燃油品質對柴油機燃燒循環變動特性及性能的影響

張曉琴， 蔡忠周， 王增全， 李玉峰， 李耀宗， 李云廣， 黃云亮， 王曉滕， 張冬梅， 劉繼林

(1. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 裝甲兵駐616廠軍事代表室， 山西 大同 037036)

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燃油品質對柴油機燃燒循環變動特性及性能的影響

張曉琴1， 蔡忠周1， 王增全1， 李玉峰1， 李耀宗1， 李云廣1， 黃云亮1， 王曉滕1， 張冬梅1， 劉繼林2

(1. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400； 2. 裝甲兵駐616廠軍事代表室， 山西 大同 037036)

燃用3種柴油進行了柴油機性能試驗，研究了不同轉速和負荷下柴油對燃燒循環變動特性及柴油機性能指標的影響。研究表明：在全負荷速度特性下，隨著轉速的升高，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環變動率逐漸減小；相同轉速下，負荷越小，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環變動率越大；燃油的十六烷值越小，其自燃性越差，著火滯燃期越長；初餾溫度較低時，輕餾分含量較高，參加預混合燃燒的份額大，容易造成燃燒速度加快，壓力升高速度快，導致最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環變動率變大，對應燃燒過程變粗暴，由此實現的動力性能和經濟性能變差。

柴油機； 燃油品質； 循環變動； 性能

燃燒循環變動是指發動機以某一工況穩定運行時，相鄰循環燃燒過程的進行情況不斷變化，具體表現為壓力曲線、火焰傳播情況及發動機功率輸出均不同[1]。國內外對燃燒循環變動的研究多集中于汽油機[2-4]，但是隨著排放法規的要求越來越嚴格，柴油機的燃燒循環變動對性能也有重要的影響[5-8]。

燃油品質直接影響柴油機的燃燒過程[9-11]。柴油的自燃性能用十六烷值評價[12]，十六烷值越大，自燃能力越高，著火延遲時間越短，柴油機工作的粗暴性也就越小。餾程表征柴油的蒸發性能，它是用燃油餾出(蒸發掉)某一百分比時的溫度范圍來表示。品質好的柴油餾程較窄，在250～350 ℃之間蒸發的餾分最多[13]。燃油品質不同，柴油機燃燒循環變動程度也不同。

本研究在發動機臺架上進燃用行不同油品的柴油機性能試驗，旨在研究燃油品質對燃燒循環變動特性以及性能的影響。

1 試驗

1.1 柴油油樣

本研究選取了3種不同品質的柴油，其特性見表1，蒸餾曲線見圖1。由表1和圖1可見：1號柴油的十六烷值最大，3號的最小；1號和2號柴油的餾程相差不多，3號柴油的餾程最大。

表1 試驗用柴油參數

以上數據表明：3種柴油中，3號柴油的自燃性最差，著火延遲時間長，且初餾溫度最低，250 ℃之前蒸發的餾分最多，其輕餾分含量大，具有易蒸發的特性。3種柴油理化性質的差異造成發動機的燃燒特性以及性能有所不同。

1.2 試驗臺架

研究對象為某柴油機，缸徑150 mm，排量38.88 L，標定轉速2 000 r/min，標定功率588 kW，最大扭矩轉速1 400 r/min。試驗設備主要包括SCHENCK D2600測功器、AVL TGS1760油耗儀、流量計、溫度傳感器以及發動機試驗臺架。試驗臺架主要由發動機進氣調控系統、發動機排氣模擬系統和控制檢測系統三大部分組成(見圖2)。其中，控制檢測系統通過控制噴油泵最大供油量保護發動機，當排氣溫度或增壓器轉速超限時，電控系統自動減小噴油泵齒桿位移，以減小供油量，降低發動機的負荷，從而降低排氣溫度或增壓器轉速進行保護。

試驗轉速分別選取2 000，1 800，1 600，1 500，1 400和1 000 r/min。當柴油機在相應工況點穩定運轉后，測量扭矩、燃油消耗量、氣缸壓力等。

2 試驗結果與分析

2.1 燃燒循環變動分析

2.1.1 評價方法

由于壓力參數比較容易測量，本研究采用此類參數來表征燃燒循環變動，主要有最高燃燒壓力(pmax)和最大壓力升高率(dp/dφmax)[14-16]。

通過求各個參數的循環平均值、標準偏差和循環變動率，分析其循環變動。各參數的循環變動率(Cov)由以下公式求得(以pmax為例，其他參數的變動率可用相同公式求得)，式中N為循環總數。

2.1.2 油品在外特性線上對燃燒循環變動的影響

3種柴油在外特性線上燃燒循環變動率的變化趨勢見圖3。由圖3可見，3種柴油的最高燃燒壓力循環變動率和最大壓力升高率的循環變動率隨著轉速的升高逐漸減小，其中，3號柴油對應的最高燃燒壓力循環變動率最大，1號柴油的最小。

分析原因：轉速越低，缸內壓縮過程的熱力狀態參數越低；十六烷值越低，則著火越困難；20%餾出率的輕餾分可以視為引燃燃油，這是速燃期內參加預混合燃燒燃油的主要組分，初餾分越多，預混合燃燒份額越大。3種柴油中，3號柴油的十六烷值最低，20%餾出率的溫度最低，因此，其著火時間延遲，滯燃期長，滯燃期內積累的熱量多，預混合燃燒份額大，燃燒速度較快。燃燒加速度過大，容易產生較大的熱負荷沖擊，形成壓力振蕩，燃燒過程粗暴。

2.1.3 不同負荷下油品對循環變動的影響

圖4示出3種柴油在標定轉速(2 000 r/min)下不同負荷時的循環變動率。由圖4可見，隨著負荷的減小，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環變動率均增大，3號柴油對應的循環變動率最大。

轉速不變時，進入氣缸內的空氣量一定，負荷減小時，循環油量減少，空氣與燃油的混合均勻程度變差。3號柴油由于輕餾分含量大，更多的輕餾分蒸發、擴散，與空氣混合并參加預混合燃燒，初期燃燒加速度較快，最大壓力升高率的循環變動幅值較大。

圖5示出轉速1 000 r/min、低負荷時循環變動率的變化趨勢。由圖5可見，低轉速時，隨著負荷的減小，3種柴油對應的最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環變動率都增大，且差值比2 000 r/min時更大。

3種柴油中，隨著負荷的減小，1號柴油的最高燃燒壓力的循環變動率增幅最大，為56.05%，而3號柴油的最大壓力升高率的循環變動率增幅最大，為33.36%。

原因是轉速越低，負荷越小，空氣與燃油的混合越不均勻，燃燒過程較不穩定，十六烷值低的柴油更難壓燃著火。一旦著火，滯燃期內積聚的熱量短時間釋放，初期燃燒速度過快，燃燒壓力振蕩劇烈。

2.2 燃油品質對性能指標的影響

圖6示出3種燃油對應的不同轉速下全負荷性能指標的變化。從圖6可以看出，對于同種燃油，隨著轉速的升高，發動機功率逐漸增大，有效燃油消耗率呈先減小后增大的趨勢(拐點為最大扭矩點1 400 r/min)。3種柴油中，3號柴油對應的有效功率在相同轉速下最低，有效燃油消耗率最高。

3 結論

a) 相同負荷下，隨著轉速的升高，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環變動率逐漸減小；相同轉速下，負荷越小，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環變動率越大；

b) 燃油的十六烷值越小，初餾溫度越低，則燃燒初期速度越快，對應的最高燃燒壓力和最大壓力升高率的循環變動率越大；由于燃燒過程較為粗暴，能夠實現的動力性能和經濟性能相對較差。

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[編輯： 袁曉燕]

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

張曉琴(1986—)，女，助理研究員，碩士，主要研究方向為柴油機燃燒過程研究；xiaoqinshanxi@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.009

TK421.26

B

1001-2222(2015)03-0041-04