上端安裝螺旋槳葉片，腹部兩側(cè)是排氣口，腹部中間是用于加裝加熱設(shè)備的槽。經(jīng)過多架次超過200 h的長時(shí)間測試標(biāo)定和試驗(yàn)，該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具體性能參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速1 500～7 000 r/min，功率3.2 kW，缸徑36.068 mm，行程27.94 mm，排量56 cm3，適配螺旋槳20X12、21X12和22X10，綜合油耗600 g/h，整機(jī)質(zhì)量3.0 kg。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

將地面加熱監(jiān)控模塊加熱開關(guān)調(diào)至自動(dòng)模式，連接兩路PT100缸溫傳感器，打開逆變器開關(guān)和控制開關(guān)；在自動(dòng)模式下通過逆變器面板觀察實(shí)時(shí)加熱功率和電池組實(shí)時(shí)電壓。將缸體預(yù)熱到一定溫度，給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元集成(ECU)、油泵、缸內(nèi)直噴(GDI)點(diǎn)火器供電，將節(jié)氣門調(diào)節(jié)到啟動(dòng)所需開度，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)速控制在1 800～2 000 r/min，分析生物航煤和RP-3燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)溫度的影響。

1.5 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、缸體溫度、舵機(jī)開度、燃油消耗等數(shù)據(jù)通過控制箱匯總到控制室的PC端。ECU模塊控制噴油量、噴油提前角、舵機(jī)開度等，單獨(dú)的點(diǎn)火模塊控制發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞。燃油消耗量使用電子秤實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集分析。

使用同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，首先進(jìn)行RP-3燃料測試，測試完畢后，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)檢查；隨后進(jìn)行生物航煤測試。更換生物航煤后開機(jī)10 min，確保發(fā)動(dòng)機(jī)油路中全部殘余的RP-3燃料消耗完畢后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，避免燃油混燒造成影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式與1.4節(jié)啟動(dòng)試驗(yàn)步驟一致，通過調(diào)節(jié)舵機(jī)開度，改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度通過連接在缸體上的PT100缸溫傳感器測得，經(jīng)ECU傳輸給PC端。過量空氣系數(shù)(λ，衡量燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性)不能直接測量，通過安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管處的氧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測尾氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)(φO2)，根據(jù)λ=21%/(21%-φO2)得到過量空氣系數(shù)，其中21%為空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物航煤的成分分析

經(jīng)GC-MS分析發(fā)現(xiàn)，生物航煤的基本組成如下：直鏈烷烴74.54%、環(huán)烷烴13.04%、芳香烴10.31%、醚類1.07%和非α-鏈烯烴1.04%?？梢钥闯?，烷烴占大多數(shù)，能提供理想的燃燒潔凈度。其中主要成分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 生物航煤的基本成分結(jié)構(gòu)

生物航煤中的烷烴和烯烴占比接近90%，輕質(zhì)烴類具有易蒸發(fā)、閃點(diǎn)低的特點(diǎn)，在噴嘴噴出時(shí)會(huì)率先揮發(fā)形成燃料蒸氣，可以提供良好的燃燒潔凈度和啟動(dòng)性能。芳香烴可以防止飛機(jī)燃料系統(tǒng)橡膠密封圈收縮，避免燃料泄漏，生物航煤芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.31%，符合航空噴氣燃料芳香烴不高于20%的標(biāo)準(zhǔn)要求。醚類含氧量高，極易燃燒，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)貧氧狀態(tài)下的燃燒，但醚類經(jīng)光照易與空氣反應(yīng)產(chǎn)生過氧化物，運(yùn)輸儲(chǔ)存過程中需要注意。

2.2 燃油性能分析

輕質(zhì)油、生物航煤、RP-3和RP-5的部分性能參數(shù)如表1所示。

表1 輕質(zhì)油、生物航煤、RP-3和RP-5的性能參數(shù)1)

1)RP-3和RP-5的參數(shù)來自GB/T 6537—2006和GB/T 1884—2000 the parameters of RP-3 and RP-5 refers to GB/T 6537—2006 and GB/T 1884—2000, respectively

由表1可以看出，生物航煤的黏度高于RP-3燃料，密度與RP-3燃料接近。生物航煤的熱值為44.4 MJ/kg，相比原材料大豆油的熱值(38.95 MJ/kg)有較大幅度提升，能量密度高，符合航空噴氣燃料的基本熱值要求;冰點(diǎn)為-48 ℃，滿足高空低溫環(huán)境下的航空使用條件;酸值為零，存儲(chǔ)、運(yùn)輸和使用過程中對管路、容器等不會(huì)產(chǎn)生腐蝕作用。對比發(fā)現(xiàn)，生物航煤與RP-3燃料性能較為接近，滿足航空噴氣燃料熱值不低于42.8 MJ/kg、冰點(diǎn)不高于-47 ℃、密度為775～830 kg/m3、酸值(以KOH計(jì))不大于0.015 mg/g的基本理化性質(zhì)要求。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1熱啟動(dòng)性能 關(guān)機(jī)冷卻后，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度預(yù)熱到60 ℃下重復(fù)生物航煤的發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)。再次關(guān)機(jī)冷卻后，重復(fù)以上步驟，RP-3燃料在相同工況下啟動(dòng)溫度為65 ℃，60 ℃ 無法成功啟動(dòng)。熱啟動(dòng)對比試驗(yàn)表明生物航煤在航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上的啟動(dòng)性能相較于RP-3燃料更為出色(室溫30.4 ℃)。

2.3.3油耗分析 圖4(b)為生物航煤與RP-3燃料在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中的油耗數(shù)據(jù)。由圖可知，生物航煤和RP-3燃料在油耗數(shù)據(jù)上非常接近(相差小于0.02 g/s)，同等工況條件下生物航煤的油耗略高。主要原因是生物航煤的黏度偏高，削弱了燃油的霧化效果，進(jìn)而影響了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使得在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)燃油無法充分燃燒而被排出，造成油耗升高。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對溫度(a)和油耗(b)的影響

2.3.4過量空氣系數(shù) 為表征生物航煤在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒狀態(tài)，采用過量空氣系數(shù)來衡量燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性。燃用生物航煤試驗(yàn)測量的過量空氣系數(shù)(λ)值與燃用RP-3燃料時(shí)相比差異較大。燃用生物航煤時(shí)過量空氣系數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過4 200 r/min時(shí)開始無法穩(wěn)定在某一數(shù)值上，5 500r/min后趨于正常，表明此時(shí)燃燒狀態(tài)仍不穩(wěn)定。將發(fā)動(dòng)機(jī)兩缸的過量空氣系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系進(jìn)行處理，結(jié)果如圖5所示。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500～4 200 r/min時(shí)，生物航煤與RP-3燃料產(chǎn)生的混合氣體濃度都比較接近，基本在1左右浮動(dòng)，燃燒狀態(tài)理想。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過4 200 r/min時(shí)，生物航煤的燃燒狀態(tài)較不穩(wěn)定，此時(shí)一缸過量空氣系數(shù)在0.8～1.2之間跳動(dòng)，不能穩(wěn)定在固定值，說明發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)混合氣濃度發(fā)生劇烈變化，濃度忽高忽低，表明燃燒狀態(tài)惡化。二缸過量空氣系數(shù)也出現(xiàn)類似較大幅度的波動(dòng)。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化

發(fā)動(dòng)機(jī)在相對高轉(zhuǎn)速的工況下，噴油頻率變高，生物航煤由于黏度較高的問題導(dǎo)致霧化不充分，存在大粒徑油滴掛壁的現(xiàn)象，隨時(shí)可能出現(xiàn)油滴落，致使可燃混合氣濃度瞬間提高，造成過量空氣系數(shù)持續(xù)不穩(wěn)定。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物航煤過程中振動(dòng)幅值超出正常范圍，發(fā)生爆震。生物航煤黏度較高可能是由于生物航煤制備過程中芳構(gòu)化加氫不徹底而形成的膠質(zhì)所導(dǎo)致，膠質(zhì)容易在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中產(chǎn)生積炭，積炭溫度較高，使得可燃混合氣在積炭處被點(diǎn)燃，形成多火核，加快混合氣燃燒速度，造成爆震，擾亂正?；鸹ㄈc(diǎn)火的火焰?zhèn)鞑シ较蚝腿紵俣取?/p>

2.3.5結(jié)焦情況分析 生物航煤和RP-3燃料各在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)測試34 min，燃用生物航煤進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)后，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了拆解檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁出現(xiàn)了一定的結(jié)焦積炭情況，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不可逆損傷，如圖6(a)所示。刮取部分結(jié)焦物質(zhì)進(jìn)行檢測分析，結(jié)果表明結(jié)焦物質(zhì)主要成分為炭，以及部分未完全燃燒的生物航煤。而燃用RP-3燃料后拆解發(fā)動(dòng)機(jī)未發(fā)現(xiàn)積炭現(xiàn)象，如圖6(b)所示，且可繼續(xù)正常運(yùn)行超過200 h。

從生物航煤和RP-3燃料的理化性質(zhì)對比分析可以發(fā)現(xiàn)，由于生物航煤的黏度較高，可能導(dǎo)致生物航煤的噴射與霧化效果較RP-3燃料差，生物航煤燃燒不充分而發(fā)生結(jié)焦積炭現(xiàn)象，造成發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。因此，為使生物航煤能夠更好地配合航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油霧化及燃燒工作，后續(xù)的制備工藝將試圖去除目前工藝過程中產(chǎn)生的膠質(zhì)等過程產(chǎn)物，進(jìn)一步降低生物航煤的黏度等理化指標(biāo)參數(shù)，使其流動(dòng)性增強(qiáng)，以期能更好地被燃油噴嘴霧化。

圖6 燃用生物航煤(a)和RP-3燃料(b)的燃燒室

3 結(jié) 論

3.1大豆油經(jīng)催化裂解反應(yīng)，并通過芳構(gòu)化、加氫進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的調(diào)整，制備得生物航煤，其成分及理化性能分析表明：生物航煤的主要成分為烷烴、芳香烴和環(huán)烷烴，其熱值較高(44.4 MJ/kg)，冰點(diǎn)低(-48 ℃)，但黏度較高(2.11 mm2/s)，理化性能與RP-3燃料接近，能量密度高，具有較好的應(yīng)用前景。

3.2采用活塞式重油航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與RP-3燃料相比，生物航煤具有更低的啟動(dòng)溫度(60 ℃)，熱啟動(dòng)性能優(yōu)于RP-3燃料(65 ℃)；油耗與溫升速度和RP-3燃料極為接近；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過4 200 r/min時(shí)生物航煤的過量空氣系數(shù)波動(dòng)較大(0.8～1.2)，燃燒狀態(tài)惡化；臺(tái)架試驗(yàn)后，燃用生物航煤的發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)結(jié)焦積炭現(xiàn)象。

3.3生物航煤制備過程中產(chǎn)生的膠質(zhì)等過程產(chǎn)物，會(huì)導(dǎo)致其黏度增加，從而影響霧化效率、燃燒充分程度等發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。因此，需要在后續(xù)研究中進(jìn)一步降低生物航煤的黏度等理化參數(shù)，以提高生物航煤的發(fā)動(dòng)機(jī)燃用適用性。