環(huán)烷烴與航空煤油摻混燃燒特性研究

羅俊儀，吳石亮，肖睿

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210000）

引 言

在全球航空事業(yè)加速發(fā)展以及碳中和的大背景下，航空煤油的需求激增與傳統(tǒng)航空航油碳減排成了不可調(diào)和的矛盾[1-2]。新型替代航空燃料成為了一個(gè)亟需突破的技術(shù)點(diǎn)，近幾年生物質(zhì)制備航空航油取得了可喜的成就，但仍然存在諸多問題。航空航油主要由直鏈烴、支鏈烴環(huán)烷烴以及芳香烴組成[3]。各組分都在其中起到了不可或缺的作用。其中環(huán)烷烴由于擁有比鏈烷烴更高的能量密度以及其優(yōu)秀的吸熱性能而存在于航空航油中[4]。

由木質(zhì)素定向制備環(huán)烷烴吸引了很多研究學(xué)者的興趣，生物質(zhì)中含有大量的木質(zhì)素，木質(zhì)素由于其特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)和較高的能量密度，被認(rèn)為是生物質(zhì)中制備高品質(zhì)燃料最大的潛力股[5]。目前木質(zhì)素制備高品質(zhì)烷烴比較成熟的技術(shù)路線是木質(zhì)素經(jīng)過選擇性預(yù)氧化處理、可控降解和加氫脫氧三個(gè)步驟獲得環(huán)烷烴，其中催化解聚選擇性斷裂C—O—C鍵是關(guān)鍵技術(shù)[6-7]。生物質(zhì)環(huán)烷烴的來源與制備方式也使得其與傳統(tǒng)航油的環(huán)烷烴組分有所不同。傳統(tǒng)航空燃油主要是通過裂解、蒸餾和異構(gòu)重整等手段從石化原料中獲取的，成分復(fù)雜，由上百種碳?xì)浠衔锝M成，其中環(huán)烷烴組分多為C9～C13的多環(huán)烷烴。而由生物質(zhì)木質(zhì)素組分制備的航空航油環(huán)烷烴組分相對(duì)簡(jiǎn)單，由于木質(zhì)素的基本結(jié)構(gòu)單元是含有9 個(gè)碳原子的苯丙烷結(jié)構(gòu)，因此環(huán)烷烴多為5元環(huán)、6 元環(huán)以及一些雙環(huán)烷烴等輕質(zhì)烴[8]?；接团c生物質(zhì)航油環(huán)烷烴組分差異在表1列出[9-10]。

表1 生物航油與傳統(tǒng)航油環(huán)烷烴組分差異Table 1 Difference of naphthenic hydrocarbon components between biological aviation oil and traditional aviation oil

環(huán)烷烴作為液體燃料的重要組分，其低溫反應(yīng)活性以及低溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一直備受關(guān)注，燃料過氧自由基的（1，5）H-位移是低溫燃燒階段最為關(guān)鍵的步驟[11]。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)特的工作原理，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)難以完全復(fù)現(xiàn)航空燃油的低溫燃燒特性。因此有研究學(xué)者在其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備上成功研究了航空燃油的低溫燃燒特性。Soloiu 等[12]在定容燃燒彈內(nèi)研究了F-T液體燃料的負(fù)溫度系數(shù)行為以及低溫放熱性。Wang 等[13]在加熱激波管和定容燃燒室中研究了費(fèi)托合成煤制液燃料的自然特性以及負(fù)溫度系數(shù)行為。Mao 等[14]在快速壓縮機(jī)和激波管中在各種條件下研究了RP-3 的自燃特性，在自燃過程中觀察到了明顯的NTC 行為以及低溫放熱行為。Sheng等[15]指出對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，碳?xì)浜娇杖剂显诘蜏叵碌姆磻?yīng)惰性對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火是一個(gè)挑戰(zhàn)。并在點(diǎn)火溫度測(cè)試系統(tǒng)配合光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)研究了在航空燃料各組分中添加硼烷二甲基硫醚對(duì)低溫反應(yīng)性的改善作用。顯然在其他設(shè)備上研究航空航油的低溫燃燒性能是可行的。

燃料作為目前軍用民用設(shè)備最重要的動(dòng)力保障，也是消耗量最大的戰(zhàn)略物資，因此燃料儲(chǔ)備一直以來都是各國軍事的重中之重。然而，海陸空三者軍民用設(shè)備動(dòng)力裝置的工作原理不同導(dǎo)致所需的燃料也不相同，這就需要更高昂的代價(jià)來儲(chǔ)備相應(yīng)能源。針對(duì)這一高昂代價(jià)，提出了實(shí)施燃料單一化這一途徑，可以有效提高燃料的后勤保障效率，減輕戰(zhàn)略儲(chǔ)備壓力。美軍早在20 世紀(jì)80 年代就提出了戰(zhàn)場(chǎng)單一燃料計(jì)劃，并進(jìn)行了空轉(zhuǎn)陸（航空航油用于陸地柴油機(jī)）實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明燃料單一化是可行的[16]。Kang等[17]針對(duì)燃料單一計(jì)劃在CFR 發(fā)動(dòng)機(jī)中研究替代噴氣燃料與傳統(tǒng)航空燃料摻混后在壓燃機(jī)內(nèi)的燃燒性能。我國也進(jìn)行了相關(guān)研究工作，將三號(hào)航空燃料用于柴油機(jī)后性能穩(wěn)定，油耗略低，可以實(shí)現(xiàn)燃料互換[18-19]。另一方面，航空航油用作柴油機(jī)添加劑已經(jīng)十分普遍，航空航油可以很好地幫助柴油機(jī)啟動(dòng)。但是以上皆是傳統(tǒng)化石燃料的替代使用，隨著生物質(zhì)航空航油的興起，目前已經(jīng)有大量商業(yè)航空航油采用生物航油與傳統(tǒng)航油摻混使用。隨之而來的是燃料單一化是否依然適用于生物質(zhì)航空航油，因此本文針對(duì)生物質(zhì)航空航油環(huán)烷烴組分，研究其與傳統(tǒng)航空航油摻混后在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒特性是具有前瞻性意義的。

目前對(duì)于純環(huán)烷烴燃燒特性或機(jī)理的研究較為常見。Yang 等[11,20]針對(duì)替代燃料的環(huán)烷烴組分，研究了環(huán)戊烷、甲基環(huán)戊烷、環(huán)己烷和十氫萘在壓燃機(jī)內(nèi)的低溫反應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建了一些基本的反應(yīng)路徑。Kang 等[21]研究了乙基環(huán)己烷、1,2-二甲基環(huán)己烷以及1,3-二甲基環(huán)己烷在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的低溫燃燒中間產(chǎn)物并進(jìn)行了燃燒機(jī)理分析。但是對(duì)于生物質(zhì)基環(huán)烷烴與RP-3 航空航油摻混燃燒特性以及生物質(zhì)航空航油在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的可替代性研究仍有欠缺。因此本文以環(huán)戊烷、環(huán)己烷、乙基環(huán)己烷和十氫萘四種具有代表性結(jié)構(gòu)的環(huán)烷烴為生物質(zhì)基環(huán)烷烴?；铮攸c(diǎn)研究摻混比例對(duì)混合燃料燃燒特性的影響，為生物質(zhì)木質(zhì)素組分定向制備生物質(zhì)基環(huán)烷烴提供指導(dǎo)以及為生物質(zhì)航空航油在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的可替代性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用的環(huán)戊烷（CAS 登錄號(hào)：287-92-3，純度99%），環(huán)己烷（CAS 登錄號(hào)：110-82-7，純度99%），乙基環(huán)己烷（CAS 登錄號(hào)：1678-91-7，純度99%）以及十氫萘（CAS 登錄號(hào)：91-17-8，純度99%）均來自于阿拉丁。試劑的理化性質(zhì)在表2 列出。航空航油為RP-3 號(hào)航油，為了防止航空航油中原有的環(huán)烷烴組分對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾，實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行GC-MS 檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖1 所示，由55.84%鏈烷烴、10.035%的烯烴、27.33%的芳烴以及5.325%的環(huán)烷烴構(gòu)成，觀察環(huán)烷烴具體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)。環(huán)烷烴碳數(shù)基本在C9～C13范圍內(nèi)，并未出現(xiàn)本文中所研究的生物質(zhì)基環(huán)烷烴結(jié)構(gòu)。

圖1 RP-3航空航油GC-MS分析結(jié)果Fig.1 Analysis results of RP-3 aviation oil by GC-MS

表2 環(huán)烷烴部分理化性質(zhì)參數(shù)Table 2 Physical and chemical parameters of cycloalkanes

1.2 可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)裝置

可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)：本次實(shí)驗(yàn)采用的經(jīng)過改裝的混合燃料研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)（CFR）如圖2 所示。關(guān)于CFR 的具體參數(shù)詳見其他文獻(xiàn)[22-25]，本文僅作簡(jiǎn)單說明。壓縮比調(diào)控范圍為4∶15，精度可達(dá)0.1。轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定在600 r/min 或者900 r/min,配備高壓氮?dú)庖约案邏核陀凸艿溃煽刂频獨(dú)鈮毫?～10 MPa以穩(wěn)定輸送燃料進(jìn)入噴嘴。噴嘴采用精確可調(diào)的GDI電控噴嘴，位于進(jìn)氣系統(tǒng)上方，以向發(fā)動(dòng)機(jī)提供預(yù)混合的燃油-空氣混合物。進(jìn)氣管道裝有加熱器，最高可以將空氣及預(yù)混氣加熱至260℃。發(fā)動(dòng)機(jī)采用自然吸氣，進(jìn)氣壓力可以在大氣壓下保持恒定，利用圓柱齒輪式流量變送器以及傳感式空氣流量計(jì)分別測(cè)量燃油流量和進(jìn)氣量。缸壁夾套溫度通過循環(huán)水箱穩(wěn)定在90℃。通過Kistler 6125C 壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量缸內(nèi)壓力，使用40個(gè)循環(huán)的平均缸內(nèi)壓力計(jì)算得到凈熱釋放率（NHR）。通過編碼器測(cè)得相位角變化，分辨率0.1°CA。通過MRU 煙氣分析儀測(cè)定CO變化量。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic of test bench

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

測(cè)試條件：內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在600 r/min，控制缸壁溫度穩(wěn)定在(90±1)℃，保證實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性，化學(xué)計(jì)量比為0.25。環(huán)戊烷、環(huán)己烷、乙基環(huán)己烷以及十氫萘分別與RP-3 航空航油以10∶90，20∶80，30∶70的體積比摻混，為了方便后續(xù)描述，記成表3 的形式。

表3 摻混燃料命名Table 3 Nomenclature of blended fuels

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 溫度壓力的影響研究

改進(jìn)后的CFR 發(fā)動(dòng)機(jī)通過提高壓縮比來控制混合燃料的燃燒狀態(tài)。為了找到較為合適的實(shí)驗(yàn)條件，預(yù)先研究不同進(jìn)油壓力以及進(jìn)氣溫度對(duì)RP-3航空燃油燃燒特性的影響。圖3（a）顯示了航油在140、170、200 以及230℃四個(gè)進(jìn)氣溫度下的凈放熱率變化，隨著進(jìn)氣溫度的升高，航空航油在更早的曲軸轉(zhuǎn)角出現(xiàn)低溫放熱峰和高溫放熱峰，且放熱峰值依次變大，說明增加進(jìn)氣溫度有利于航空航油燃燒的發(fā)生。圖3（b）是不同進(jìn)氣溫度下航空航油的CO 排放量，CO 是低溫氧化過程中生成大量醛類分解產(chǎn)生的[26-29]，在高溫下CO 會(huì)轉(zhuǎn)化成CO2。因此，只有在低溫氧化過程中才可以檢測(cè)出CO，CO 排放是燃料在低溫氧化過程的重要檢測(cè)參數(shù)。隨著進(jìn)氣溫度的提高，CO 排放開始出現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的壓縮比減小，表明航油更容易進(jìn)入低溫氧化過程，為后續(xù)的燃燒過程提供更多的熱量以及自由基，有利于燃燒進(jìn)行。值得注意的是，不同進(jìn)氣溫度下的CO 排放表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，表明進(jìn)氣溫度并不影響燃料的燃燒過程。但是當(dāng)進(jìn)氣溫度過高時(shí)，會(huì)使燃料在過早的壓縮比下發(fā)生燃燒，一方面不利于實(shí)驗(yàn)研究，另一方面過低的壓縮比也會(huì)對(duì)CFR 設(shè)備產(chǎn)生損害。圖4 是航空航油在3.5、5.0、6.5 atm（1 atm=101325 Pa）三個(gè)進(jìn)油壓力下的凈放熱率變化和CO 排放量變化。進(jìn)油壓力大小對(duì)燃料的噴霧效果有很明顯的影響，良好的噴霧效果可以使燃料和空氣更好地混合，從而促進(jìn)燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒[30-32]。進(jìn)油壓力越高，低溫氧化發(fā)生在更早的曲軸轉(zhuǎn)角處，CO也在更早的壓縮比處生成，都表明高進(jìn)油壓力有利于燃料的燃燒。同進(jìn)氣溫度一樣，壓力的改變并不會(huì)影響到燃料的燃燒過程。

圖3 溫度影響Fig.3 Temperature effect

圖4 壓力影響Fig.4 Pressure effect

燃料的理化性質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)所需的觀測(cè)條件也是選取進(jìn)氣溫度和進(jìn)油壓力所需要考慮的因素，進(jìn)氣溫度需要保證燃料在進(jìn)氣管道中保持氣化的狀態(tài)使得燃料可以和空氣充分混合，因此進(jìn)氣溫度一般需要控制在燃料的沸點(diǎn)之上，同時(shí)不能超過其燃點(diǎn)，防止燃料在管道中燃燒，表2給出了試劑的部分理化性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)通過改變壓縮比來研究燃料在不同燃燒狀態(tài)下的燃燒特性，因此一個(gè)寬范圍的壓縮比有利于實(shí)驗(yàn)的開展，顯然過高的進(jìn)氣溫度與進(jìn)油壓力都會(huì)導(dǎo)致壓縮比范圍變窄，不利于實(shí)驗(yàn)的研究。綜上，本次實(shí)驗(yàn)在進(jìn)氣溫度200℃，進(jìn)油壓力5.0 atm下進(jìn)行。

2.2 環(huán)烷烴結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒特性的影響

航空航油中環(huán)烷烴組分復(fù)雜，并不只由單一組分構(gòu)成，不同原料和制備條件得到的環(huán)烷烴結(jié)構(gòu)不同，因此研究不同結(jié)構(gòu)環(huán)烷烴摻混航空航油后的燃燒特性對(duì)于生物質(zhì)定向制備環(huán)烷烴是具有重要指導(dǎo)意義的。本節(jié)將環(huán)烷烴與航空航油以20∶80的比例摻混在上述既定工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5是混合燃料CO 排放隨壓縮比變化的曲線。一開始由于缸內(nèi)溫度較低（<600 K），不足以從醛類中連續(xù)去除氫原子形成CO，CO 無法生成。隨著壓縮比的升高，混合燃料開始出現(xiàn)CO 排放，標(biāo)志燃料進(jìn)入低溫放熱過程（LTO）。低溫反應(yīng)活性越強(qiáng)的燃料越容易發(fā)生低溫氧化，因此從CO 開始出現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的壓縮比可以得到環(huán)烷烴的低溫反應(yīng)活性由強(qiáng)到弱依次為：Trans>ECH>CH>CP。壓縮比繼續(xù)增大，由于負(fù)溫度系數(shù)行為（NTC），CO 會(huì)在一個(gè)寬壓縮比范圍內(nèi)保持CO 濃度穩(wěn)定。NTC 與燃料的性質(zhì)有關(guān)，與低溫反應(yīng)活性成負(fù)相關(guān)，因此反應(yīng)活性最低的環(huán)戊烷表現(xiàn)出最明顯的NTC 行為，而十氫萘并不顯著。當(dāng)溫度進(jìn)一步上升，達(dá)到熱失控溫度時(shí)，CO 會(huì)快速增長(zhǎng)，而后由于大部分轉(zhuǎn)化為CO2而急劇減小。圖6是各環(huán)烷烴混合燃料在臨界壓縮比下的凈放熱率變化曲線，低溫反應(yīng)活性最強(qiáng)的十氫萘混合燃料在最早的曲軸轉(zhuǎn)角出現(xiàn)低高溫放熱峰，說明十氫萘具有更強(qiáng)的點(diǎn)火反應(yīng)活性。值得注意的是，高溫放熱峰所占據(jù)的曲軸轉(zhuǎn)角與燃料的低溫反應(yīng)活性強(qiáng)弱也表現(xiàn)出一定規(guī)律性，即低溫反應(yīng)活性越高，范圍越窄，說明放熱更集中。這是因?yàn)槭畾漭翉?qiáng)烈的點(diǎn)火反應(yīng)性以及較弱的NTC 行為導(dǎo)致更快的反應(yīng)速率以及燃料消耗率，相同時(shí)間內(nèi)更多的燃料消耗使得放熱更為集中，放熱峰值變大?？梢?，十氫萘和乙基環(huán)己烷具有較為優(yōu)秀的燃燒性能。

圖5 不同結(jié)構(gòu)環(huán)烷烴混合燃料CO排放曲線Fig.5 CO emission curves of naphthenic hydrocarbon blends with different structures

圖6 不同結(jié)構(gòu)環(huán)烷烴混合燃料凈放熱率曲線Fig.6 Net heat release rate curves of naphthenic mixed fuels with different structures

2.3 不同摻混比例對(duì)燃燒特性的影響

環(huán)烷烴通常因?yàn)榫哂斜孺溚闊N更高的密度以及其優(yōu)越的吸熱性能而作為航空航油中的必備組分，因此研究環(huán)烷烴的最佳摻混比例具有很大的參考價(jià)值。前人測(cè)定結(jié)果顯示大部分航空航油環(huán)烷烴占據(jù)比例在5%～35%[8,33-35]。因此本實(shí)驗(yàn)分別研究10%、20%以及30%三個(gè)比例下混合物的燃燒特性。Kang 等[17]分析了替代燃料對(duì)航油中具體組分鏈烷烴以及芳烴的影響。同時(shí)Zhou 等[36]在研究臭氧對(duì)生物柴油燃燒特性影響時(shí)分析了臭氧對(duì)具體組分正庚烷的影響。因此本文主要研究環(huán)烷烴對(duì)航油具體組分中鏈烷烴以及芳烴的影響。

2.3.1 十氫萘/航空航油 圖7（a）顯示的是十氫萘不同比例摻混航空航油的CO 排放特性，從CO 排放曲線可以讀出TR10、TR20、TR30的臨界壓縮比分別為6.6、6.7 與6.8，隨著摻混比例的增加，混合燃料變得更易壓燃。TR30在壓縮比為5.5時(shí)產(chǎn)生了CO，相對(duì)于TR10和TR20提前了0.5個(gè)壓縮比，且TR30 CO的排放量在各個(gè)壓縮比下均大于TR10 和TR20，更高的CO 排放量說明TR30 在低溫氧化階段具有更強(qiáng)的低溫反應(yīng)活性。圖7(b)是在壓縮比為6.7 下不同比例十氫萘和航空航油混合物的凈放熱率曲線變化，摻入30%的十氫萘混合物發(fā)生低溫氧化過程的曲軸轉(zhuǎn)角（-21°CA）最早，且低高溫放熱峰峰值也最大，說明十氫萘對(duì)于航空航油的燃燒有明顯的促進(jìn)作用，使得燃燒提前。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于十氫萘本身較高的低溫反應(yīng)活性與鏈烷烴在低溫氧化階段提供了大量的活性自由基以及熱量，為燃料進(jìn)入高溫燃燒階段提供了有利條件，隨著溫度的升高，航油中主要組分鏈烷烴產(chǎn)生的活性自由基主導(dǎo)了混合物的反應(yīng)性，從而使整個(gè)航油組分更早進(jìn)入高溫燃燒階段[37]。從圖7（b）可以看出隨著摻混比的增加，高溫放熱峰所占據(jù)的曲軸轉(zhuǎn)角減小，表明放熱更集中，顯然這對(duì)于燃燒是有利的。摻混比例對(duì)環(huán)烷烴/航空航油混合燃料穩(wěn)定燃燒下在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)缸內(nèi)壓力的影響如圖7（c）所示，可以看出，隨著摻混比例的增加，最大缸內(nèi)壓力逐漸升高，這是因?yàn)槭畾漭恋氖橹递^低，滯燃期長(zhǎng)，在滯燃期內(nèi)噴入氣缸的燃料增多，燃燒后放熱量增多，導(dǎo)致最高壓力變大。

圖7 十氫萘摻混比例影響Fig.7 Influence of decalin mixing ratio

2.3.2 乙基環(huán)己烷、環(huán)己烷/航空航油 不同于十氫萘，乙基環(huán)己烷在摻入10%的比例時(shí)混合燃料表現(xiàn)出更強(qiáng)的低溫反應(yīng)活性。由圖8（a）展示的CO 排放特性曲線得到ER10、ER20、ER30 混合燃料的臨界壓縮比分別為6.9、6.9、7.0。ER10、ER20 的臨界壓縮比近乎一致，這相似的點(diǎn)火反應(yīng)性意味著該比例下的乙基環(huán)己烷和航空燃油中各組分以相似的速率清除活性自由基，直到實(shí)際點(diǎn)火為止。因此乙基環(huán)己烷也常被用作配置航空航油?；镏械沫h(huán)烷烴組分。有趣的是，ER30 表現(xiàn)出較差的點(diǎn)火反應(yīng)性，過多的ECH 減小航油中各組分清除自由基的速率協(xié)同芳香烴清除鏈傳播的自由基效果，減緩了低溫的點(diǎn)火反應(yīng)性[17]。因此在圖8（b）觀察到當(dāng)摻入30%的乙基環(huán)己烷時(shí)，混合燃料并不能壓燃，但是依然可以觀察到低溫氧化階段。該低溫氧化階段是混合燃料中較為活躍的鏈烷烴所發(fā)生的，但是該組分低溫氧化階段所釋放的熱量以及活性自由基不足以支持后續(xù)燃燒的發(fā)生，因此整體不會(huì)出現(xiàn)高溫燃燒過程。圖8（c）是混合燃料在完全燃燒狀態(tài)下的壓力軌跡曲線，不同比例混合物的壓力變化差異不明顯，其壓力峰值與壓力峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角幾乎一致，表明乙基環(huán)己烷與航空航油具有極為相似的燃燒特性，可以很好地充當(dāng)航空航油?；镏械沫h(huán)烷烴組分。

圖8 乙基環(huán)己烷摻混比例影響Fig.8 Effect of mixing proportion of ethyl cyclohexane

環(huán)己烷缺少乙基側(cè)鏈?zhǔn)蛊涞蜏胤磻?yīng)活性比乙基環(huán)己烷低，從而使燃料更難進(jìn)入高溫燃燒階段，這使不同比例混合燃料的燃燒差異性更明顯，從圖9（a）可以看出開始產(chǎn)生CO 的壓縮比分別為6.3、6.5、6.6，CR10 率先進(jìn)入低溫氧化階段，且三者表現(xiàn)出差距較大點(diǎn)火反應(yīng)性，CR30 具有最明顯的NTC行為，顯然環(huán)己烷的低反應(yīng)活性連同RP-3 中芳烴對(duì)低溫反應(yīng)活性的抑制作用，加大了鏈烷烴帶動(dòng)整個(gè)燃料進(jìn)入低溫氧化過程的壓力，使燃料點(diǎn)火更困難。在同一壓縮比下，環(huán)己烷不同比例混合燃料的著火角差異也很大[圖9(b)]，CR10 對(duì)應(yīng)的著火角為-1.5°CA，而CR20的為8°CA，二者相差9.5°CA（乙基環(huán)己烷相差3°CA），CR30 在7.6 的壓縮比下并不能壓燃，僅在前期表現(xiàn)出輕微的低溫氧化過程，這也是鏈烷烴所產(chǎn)生的低溫氧化過程。環(huán)己烷過低的十六烷值使得隨著摻混比例的升高，混合燃料燃燒滯后，導(dǎo)致壓力峰值增大[圖9(c)]。結(jié)果表明在航空航油中摻入過多的環(huán)己烷會(huì)使燃料整體反應(yīng)活性減弱，不易點(diǎn)燃且燃燒滯后。

圖9 環(huán)己烷摻混比例影響Fig.9 Effect of mixing proportion of cyclohexane

2.3.3 環(huán)戊烷/航空航油 十氫萘、環(huán)己烷與乙基環(huán)己烷都具有明顯的六元環(huán)狀結(jié)構(gòu)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)六元環(huán)大部分表現(xiàn)出椅子狀的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[18]，這使得它們具有較強(qiáng)的低溫反應(yīng)活性，而環(huán)戊烷不穩(wěn)定的五環(huán)結(jié)構(gòu)使得它不易進(jìn)入低溫氧化階段，反應(yīng)活性極低。與環(huán)己烷相似，極低的低溫反應(yīng)活性使得航空航油組分清除自由基的速率變慢，點(diǎn)火難度再一次加大。環(huán)戊烷與航空航油混合燃料燃燒特性結(jié)果如圖10 所示。圖10（a）中的CO 排放特性曲線表現(xiàn)出與環(huán)己烷相似的趨勢(shì)，但是不同比例之間反應(yīng)差異性要更為明顯，PR10、PR20、PR30出現(xiàn)CO 的壓縮比分別是6.4、6.7、7.0。值得注意的是PR10、PR20、PR30 都有較為明顯的負(fù)溫度系數(shù)行為，PR30 最為強(qiáng)烈。從圖10（b）中可以看出環(huán)戊烷摻入之后著火角明顯后移，即使是PR10 也在4°CA 開始?jí)喝?，PR20更是在14°CA 才開始?jí)喝?，二者跨度遠(yuǎn)大于其他環(huán)烷烴，過于靠后的燃燒相位會(huì)導(dǎo)致燃燒重心后移、等容度降低以及油耗升高等問題。而PR30 在8.3的壓縮比下并沒有出現(xiàn)低溫氧化過程，其放熱率曲線圖僅是發(fā)動(dòng)機(jī)本身壓縮膨脹過程引起的吸放熱而導(dǎo)致的，說明該壓縮比下，混合燃料并未出現(xiàn)任何化學(xué)反應(yīng)過程。顯然環(huán)戊烷同環(huán)己烷一樣，并不合適在航空航油中摻混過多的比例。

圖10 環(huán)戊烷摻混比例影響Fig.10 Effect of mixing proportion of cyclohexane

3 結(jié) 論

本文采用可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，以十氫萘、乙基環(huán)己烷、環(huán)己烷、環(huán)戊烷四類具有代表性結(jié)構(gòu)的環(huán)烷烴作為生物質(zhì)基環(huán)烷烴的?；铮瑢⑦@些環(huán)烷烴與RP-3 航空航油以三個(gè)不同比例摻混，研究混合燃料的燃燒特性。研究結(jié)論如下。

（1）結(jié)構(gòu)特性研究表明十氫萘具有最強(qiáng)的低溫反應(yīng)活性和點(diǎn)火反應(yīng)性，而乙基環(huán)己烷和航空航油的特性最為相似，因此乙基環(huán)己烷常被用作航空航油環(huán)烷烴組分的?；?，而環(huán)己烷和環(huán)戊烷低溫反應(yīng)性相對(duì)較弱。

（2）隨著摻混比例的增大，十氫萘混合燃料燃燒提前，放熱集中，乙基環(huán)己烷混合燃料差異不大，而環(huán)己烷與環(huán)戊烷推遲了燃燒相位，不利于燃燒。

（3）環(huán)己烷與環(huán)戊烷不同比例摻混的混合燃料反應(yīng)差異性較大，CO 排放與放熱率變化明顯，說明在制備生物質(zhì)基航空航油時(shí)要嚴(yán)格控制環(huán)戊烷與環(huán)己烷的生成。

（4）環(huán)烷烴的摻入并沒有使傳統(tǒng)航空航油在壓燃機(jī)中的燃燒性能發(fā)生惡化，說明生物質(zhì)航空航油中的環(huán)烷烴組分也可以實(shí)現(xiàn)燃料單一化計(jì)劃。