燃油品质对柴油机燃烧循环变动特性及性能的影响

张晓琴， 蔡忠周， 王增全， 李玉峰， 李耀宗， 李云广， 黄云亮， 王晓滕， 张冬梅， 刘继林

(1. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 2. 装甲兵驻616厂军事代表室， 山西 大同 037036)



燃油品质对柴油机燃烧循环变动特性及性能的影响

张晓琴1， 蔡忠周1， 王增全1， 李玉峰1， 李耀宗1， 李云广1， 黄云亮1， 王晓滕1， 张冬梅1， 刘继林2

(1. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400； 2. 装甲兵驻616厂军事代表室， 山西 大同 037036)

燃用3种柴油进行了柴油机性能试验，研究了不同转速和负荷下柴油对燃烧循环变动特性及柴油机性能指标的影响。研究表明：在全负荷速度特性下，随着转速的升高，最高燃烧压力和最大压力升高率的循环变动率逐渐减小；相同转速下，负荷越小，最高燃烧压力和最大压力升高率的循环变动率越大；燃油的十六烷值越小，其自燃性越差，着火滞燃期越长；初馏温度较低时，轻馏分含量较高，参加预混合燃烧的份额大，容易造成燃烧速度加快，压力升高速度快，导致最高燃烧压力和最大压力升高率的循环变动率变大，对应燃烧过程变粗暴，由此实现的动力性能和经济性能变差。

柴油机； 燃油品质； 循环变动； 性能

燃烧循环变动是指发动机以某一工况稳定运行时，相邻循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现为压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不同[1]。国内外对燃烧循环变动的研究多集中于汽油机[2-4]，但是随着排放法规的要求越来越严格，柴油机的燃烧循环变动对性能也有重要的影响[5-8]。

燃油品质直接影响柴油机的燃烧过程[9-11]。柴油的自燃性能用十六烷值评价[12]，十六烷值越大，自燃能力越高，着火延迟时间越短，柴油机工作的粗暴性也就越小。馏程表征柴油的蒸发性能，它是用燃油馏出(蒸发掉)某一百分比时的温度范围来表示。品质好的柴油馏程较窄，在250～350 ℃之间蒸发的馏分最多[13]。燃油品质不同，柴油机燃烧循环变动程度也不同。

本研究在发动机台架上进燃用行不同油品的柴油机性能试验，旨在研究燃油品质对燃烧循环变动特性以及性能的影响。

1 试验

1.1 柴油油样

本研究选取了3种不同品质的柴油，其特性见表1，蒸馏曲线见图1。由表1和图1可见：1号柴油的十六烷值最大，3号的最小；1号和2号柴油的馏程相差不多，3号柴油的馏程最大。

表1 试验用柴油参数

以上数据表明：3种柴油中，3号柴油的自燃性最差，着火延迟时间长，且初馏温度最低，250 ℃之前蒸发的馏分最多，其轻馏分含量大，具有易蒸发的特性。3种柴油理化性质的差异造成发动机的燃烧特性以及性能有所不同。

1.2 试验台架

研究对象为某柴油机，缸径150 mm，排量38.88 L，标定转速2 000 r/min，标定功率588 kW，最大扭矩转速1 400 r/min。试验设备主要包括SCHENCK D2600测功器、AVL TGS1760油耗仪、流量计、温度传感器以及发动机试验台架。试验台架主要由发动机进气调控系统、发动机排气模拟系统和控制检测系统三大部分组成(见图2)。其中，控制检测系统通过控制喷油泵最大供油量保护发动机，当排气温度或增压器转速超限时，电控系统自动减小喷油泵齿杆位移，以减小供油量，降低发动机的负荷，从而降低排气温度或增压器转速进行保护。

试验转速分别选取2 000，1 800，1 600，1 500，1 400和1 000 r/min。当柴油机在相应工况点稳定运转后，测量扭矩、燃油消耗量、气缸压力等。

2 试验结果与分析

2.1 燃烧循环变动分析

2.1.1 评价方法

由于压力参数比较容易测量，本研究采用此类参数来表征燃烧循环变动，主要有最高燃烧压力(pmax)和最大压力升高率(dp/dφmax)[14-16]。

通过求各个参数的循环平均值、标准偏差和循环变动率，分析其循环变动。各参数的循环变动率(Cov)由以下公式求得(以pmax为例，其他参数的变动率可用相同公式求得)，式中N为循环总数。

2.1.2 油品在外特性线上对燃烧循环变动的影响

3种柴油在外特性线上燃烧循环变动率的变化趋势见图3。由图3可见，3种柴油的最高燃烧压力循环变动率和最大压力升高率的循环变动率随着转速的升高逐渐减小，其中，3号柴油对应的最高燃烧压力循环变动率最大，1号柴油的最小。

分析原因：转速越低，缸内压缩过程的热力状态参数越低；十六烷值越低，则着火越困难；20%馏出率的轻馏分可以视为引燃燃油，这是速燃期内参加预混合燃烧燃油的主要组分，初馏分越多，预混合燃烧份额越大。3种柴油中，3号柴油的十六烷值最低，20%馏出率的温度最低，因此，其着火时间延迟，滞燃期长，滞燃期内积累的热量多，预混合燃烧份额大，燃烧速度较快。燃烧加速度过大，容易产生较大的热负荷冲击，形成压力振荡，燃烧过程粗暴。

2.1.3 不同负荷下油品对循环变动的影响

图4示出3种柴油在标定转速(2 000 r/min)下不同负荷时的循环变动率。由图4可见，随着负荷的减小，最高燃烧压力和最大压力升高率的循环变动率均增大，3号柴油对应的循环变动率最大。

转速不变时，进入气缸内的空气量一定，负荷减小时，循环油量减少，空气与燃油的混合均匀程度变差。3号柴油由于轻馏分含量大，更多的轻馏分蒸发、扩散，与空气混合并参加预混合燃烧，初期燃烧加速度较快，最大压力升高率的循环变动幅值较大。

图5示出转速1 000 r/min、低负荷时循环变动率的变化趋势。由图5可见，低转速时，随着负荷的减小，3种柴油对应的最高燃烧压力和最大压力升高率的循环变动率都增大，且差值比2 000 r/min时更大。

3种柴油中，随着负荷的减小，1号柴油的最高燃烧压力的循环变动率增幅最大，为56.05%，而3号柴油的最大压力升高率的循环变动率增幅最大，为33.36%。

原因是转速越低，负荷越小，空气与燃油的混合越不均匀，燃烧过程较不稳定，十六烷值低的柴油更难压燃着火。一旦着火，滞燃期内积聚的热量短时间释放，初期燃烧速度过快，燃烧压力振荡剧烈。

2.2 燃油品质对性能指标的影响

图6示出3种燃油对应的不同转速下全负荷性能指标的变化。从图6可以看出，对于同种燃油，随着转速的升高，发动机功率逐渐增大，有效燃油消耗率呈先减小后增大的趋势(拐点为最大扭矩点1 400 r/min)。3种柴油中，3号柴油对应的有效功率在相同转速下最低，有效燃油消耗率最高。

3 结论

a) 相同负荷下，随着转速的升高，最高燃烧压力和最大压力升高率的循环变动率逐渐减小；相同转速下，负荷越小，最高燃烧压力和最大压力升高率的循环变动率越大；

b) 燃油的十六烷值越小，初馏温度越低，则燃烧初期速度越快，对应的最高燃烧压力和最大压力升高率的循环变动率越大；由于燃烧过程较为粗暴，能够实现的动力性能和经济性能相对较差。

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[编辑： 袁晓燕]

Effects of Fuel Property on Combustion Cyclic Variation and Performance of Diesel Engine

ZHANG Xiaoqin1, CAI Zhongzhou1, WANG Zengquan1, LI Yufeng1, LI Yaozong1,LI Yunguang1, HUANG Yunliang1, WANG Xiaoteng1, ZHANG Dongmei1, LIU Jilin2

(1. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China;2. Military Representative Office of Armored Forces in No．616 Factory, Datong 037036, China)

The effects of diesel on combustion cyclic variation and engine performance index under different speeds and loads were researched by combusting three kinds of diesel. The results show that the cyclic variations of peak cylinder pressure and pressure rise ratio decrease with the speed increase at full load speed characteristic．Moreover, the variation rates of peak cylinder pressure and pressure rise ratio are larger at lower load of the same speed．With the decrease of cetane number and first distillation temperature, the ignition delay time becomes longer, the percent of light distillation composition and the required amount of premixed combustion increases. Finally, the in-cylinder combustion and pressure rise accelerate, the variation rates of peak cylinder pressure and pressure rise ratio increase, the corresponding combustion process becomes short tempered and so the realized power and fuel economy deteriorate.

diesel engine; fuel property; cyclic vitiation; performance

2014-12-02；

2015-01-28

张晓琴(1986—)，女，助理研究员，硕士，主要研究方向为柴油机燃烧过程研究；xiaoqinshanxi@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.009

TK421.26

B

1001-2222(2015)03-0041-04