李曉然，許世海，劉 曉，吳 芃

(解放軍后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶 401331)

缺氧條件下含氧燃料燃燒性能研究

李曉然，許世海，劉 曉，吳 芃

(解放軍后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶 401331)

采用低壓氧彈法模擬高原缺氧條件下燃料的燃燒狀況，選擇二乙二醇二甲醚、己二酸二乙酯、生物柴油作為含氧添加劑，分別以不同配比摻混到柴油中，研究了這3種含氧添加劑在缺氧條件下的助燃性能，并采用燃燒改善系數(shù)作為評價指標(biāo)來評價它們的助燃效果。結(jié)果表明：在缺氧條件下，加入3種含氧添加劑均能不同程度地提高燃料的燃燒性能；助燃作用的大小與添加劑本身的熱值和含氧量有關(guān)；在海拔3 000 m處，最優(yōu)含氧添加劑是二乙二醇二甲醚，其最佳添加量(w)為18%。

柴油 含氧添加劑 低壓氧彈法 缺氧

柴油機(jī)在高海拔地區(qū)運(yùn)行時，由于充氣系數(shù)下降和缺氧燃燒，其動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等指標(biāo)都較平原地區(qū)大幅下降[1-3]。為了適應(yīng)高原地區(qū)的特殊條件，科研工作者開展了大量的高原裝備性能恢復(fù)方面的研究[4-6]，特別是針對含氧燃料的研究逐漸成為熱點(diǎn)[7-9]。但以往的研究主要是利用發(fā)動機(jī)臺架模擬高原環(huán)境進(jìn)行，費(fèi)用相對較高。本課題利用低壓氧彈法模擬高原條件下燃料的燃燒狀況，進(jìn)行含氧添加劑的篩選，以期在降低試驗成本的同時提高效率。

1 實(shí) 驗

1.1 試驗裝置及材料

采用長沙開元儀器廠生產(chǎn)的5E-AC8018等溫式全自動量熱儀進(jìn)行燃料熱值的測量。試驗材料為：柴油、二乙二醇二甲醚(DGM)、己二酸二乙酯(DEA)、生物柴油，其理化性質(zhì)見表1。

表1 柴油與含氧添加劑的理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

采用低壓氧彈法[10]對3種含氧添加劑在高原缺氧條件下的助燃性能進(jìn)行模擬研究，此方法不涉及燃燒進(jìn)行的過程，只關(guān)系到燃料燃燒時最終狀態(tài)的放熱量。通過降低氧彈內(nèi)的充氧壓力，模擬海拔3 000 m處燃料的燃燒，測量加入添加劑前后的燃燒放熱量，利用特定的評價指標(biāo)，篩選出在海拔3 000 m處的最佳含氧添加劑，并確定其最優(yōu)添加量。

1.3 試驗條件

為了模擬海拔3 000 m處燃料的燃燒狀況，根據(jù)燃料的發(fā)熱量(QD)，可由式(1)近似估計理論空氣量(V空)[11]。

(1)

柴油的QD=45.2 MJkg，故V空= 11.89 m3kg。

已知空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)為21%，所以柴油在正常燃燒條件下，需要的理論氧氣量V氧=0.21×V空=2.50 m3kg，則可根據(jù)式(2)[12]計算出實(shí)際彈桶內(nèi)的壓力(P)。

(2)

式中：M為單次試驗用油質(zhì)量，為0.9 g；V代表氧彈彈桶容積，為275 mL。由式(2)計算當(dāng)P=0.829×106Pa，即當(dāng)彈筒內(nèi)壓力為0.829 MPa時，柴油以理論空燃比燃燒。由于車輛在運(yùn)行時均有一定的過量空氣[13](此處取過量空氣系數(shù)為1.1)，可以計算出實(shí)際彈桶內(nèi)的壓力P實(shí)=P×1.1=0.911 9 MPa。再根據(jù)式(3)[14]計算模擬海拔3 000 m時的彈桶內(nèi)充氧壓力。

(3)

式中：P0和P3 000分別代表海拔高度為0 m和3 000 m時的大氣壓力，具體數(shù)值見表2。由式(3)計算出的模擬海拔3 000 m時的彈桶內(nèi)充氧壓力P模=0.6 MPa。因此確定模擬海拔3 000 m處發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量時的彈筒充氧壓力為0.6 MPa。

表2 海拔高度與大氣壓力、空氣密度的關(guān)系[15]

1.4 評價指標(biāo)

將純柴油在低氧壓下的燃燒放熱量記為Q純，將含氧柴油在低氧壓下的燃燒放熱量記為Q含，根據(jù)式(4)計算燃燒改善系數(shù)Ψ，將其作為評價指標(biāo)，評價不同類型的含氧添加劑在低氧壓下的助燃效果。

(4)

2 結(jié)果與討論

2.1 含氧添加劑添加量對放熱量的影響

根據(jù)GB 384—1981石油產(chǎn)品熱值測定法，測量不同含氧添加劑添加量下燃料完全燃燒時(充氧壓力3 MPa)和海拔3 000 m條件下(充氧壓力0.6 MPa)的放熱量，考察含氧添加劑添加量對燃燒放熱量的影響，結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 3 MPa下含氧添加劑添加量對燃燒放熱量的影響■—DGM； ●—DEA； ▲—生物柴油。圖2、圖3同

圖2 0.6 MPa下含氧添加劑添加量對燃燒放熱量的影響

圖1是根據(jù)實(shí)際試驗結(jié)果進(jìn)行多項式擬合做出的曲線，其中添加DGM、DEA、生物柴油3種含氧添加劑的擬合方程分別為：Y=44.99-0.17X；Y=45.02-0.19X；Y=45.10-0.07X。式中：Y為燃燒放熱量Q(MJkg)，X為含氧添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。經(jīng)驗證可知，根據(jù)擬合方程計算出的結(jié)果與混合燃料低熱值經(jīng)驗式計算出的結(jié)果基本吻合。

從圖1可以看出：在彈桶內(nèi)氧氣充足、燃料能夠完全燃燒的情況下，含氧添加劑的加入會導(dǎo)致燃燒放熱量下降，并且放熱量與添加劑添加量呈線性關(guān)系，其中DEA下降速率最大，DGM次之，生物柴油最小。出現(xiàn)以上情況可能是由于此時彈桶內(nèi)的氧氣能夠保證燃料完全燃燒，而加入的含氧添加劑自身熱值較低，使燃燒放熱量降低；3種含氧添加劑中生物柴油熱值最高，DGM次之，DEA最低，所以出現(xiàn)圖1所示的下降速率。

從圖2可以看出：隨著3種添加劑添加量的增大，放熱量均出現(xiàn)了先增大后減小的情況；DGM、DEA、生物柴油的添加量(w)分別為15%，20%，5%時出現(xiàn)了燃燒放熱量的最大值；生物柴油在添加量(w)大于60%之后燃燒放熱量又出現(xiàn)了增加的情況。出現(xiàn)以上情況可能是由于此時彈桶內(nèi)充氧壓力不足，燃料燃燒不完全，加入含氧添加劑，其自身含有一部分氧，能夠起到促進(jìn)燃燒的作用，提高了放熱量；而由于含氧添加劑本身熱值較低，會降低燃料的發(fā)熱量。當(dāng)達(dá)到最高放熱量之前，含氧添加劑的助燃作用大于其本身熱值低產(chǎn)生的影響，出現(xiàn)放熱量升高的情況；達(dá)到最高放熱量之后，后者的作用大于前者，使最終結(jié)果表現(xiàn)為放熱量降低；在達(dá)到最高放熱量時，兩者作用達(dá)到平衡。生物柴油添加量(w)大于60%之后出現(xiàn)圖中所示的情況，可能是由于生物柴油的黏度較大，造成燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定的結(jié)果。

以上試驗結(jié)果說明在缺氧條件下柴油中含氧添加劑加入量應(yīng)控制在一定的范圍之內(nèi)，此范圍與添加劑本身的熱值和含氧量有關(guān)。

2.2 缺氧條件下含氧添加劑的助燃作用

在含氧添加劑的添加量(w)在30%以下的條件下，利用燃燒改善系數(shù)Ψ作為添加劑助燃性能的評價指標(biāo)，將計算出的Ψ值與添加劑添加量進(jìn)行多項式擬合，擬合結(jié)果見圖3。

圖3 0.6 MPa下含氧添加劑添加量對燃燒改善系數(shù)的影響■—DGM； ●—DEA； ▲—生物柴油

從圖3可以看出：隨著添加劑加入量的增加，加入3種添加劑后的燃燒改善系數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；根據(jù)最大燃燒改善系數(shù)來評價，DGM的助燃效果最好，生物柴油次之，DEA效果較差；加入DGM、DEA、生物柴油后出現(xiàn)最佳助燃效果時的添加量(w)分別在18%，23%，7%附近。出現(xiàn)以上情況可能是由于DGM在3種添加劑中含氧量最高，缺氧條件下的補(bǔ)氧效果最好；而生物柴油的含氧量最低卻表現(xiàn)出比DEA更好的助燃效果，可能是由于生物柴油熱值相對較高，受熱值和含氧量共同影響呈現(xiàn)出這樣的結(jié)果。

3 結(jié) 論

(1) 在彈桶內(nèi)氧氣充足時，柴油中加入熱值較低的含氧添加劑后，燃燒放熱量與添加劑添加量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2) 在缺氧條件下，柴油中的含氧添加劑加入量應(yīng)控制在一定的范圍之內(nèi)，此范圍與添加劑本身的熱值和含氧量有關(guān)。

(3) 在海拔3 000 m處，DGM、DEA、生物柴油3種含氧添加劑中，DGM的助燃效果最好，其最優(yōu)添加量(w)為18%。

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STUDY OF COMBUSTION CHARACTERISTICS OF OXYGENATED FUELS UNDER OXYGEN DEFICIENT CONDITION

Li Xiaoran， Xu Shihai， Liu Xiao， Wu Peng

(DepartmentofOilApplication&ManagementEngineering，LEU，Chongqing401331)

Diglyme， diethyl adipate and biodiesel were selected as oxygenated additives to mix with diesel in different proportions， respectively，to investigate the combustion characteristics of fuels under the oxygen deficient conditions by low pressure oxygen bomb calorimeter. The efficiencies were evaluated by the combustion improvement factorΨ. The results show that the three oxygenated additives can all improve the combustion of diesel fuel under the oxygen deficient condition. The combustion efficiency is concerned with the calorific value and the oxygen content of the oxygenated additive. At the altitude of 3 000 meters， the best oxygenated additive is diglyme， and the perfect dosage is 18%.

diesel； oxygenated additive； low pressure oxygen bomb calorimeter method； oxygen deficit

2014-09-10； 修改稿收到日期： 2014-11-20。

李曉然，碩士研究生，主要從事油品應(yīng)用及高原替代燃料的研究工作。

許世海，E-mail：xushih@163.com。