高原环境下柴油机燃用聚醚型含氧燃料热平衡试验研究

王旭东， 熊春华， 鲁长波， 安高军， 王锋

(1.军事科学院 军事新能源技术研究所, 北京 102300； 2.陆军装备部 北京军事代表局, 北京 100012)

0 引言

青藏高原平均海拔4 000 m以上，高原特殊的地理环境和气候条件，对装备柴油机产生极大影响。随着海拔高度增加，大气压力逐渐降低，当海拔高度从海平面上升到4 500 m时，大气压力从101.3 kPa降到57.6 kPa，空气密度由1.29 kg/m3降至0.79 kg/m3. 由于大气压力下降，缸内进气压缩终点压力降低，滞燃期增加，后燃现象严重，燃料燃烧产生的热量不能及时转化为有用功，造成排气温度增加，热负荷增大。随着海拔升高，冷却液沸点降低，容易发生开锅现象；而且因空气密度下降，造成装备动力舱流经冷却风扇的空气质量流量减少，散热能力大幅低于设计要求。这些因素综合作用，造成高原环境下柴油机热负荷严重、可靠性降低、故障频发[1-2]。某型柴油机在高原使用过程中出现了大量的活塞烧蚀、呲缸垫等故障。如何在高海拔条件下，降低柴油机的热负荷，提高柴油机的环境适应性，已成为亟待解决的问题。

近年来，装备设计单位主要从发动机技术角度来解决这一问题，如采用两级增压、调节喷油泵循环供油量和供油提前角，减小喷孔直径等方法[3-6]。本文从燃料角度入手，通过研究自身带活性含氧基团的聚醚型含氧燃料，来提高柴油机过量空气系数，缓解装备柴油机因空气稀薄、氧含量不足导致的动力下降、热负荷加剧和寿命缩短等问题。

1 聚醚型含氧燃料

王旭东等[7]研发了一种以甲基封端的聚甲氧基二甲基醚型含氧燃料，分子式为CH3-O-(CH2O)n-CH3(n=3，4，5，6，7，8为甲氧基的聚合度，以下简称DMM)，DMM可显著改善高原环境下柴油机因空气稀薄、氧含量不足导致的燃烧性能恶化、动力下降等问题[7]。由于DMM含氧量高且热值低，仅能与现用石油基柴油掺混使用，但DMM与石油基柴油的低温互溶性较差，当掺混比大于30%时，该混合燃料在-35 ℃环境下会出现分层，且温度回升后燃料的分层现象不可恢复，不能满足军用燃料的低温性能要求。因此，本文在DMM基础上，合成了一种氧含量适中、不需与现用柴油掺混使用的聚甲氧基二丁基醚型含氧燃料，分子式为C4H9-O-(CH2O)n-C4H9(n=1，2，以下简称DMB100)，结构模型如图1所示。DMB100以多聚甲醛和多碳醇为原料，在适当的反应温度、压力条件下，采用固体酸催化体系合成。主要理化性能参数如表1所示，具有十六烷值高和含氧量高等优点，其馏程、密度、凝点、闪点等与柴油相近，不含硫、不含芳烃，可与柴油以任意比例互溶[8-9]。

表1 试验燃料理化特性

目前，在DMB100实验室合成技术的基础上进行了千吨级的中试放大生产，完成了理化性能、毒性、材料相容性、储存安定性、与石化柴油配伍性研究，并进行了柴油机燃油系统耐久性试验、高原模拟环境发动机台架试验和部队实装试验。

2 试验装置

试验柴油机为某型6缸增压柴油机，其基本技术参数如表2所示。

表2 发动机技术参数

试验装置包括发动机高原环境进气调控系统、排气模拟系统，大气压力控制范围为57.57～100 kPa(可模拟海拔0～4 500 m条件)、SCHENCKD电涡流测功机、AVL油耗仪、DEWETRON燃烧分析仪、冷却液和空气流量计等，柴油机热平衡试验台架如图2所示。

选取外特性工况点，测定柴油机燃油总热量的分配情况。柴油机冷却介质进出口温差和润滑油进出口温差的不确定度应不大于±0.1 ℃. 测试参数包含进气温度、进气压力、转速、扭矩、燃油消耗量、燃油进油温度、空气质量流量、排气温度、冷却介质流量、冷却介质进出口温度、润滑油流量、润滑油进出口温度等[10-12]。

3 外特性对比分析

3.1 功率油耗对比

模拟海拔4 500 m，在控制功率相同的条件下，进行了试验柴油机燃用-35号车用柴油和DMB100的热平衡试验，柴油机燃用不同燃料的功率对比和燃油消耗量对比如图3所示。

DMB100低热值较车用柴油低，因此燃用聚醚型含氧燃料时，为达到与燃用车用柴油相同的功率，需调整喷油泵各转速最大油量限制参数，增加柴油机循环供油量[13-15]，故质量燃油消耗量平均增加20.2%.

燃油消耗率对比和能量消耗率对比如图4所示。由图4可以看出，柴油机燃用DMB100时，体积燃油消耗率平均增加13.1%，在油箱体积不变的情况下，会对装备的最大行驶里程造成一定影响。由于单位质量的含氧燃料低热值只有车用柴油的74%，本文选择能量消耗率的指标来评价柴油机的经济性[16]，柴油机燃用DMB100时能量消耗率下降10.5%.

3.2 有效功热量对比

柴油机燃用不同燃料的有效热效率对比与有效功热量对比如图5所示。

Qr=3.6×103Pr,

(1)

式中：Qr为有效功热量(MJ/h)；Pr为有效功率(W).

由于控制柴油机功率相同，燃用DMB100与-35号车用柴油时，有效功所占热量相同，但使用含氧燃料后，柴油机缸内过量空气系数提高，显著改善了高原缺氧条件下的燃烧状况，有效热效率平均提高11.8%，几乎恢复到了试验柴油机平原条件下的有效热效率。

3.3 冷却水散热量对比

柴油机燃用不同燃料的冷却水进出口温差对比和冷却水带走热量对比如图6所示。

Qc=Gc·cpc·ΔT,

(2)

式中:Qc为冷却水带走的热量(MJ/h)；Gc为冷却水流量(kg/h)；cpc为冷却水定压比热容(MJ/(kg·K))；ΔT为冷却水进出口温差(K)。

柴油机燃用DMB100时，由于冷却水进出口温差减小，冷却水带走热量平均减少7.5%. 经高原实装试验验证，燃用DMB100可以有效缓解装备长时间、长距离行驶时冷却液沸腾和因冷却系统长期过热所导致的呲缸垫等故障。

3.4 排气散热量对比

柴油机燃用不同燃料的排气温度对比和排气散热量对比如图7所示。

Qg=(B+A)·cg·ΔTga,

(3)

式中：Qg为排气带走的热量(MJ/h)；B为燃油消耗量(kg/h)；A为空气消耗量；cg为排气比热容(MJ/(kg·K))；ΔTga为排气温度与环境温度之差(K)。

柴油机燃用DMB100时，涡后排气温度平均下降26.8 ℃，排气带走热量平均减少4.2%，缸内燃烧所产生的热量尽可能多地转化为有用功对外输出，热负荷状况得到了改善，有助于缓解冷却系统负担，同时还可以降低装备红外特征。

3.5 滞燃期对比

柴油机燃用不同燃料的滞燃期对比如图8所示。由图8可以看出，随着发动机转速的升高，以曲轴转角计的滞燃期增加，但以时间计的滞燃期减小。燃用DMB100时滞燃期平均减少8.7%. DMB100相比-35号车用柴油具有黏度小、馏程轻、十六烷值高的特点，喷入缸内时易破碎、易蒸发、易着火，因此燃烧始点提前，滞燃期明显缩短。

4 标定点对比分析

4.1 燃烧特性对比

海拔4 500 m条件下，大气压力57.6 kPa、环境温度25 ℃、相对湿度25%、柴油机转速2 200 r/min、功率270 kW时，缸内气体压力与压升率对比如图9所示。

由图9可以看出，燃用DMB100相比-35号车用柴油最高燃烧压力略有下降，压升率峰值从1.1 MPa/°CA下降至0.6 MPa/°CA，燃烧始点由上止点前6.7°CA提前至上止点前8.3°CA，本文燃烧始点定义为缸内气体压力突升对应的时刻。滞燃期过长会导致燃料达到着火条件前缸内混合气过多，而一旦着火，热量瞬时释放，缸内压力急剧上升，军用柴油机铝制活塞和缸盖在长期冲击负荷下，容易造成活塞头部和缸盖火力面烧蚀。因此，高原环境下柴油机燃用DMB100时，滞燃期缩短、压升率降低，工作更加柔和，有助于延长装备使用寿命。

柴油机缸内气体温度对比和放热率对比如图10所示。由图10可以看出，燃用DMB100时，缸内气体最高温度由1 825 ℃下降至1 729 ℃，涡后排气温度由578 ℃降至545 ℃，瞬时放热率峰值由562 J/°CA降至288 J/°CA，缸内热负荷得到有效缓解，因此冷却水和排气带走的热量减少。

柴油机累积放热量对比如图11所示。由图11可以看出，燃用-35号车用柴油时单缸实际放热量为6 643 J，如果喷入缸内的燃料完全燃烧，理论放热量应为7 918 J，燃烧效率为84%. 燃用DMB100时单缸实际放热量为6 164 J，理论放热量应为6 991 J，燃烧效率为88%. 这是因为柴油机燃用DMB100时，燃料中的氧元素参与了燃烧，燃烧更加充分，燃烧效率得到了提高。此外，由于后燃现象得到了缓解，燃烧放热的等容度增加，做功能力更强，有效热效率提高，因此在单缸实际循环放热量偏小情况下仍可以达到相同的功率输出。

4.2 热量分配对比

高原环境下，柴油机燃用DMB100的热量分配对比如图12所示。

由图12可以看出，由于柴油机功率相同，因此有效功热量相同。冷却水进出口温差由3.5 ℃减少至3.3 ℃，冷却水带走热量减少5.8%. 涡后排气温度由578 ℃下降为545 ℃，排气带走的热量减少5.2%.

高原条件下，造成柴油机热负荷加剧和排温升高的主要原因为滞燃期延长、后燃严重，尤其是在膨胀冲程后期释放的热量，不能及时高效地转化为机械能，只能以冷却水和排气散热的形式浪费，在高原实装试验时经常发生排气孔喷火的现象。当柴油机燃用DMB100时，由于其高十六烷值和自供氧的特性，滞燃期缩短，极大地缓解了后燃现象，提高了燃烧放热过程的等容度，燃料燃烧所放出的热量在膨胀冲程中更多地转化为机械能对外做功，因此有效热效率提高，冷却水和排气带走的热量减少。

高原环境下，燃料的不完全燃烧损失是余项损失的重要组成部分，由于DMB100含有约22%的氧元素，提高了柴油机的过量空气系数，燃料燃烧更加充分，不完全燃烧损失大幅减少。

5 结论

1) 模拟海拔4 500 m条件下，柴油机运行在外特性工况，以-35号车用柴油试验数据为基准，在控制功率相同条件下，柴油机燃用DMB100时，有效热效率平均提高10.4%，冷却水带走热量平均减少7.5%，排气带走热量平均减少4.2%.

2) 模拟海拔4 500 m条件下，柴油机燃用DMB100时，燃烧始点提前，滞燃期缩短，压升率降低，缸内最高温度降低，有效缓解了高原环境下柴油机后燃严重和热负荷加剧的问题。