聚甲氧基二丁基醚含氧燃料改善柴油机高原性能的试验研究

曹斯琦，刘宇强，支怀斌，冀树德，孔祥鑫，黄旭，安高军

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400；2.军事科学院军事新能源技术研究所，北京 102300)

柴油机自发明以来,凭借其良好的动力性和经济性能获得了广泛应用,而高原性能恶化一直是其在高原地区使用的主要问题之一[1-3]，改善柴油机高原性能也一直是柴油机研发的重要方向[4-6]。柴油机高原性能恶化的原因从根本上说是空气稀薄引起进气的氧含量下降，导致燃烧过程不充分，从而出现了油耗增加、排气温度升高等后果[7-8]。鉴于上述原因，改善柴油机高原性能的手段主要集中在两方面：一是通过各种手段增加柴油机高原进气量，提高混合气中氧气的比例[9-10]；二是研发本身含氧的新型燃料，降低燃料对进气氧含量的需求[11-13]。在增加柴油机高原进气量方面，出现了两级增压、相继增压、复合增压[14-15]等提高柴油机高原进气能力的技术方案，对高原环境增加进气量均有一定的补偿作用，成为改善柴油机高原性能普遍考虑的技术。在新型含氧燃料方面，总后勤部油料研究所王旭东等[16]以某车辆柴油机为研究对象，进行了4 500 m海拔条件下的高原模拟环境试验，比较了柴油机掺混不同比例聚甲氧基二烷基醚含氧燃料时的燃烧特性。结果表明，高原环境下柴油机燃用该含氧燃料，有效缓解了高原环境下柴油机功率损失和后燃严重的问题。针对高原地区车辆柴油机燃烧恶化的问题，装甲兵工程学院王宪成等[17]对某车辆柴油机燃用柴油和含氧混合燃料对整机性能和燃烧特性的影响进行了研究，结果表明，燃用含氧混合燃料时，柴油机在动力性不变时，经济性提高，机械负荷降低，柴油机平均缸内温度和排气温度下降，柴油机热负荷降低。

本研究以某车辆柴油机为对象，在高原模拟试验台架对燃用100%聚甲氧基二丁基醚型含氧燃料(DMB100)的动力性和经济性进行了试验研究，并与燃用柴油的发动机性能进行了对比，探索该新型含氧燃料对柴油机性能的影响，评估其改善柴油机高原性能的可能性。

1 试验燃料与测试系统

1.1 试验燃料

表1 DMB100和试验柴油基本理化特性

1.2 试验方法与测试系统

试验对象为12缸涡轮增压柴油机，试验工况包括外特性工况和部分负荷工况，外特性工况转速1 300～2 000 r/min，部分负荷试验在1 400 r/min，1 750 r/min，2 200 r/min下进行。

试验装置包括德国Imtech发动机高原环境进排气模拟试验系统，大气压力控制范围57.6～101.3 kPa，可对0～4 500 m海拔进排气条件进行模拟。主要测试设备包括SCHENCK D2600测功机、DF-2410油耗仪、DEWETRON燃烧分析仪、霍尔式转速传感器等。高原环境模拟试验台见图1，主要传感器参数和精度见表2。

图1 高原环境模拟试验台

表2 主要传感器参数和精度

2 试验结果和分析

2.1 柴油机全负荷工况性能改善情况分析

2.1.1DMB100对动力性能的影响

由于试验柴油机采用的是机械式供油系统，试验中首先以军用柴油平原外特性扭矩为基准，调节燃用DM100燃料时的供油提前角和供油量，使其平原扭矩与柴油基本相同。在高海拔时供油提前角不再变化，通过调整循环油量使两种燃料在最高转速时扭矩基本相同。

图2a示出燃用柴油和DMB100燃料不同海拔时的外特性扭矩对比。0 m海拔时两种燃料输出扭矩基本相同。随着试验海拔增加，两种燃料低转速时的性能出现明显差别：DMB100燃料在低转速时扭矩明显大于柴油，海拔越高，两种燃料输出扭矩相差越大，而随着转速降低，这种差距越来越明显。3 700 m和4 500 m海拔时，1 300～1 800 r/min转速下燃用DMB100燃料的扭矩比燃用柴油的扭矩分别提高2%～8%和4%～20%，而当转速到达2 000 r/min时降低了6%和4%。其原因是，在低转速时废气量不足导致柴油机增压器性能受到限制，空气供给量不足。燃用柴油时，各海拔下低转速过量空气系数下降过多，如图2b所示，4 500 m时过量空气系数仅为1.2左右，过量空气系数成为影响柴油机动力性的主要因素。而DMB100由于本身含氧，化学计量空燃比较小，转速降低时仍可保持较大的过量空气系数，因此DMB100低速性能明显改善。随着柴油机转速增高，过量空气系数增大，空气供给充分，影响柴油机动力性的因素从进气量转变为供油量。由于单体泵本身结构的影响和两种燃料黏度的不同，当转速由1 800 r/min提升至2 000 r/min时，DMB100在3个海拔的循环供油量分别下降了12.9%，10.3%和12.3%(见图2c)，而柴油的循环供油量分别下降了1.2%，1.9%和0.6%，这使得燃用DMB100的输出扭矩下降更快。

燃用DMB100燃料时扭矩储备系数较燃用柴油明显提高，海拔0 m时从1.26提高到1.39，海拔4 500 m时从1.05提高到1.15。扭矩储备系数的提高和良好的低速扭矩特性对提高车辆机动性能有重大意义。

图2 不同海拔时外特性扭矩、油量和过量空气系数

图3示出海拔0 m时两种燃料进气量和最高燃烧压力对比。DMB100燃料由于本身含氧，使得燃用DMB100的滞燃期减短[18]，在进气量基本一致的情况下，燃用DMB100燃料时缸内最高燃烧压力较柴油降低4%～14%，有助于延长柴油机的使用寿命。

图3 海拔0 m时进气量和最高燃烧压力

2.1.2DMB100燃料对经济性的影响

图4示出燃用柴油和DMB100燃料不同海拔时的外特性燃油消耗率和能量消耗率对比。由于DMB100热值较低，输出相同功率时必然消耗更多燃料，在0 m，3 700 m和4 500 m时，燃用DMB100燃料时燃油消耗率分别增加26%～30%，22%～25%和19%～23%，即随着海拔增加，燃油消耗率的增加幅度降低。

由于DMB100本身含氧，使燃料燃烧更充分，对燃料中C、H元素能量的利用效率更高。在海拔0 m时，燃用DMB100燃料能耗率降低1.4%～5.7%，海拔4 500 m时，燃用DMB燃料能耗率降低3.7%～10.1%，海拔越高，燃用DMB100燃料时能耗率下降幅度越大。

图4 不同海拔时外特性燃油消耗率和能耗率

图5示出两种燃料在不同海拔时的外特性空气消耗率。从图5可以看出，随着转速增加，输出相同有效功率时的空气消耗量增加；随着海拔增加，两种燃料的空气消耗率均减小，海拔0 m、3 700 m和4 500 m时，DMB100燃料输出相同有效功率时的空气消耗率相较于燃用柴油最大降低幅度分别为6.5%，7.7%和8.3%。由此可见，海拔越高，DMB100对空气消耗率的降低效果越明显。

图5 不同海拔时外特性空气消耗率

2.1.3DMB100燃料对排温的影响

图6示出两种燃料在不同海拔时外特性涡后排气温度对比。海拔0 m时，燃用两种燃料的发动机负荷相差不大(见图2)，各转速下DMB100涡后排温均小于试验柴油。由于DMB100燃料本身含氧，燃烧更为充分，导致在排气门开启时缸内温度较低，排气温度也相对较低。

图6 不同海拔时外特性涡后温度

当海拔增加时，燃用DMB100燃料时发动机扭矩和循环油量增加幅度较多，其涡后排气温度均比燃用柴油时出现一定程度的提高。在2 000 r/min时，受循环油量下降幅度较大的影响，DMB100燃料相对柴油的发动机扭矩和涡后排温降低，相对于扭矩，涡后排温的降低幅度更大。

为分析燃用DMB100燃料时负荷增加和排温增加之间的关系，图7示出DMB100燃料相对柴油的涡后温度和扭矩增加幅度。海拔0 m时，DMB100涡后温度相对柴油的温度增加幅度为负值；海拔3 700 m和4 500 m时，在转速1 300～1 800 r/min范围内，燃用DMB100燃料时虽然出现了涡后排温增加的情况，但其增加幅度远小于发动机负荷增加的幅度，因此DMB100燃料涡后排气温度增加幅度是可接受的。

图7 DMB100相对柴油的涡后温度和扭矩增加幅度

2.2 柴油机部分负荷工况性能改善情况分析

为进一步分析DMB100燃料部分负荷时的性能，对燃用柴油和DMB100燃料在海拔4 500 m时的部分负荷特性进行了试验。图8示出试验海拔4 500 m时燃用两种燃料的发动机部分负荷能耗率和最高燃烧压力对比，试验转速分别为1 400 r/min，1 750 r/min和2200r/min，与外特性工况相同。从图8a可以看出，燃用DMB100燃料时燃油消耗率有所增加，且各转速下增加幅度基本一致。从图8b可以看出，在各个转速下，燃用两种燃料时的能耗率均随负荷减小而增加，在低负荷工况，DMB100燃料的能耗率下降幅度更明显。从图8c的最高燃烧压力上看，在各转速中高负荷下，DMB100燃料最高燃烧压力均明显小于试验柴油，且在高海拔、高负荷工况，最高燃烧压力下降幅度更明显。

图8 海拔4 500 m时部分负荷燃油消耗率、能耗率和最高燃烧压力

3 结论

a) DMB100燃料由于本身含氧，在海拔增加时仍保持较高的过量空气系数，可部分抵消空气供给量下降引起的扭矩下降，其在0 m和4 500 m海拔时使扭矩储备系数分别保持在1.15和1.39，明显提升了柴油机变海拔的低速扭矩特性；

b) 燃用DMB100燃料可有效降低柴油机能量消耗率和空气消耗率，海拔4 500 m时，燃用DMB燃料可使能耗率降低3.7%～10.1%，空气消耗率最多降低8.3%，且海拔越高，DMB100燃料能量和空气消耗率相对于柴油的降低幅度越明显，但由于自身热值较低，其燃油消耗率在各海拔均增加；

c) 海拔4 500 m的部分负荷试验表明，在各转速不同负荷下，DMB100燃料的能耗率和最高燃烧压力均小于试验柴油，且能耗率下降较多的工况为高海拔、低负荷工况，最高燃烧压力下降较多的工况为高海拔、高负荷工况；

d) 本研究中试验发动机采用机械式供油系统，在不同工况下未能对供油提前角进行调整，DMB100燃料最高燃烧压力低的优势未能得到体现，若采用供油提前角可调的电控供油系统，DMB100燃料对柴油机性能的改善会更加明显。