王 俊， 楊 鶴， 張 然， 田華宇， 胡曉明， 宋海清

(中國石化 石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

在直噴壓燃式柴油機(jī)中，著火滯后期是非常重要的參數(shù)，其被定義為從噴油開始時刻到燃燒開始時刻之間的時間間隔[1]。在著火滯后期這段時間中，既有燃料與空氣混合的物理過程，也有燃料被氧化生成關(guān)鍵活性自由基進(jìn)而觸發(fā)燃燒的化學(xué)過程[2]。物理過程包括液滴的霧化、流動、蒸發(fā)以及和周圍熱空氣的混合。化學(xué)過程又分為低、中、高3個溫度區(qū)間：一般認(rèn)為低于850 K為低溫區(qū)間，850～1100 K為中溫區(qū)間，大于1100 K為高溫區(qū)間。每個溫度區(qū)間范圍內(nèi)發(fā)生的氧化反應(yīng)不同，主導(dǎo)的自由基也不同。在低溫區(qū)間內(nèi)，燃料分子主要發(fā)生鏈增長反應(yīng)，過氧烷基自由基占主導(dǎo)。隨著放熱的進(jìn)行，溫度逐漸升高到中溫區(qū)，此時HO2和H2O2大量積累。中溫區(qū)這段時間占據(jù)了化學(xué)滯后期的大部分。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時，積累的H2O2開始快速分解成大量的OH，鏈支化反應(yīng)占主導(dǎo)，快速引發(fā)燃料的燃燒，導(dǎo)致體系的溫度迅速上升，快速放出大量的熱。燃料在燃燒前發(fā)生的一系列物理化學(xué)過程受燃料本身化學(xué)組成、物理特性、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力以及氧含量等因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致其在柴油機(jī)中的燃燒過程、功率大小甚至是碳煙和氮氧化物的排放也有所不同。

燃料在特定條件下的著火滯后期很大程度上反映了燃料的化學(xué)活性。相同條件下，燃料的著火滯后期越短燃料活性越高。在柴油機(jī)中，燃料應(yīng)該有與發(fā)動機(jī)匹配的著火滯后期，進(jìn)而使燃燒過程產(chǎn)生的熱量得以最大化轉(zhuǎn)化為機(jī)械動力。若燃料活性過高，著火滯后期過短，油、氣不能很好地混合，且大量燃料在極短的時間內(nèi)爆燃會造成燃燒不充分，工作粗暴，并且排放惡化。若燃料活性過低，著火滯后期過長，也會造成難啟動、動力性下降等嚴(yán)重問題。十六烷值是衡量柴油燃料活性的重要指標(biāo)，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中[3]，十六烷值的確定是在一臺單缸柴油機(jī)中，通過固定噴油時刻和著火滯后期，調(diào)節(jié)壓縮比進(jìn)而與標(biāo)準(zhǔn)燃料對比而得到[4]。近年來也有很多基于定容燃燒彈的方法得以開發(fā)，將燃料在容彈中自燃的著火滯后期與十六烷值建立關(guān)系[5-7]，重復(fù)性和與單缸機(jī)的方法間再現(xiàn)性均較好。

在定容燃燒彈法中，柴油的十六烷值是在特定的條件下測得的。例如NB/SH/T 6035[5]中，測試十六烷值的條件：燃燒彈溫度約為600 ℃，壓力為2 MPa，氧體積分?jǐn)?shù)為20%，噴油時間為2500 μs，噴油壓力為100 MPa。固定條件下提供的燃燒信息相對有限，相比而言，研究燃料在不同環(huán)境條件下的噴射自燃行為更有意義，這對理解燃料在不同發(fā)動機(jī)操作條件下的燃燒更有幫助，有利于油機(jī)匹配協(xié)同優(yōu)化。有大量的工作研究了燃料在不同溫度和壓力等條件下的燃燒行為[8-11]，同時也特別關(guān)注了一些生物柴油調(diào)和組分添加后對燃燒的影響[12-14]。也有很多研究工作重點關(guān)注不同操作條件下發(fā)動機(jī)排放情況的改變[15-16]等?？傊?，研究燃料在不同組成、不同環(huán)境條件下的燃燒行為非常重要。因此，筆者在一臺定容燃燒彈上重點研究了氧含量和壓力對普通柴油噴射自燃特性的影響，同時采用不同組分與普通柴油進(jìn)行復(fù)配，研究了不同復(fù)配柴油在不同壓力下的燃燒特性。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

噴射自燃特性的研究在PAC公司生產(chǎn)的CID 510模擬十六烷值機(jī)上進(jìn)行。實驗時燃料直接噴射到預(yù)先充滿高溫高壓合成空氣的定容燃燒彈中，定容燃燒彈的底部安裝有動態(tài)壓力傳感器，自燃產(chǎn)生的動態(tài)壓力波將會被壓力傳感器記錄。根據(jù)壓力曲線可以確定著火滯后期ID(Ignition delay)和燃燒滯后期CD(Combustion delay)，進(jìn)而通過滯后期與十六烷值的關(guān)系式可以得到導(dǎo)出十六烷值DCN(Derived cetane number)。其中，著火滯后期ID(ms)是從共軌噴油器電磁閥開啟到燃燒室壓力超過靜壓0.02 MPa的時間；燃燒滯后期CD(ms)是從共軌噴油器電磁閥開啟到燃燒壓力曲線中點的時間。為了得到準(zhǔn)確的十六烷值，儀器需要調(diào)整燃燒室的溫度與標(biāo)準(zhǔn)燃料的十六烷值匹配進(jìn)而實現(xiàn)儀器的校準(zhǔn)。十六烷值的測試條件如表1所示。得益于儀器操作條件改變的便利，燃燒室的溫度、壓力、合成空氣的組成、噴油壓力和噴油時間都可依據(jù)研究的需要而調(diào)整。

表1 十六烷值的測試條件Table 1 Testing conditions of cetane number

1.2 實驗燃料

實驗燃料選取國Ⅵ柴油為基礎(chǔ)柴油D0，進(jìn)而將十六烷值改進(jìn)劑硝酸異辛酯EHN(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.7%，西安萬德能源化工有限公司產(chǎn)品)、含氧組分聚甲氧基二甲醚DMMn(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%，四川鑫達(dá)新能源科技有限公司產(chǎn)品)和高密度燃料HDF(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98.5%，北京伊諾凱科技有限公司產(chǎn)品)作為調(diào)合組分與D0復(fù)配得到復(fù)配柴油D1～D5。其中，D1由D0和體積分?jǐn)?shù)1%的硝酸異辛酯調(diào)合得到；D2由D0和體積分?jǐn)?shù)20%的DMMn調(diào)合得到；D3由D0和體積分?jǐn)?shù)1%的硝酸異辛酯及體積分?jǐn)?shù)20%的DMMn調(diào)合得到；D4由D0和體積分?jǐn)?shù)20%的HDF調(diào)合得到；D5由D0和體積分?jǐn)?shù)1%的硝酸異辛酯及體積分?jǐn)?shù)20%的HDF調(diào)合得到。相應(yīng)燃料的物理化學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 實驗燃料的物理化學(xué)性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of test fuels

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力對燃燒特性的影響

首先研究了基礎(chǔ)柴油D0在氧體積分?jǐn)?shù)為20%、燃燒室初始溫度為600 ℃、初始壓力分別為2.4、2.0、1.7、1.4、1.1和0.9 MPa條件下的噴射自燃情況，燃燒過程的動態(tài)壓力曲線如圖1所示。由圖1可見，當(dāng)燃料噴入燃燒室后，壓力最初都會經(jīng)歷一個短暫的下降過程，而后恢復(fù)到初始壓力。這是因為，在這段時間內(nèi)燃料汽化吸熱，并與燃燒室內(nèi)空氣混合導(dǎo)致燃燒室短時間內(nèi)溫度下降，壓力也有所下降。在不同的初始壓力條件下，燃燒動態(tài)壓力曲線隨著壓力的下降而后移，表明燃料反應(yīng)活性下降，燃燒前的準(zhǔn)備時間延長。同時，隨著初始壓力的下降，燃料的燃燒逐漸呈現(xiàn)二次點火的特征。當(dāng)初始壓力為0.9 MPa時，在5 ms處明顯出現(xiàn)第一次放熱過程，放熱量很小，并沒有導(dǎo)致后續(xù)連續(xù)的燃燒。隨后經(jīng)過一個短暫的平臺，壓力開始迅速上升，為第二次大量放熱過程。二次點火中的第一次著火過程也被稱為冷焰，主要由于醛基活性自由基的累積，進(jìn)而導(dǎo)致了極短時間內(nèi)的少量放熱現(xiàn)象。

圖1 D0柴油在不同初始壓力條件下的燃燒動態(tài)壓力曲線Fig.1 Combustion dynamic pressure curves of D0 under different initial pressuresφ(O2)=20%； T=600 ℃

柴油在燃燒前發(fā)生的物理和化學(xué)過程非常復(fù)雜，且相互重疊，但仍有學(xué)者試圖將2個過程主導(dǎo)的自燃行為加以區(qū)分[8]，他們通過燃燒過程中醛基和羥基自由基出現(xiàn)的時間來區(qū)分物理和化學(xué)過程。在醛基自由基出現(xiàn)之前的這段時間主要發(fā)生燃料的汽化、與空氣混合流動等物理過程；而從醛基自由基出現(xiàn)后到羥基自由基出現(xiàn)前的這段時間主要由化學(xué)過程占主導(dǎo)。實驗確定的著火滯后期ID和燃燒滯后期CD以及CD與ID的差值(CD-ID)可以在一定程度上反映燃燒前的物理和化學(xué)過程，相應(yīng)的滯后期時間隨著初始壓力的變化如圖2所示。由圖2可見，著火滯后期、燃燒滯后期和二者的差值均隨著初始壓力的下降而升高，但著火滯后期變化的幅度較小。這說明，燃料燃燒前的物理準(zhǔn)備過程受壓力的影響不大，主要是化學(xué)準(zhǔn)備過程隨著壓力的降低所需的時間逐漸延長，且呈現(xiàn)斜率逐漸增大的非線性增長。

圖2 D0柴油著火滯后期(ID)、燃燒滯后期(CD)和二者的差值(CD-ID)隨初始壓力的變化Fig.2 Changes of ID, CD and CD-ID of D0 under initial pressureφ(O2)=20%； T=600 ℃

2.2 氧含量對燃燒特性的影響

圖3為氧體積分?jǐn)?shù)下降至15%和12%時，D0柴油在不同初始壓力下的燃燒動態(tài)壓力曲線。由圖3可見，隨著氧含量的降低，燃燒動態(tài)壓力曲線隨著初始壓力的下降而后移的更加明顯，意味著燃燒前的準(zhǔn)備時間更長。當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)為12%時，即使在高壓2.4 MPa的條件下，燃燒仍出現(xiàn)了明顯的二次點火現(xiàn)象，且二次點火隨著初始壓力的進(jìn)一步降低而愈發(fā)顯著。

圖3 D0柴油在不同初始壓力條件下的燃燒動態(tài)壓力曲線Fig.3 Combustion dynamic pressure curves of D0 under different initial pressuresφ(O2)/%： (a) 15; (b) 12T=600 ℃

不同氧含量條件下，D0柴油燃燒的著火滯后期和燃燒滯后期隨初始壓力的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知，隨著氧含量的下降，著火滯后期和燃燒滯后期均增長，其中著火滯后期的變化不如燃燒滯后期顯著。這說明，由于氧含量的下降而導(dǎo)致的燃燒后移也主要來自于化學(xué)過程的影響，物理過程影響非常小。當(dāng)氧含量下降時，滯后期隨著壓力變化的敏感性逐漸增強(qiáng)。這表明，在低氧低壓的環(huán)境條件下，柴油的燃燒將被嚴(yán)重影響，燃燒的過度推遲將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)難啟動，動力會大大下降。

圖4 D0柴油在不同氧含量、不同初始壓力條件下的著火滯后期(ID)和燃燒滯后期(CD)Fig.4 ID and CD of D0 under different oxygenvolume fractions and initial pressuresT=600 ℃

壓力的下降不僅會導(dǎo)致燃燒后移，滯后期延長，燃燒過程中壓力的最大升高值也將被影響。壓力升高最大值可對應(yīng)發(fā)動機(jī)中的最大爆發(fā)壓力，與發(fā)動機(jī)的動力性密切相關(guān)。圖5顯示了在不同氧含量條件下D0柴油燃燒的壓力升高最大值隨初始壓力的變化。由圖5可知，在相同氧含量的條件下，燃燒的最大壓力升高值隨著初始壓力的下降而降低，且這種趨勢隨著氧含量的降低而更加明顯。此外，在相同的初始壓力(1.4～2.4 MPa)下，壓力升高最大值卻隨著氧含量的降低而升高。這可能是因為，低氧條件下燃燒滯后期更長，燃料有更足夠的時間與空氣混合，一旦燃燒開始，相同時間內(nèi)燃燒的燃料更多，能放出更多的熱量。

圖5 D0在不同氧含量、不同初始壓力下燃燒的壓力升高最大值Fig.5 Maximum pressure increase of D0 combustion atdifferent oxygen volume fractions and initial pressuresT=600 ℃

D0柴油在氧體積分?jǐn)?shù)為12%、不同初始壓力條件下燃燒的釋熱率(Rate of heat release)情況如圖6所示。釋熱率(RHR, W)由公式(1)[17]定義：

(1)

式中:Q為釋放的熱量，J;p為燃燒室的壓力，MPa；V0為燃燒室的體積，473 mL；γ為比熱比，簡便起見取常數(shù)1.35。圖6中釋熱率曲線均表現(xiàn)出了二次放熱過程，且第一次放熱時間相近，隨著初始壓力的降低兩次放熱的時間間隔逐漸變長。在低氧條件下，當(dāng)壓力下降時，最大峰值功率先下降后上升，放熱峰的半峰寬先變大后變小。半峰寬對應(yīng)燃料燃燒的持續(xù)期，反映燃燒的速度。這表明，當(dāng)壓力下降時，D0柴油雖燃燒前的準(zhǔn)備時間更長，即滯后期變長，但一旦燃燒后，燃燒速度卻表現(xiàn)出了先變小后變大的過程。如上文所述，這可能是因為在增長的滯后期內(nèi)油氣混合更均勻，即使在低壓條件下燃燒卻相對更快。

圖6 D0在不同初始壓力條件下的釋熱率(RHR)Fig.6 Rate of heat release (RHR) of D0 under different initial pressuresφ(O2)=12%； T=600 ℃

2.3 復(fù)配柴油的燃燒特性

將3種不同組分與D0柴油復(fù)配后，復(fù)配柴油在20%氧體積分?jǐn)?shù)、不同初始壓力下的燃燒滯后期如圖7所示。由圖7可見，所有柴油的燃燒滯后期均隨著初始壓力的下降而逐漸增長，表明壓力會顯著影響燃料的反應(yīng)活性。但壓力對每種燃料燃燒的影響程度不同。其中，D0基礎(chǔ)柴油和添加了1%體積分?jǐn)?shù)十六烷值改進(jìn)劑的D1柴油對壓力的敏感性大于D2～D5柴油。這是因為D2～D5柴油均添加了20%的其他組分，較大程度改變了原有柴油的化學(xué)組成，因而表現(xiàn)出的燃燒性質(zhì)也不同。由表2可知，復(fù)配柴油的十六烷值從大到小順序依次為D3、D5≈D1、D2、D4。對應(yīng)十六烷值測試條件2 MPa下，燃料燃燒滯后期剛好呈現(xiàn)相反的趨勢。這表明，燃料的燃燒滯后期越短，十六烷值越高。從十六烷值數(shù)據(jù)可知：硝酸異辛酯和DMMn的復(fù)配對柴油十六烷值的提升最有幫助；由于HDF本身的十六烷值最低，導(dǎo)致復(fù)配柴油D4的十六烷值也最低。值得注意的是，D5柴油含有體積分?jǐn)?shù)20%的HDF和體積分?jǐn)?shù)1%的硝酸異辛酯，但其十六烷值與只含1%硝酸異辛酯的D1柴油十分相近，甚至還高出0.7個單位。這表明，在含有1%十六烷值改進(jìn)劑的柴油中加入20%十六烷值更低的HDF并沒有使復(fù)配柴油的十六烷值降低。添加體積分?jǐn)?shù)1%的十六烷值改進(jìn)劑對于柴油來說是過量的，即使組分中含有十六烷值更低的組分，過量的十六烷值改進(jìn)劑產(chǎn)生的大量活性自由基也能加速低活性組分的燃燒。

圖7 D0～D5柴油在不同初始壓力條件下的燃燒滯后期(CD)Fig.7 CD of D0—D5 under different initial pressuresφ(O2)=20%； T=600 ℃

基礎(chǔ)柴油D0、DMMn、HDF，以及由DMMn和HDF與D0復(fù)配的復(fù)配柴油D2和D4在氧體積分?jǐn)?shù)20%、2 MPa壓力條件下的燃燒壓力曲線如圖8所示。由圖8可知，由于HDF的十六烷值低，其燃燒的滯后期相對較長，燃燒延后，但其與D0復(fù)配后的柴油D4滯后期明顯縮短；DMMn熱值低，因此燃燒的最大爆發(fā)壓力下降明顯，進(jìn)而其與D0復(fù)配的柴油D2燃燒的最大爆發(fā)壓力也相應(yīng)降低。

圖8 D0、DMMn、HDF、D2和D4的燃燒動態(tài)壓力曲線Fig.8 Combustion dynamic pressure curves of D0, DMMn, HDF, D2 and D4φ(O2)=20%； Initial pressure 2.0 MPa； T=600 ℃

在實驗儀器上，柴油的導(dǎo)出十六烷值是在20%氧體積分?jǐn)?shù)、2 MPa壓力條件下測得的。理論上來說，在其他壓力下給出的十六烷值是沒有意義的。但可以假設(shè)動態(tài)十六烷值的概念，即在任何環(huán)境條件下均可以代入滯后期與十六烷值的關(guān)系式得到與條件相關(guān)的動態(tài)十六烷值，且每一種柴油燃料都有其動態(tài)十六烷值隨環(huán)境的變化特點。圖9展示了D0、D1、D2和D4的動態(tài)十六烷值隨初始壓力的變化。其中，添加十六烷值改進(jìn)劑的D1柴油的動態(tài)十六烷值對壓力的變化更加敏感，當(dāng)壓力升高時，十六烷值也升高得最多。相比之下，添加HDF的D4柴油的敏感性最弱。在低氧低壓的苛刻環(huán)境下，柴油的動態(tài)十六烷值應(yīng)達(dá)到常規(guī)條件下的十六烷值要求，因此需要燃料具備更高的十六烷值。

圖9 D0、D1、D2和D4的動態(tài)十六烷值(DCN)隨初始壓力的變化Fig.9 Changes of dynamic cetane number (DCN) of D0, D1, D2, and D4 with initial pressureφ(O2)=20%； T=600 ℃

苛刻條件下若要保證柴油機(jī)正常運行，只有較高的十六烷值是不夠的。綜上可知，隨著壓力的降低，柴油燃燒的壓力升高值會下降，這將影響柴油機(jī)的動力性。從這個角度講，還需要將燃料燃燒的最大爆發(fā)壓力提高。圖10顯示了復(fù)配柴油D3在增加8%和15%噴油量后的燃燒動態(tài)壓力曲線，噴油量的增加通過延長噴油時間實現(xiàn)，即噴油時間從2500 μs分別提高至2700 μs和2875 μs。由圖10可知，加大噴油量會有效增大燃燒的最大爆發(fā)壓力，分別增加6%和11.6%，且燃燒的滯后期基本不變。

圖10 D3在加大噴油量后的燃燒動態(tài)壓力曲線Fig.10 Combustion dynamic pressure curves of D3 after increasing fuel injectionφ(O2)=20%； Initial pressure 2.4 MPa； T=600 ℃

3 結(jié) 論

(1)氧含量和壓力的下降會使柴油的燃燒延后，著火滯后期和燃燒滯后期均增大，其中由化學(xué)過程主導(dǎo)的燃燒滯后期變化更大。柴油燃燒滯后期對氧含量的敏感性大于壓力的變化。在低氧低壓環(huán)境下，柴油燃燒會出現(xiàn)明顯的二次放熱過程，環(huán)境越苛刻兩次放熱的時間間隔越長。

(2)壓力下降，柴油燃燒的壓力升高最大值會降低。但氧含量下降時，在一定壓力范圍內(nèi)會出現(xiàn)壓力升高最大值隨氧含量下降而升高的現(xiàn)象。當(dāng)燃燒滯后期延長時，燃料與空氣有足夠的時間充分混合，一旦燃燒開始，燃燒速度會相對變快。

(3)復(fù)配柴油的十六烷值從大到小順序依次為D3、D5≈D1、D2、D4，其中同時含有十六烷值改進(jìn)劑和含氧物質(zhì)DMMn的D3柴油十六烷值提高最多，復(fù)配效果最好。十六烷值改進(jìn)劑對柴油十六烷值的提升是非線性的，當(dāng)超過一定含量時，基礎(chǔ)柴油的十六烷值對復(fù)配柴油十六烷值的影響可忽略不計。

(4)復(fù)配柴油的燃燒滯后期和動態(tài)十六烷值對壓力變化的敏感性與柴油的組成密切相關(guān)。其中，基礎(chǔ)柴油D0和含有十六烷值改進(jìn)劑的D1柴油的敏感性最大。柴油的熱值嚴(yán)重影響燃燒的壓力升高值，通過加大噴油量可有效提高壓力升高最大值。