張志才, 郭小川, 熊小龍, 蔣明俊, 趙 波, 李曉濤

(1. 后勤工程學(xué)院 軍事油料應(yīng)用與管理工程系, 重慶 401311;2. 成都軍區(qū) 聯(lián)勤部, 四川 成都 610041;3. 總裝備部 裝甲兵裝備技術(shù)研究所, 北京 100072;4. 空軍油料研究所, 北京 100076)

高原地區(qū)柴油發(fā)動機燃用混合燃料的研究

張志才1, 郭小川1, 熊小龍2, 蔣明俊1, 趙 波3, 李曉濤4

(1. 后勤工程學(xué)院 軍事油料應(yīng)用與管理工程系, 重慶 401311;2. 成都軍區(qū) 聯(lián)勤部, 四川 成都 610041;3. 總裝備部 裝甲兵裝備技術(shù)研究所, 北京 100072;4. 空軍油料研究所, 北京 100076)

針對高原地區(qū)低溫、低壓、低氧特點,考慮油料與車輛發(fā)動機適應(yīng)性,并綜合考慮混合燃料代用效益最大化,考察了分別添加不同體積分?jǐn)?shù)4種油品的0#車用柴油混合燃料的理化性能和SRV摩擦磨損性能,同時進行了發(fā)動機臺架試驗。結(jié)果表明,與0#車用柴油相比,各混合燃料的凝點和十六烷值均降低;添加93#車用汽油者的餾程和運動黏度(40℃)均降低,而添加10#航空液壓油、HM32液壓油和SF15W/40內(nèi)燃機油者的則均升高。25℃時,隨著載荷的增加,加入體積分?jǐn)?shù)20%的93#車用汽油者的平均摩擦系數(shù)增大,而添加10#航空液壓油、SF15W/40內(nèi)燃機的柴油混合燃料的平均摩擦系數(shù)均減小;70℃時,這3種柴油混合燃料的平均摩擦系數(shù)均未隨載荷的增加而增大。除添加15% SF15W/40內(nèi)燃機油者外,分別添加20% 93#車用汽油、20% HM32液壓油和30% 10#航空液壓油者的磨斑直徑均未隨溫度或載荷的變化而減小,且這4種柴油混合燃料均能滿足高原地區(qū)柴油發(fā)動機使用要求。與0#車用柴油相比,此4種柴油混合燃料的燃油消耗率均增大;除添加30% 10#航空液壓油者外,其他三者的功率和扭矩均減小。

柴油; 發(fā)動機; 高原; 混合燃料; 摩擦系數(shù); 臺架試驗

高原地區(qū)特殊的地理環(huán)境和氣候特點加劇了油料保障的難度。因突發(fā)災(zāi)害等破壞了交通運輸線,延長了油料運輸周期,導(dǎo)致油料斷供。擴充燃油供應(yīng)品種,保證油料的應(yīng)急代用和供應(yīng),對動力機械發(fā)揮更好的機動性能顯得尤為重要。為了保證車輛的正常運行,研究高原地區(qū)柴油混合燃料應(yīng)急代用及其對柴油發(fā)動機工作性能的影響,可為突發(fā)情況下燃用柴油混合燃料提供指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)[1-7]。粟斌[8]確定了軍用柴油中添加體積分?jǐn)?shù)不大于40%大豆油、30% 3#噴氣燃料等代用方案,并在軍用坦克上開展了平原地區(qū)實際行車試驗。沈穎剛等[9]在0#柴油中加入體積分?jǐn)?shù)10%～30% 生物柴油,明顯地改善了柴油發(fā)動機的經(jīng)濟性能。目前,關(guān)于高原地區(qū)燃油代用的研究多集中在添加生物柴油、醇類等富氧燃料,而基于在柴油中添加內(nèi)燃機油、液壓油和汽油的研究則甚少。

地處高原的西藏地區(qū)目前使用的車用柴油牌號有0#、-20#、-35#3種,而三者僅在凝點上存在較大差異,而該地區(qū)儲備量和使用量較大的是93#車用汽油、10#航空液壓油、SF15W/40內(nèi)燃機油、HM32液壓油和植物油(大豆油、菜籽油等)。因此,筆者從高原地區(qū)油料與車輛發(fā)動機適應(yīng)性角度出發(fā),以供應(yīng)緊缺之0#車用柴油為基礎(chǔ),選取來源充足的油料品種作為摻兌,通過理化性能分析、SRV摩擦磨損試驗和發(fā)動機臺架試驗,并以0#車用柴油標(biāo)準(zhǔn)和美國軍用柴油指標(biāo)為參考,進行柴油發(fā)動機燃用柴油混合燃料代用的研究。

1 實驗部分

1.1 油料及樣品

0#車用柴油、93#車用汽油,取自中國石油青木關(guān)加油站;10#航空液壓油,取自空軍某場站油庫;SF15W/40內(nèi)燃機油、32#液壓油,取自西藏地區(qū)某部隊油庫。

將上述油料按不同種類和體積分?jǐn)?shù)配制成0#車用柴油、3個(0#車用柴油+ 93#車用汽油)樣品(體積分?jǐn)?shù)20%、30%、40%)、3個(0#車用柴油+ 10#航空液壓油)樣品(體積分?jǐn)?shù)10%、20%、30%)、3個(0#車用柴油+ SF15W/40內(nèi)燃機油)樣品(體積分?jǐn)?shù)5%、10%、15%)、3個(0#車用柴油+ HM32液壓油)樣品(體積分?jǐn)?shù)10%、20%、30%),共13個樣品。

1.2 柴油混合燃料理化性能測定

根據(jù)GB/T6536-2010《石油產(chǎn)品常壓蒸餾特性測定法》、GB/T265-1988《石油產(chǎn)品運動黏度測定法和動力黏度計算法》、GB/T510-1983《石油產(chǎn)品凝點測定法》和GB/T386-2010《柴油十六烷值測試方法》,采用北京中西遠大科技有限公司ZL-I石油產(chǎn)品蒸餾測定器、湖南津市市石油化工儀器有限公司JSR1104運動黏度測定器(測定條件:40℃水浴加熱)、 大連北方分析儀器有限公司BF-15型多功能低溫測定器等儀器測定柴油混合燃料的餾程、運動黏度、凝點和十六烷值。

1.3 柴油混合燃料SRV摩擦磨損試驗

采用德國OPTIMOL公司Optimol-1型 SRV摩擦磨損試驗機進行柴油混合燃料摩擦磨損試驗,潤滑形式為球面接觸。球直徑10 mm,試塊尺寸φ24 mm×7.9 mm。載荷30/50 N;振動幅度0.6 ～1 mm;振動頻率30～50 Hz;溫度25/70℃;時間1.5 h。

1.4 柴油混合燃料發(fā)動機臺架試驗

1.4.1 柴油發(fā)動機

采用北內(nèi)柴油機有限公司F6L913型柴油發(fā)動機臺架試驗機,其主要參數(shù)列于表1。

表1 F6L913型柴油發(fā)動機的主要參數(shù)

1.4.2 外特性試驗

先將發(fā)動機調(diào)定在標(biāo)定工況運轉(zhuǎn),油門固定不變,逐漸增加負荷,降低轉(zhuǎn)速,測定功率、扭矩、燃油消耗率。自轉(zhuǎn)速2700 r/min起向下分布8個以上的測量點。

1.4.3 負荷特性試驗

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1400、2000 和2600 r/min及扭矩40 ～220 N·m下,測定燃油消耗率。

2 結(jié)果與討論

2.1 柴油混合燃料理化性能

0#車用柴油和12種柴油混合燃料的理化性能列于表2。從表2可以看出,在0#車用柴油中加入93#車用汽油,隨著添加量的增加,混合燃料的初餾點、10%、50%、90%點及運動黏度(40℃)均不同程度地減小,但其低溫性能有所改善,有助于發(fā)動機的低溫起動。隨著10#航空液壓油、SF15W/40內(nèi)燃機油、HM32液壓油添加量的增加,混合燃料的初餾點、10%、50%、90%點及運動黏度(40℃)均不同程度地增大,但其低溫性能變差,不利于發(fā)動機的低溫起動。與0#車用柴油相比,各柴油混合燃料的十六烷值均不同程度地降低,此將對發(fā)動機的發(fā)火性能和燃料完全燃燒程度產(chǎn)生負面影響。

表2 0#車用柴油和12種柴油混合燃料的理化性能

1) Volume ratio, similarly hereinafter

考慮柴油混合燃料的低溫性能和燃燒性能,權(quán)衡其主要理化性能指標(biāo),選擇4種柴油混合燃料進行SRV摩擦磨損和發(fā)動機臺架試驗。

2.2 柴油混合燃料SRV摩擦磨損試驗結(jié)果

2.2.1 摩擦系數(shù)

圖1為不同載荷下幾種柴油混合燃料摩擦系數(shù)隨試驗時間的變化。由圖1可知,25℃時,在載荷30N下,0#車用柴油平均摩擦系數(shù)最大(0.176),加入體積分?jǐn)?shù)20% 93#車用汽油、15% SF15W/40內(nèi)燃機油或30%10號航空液壓油者的平均摩擦系數(shù)分別為0.164、0.150、0.168。在載荷50N下,加入體積分?jǐn)?shù)15% SF15W/40內(nèi)燃機油者的摩擦系數(shù)變化較平穩(wěn),平均摩擦系數(shù)為0.143。0#車用柴油和加入體積分?jǐn)?shù)30% 10#航空液壓油、20% 93#車用汽油者的摩擦系數(shù)在試驗開始階段波動較大,但后期較平穩(wěn),平均摩擦系數(shù)分別為0.162、0.157、0.177。由此可見,25℃時,除加入體積分?jǐn)?shù)20% 93#車用汽油者的平均摩擦系數(shù)隨載荷增加而增大外,其他2種柴油混合燃料的均減小。

圖1 不同載荷下幾種柴油混合燃料摩擦系數(shù)隨試驗時間的變化

由圖1還可知,70℃時,在載荷30N下,0#車用柴油和加入體積分?jǐn)?shù)15% SF15W/40內(nèi)燃機油者的摩擦系數(shù)變化較平穩(wěn),平均摩擦系數(shù)分別為0.162和0.160。加入體積分?jǐn)?shù)20% 93#車用汽油、30% 10#航空液壓油者的摩擦系數(shù)在試驗開始階段波動較大,但試驗后期摩擦系數(shù)有變大趨勢,平均摩擦系數(shù)分別為0.164、0.163。在載荷50N下,0#車用柴油和加入體積分?jǐn)?shù)30% 10#航空液壓油、20% 93#車用汽油者的摩擦系數(shù)在試驗開始階段波動較大,但試驗后期較為穩(wěn)定,平均摩擦系數(shù)分別為0.155、0.163、0.164,加入體積分?jǐn)?shù)15% SF15W/40內(nèi)燃機油者的摩擦系數(shù)最小(0.143)。由此可見,70℃時,3種柴油混合燃料的平均摩擦系數(shù)均未隨載荷增加而增大。

綜上還可知,在30N下,除加入體積分?jǐn)?shù)15% SF 15W/40者的平均摩擦系數(shù)隨溫度升高而增大外,其他2種柴油混合燃料的均減小;在50N下,除加入體積分?jǐn)?shù)30% 10#航空液壓油者的平均摩擦系數(shù)隨溫度升高而增大外,其他2種柴油混合燃料的均減小。

2.2.2 磨斑直徑

表3 列出了不同溫度和載荷下幾種柴油混合燃料的磨斑直徑。由表3可見,在相同溫度下,隨載荷由30N增至50N,3種混合燃料的磨斑直徑均增大。25℃時,0#車用柴油和分別加入體積分?jǐn)?shù)30% 10#航空液壓油、15% SF15W/40內(nèi)燃機油、20% 93#車用汽油者的磨斑直徑分別增加20.8%、14.3%、26.0%、56.1%;70℃時,上述四者的磨斑直徑分別增加32.2%、16.0%、23.4%、29.1%。在相同載荷下,當(dāng)溫度由25℃升至70℃,3種混合燃料的磨斑直徑均增大(50N下,加入20% 93#車用汽油者除外)。30N時,0#車用柴油和分別加入體積分?jǐn)?shù)30% 10#航空液壓油、15% SF15W/40內(nèi)燃機油、20% 93#車用汽油者的磨斑直徑分別增加1.1%、5.4%、5.8%、8.0%;50N時,上述四者的磨斑直徑分別增加10.7%、6.9%、3.5%、-10.7%。由此可見,在25℃或70℃下,磨斑直徑隨載荷增加而增大;在30N或50N下,磨斑直徑隨溫度升高而增大。

表3 不同溫度和載荷下幾種柴油混合燃料的磨斑直徑(WSD)

2.3 柴油混合燃料發(fā)動機臺架試驗結(jié)果

圖2為幾種柴油混合燃料發(fā)動機功率和扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化。圖3為幾種柴油混合燃料的燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的變化。由圖2可知,與0#車用柴油相比,除加入體積分?jǐn)?shù)30% 10#航空液壓油者的功率與扭矩分別增加2.4%和1.8%外,其他混合燃料的均有所降低,加入體積分?jǐn)?shù)20% 93#車用汽油、15% SF15W/40內(nèi)燃機油、20% HM32液壓油者的功率分別降低14%、4.2%和7.8%;以上三者的扭矩分別降低4.4%、5.8%和8.6%。從圖3可知,柴油混合燃料的燃油消耗率均高于0#車用柴油,加入體積分?jǐn)?shù)20% 93#車用汽油、20% HM32液壓油、15% SF15W/40內(nèi)燃機油、30% 10#航空液壓油者分別增加24%、15.8%、10.8%、8.6%。

圖2 幾種柴油混合燃料發(fā)動機功率和扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化

圖3 幾種柴油混合燃料發(fā)動機燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的變化

由圖3還可知,與0#車用柴油相比,在轉(zhuǎn)速1400 r/min時,燃油消耗率較高的依次是加入體積分?jǐn)?shù)20% 93#車用汽油、20% HM32液壓油者(增幅分別為9.3%、2.3%),其他兩者的變化不大;在轉(zhuǎn)速2000 r/min時,燃油消耗率較高的是加入體積分?jǐn)?shù)20% 93#車用汽油、20% HM32號液壓油者,其次是加入30% 10#航空液壓油者(三者增幅分別為6.24%、9.37%、1.1%),加入15% SF15W/40者變化不大;在轉(zhuǎn)速2600 r/min時,燃油消耗率較高的依次是加入體積分?jǐn)?shù)20% 93#車用汽油、20% HM32號液壓油、15% SF15W/40內(nèi)燃機油者(增幅分別為16.8%、12.2%、7.9%),加入30% 10#航空液壓油者變化不大。

綜上,考慮高原地區(qū)低溫低壓低氧特點和柴油混合燃料應(yīng)急代用的效能最大化,權(quán)衡其主要理化性能指標(biāo)、SRV摩擦磨損性能和發(fā)動機臺架試驗實際成本,兼顧其動力性能、經(jīng)濟性能和發(fā)動機運轉(zhuǎn)情況,所研究的4種柴油混合燃料均適于高原地區(qū)柴油發(fā)動機使用;以臺架試驗功率與扭矩變化率乘積作為選優(yōu)依據(jù),確定最優(yōu)方案為加入體積分?jǐn)?shù)30% 10#航空液壓油者,其次依次為加入體積分?jǐn)?shù)15% SF15W/40、20% HM32液壓油和20% 93#車用汽油者。

圖4 幾種柴油混合燃料發(fā)動機燃油消耗率隨扭矩的變化

3 結(jié) 論

(1)與0#車用柴油相比,除加入93#車用汽油者外,其他柴油混合燃料的十六烷值隨加入量的增加呈減小趨勢,而餾程、運動黏度(40℃)則增大,凝點減小。在相同溫度下,僅加入體積分?jǐn)?shù)20% 93#車用汽油者的平均摩擦系數(shù)隨載荷增加而增大;在相同載荷下,僅加入體積分?jǐn)?shù)15% SF 15W/40者和30% 10#航空液壓油者的平均摩擦系數(shù)隨溫度升高而增大。磨斑直徑均未隨溫度或載荷增加而減小。

(2)所研究的4種柴油混合燃料均可滿足高原地區(qū)柴油發(fā)動機應(yīng)急代用使用要求。與0#車用柴油相比,除加入體積分?jǐn)?shù)30% 10#航空液壓油者外,其他三者的功率和扭矩均出現(xiàn)不同程度的減小;4種柴油混合燃料的燃油消耗率均出現(xiàn)不同程度的增大。

(3)本研究尚未進行高原地區(qū)道路行車試驗,其柴油混合燃料方案有待進一步完善。

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Experimental Study on Diesel Engine Fueled With Blended Fuel in High Altitude

ZHANG Zhicai1, GUO Xiaochuan1, XIONG Xiaolong2, JIANG Mingjun1, ZHAO Bo3, LI Xiaotao4

(1.DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China;2.JointLogisticsDepartment,ChengduMilitaryAreaCommand,Chengdu610041,China;3.TheGeneralArmamentsDepartmentArmoredEquipmentTechnologyResearchInstitute,Beijing100072,China;4.TheAirForceInstituteofFuel,Beijing100076,China)

According to the characteristics of low temperature, low pressure and low oxygen in plateau area, considering the adaptability of the engine vehicle to fuel and the benefit maximization of blended fuel alternative, the physical and chemical properties and the SRV friction and wear properties of 0#diesel blended fuels with different volume fraction of four oils added, respectively, and also the engine bench tests were investigated. The results showed that compared with that of 0#diesel oil, the freezing point and cetane number of blended fuels of decreased, distillation range and kinematic viscosity of 40℃ of the blended fuels adding 93#vehicle gasoline decreased, while the indexes of blended fuels adding 10#aviation hydraulic oil, HM32 hydraulic oil or lubricating oil SF15W/40 increased. At 25℃, with the increase of load the average friction efficiency of the blended fuel adding 20% 93#vehicle gasoline increased, while the average friction efficiencies of the diesel blended fuels adding 10#aviation hydraulic oil and SF15W/40 lubricating oil decreased. At 70℃, the average friction efficiencies of the three diesel blended fuels did not decrease with the load increase. Except for that of the blended fuel with 15% lubricating oil SF15W/40, the WSDs of the blended fuels with 20% 93#vehicle gasoline or 20% HM32 hydraulic oil or 30% 10#aviation hydraulic oil, respectively, were decreased neither with the temperature change nor load change, and the four diesel blended fuels all satisfied requirement of engine in the plateau region. Compared with 0#diesel oil, fuel consumption rate of the four blended fuels increased. Except for that of the blended fuel with 30% 10#aviation hydraulic oil, power and torque of the other three blended fuels were reduced.

diesel; engine; high altitude; blended fuel; friction coefficient; bench test

2014-07-28

高原地區(qū)油料技術(shù)保障研究項目(X2010511)資助

張志才，男，博士研究生，從事油品應(yīng)用和油料勤務(wù)研究；Tel：023-86736137； E-mail：zhangzhicai1987@163.com

郭小川，男，教授，從事油品應(yīng)用研究；Tel：023-86730835；E-mail：gxcyl@vip.sina.com

1001-8719(2015)06-1370-06

TE626.24

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.06.017