聚甲氧基二丁基醚含氧燃料改善柴油機高原性能的試驗研究

曹斯琦，劉宇強，支懷斌，冀樹德，孔祥鑫，黃旭，安高軍

(1.中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400；2.軍事科學院軍事新能源技術研究所，北京 102300)

柴油機自發(fā)明以來,憑借其良好的動力性和經(jīng)濟性能獲得了廣泛應用,而高原性能惡化一直是其在高原地區(qū)使用的主要問題之一[1-3]，改善柴油機高原性能也一直是柴油機研發(fā)的重要方向[4-6]。柴油機高原性能惡化的原因從根本上說是空氣稀薄引起進氣的氧含量下降，導致燃燒過程不充分，從而出現(xiàn)了油耗增加、排氣溫度升高等后果[7-8]。鑒于上述原因，改善柴油機高原性能的手段主要集中在兩方面：一是通過各種手段增加柴油機高原進氣量，提高混合氣中氧氣的比例[9-10]；二是研發(fā)本身含氧的新型燃料，降低燃料對進氣氧含量的需求[11-13]。在增加柴油機高原進氣量方面，出現(xiàn)了兩級增壓、相繼增壓、復合增壓[14-15]等提高柴油機高原進氣能力的技術方案，對高原環(huán)境增加進氣量均有一定的補償作用，成為改善柴油機高原性能普遍考慮的技術。在新型含氧燃料方面，總后勤部油料研究所王旭東等[16]以某車輛柴油機為研究對象，進行了4 500 m海拔條件下的高原模擬環(huán)境試驗，比較了柴油機摻混不同比例聚甲氧基二烷基醚含氧燃料時的燃燒特性。結果表明，高原環(huán)境下柴油機燃用該含氧燃料，有效緩解了高原環(huán)境下柴油機功率損失和后燃嚴重的問題。針對高原地區(qū)車輛柴油機燃燒惡化的問題，裝甲兵工程學院王憲成等[17]對某車輛柴油機燃用柴油和含氧混合燃料對整機性能和燃燒特性的影響進行了研究，結果表明，燃用含氧混合燃料時，柴油機在動力性不變時，經(jīng)濟性提高，機械負荷降低，柴油機平均缸內(nèi)溫度和排氣溫度下降，柴油機熱負荷降低。

本研究以某車輛柴油機為對象，在高原模擬試驗臺架對燃用100%聚甲氧基二丁基醚型含氧燃料(DMB100)的動力性和經(jīng)濟性進行了試驗研究，并與燃用柴油的發(fā)動機性能進行了對比，探索該新型含氧燃料對柴油機性能的影響，評估其改善柴油機高原性能的可能性。

1 試驗燃料與測試系統(tǒng)

1.1 試驗燃料

表1 DMB100和試驗柴油基本理化特性

1.2 試驗方法與測試系統(tǒng)

試驗對象為12缸渦輪增壓柴油機，試驗工況包括外特性工況和部分負荷工況，外特性工況轉(zhuǎn)速1 300～2 000 r/min，部分負荷試驗在1 400 r/min，1 750 r/min，2 200 r/min下進行。

試驗裝置包括德國Imtech發(fā)動機高原環(huán)境進排氣模擬試驗系統(tǒng)，大氣壓力控制范圍57.6～101.3 kPa，可對0～4 500 m海拔進排氣條件進行模擬。主要測試設備包括SCHENCK D2600測功機、DF-2410油耗儀、DEWETRON燃燒分析儀、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器等。高原環(huán)境模擬試驗臺見圖1，主要傳感器參數(shù)和精度見表2。

圖1 高原環(huán)境模擬試驗臺

表2 主要傳感器參數(shù)和精度

2 試驗結果和分析

2.1 柴油機全負荷工況性能改善情況分析

2.1.1DMB100對動力性能的影響

由于試驗柴油機采用的是機械式供油系統(tǒng)，試驗中首先以軍用柴油平原外特性扭矩為基準，調(diào)節(jié)燃用DM100燃料時的供油提前角和供油量，使其平原扭矩與柴油基本相同。在高海拔時供油提前角不再變化，通過調(diào)整循環(huán)油量使兩種燃料在最高轉(zhuǎn)速時扭矩基本相同。

圖2a示出燃用柴油和DMB100燃料不同海拔時的外特性扭矩對比。0 m海拔時兩種燃料輸出扭矩基本相同。隨著試驗海拔增加，兩種燃料低轉(zhuǎn)速時的性能出現(xiàn)明顯差別：DMB100燃料在低轉(zhuǎn)速時扭矩明顯大于柴油，海拔越高，兩種燃料輸出扭矩相差越大，而隨著轉(zhuǎn)速降低，這種差距越來越明顯。3 700 m和4 500 m海拔時，1 300～1 800 r/min轉(zhuǎn)速下燃用DMB100燃料的扭矩比燃用柴油的扭矩分別提高2%～8%和4%～20%，而當轉(zhuǎn)速到達2 000 r/min時降低了6%和4%。其原因是，在低轉(zhuǎn)速時廢氣量不足導致柴油機增壓器性能受到限制，空氣供給量不足。燃用柴油時，各海拔下低轉(zhuǎn)速過量空氣系數(shù)下降過多，如圖2b所示，4 500 m時過量空氣系數(shù)僅為1.2左右，過量空氣系數(shù)成為影響柴油機動力性的主要因素。而DMB100由于本身含氧，化學計量空燃比較小，轉(zhuǎn)速降低時仍可保持較大的過量空氣系數(shù)，因此DMB100低速性能明顯改善。隨著柴油機轉(zhuǎn)速增高，過量空氣系數(shù)增大，空氣供給充分，影響柴油機動力性的因素從進氣量轉(zhuǎn)變?yōu)楣┯土?。由于單體泵本身結構的影響和兩種燃料黏度的不同，當轉(zhuǎn)速由1 800 r/min提升至2 000 r/min時，DMB100在3個海拔的循環(huán)供油量分別下降了12.9%，10.3%和12.3%(見圖2c)，而柴油的循環(huán)供油量分別下降了1.2%，1.9%和0.6%，這使得燃用DMB100的輸出扭矩下降更快。

燃用DMB100燃料時扭矩儲備系數(shù)較燃用柴油明顯提高，海拔0 m時從1.26提高到1.39，海拔4 500 m時從1.05提高到1.15。扭矩儲備系數(shù)的提高和良好的低速扭矩特性對提高車輛機動性能有重大意義。

圖2 不同海拔時外特性扭矩、油量和過量空氣系數(shù)

圖3示出海拔0 m時兩種燃料進氣量和最高燃燒壓力對比。DMB100燃料由于本身含氧，使得燃用DMB100的滯燃期減短[18]，在進氣量基本一致的情況下，燃用DMB100燃料時缸內(nèi)最高燃燒壓力較柴油降低4%～14%，有助于延長柴油機的使用壽命。

圖3 海拔0 m時進氣量和最高燃燒壓力

2.1.2DMB100燃料對經(jīng)濟性的影響

圖4示出燃用柴油和DMB100燃料不同海拔時的外特性燃油消耗率和能量消耗率對比。由于DMB100熱值較低，輸出相同功率時必然消耗更多燃料，在0 m，3 700 m和4 500 m時，燃用DMB100燃料時燃油消耗率分別增加26%～30%，22%～25%和19%～23%，即隨著海拔增加，燃油消耗率的增加幅度降低。

由于DMB100本身含氧，使燃料燃燒更充分，對燃料中C、H元素能量的利用效率更高。在海拔0 m時，燃用DMB100燃料能耗率降低1.4%～5.7%，海拔4 500 m時，燃用DMB燃料能耗率降低3.7%～10.1%，海拔越高，燃用DMB100燃料時能耗率下降幅度越大。

圖4 不同海拔時外特性燃油消耗率和能耗率

圖5示出兩種燃料在不同海拔時的外特性空氣消耗率。從圖5可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增加，輸出相同有效功率時的空氣消耗量增加；隨著海拔增加，兩種燃料的空氣消耗率均減小，海拔0 m、3 700 m和4 500 m時，DMB100燃料輸出相同有效功率時的空氣消耗率相較于燃用柴油最大降低幅度分別為6.5%，7.7%和8.3%。由此可見，海拔越高，DMB100對空氣消耗率的降低效果越明顯。

圖5 不同海拔時外特性空氣消耗率

2.1.3DMB100燃料對排溫的影響

圖6示出兩種燃料在不同海拔時外特性渦后排氣溫度對比。海拔0 m時，燃用兩種燃料的發(fā)動機負荷相差不大(見圖2)，各轉(zhuǎn)速下DMB100渦后排溫均小于試驗柴油。由于DMB100燃料本身含氧，燃燒更為充分，導致在排氣門開啟時缸內(nèi)溫度較低，排氣溫度也相對較低。

圖6 不同海拔時外特性渦后溫度

當海拔增加時，燃用DMB100燃料時發(fā)動機扭矩和循環(huán)油量增加幅度較多，其渦后排氣溫度均比燃用柴油時出現(xiàn)一定程度的提高。在2 000 r/min時，受循環(huán)油量下降幅度較大的影響，DMB100燃料相對柴油的發(fā)動機扭矩和渦后排溫降低，相對于扭矩，渦后排溫的降低幅度更大。

為分析燃用DMB100燃料時負荷增加和排溫增加之間的關系，圖7示出DMB100燃料相對柴油的渦后溫度和扭矩增加幅度。海拔0 m時，DMB100渦后溫度相對柴油的溫度增加幅度為負值；海拔3 700 m和4 500 m時，在轉(zhuǎn)速1 300～1 800 r/min范圍內(nèi)，燃用DMB100燃料時雖然出現(xiàn)了渦后排溫增加的情況，但其增加幅度遠小于發(fā)動機負荷增加的幅度，因此DMB100燃料渦后排氣溫度增加幅度是可接受的。

圖7 DMB100相對柴油的渦后溫度和扭矩增加幅度

2.2 柴油機部分負荷工況性能改善情況分析

為進一步分析DMB100燃料部分負荷時的性能，對燃用柴油和DMB100燃料在海拔4 500 m時的部分負荷特性進行了試驗。圖8示出試驗海拔4 500 m時燃用兩種燃料的發(fā)動機部分負荷能耗率和最高燃燒壓力對比，試驗轉(zhuǎn)速分別為1 400 r/min，1 750 r/min和2200r/min，與外特性工況相同。從圖8a可以看出，燃用DMB100燃料時燃油消耗率有所增加，且各轉(zhuǎn)速下增加幅度基本一致。從圖8b可以看出，在各個轉(zhuǎn)速下，燃用兩種燃料時的能耗率均隨負荷減小而增加，在低負荷工況，DMB100燃料的能耗率下降幅度更明顯。從圖8c的最高燃燒壓力上看，在各轉(zhuǎn)速中高負荷下，DMB100燃料最高燃燒壓力均明顯小于試驗柴油，且在高海拔、高負荷工況，最高燃燒壓力下降幅度更明顯。

圖8 海拔4 500 m時部分負荷燃油消耗率、能耗率和最高燃燒壓力

3 結論

a) DMB100燃料由于本身含氧，在海拔增加時仍保持較高的過量空氣系數(shù)，可部分抵消空氣供給量下降引起的扭矩下降，其在0 m和4 500 m海拔時使扭矩儲備系數(shù)分別保持在1.15和1.39，明顯提升了柴油機變海拔的低速扭矩特性；

b) 燃用DMB100燃料可有效降低柴油機能量消耗率和空氣消耗率，海拔4 500 m時，燃用DMB燃料可使能耗率降低3.7%～10.1%，空氣消耗率最多降低8.3%，且海拔越高，DMB100燃料能量和空氣消耗率相對于柴油的降低幅度越明顯，但由于自身熱值較低，其燃油消耗率在各海拔均增加；

c) 海拔4 500 m的部分負荷試驗表明，在各轉(zhuǎn)速不同負荷下，DMB100燃料的能耗率和最高燃燒壓力均小于試驗柴油，且能耗率下降較多的工況為高海拔、低負荷工況，最高燃燒壓力下降較多的工況為高海拔、高負荷工況；

d) 本研究中試驗發(fā)動機采用機械式供油系統(tǒng)，在不同工況下未能對供油提前角進行調(diào)整，DMB100燃料最高燃燒壓力低的優(yōu)勢未能得到體現(xiàn)，若采用供油提前角可調(diào)的電控供油系統(tǒng)，DMB100燃料對柴油機性能的改善會更加明顯。