氧含量和壓力對柴油自燃行為的影響

王 俊， 楊 鶴， 張 然， 田華宇， 胡曉明， 宋海清

(中國石化 石油化工科學研究院，北京 100083)

在直噴壓燃式柴油機中，著火滯后期是非常重要的參數，其被定義為從噴油開始時刻到燃燒開始時刻之間的時間間隔[1]。在著火滯后期這段時間中，既有燃料與空氣混合的物理過程，也有燃料被氧化生成關鍵活性自由基進而觸發燃燒的化學過程[2]。物理過程包括液滴的霧化、流動、蒸發以及和周圍熱空氣的混合。化學過程又分為低、中、高3個溫度區間：一般認為低于850 K為低溫區間，850～1100 K為中溫區間，大于1100 K為高溫區間。每個溫度區間范圍內發生的氧化反應不同，主導的自由基也不同。在低溫區間內，燃料分子主要發生鏈增長反應，過氧烷基自由基占主導。隨著放熱的進行，溫度逐漸升高到中溫區，此時HO2和H2O2大量積累。中溫區這段時間占據了化學滯后期的大部分。當溫度進一步升高時，積累的H2O2開始快速分解成大量的OH，鏈支化反應占主導，快速引發燃料的燃燒，導致體系的溫度迅速上升，快速放出大量的熱。燃料在燃燒前發生的一系列物理化學過程受燃料本身化學組成、物理特性、環境溫度、環境壓力以及氧含量等因素的影響，進而導致其在柴油機中的燃燒過程、功率大小甚至是碳煙和氮氧化物的排放也有所不同。

燃料在特定條件下的著火滯后期很大程度上反映了燃料的化學活性。相同條件下，燃料的著火滯后期越短燃料活性越高。在柴油機中，燃料應該有與發動機匹配的著火滯后期，進而使燃燒過程產生的熱量得以最大化轉化為機械動力。若燃料活性過高，著火滯后期過短，油、氣不能很好地混合，且大量燃料在極短的時間內爆燃會造成燃燒不充分，工作粗暴，并且排放惡化。若燃料活性過低，著火滯后期過長，也會造成難啟動、動力性下降等嚴重問題。十六烷值是衡量柴油燃料活性的重要指標，在產品標準中[3]，十六烷值的確定是在一臺單缸柴油機中，通過固定噴油時刻和著火滯后期，調節壓縮比進而與標準燃料對比而得到[4]。近年來也有很多基于定容燃燒彈的方法得以開發，將燃料在容彈中自燃的著火滯后期與十六烷值建立關系[5-7]，重復性和與單缸機的方法間再現性均較好。

在定容燃燒彈法中，柴油的十六烷值是在特定的條件下測得的。例如NB/SH/T 6035[5]中，測試十六烷值的條件：燃燒彈溫度約為600 ℃，壓力為2 MPa，氧體積分數為20%，噴油時間為2500 μs，噴油壓力為100 MPa。固定條件下提供的燃燒信息相對有限，相比而言，研究燃料在不同環境條件下的噴射自燃行為更有意義，這對理解燃料在不同發動機操作條件下的燃燒更有幫助，有利于油機匹配協同優化。有大量的工作研究了燃料在不同溫度和壓力等條件下的燃燒行為[8-11]，同時也特別關注了一些生物柴油調和組分添加后對燃燒的影響[12-14]。也有很多研究工作重點關注不同操作條件下發動機排放情況的改變[15-16]等。總之，研究燃料在不同組成、不同環境條件下的燃燒行為非常重要。因此，筆者在一臺定容燃燒彈上重點研究了氧含量和壓力對普通柴油噴射自燃特性的影響，同時采用不同組分與普通柴油進行復配，研究了不同復配柴油在不同壓力下的燃燒特性。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

噴射自燃特性的研究在PAC公司生產的CID 510模擬十六烷值機上進行。實驗時燃料直接噴射到預先充滿高溫高壓合成空氣的定容燃燒彈中，定容燃燒彈的底部安裝有動態壓力傳感器，自燃產生的動態壓力波將會被壓力傳感器記錄。根據壓力曲線可以確定著火滯后期ID(Ignition delay)和燃燒滯后期CD(Combustion delay)，進而通過滯后期與十六烷值的關系式可以得到導出十六烷值DCN(Derived cetane number)。其中，著火滯后期ID(ms)是從共軌噴油器電磁閥開啟到燃燒室壓力超過靜壓0.02 MPa的時間；燃燒滯后期CD(ms)是從共軌噴油器電磁閥開啟到燃燒壓力曲線中點的時間。為了得到準確的十六烷值，儀器需要調整燃燒室的溫度與標準燃料的十六烷值匹配進而實現儀器的校準。十六烷值的測試條件如表1所示。得益于儀器操作條件改變的便利，燃燒室的溫度、壓力、合成空氣的組成、噴油壓力和噴油時間都可依據研究的需要而調整。

表1 十六烷值的測試條件Table 1 Testing conditions of cetane number

1.2 實驗燃料

實驗燃料選取國Ⅵ柴油為基礎柴油D0，進而將十六烷值改進劑硝酸異辛酯EHN(質量分數≥99.7%，西安萬德能源化工有限公司產品)、含氧組分聚甲氧基二甲醚DMMn(質量分數≥99%，四川鑫達新能源科技有限公司產品)和高密度燃料HDF(質量分數≥98.5%，北京伊諾凱科技有限公司產品)作為調合組分與D0復配得到復配柴油D1～D5。其中，D1由D0和體積分數1%的硝酸異辛酯調合得到；D2由D0和體積分數20%的DMMn調合得到；D3由D0和體積分數1%的硝酸異辛酯及體積分數20%的DMMn調合得到；D4由D0和體積分數20%的HDF調合得到；D5由D0和體積分數1%的硝酸異辛酯及體積分數20%的HDF調合得到。相應燃料的物理化學性質見表2。

表2 實驗燃料的物理化學性質Table 2 Physical and chemical properties of test fuels

2 結果與討論

2.1 壓力對燃燒特性的影響

首先研究了基礎柴油D0在氧體積分數為20%、燃燒室初始溫度為600 ℃、初始壓力分別為2.4、2.0、1.7、1.4、1.1和0.9 MPa條件下的噴射自燃情況，燃燒過程的動態壓力曲線如圖1所示。由圖1可見，當燃料噴入燃燒室后，壓力最初都會經歷一個短暫的下降過程，而后恢復到初始壓力。這是因為，在這段時間內燃料汽化吸熱，并與燃燒室內空氣混合導致燃燒室短時間內溫度下降，壓力也有所下降。在不同的初始壓力條件下，燃燒動態壓力曲線隨著壓力的下降而后移，表明燃料反應活性下降，燃燒前的準備時間延長。同時，隨著初始壓力的下降，燃料的燃燒逐漸呈現二次點火的特征。當初始壓力為0.9 MPa時，在5 ms處明顯出現第一次放熱過程，放熱量很小，并沒有導致后續連續的燃燒。隨后經過一個短暫的平臺，壓力開始迅速上升，為第二次大量放熱過程。二次點火中的第一次著火過程也被稱為冷焰，主要由于醛基活性自由基的累積，進而導致了極短時間內的少量放熱現象。

圖1 D0柴油在不同初始壓力條件下的燃燒動態壓力曲線Fig.1 Combustion dynamic pressure curves of D0 under different initial pressuresφ(O2)=20%； T=600 ℃

柴油在燃燒前發生的物理和化學過程非常復雜，且相互重疊，但仍有學者試圖將2個過程主導的自燃行為加以區分[8]，他們通過燃燒過程中醛基和羥基自由基出現的時間來區分物理和化學過程。在醛基自由基出現之前的這段時間主要發生燃料的汽化、與空氣混合流動等物理過程；而從醛基自由基出現后到羥基自由基出現前的這段時間主要由化學過程占主導。實驗確定的著火滯后期ID和燃燒滯后期CD以及CD與ID的差值(CD-ID)可以在一定程度上反映燃燒前的物理和化學過程，相應的滯后期時間隨著初始壓力的變化如圖2所示。由圖2可見，著火滯后期、燃燒滯后期和二者的差值均隨著初始壓力的下降而升高，但著火滯后期變化的幅度較小。這說明，燃料燃燒前的物理準備過程受壓力的影響不大，主要是化學準備過程隨著壓力的降低所需的時間逐漸延長，且呈現斜率逐漸增大的非線性增長。

圖2 D0柴油著火滯后期(ID)、燃燒滯后期(CD)和二者的差值(CD-ID)隨初始壓力的變化Fig.2 Changes of ID, CD and CD-ID of D0 under initial pressureφ(O2)=20%； T=600 ℃

2.2 氧含量對燃燒特性的影響

圖3為氧體積分數下降至15%和12%時，D0柴油在不同初始壓力下的燃燒動態壓力曲線。由圖3可見，隨著氧含量的降低，燃燒動態壓力曲線隨著初始壓力的下降而后移的更加明顯，意味著燃燒前的準備時間更長。當氧體積分數為12%時，即使在高壓2.4 MPa的條件下，燃燒仍出現了明顯的二次點火現象，且二次點火隨著初始壓力的進一步降低而愈發顯著。

圖3 D0柴油在不同初始壓力條件下的燃燒動態壓力曲線Fig.3 Combustion dynamic pressure curves of D0 under different initial pressuresφ(O2)/%： (a) 15; (b) 12T=600 ℃

不同氧含量條件下，D0柴油燃燒的著火滯后期和燃燒滯后期隨初始壓力的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知，隨著氧含量的下降，著火滯后期和燃燒滯后期均增長，其中著火滯后期的變化不如燃燒滯后期顯著。這說明，由于氧含量的下降而導致的燃燒后移也主要來自于化學過程的影響，物理過程影響非常小。當氧含量下降時，滯后期隨著壓力變化的敏感性逐漸增強。這表明，在低氧低壓的環境條件下，柴油的燃燒將被嚴重影響，燃燒的過度推遲將導致發動機難啟動，動力會大大下降。

圖4 D0柴油在不同氧含量、不同初始壓力條件下的著火滯后期(ID)和燃燒滯后期(CD)Fig.4 ID and CD of D0 under different oxygenvolume fractions and initial pressuresT=600 ℃

壓力的下降不僅會導致燃燒后移，滯后期延長，燃燒過程中壓力的最大升高值也將被影響。壓力升高最大值可對應發動機中的最大爆發壓力，與發動機的動力性密切相關。圖5顯示了在不同氧含量條件下D0柴油燃燒的壓力升高最大值隨初始壓力的變化。由圖5可知，在相同氧含量的條件下，燃燒的最大壓力升高值隨著初始壓力的下降而降低，且這種趨勢隨著氧含量的降低而更加明顯。此外，在相同的初始壓力(1.4～2.4 MPa)下，壓力升高最大值卻隨著氧含量的降低而升高。這可能是因為，低氧條件下燃燒滯后期更長，燃料有更足夠的時間與空氣混合，一旦燃燒開始，相同時間內燃燒的燃料更多，能放出更多的熱量。

圖5 D0在不同氧含量、不同初始壓力下燃燒的壓力升高最大值Fig.5 Maximum pressure increase of D0 combustion atdifferent oxygen volume fractions and initial pressuresT=600 ℃

D0柴油在氧體積分數為12%、不同初始壓力條件下燃燒的釋熱率(Rate of heat release)情況如圖6所示。釋熱率(RHR, W)由公式(1)[17]定義：

(1)

式中:Q為釋放的熱量，J;p為燃燒室的壓力，MPa；V0為燃燒室的體積，473 mL；γ為比熱比，簡便起見取常數1.35。圖6中釋熱率曲線均表現出了二次放熱過程，且第一次放熱時間相近，隨著初始壓力的降低兩次放熱的時間間隔逐漸變長。在低氧條件下，當壓力下降時，最大峰值功率先下降后上升，放熱峰的半峰寬先變大后變小。半峰寬對應燃料燃燒的持續期，反映燃燒的速度。這表明，當壓力下降時，D0柴油雖燃燒前的準備時間更長，即滯后期變長，但一旦燃燒后，燃燒速度卻表現出了先變小后變大的過程。如上文所述，這可能是因為在增長的滯后期內油氣混合更均勻，即使在低壓條件下燃燒卻相對更快。

圖6 D0在不同初始壓力條件下的釋熱率(RHR)Fig.6 Rate of heat release (RHR) of D0 under different initial pressuresφ(O2)=12%； T=600 ℃

2.3 復配柴油的燃燒特性

將3種不同組分與D0柴油復配后，復配柴油在20%氧體積分數、不同初始壓力下的燃燒滯后期如圖7所示。由圖7可見，所有柴油的燃燒滯后期均隨著初始壓力的下降而逐漸增長，表明壓力會顯著影響燃料的反應活性。但壓力對每種燃料燃燒的影響程度不同。其中，D0基礎柴油和添加了1%體積分數十六烷值改進劑的D1柴油對壓力的敏感性大于D2～D5柴油。這是因為D2～D5柴油均添加了20%的其他組分，較大程度改變了原有柴油的化學組成，因而表現出的燃燒性質也不同。由表2可知，復配柴油的十六烷值從大到小順序依次為D3、D5≈D1、D2、D4。對應十六烷值測試條件2 MPa下，燃料燃燒滯后期剛好呈現相反的趨勢。這表明，燃料的燃燒滯后期越短，十六烷值越高。從十六烷值數據可知：硝酸異辛酯和DMMn的復配對柴油十六烷值的提升最有幫助；由于HDF本身的十六烷值最低，導致復配柴油D4的十六烷值也最低。值得注意的是，D5柴油含有體積分數20%的HDF和體積分數1%的硝酸異辛酯，但其十六烷值與只含1%硝酸異辛酯的D1柴油十分相近，甚至還高出0.7個單位。這表明，在含有1%十六烷值改進劑的柴油中加入20%十六烷值更低的HDF并沒有使復配柴油的十六烷值降低。添加體積分數1%的十六烷值改進劑對于柴油來說是過量的，即使組分中含有十六烷值更低的組分，過量的十六烷值改進劑產生的大量活性自由基也能加速低活性組分的燃燒。

圖7 D0～D5柴油在不同初始壓力條件下的燃燒滯后期(CD)Fig.7 CD of D0—D5 under different initial pressuresφ(O2)=20%； T=600 ℃

基礎柴油D0、DMMn、HDF，以及由DMMn和HDF與D0復配的復配柴油D2和D4在氧體積分數20%、2 MPa壓力條件下的燃燒壓力曲線如圖8所示。由圖8可知，由于HDF的十六烷值低，其燃燒的滯后期相對較長，燃燒延后，但其與D0復配后的柴油D4滯后期明顯縮短；DMMn熱值低，因此燃燒的最大爆發壓力下降明顯，進而其與D0復配的柴油D2燃燒的最大爆發壓力也相應降低。

圖8 D0、DMMn、HDF、D2和D4的燃燒動態壓力曲線Fig.8 Combustion dynamic pressure curves of D0, DMMn, HDF, D2 and D4φ(O2)=20%； Initial pressure 2.0 MPa； T=600 ℃

在實驗儀器上，柴油的導出十六烷值是在20%氧體積分數、2 MPa壓力條件下測得的。理論上來說，在其他壓力下給出的十六烷值是沒有意義的。但可以假設動態十六烷值的概念，即在任何環境條件下均可以代入滯后期與十六烷值的關系式得到與條件相關的動態十六烷值，且每一種柴油燃料都有其動態十六烷值隨環境的變化特點。圖9展示了D0、D1、D2和D4的動態十六烷值隨初始壓力的變化。其中，添加十六烷值改進劑的D1柴油的動態十六烷值對壓力的變化更加敏感，當壓力升高時，十六烷值也升高得最多。相比之下，添加HDF的D4柴油的敏感性最弱。在低氧低壓的苛刻環境下，柴油的動態十六烷值應達到常規條件下的十六烷值要求，因此需要燃料具備更高的十六烷值。

圖9 D0、D1、D2和D4的動態十六烷值(DCN)隨初始壓力的變化Fig.9 Changes of dynamic cetane number (DCN) of D0, D1, D2, and D4 with initial pressureφ(O2)=20%； T=600 ℃

苛刻條件下若要保證柴油機正常運行，只有較高的十六烷值是不夠的。綜上可知，隨著壓力的降低，柴油燃燒的壓力升高值會下降，這將影響柴油機的動力性。從這個角度講，還需要將燃料燃燒的最大爆發壓力提高。圖10顯示了復配柴油D3在增加8%和15%噴油量后的燃燒動態壓力曲線，噴油量的增加通過延長噴油時間實現，即噴油時間從2500 μs分別提高至2700 μs和2875 μs。由圖10可知，加大噴油量會有效增大燃燒的最大爆發壓力，分別增加6%和11.6%，且燃燒的滯后期基本不變。

圖10 D3在加大噴油量后的燃燒動態壓力曲線Fig.10 Combustion dynamic pressure curves of D3 after increasing fuel injectionφ(O2)=20%； Initial pressure 2.4 MPa； T=600 ℃

3 結 論

(1)氧含量和壓力的下降會使柴油的燃燒延后，著火滯后期和燃燒滯后期均增大，其中由化學過程主導的燃燒滯后期變化更大。柴油燃燒滯后期對氧含量的敏感性大于壓力的變化。在低氧低壓環境下，柴油燃燒會出現明顯的二次放熱過程，環境越苛刻兩次放熱的時間間隔越長。

(2)壓力下降，柴油燃燒的壓力升高最大值會降低。但氧含量下降時，在一定壓力范圍內會出現壓力升高最大值隨氧含量下降而升高的現象。當燃燒滯后期延長時，燃料與空氣有足夠的時間充分混合，一旦燃燒開始，燃燒速度會相對變快。

(3)復配柴油的十六烷值從大到小順序依次為D3、D5≈D1、D2、D4，其中同時含有十六烷值改進劑和含氧物質DMMn的D3柴油十六烷值提高最多，復配效果最好。十六烷值改進劑對柴油十六烷值的提升是非線性的，當超過一定含量時，基礎柴油的十六烷值對復配柴油十六烷值的影響可忽略不計。

(4)復配柴油的燃燒滯后期和動態十六烷值對壓力變化的敏感性與柴油的組成密切相關。其中，基礎柴油D0和含有十六烷值改進劑的D1柴油的敏感性最大。柴油的熱值嚴重影響燃燒的壓力升高值，通過加大噴油量可有效提高壓力升高最大值。