阻燃抑爆柴油的燃烧性能和排放研究*

付小磊　邵辉　王旭东　黄勇

（1.常州大学环境与安全工程学院　江苏常州213164；　2.总后勤部油料研究所　北京102300）

阻燃抑爆柴油的燃烧性能和排放研究*

付小磊1邵辉1王旭东2黄勇1

（1.常州大学环境与安全工程学院江苏常州213164；2.总后勤部油料研究所北京102300）

以-10号军用柴油为基础油配置阻燃抑爆柴油，在WP10.290发动机上进行了台架实验，考察了使用阻燃抑爆柴油时的动力性、经济性和排放性。结果表明：燃用阻燃抑爆柴油相比于燃用-10号军柴会一定程度上降低输出功率和扭矩 ，动力性能下降2.31%～4.26%；燃用阻燃抑爆柴油时平均质量燃油消耗率较燃用军用柴油时增加了5.74%。体积燃油消耗率与军用柴油相比，平均增加了4.32%；能够降低NO的排放，NO的排放量相较于-10号军柴降低了7%～19%；能够降低排气温度，相比较于-10#军柴 ，阻燃抑爆柴油的排气温度最大可以降低19.5℃。

阻燃抑爆柴油 动力性 经济性 排放性

0　引言

阻燃抑爆柴油是指具有阻燃抑爆功能的微乳化柴油，是对普通柴油的一种性能优化 ，通过添加水、抑爆剂、乳化剂、助乳化剂和功能添加剂 ，采用微乳化技术生产工艺，结合抑爆剂特殊添加工艺制备。阻燃抑爆柴油和普通军用柴油静爆实验效果对比如图1所示（左图为-10号空白军用柴油，右图为-10号阻燃抑爆柴油）。可以看出，阻燃抑爆柴油相较于普通军用柴油，在受到外界爆炸能量点燃后能够很好地抑制爆炸火球的产生，起到了安全保护作用。

目前国内针对阻燃抑爆柴油的在发动机上的实际表现的研究较少，本研究通过预乳化工艺配置了含水量为5%的阻燃抑爆柴油。根据《柴油添加剂发动机台架试验方法》，在WP10.290发动机上对阻燃抑爆柴油和基础油-10号军柴进行了对比实验。分析对比不同的配方条件下，阻燃抑爆柴油和-10号军柴的燃烧和排放性能，从而评价阻燃抑爆柴油在柴油机上的表现。

图1　装填60%体积的50 L油箱在静爆开始300 ms 时的抑爆效果对比

1　试验装置和试验方法

1.1试验装置

为了研究油样对发动机动力、经济、排放性能的影响，选取WP10.290发动机，其主要参数见表1。本研究试验台架测试系统见图2。

表1　WP10.290发动机主要结构参数

图2　试验台架测试系统示意

该系统的动力性采用衢州东宇CW250型电涡流测功机测量；尾气排放由奥地利AVL公司生产的AVL GAS1000型尾气分析仪测量，燃油消耗由奥地利AVL公司生产的AVL 733S油耗仪测量。

1.2燃油的理化性能

试验所用的燃用油是以-10号军用柴油为基础调制的阻燃抑爆柴和 -10#军用柴油，其理化性能如下表2所示。

表2　室温下燃油的理化特性

1.3试验方法

根据《柴油添加剂发动机台架试验方法》第5部分试验方法，分别进行了阻燃抑爆柴油和基础柴油的外特性和标定转速2 200 r/min下的负荷特性试验。

试验过程中应注意在做完柴油实验进行油品切换后，必须让柴油机进行足够时间的运转使燃油滤清器和油路中完成变成下次试验油样 ，再进行试验。

2　试验结果和讨论

2.1动力性

图3表示外特性条件下，燃用阻燃抑爆柴油对发动机动力性能的影响。

图3　阻燃抑爆柴油对柴油机动力性的影响

柴油机燃用-10#军柴和阻燃抑爆柴油的动力性变化趋势一致，阻燃抑爆柴油会导致扭矩和功率略有下降。相比较于-10#军柴，燃用阻燃抑爆柴油时，扭矩和功率平均减小43（N・m）、8.6 kW。动力性能下降2.31%～4.26%，这是因阻燃抑爆柴油本身低热值所导致的。由表2得知，阻燃抑爆柴油的热值相较于-10号军柴降低了9.48%。但动力性能降幅并不显著 ，这和阻燃抑爆柴油采用的微乳化工艺有着密不可分的关系。

柴油机在每工作循环内喷入燃烧室内的阻燃抑爆柴油虽体积保持不变，但扣除水分后实际能燃烧的柴油的质量少于-10号军用柴油，故会在一定程度上降低气缸做功能力。但燃烧过程中气缸内的压力不会因为水的吸热作用使得缸内温度下降而下降，虽然在燃烧期内气缸内的温度有所下降 ，但是水的蒸发会导致缸内气体容积膨胀 ，从而使气缸压力有所增加，增加了做功能力。两种因素相互制约导致燃用阻燃抑爆柴油时功率和扭矩较-10#军柴略有降低。

2.2经济性

图4表示标定转速2 200 r/min负荷特性条件下，在实测燃油消耗率的基础综合热值换算出的燃油质量消耗率。

图4　燃油质量消耗率

图5是在实测燃油消耗率的基础综合热值换算出的燃油体积消耗率。由图4和图5可以看出。在标定转速下，随着负荷的不断升高，阻燃抑爆柴油的能量消耗率和燃油体积消耗率逐渐向-10号军柴逼近，由于阻燃抑爆柴油密度大热值低 ，因此燃用阻燃抑爆柴油时平均质量燃油消耗率较燃用军用柴油时增加了5.74%。因此，柴油机燃油经济性下降，为科学的评价装备使用阻燃抑爆柴油后作战半径减少程度，还需要计算其体积燃油消耗率，如图5所示。柴油机燃用阻燃抑爆柴油时，体积燃油消耗率与军用柴油相比，平均增加了4.32%。

图5　燃油体积消耗率

在小负荷区域时，由于缸内的温度和压力比较低，“微爆”作用减弱，阻燃抑爆柴油的高粘度和高密度会导致喷雾过程恶化，在低负荷区域时水分蒸发起到主导作用，经济性变差。在大负荷区域时 ，由于缸内的温度和压力高，阻燃抑爆柴油中的表面活性剂能够很好的参与燃烧，由于“微爆”而产生的“二次雾化”作用导致燃烧更为充分 ，故在一定程度上阻燃抑爆柴油的燃油经济性略有提高。

2.3排放性

2.3.1对NOx的影响

实际的NOx包括NO、NO2等产物，其他产物的含量很少，故本节中用NO来表示NOx。

图6　标定转速下阻燃抑爆柴油对NO排放的影响

由图6可以看出，燃用阻燃抑爆柴油时，NO的排放量相较于-10号军柴降低了7%～19%。NOx是在柴油机燃烧室高温环境中，由空气中的N被O原子氧化而得到。阻燃抑爆柴油能够造成NO排放降低的原因为：最初进入燃烧室内的水分是以液体的形式存在的，在燃烧室的高温环境下吸收热量发生了相变，从而降低了燃烧室的温度，破坏了燃烧室内的高温环境。另外水蒸汽冲淡了混合气中的氧和氮气的浓度，抑制了NOx的生成。

2.3.2对排气温度的影响

图7为标定转速下阻燃抑爆柴油对排气温度的影响。由图7可以看出，燃用阻燃抑爆柴油能够降低排气温度，相比较于-10#军柴，阻燃抑爆柴油的排气温度最大可以降低4.8%，排气温度主要取决于汽缸内的燃烧温度，采用微乳化工艺制备的阻燃抑爆柴油燃烧过程中燃烧室温度低于 -10#军柴。这是因为阻燃抑爆柴油的热值低于-10号军柴，在单位时间内喷入气缸内的燃油质量保持一定的情况下，低热值的阻燃抑爆柴油燃烧放热量低于-10号军柴。此外，由于阻燃抑爆柴油采用了微乳化工艺，在燃烧过程中，水带走的显热和潜热会增加，从而影响了缸内的燃烧温度。

图7　标定转速下阻燃抑爆柴油对排气温度的影响

3　结论

（1）燃用阻燃抑爆柴油相比于燃用-10#军柴会导致输出功率和扭矩在一定程度上降低，对动力性影响较小。

（2）燃用阻燃抑爆柴油时平均质量燃油消耗率较燃用军用柴油时增加了5.74%；体积燃油消耗率与军用柴油相比，平均增加了4.32%。

（3）燃用阻燃抑爆柴油能够降低NO的排放，燃用阻燃抑爆柴油时，NO的排放量相较于-10号军柴降低了7%～19%。用阻燃抑爆柴油能够降低排气温度，相比较于-10#军柴 ，阻燃抑爆柴油的排气温度最大可以降低4.8%。

Study on Performance and Emissions of Fire Resistant and Explosion Suppression Diesel

FU Xiaolei1SHAO Hui1WANG Xudong2HUANG Yong1
（1.College of Environment&Safety Engineering，Changzhou University Changzhou，Jiangsu 213164）

Millitary diesel-10#is used as base oil to configure fire resistantand explosion suppression dieseland experiments on WP10.290 engine are conducted to study the effects of power，economy and emissions performance when using fire resistant and explosion suppression diesel.The results show that，compared with millitary diesel-10#，the fire resistant and explosion suppression diesel could reduce the output power and torque to a certain extent and dynamic performance degradation 2.31%～4.26%，the fire resistant and explosion suppression diesel can increase the quality fuel consumption by an average 5.74%compared with millitary diesel-10#.While volume fuel consumption is increased by an average by 4.32%，NO emissions can be reduced and emissions of NO is decreased 7%to 19%compared with millitary diesel-10#，the exhaust gas temperature can be reduced and compared with millitary diesel-10#，the exhaust temperature can decrease 19.5℃maximum.

fire resistant and explosion suppression diesel power performance efficiency emission performance

科技部国际科技合作重大专项资助（2013DFR60080），国家安全监管总局2013年安全生产重大事故防治关键技术科技项目（安监总厅科技（2013）140号）。

付小磊 ，硕士，主要从事液体燃料安全技术研究。

（2015-05-10）