蔡忠周， 張曉琴， 王增全， 李耀宗， 李云廣， 黃云亮， 王曉滕， 張冬梅

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

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高原環(huán)境下油品對(duì)柴油機(jī)燃燒特性的影響研究

蔡忠周， 張曉琴， 王增全， 李耀宗， 李云廣， 黃云亮， 王曉滕， 張冬梅

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

在模擬高原條件下，針對(duì)3種不同品質(zhì)的柴油(十六烷值和餾分)對(duì)某增壓柴油機(jī)的燃燒特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究分析，并據(jù)此簡(jiǎn)要分析在高原運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)活塞燒蝕故障與所用油品的關(guān)系。結(jié)果顯示：目前在用柴油由于其十六烷值低，柴油不易被壓燃著火，滯燃期長(zhǎng)，且初餾溫度低，柴油容易蒸發(fā)，預(yù)混合燃燒期內(nèi)積累的熱量多，造成缸內(nèi)壓力的升高速率增大，燃燒過程粗暴；海拔升高，空氣密度下降，柴油的著火時(shí)間延長(zhǎng)，燃燒速度加快，最大壓力升高率增大，由此產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷沖擊，容易造成活塞燒蝕。

燃油品質(zhì)； 高原； 柴油機(jī)； 燃燒過程

我國(guó)海拔超過1 000 m的高原分布廣闊，約占我國(guó)國(guó)土面積的37%。其中，青藏高原作為中國(guó)最大的高原，平均海拔達(dá)4 500 m，其氣候晝夜溫差大，大氣壓力低，空氣密度小，空氣含氧量低，大氣條件惡劣[1-2]。增壓柴油機(jī)在高原地區(qū)工作時(shí)，受大氣條件的影響，滯燃期長(zhǎng)，容易造成燃燒惡化和活塞燒蝕等現(xiàn)象[3-5]。燃油的品質(zhì)(如十六烷值、餾程、密度等)直接影響柴油機(jī)的性能[6-10]。柴油的自燃性能用十六烷值評(píng)定[11-13]；蒸發(fā)性能用餾程表征，蒸發(fā)性影響著火延遲期燃油的蒸發(fā)量，從而影響燃燒過程。品質(zhì)好的柴油其餾程較窄，在250～350 ℃之間蒸發(fā)的餾分最多[14-15]。

本研究對(duì)某重型增壓柴油機(jī)燃用3種不同品質(zhì)柴油進(jìn)行高原性能模擬試驗(yàn)，考察了柴油理化性質(zhì)的差異對(duì)高原環(huán)境下柴油機(jī)燃燒特性的影響規(guī)律，并對(duì)高原運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的活塞燒蝕現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 試驗(yàn)

1.1 柴油油樣

本研究選取了3種不同品質(zhì)的柴油，油品參數(shù)見表1(數(shù)據(jù)由石科院提供)。表中的3號(hào)柴油為目前某重型增壓柴油機(jī)在用柴油。

表1 試驗(yàn)用柴油的主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意見圖1。該試驗(yàn)臺(tái)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣調(diào)控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣模擬系統(tǒng)和控制檢測(cè)系統(tǒng)三大部分組成。主要試驗(yàn)設(shè)備包括SCHENCK D2600測(cè)功器、AVL TGS1760油耗儀、流量計(jì)、壓力傳感器、DEWETRON燃燒分析儀及高原模擬試驗(yàn)臺(tái)。

試驗(yàn)時(shí)，模擬海拔分別選取1 000 m(0.090 MPa)和4 500 m(0.058 MPa)，環(huán)境溫度控制在(25±2) ℃；試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別選取外特性線上的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速：2 000 r/min，1 800 r/min，1 600 r/min，1 500 r/min和1 400 r/min。相同轉(zhuǎn)速下燃用不同燃料時(shí)供油參數(shù)保持一致，當(dāng)工況穩(wěn)定后，測(cè)量扭矩、燃油消耗量、氣缸壓力等，燃燒參數(shù)由實(shí)測(cè)的氣缸壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理而獲得。

按照柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒過程的特點(diǎn)，可將燃燒過程劃分為4個(gè)階段：滯燃期、預(yù)混燃燒期、擴(kuò)散燃燒期和后燃期。此處定義滯燃期為從噴油始點(diǎn)到著火始點(diǎn)，預(yù)混燃燒期為從著火點(diǎn)到放熱率曲線第一個(gè)峰值過后的低谷，擴(kuò)散燃燒期為從預(yù)混燃燒期終點(diǎn)到90%放熱率點(diǎn)，后燃階段為擴(kuò)散燃燒結(jié)束后的燃燒階段。

按照DEWETRON燃燒分析儀手冊(cè)定義燃燒始點(diǎn)為放熱率零點(diǎn)，燃燒結(jié)束點(diǎn)為95%放熱率點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 柴油的理化特性分析

由表1可知：3號(hào)柴油的十六烷值最低，與1號(hào)柴油相比降低13.6%，與2號(hào)柴油相比降低11.2%，表明了3號(hào)柴油具有自燃性差、著火延遲時(shí)間長(zhǎng)的特性。

圖2示出3種柴油對(duì)應(yīng)的蒸餾曲線。由圖可見：3號(hào)柴油的初餾溫度最低，餾程寬度最大，250～350 ℃餾出量最少。

以上分析表明：3號(hào)柴油自燃性差，不易壓燃著火，著火延遲時(shí)間長(zhǎng)，且餾出溫度低，輕餾分含量多，易揮發(fā)。3種柴油理化性質(zhì)的差異會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，尤其是高原環(huán)境下的燃燒特性，容易導(dǎo)致活塞燒蝕現(xiàn)象。

2.2 3種柴油對(duì)燃燒特性的影響

2.2.1 油品對(duì)標(biāo)定點(diǎn)燃燒特性的影響

圖3分別示出海拔1 000 m和4 500 m時(shí)燃用3種柴油在標(biāo)定點(diǎn)(2 000 r/min)的平均缸內(nèi)壓力的變化趨勢(shì)(圖中出現(xiàn)的“鋸齒形”毛刺是由于測(cè)量氣缸壓力的壓力傳感器距離缸蓋底平面有一段通道造成的)。

由圖可見，相同海拔下，1號(hào)柴油對(duì)應(yīng)的最高燃燒壓力最大，3號(hào)柴油的最小；在海拔為1 000 m時(shí)，3號(hào)柴油對(duì)應(yīng)的最高燃燒壓力相比1號(hào)柴油降低4.6%，海拔4 500 m時(shí)，降低幅度增大為5.6%。隨著海拔的增加，3種柴油對(duì)應(yīng)的平均氣缸壓力均下降，其中3號(hào)柴油的最高燃燒壓力降低了18.5%。

表2示出3種燃油在不同海拔時(shí)標(biāo)定點(diǎn)工況的燃燒特征參數(shù)對(duì)比。結(jié)合圖3和表2可見，相同海拔下，3號(hào)柴油的燃燒始點(diǎn)最晚，滯燃期最長(zhǎng)(由于供油時(shí)刻一致，則噴油始點(diǎn)一致，滯燃期取決于燃燒始點(diǎn))，預(yù)混燃燒期最長(zhǎng)，擴(kuò)散燃燒期最短。

相同海拔時(shí)，在同一工況下柴油機(jī)進(jìn)氣壓力與溫度條件一致，因此，柴油的品質(zhì)決定了燃燒特性的不同。由于3號(hào)柴油的十六烷值最小，因此自燃性最差，不容易著火，著火滯燃期偏長(zhǎng)，造成滯燃期內(nèi)累積的可燃混合物較多，預(yù)混合燃燒份額增大，燃燒速率加快，導(dǎo)致壓力急劇升高，壓力升高率峰值增大；擴(kuò)散燃燒持續(xù)期短，燃燒速率降低，放熱量減少。

隨著海拔的升高，空氣密度減小，缸內(nèi)壓縮后混合氣的壓力和溫度下降，燃用3種柴油的滯燃期都延遲。燃燒過程中20%餾出率的輕餾分可以視為引燃燃油[16]，3號(hào)柴油由于輕餾分含量最大，因此，更多的輕餾分蒸發(fā)、擴(kuò)散，與空氣混合并參加預(yù)混合燃燒，相比前兩種柴油，3號(hào)柴油的初期燃燒速率大，更容易造成壓力升高率急劇增大。

表2 3種柴油在標(biāo)定點(diǎn)的燃燒特征參數(shù)對(duì)比

2.2.2 油品對(duì)最大扭矩點(diǎn)燃燒特性的影響

圖4分別示出海拔1 000 m和4 500 m時(shí)3種柴油在最大扭矩點(diǎn)(1 400 r/min)的平均缸內(nèi)壓力的變化趨勢(shì)。由圖可見，3種柴油在最大扭矩點(diǎn)的平均缸內(nèi)壓力變化趨勢(shì)與標(biāo)定點(diǎn)的基本一致，不同的是，在最大扭矩點(diǎn)缸內(nèi)壓力隨海拔高度變化幅度更大。海拔為4 500 m時(shí)，3號(hào)柴油在最大扭矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最高燃燒壓力比海拔1 000 m時(shí)降低24.1%。

圖5示出3種柴油在不同海拔下最大扭矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大壓力升高率的變化趨勢(shì)。從圖中可看出：相同海拔條件下，3號(hào)柴油的最大壓力升高率最大，1號(hào)柴油的最??；海拔升高，3種柴油的最大壓力升高率均增大，其中，3號(hào)柴油的升高幅度最大。

通過對(duì)3種柴油的燃燒特性分析可知：以最大壓升率衡量發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴程度，3號(hào)柴油的燃燒過程與1號(hào)和2號(hào)柴油相比更為粗暴，尤其是當(dāng)海拔升高時(shí)，差異更明顯。

2.3 試驗(yàn)故障分析

在模擬海拔1 000 m和4 500 m大氣狀態(tài)下，進(jìn)行了整機(jī)性能試驗(yàn)、燃燒過程測(cè)試。其中，海拔4 500 m大氣狀態(tài)下，3號(hào)柴油適應(yīng)性考核18 h40 min，拆檢發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)燃燒室部件出現(xiàn)燒蝕、拉缸現(xiàn)象；海拔1 000 m大氣狀態(tài)下，3號(hào)柴油適應(yīng)性考核試驗(yàn)累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)至17 h16 min時(shí)，柴油機(jī)曲軸箱廢氣壓力突然升高，拆檢發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)活塞燒蝕、拉缸。

圖6示出活塞典型損傷。圖6a可見，噴油器周圍出現(xiàn)活塞局部斑點(diǎn)現(xiàn)象；圖6b可見活塞頂部金屬脫落，氣門閥坑周圍燒蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)凹坑現(xiàn)象。

由于未能檢測(cè)到工況的實(shí)際燃燒發(fā)展歷程，通過之前的分析可知，3號(hào)柴油的燃燒特性更容易造成活塞故障。3號(hào)柴油的輕餾分含量高，蒸發(fā)性能好，因此，當(dāng)在較高的噴射壓力作用下，霧化好的柴油在噴孔出口處快速蒸發(fā)，具備著火條件，在氣缸中央位置劇烈燃燒，造成壓力升高率急劇增大，更容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱負(fù)荷沖擊以及機(jī)械負(fù)荷沖擊。

3 結(jié)論

a) 柴油的十六烷值越低，著火時(shí)間越長(zhǎng)，滯燃期越長(zhǎng)；初餾溫度越低，柴油越容易蒸發(fā)，預(yù)混合燃燒期內(nèi)積累的熱量劇增，缸內(nèi)壓力的升高速率較快，燃燒過程粗暴；

b) 海拔越高，壓縮終了的壓力和溫度越低，自燃性差的燃油更難壓燃著火，滯燃期延長(zhǎng)，燃燒速率加快，最大壓升率更高，燃燒惡化；

c) 目前在用柴油由于其自燃性差，易蒸發(fā)等燃燒特性更容易造成活塞燒蝕現(xiàn)象。

[1] 劉瑞林.柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2013:1-7.

[2] 周廣猛,劉瑞林,董素榮，等.柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究綜述[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2013(4)：1-5.

[3] 張海雷.柴油機(jī)變海拔渦輪增壓技術(shù)研究[D].北京：清華大學(xué),2008.

[4] 劉瑞林,周廣猛,董素榮，等.高壓共軌柴油機(jī)高海拔性能仿真研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2012(3):87-91.

[5] 王憲成,姜力,和穆.大功率柴油機(jī)燃燒過程高原試車測(cè)試與分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2012(3):32-36.

[6] Ruan D F，Cheng W L，Lee C F. Comparison of performance and combustion chatacteristics of diesel fuel and vegetable oils in DI diesel engine[C].SAE Paper 2008-01-1639.

[7] Devan P K, Mahalakshmi N V. An Experimental investigation on Performance and Emission Characteristics of Eucalyptus Oil-Diesel Blends in a D.I. Diesel Engine[C].SAE Paper 2008-01-0757.

[8] 熊春華,任連玲,鄧才超.車輛裝備專用仲裁燃料探討[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011(4):1-4.

[9] Avinash Kumar Agarwal. Bio-fuels (alcohols and bio-diesel) applications as fuels for internal combustion engines[J]. Progress in energy and combustion science,2007(33): 233-273.

[10] 沈穎剛,畢克剛,翁家慶，等.柴油機(jī)在高原地區(qū)燃用混合燃料的試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008(6):11-14,19.

[11] 鄧名華.直噴式柴油機(jī)燃燒低十六烷值柴油的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2001,19(4):345-348.

[12] 孫萬臣,解方喜,劉忠長(zhǎng)，等.燃料著火性對(duì)小型柴油機(jī)燃燒特性的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2009,15(2):129-134.

[13] 于世濤,郭英男,卓斌，等.乙醇-柴油混合燃料的理化特性的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2004,25(6):30-33.

[14] 陳文淼,吳復(fù)甲,王建昕，等.十六烷值對(duì)歐-Ⅳ柴油機(jī)燃燒與排放性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2008,29(6)：1-5.

[15] 12150L柴油機(jī)編寫組. 12150L柴油機(jī)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1976:172-174.

[16] 何學(xué)良,李疏松.內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990:336-340.

[編輯： 潘麗麗]

Effects of Fuel Properties on Combustion Characteristics of Diesel Engine at Plateau Environment

CAI Zhongzhou， ZHANG Xiaoqin， WANG Zengquan， LI Yaozong， LI Yunguang，HUANG Yunliang， WANG Xiaoteng， ZHANG Dongmei

(China North Engine Research Institute(Tianjin)， Tianjin 300400， China)

The combustion characteristics of turbocharged diesel engine fueled with three types of diesel fuel with different cetane number and distillation were researched at plateau environment and the relationship between piston ablation and fuel property was briefly analyzed.The results show that the fuel with low cetane number and low dropping point leads to difficult compression ignition,long ignition delay,accumulative heat in premixing period,in-cylinder pressure fast increase and even abrupt combustion process.With the increase of altitude,the atmospheric density decreases,the ignition period of diesel fuel prolongs,the combustion accelerates,and the maximum pressure rise rate increases.The intensive thermal load and mechanical load due to the previous factors tend to cause piston ablation.

fuel property； plateau； diesel engine； combustion process

2015-03-26；

2015-08-04

蔡忠周(1967—)，男，研究員，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃燒過程研究；zhongzhou0213@sina.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.015

TK421.24

B

1001-2222(2015)04-0076-04