劉伍權(quán)，張光超，楊春浩，劉健鋒，劉瑞林

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 3．海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

● 車輛工程VehicleEngineering

RP-3航空煤油在高壓共軌柴油機(jī)中的應(yīng)用

劉伍權(quán)1，張光超2，楊春浩3，劉健鋒2，劉瑞林1

(1.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.陸軍軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 3．海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

為研究航空煤油在柴油機(jī)中的燃燒特性，用一臺(tái)高壓共軌柴油機(jī)開(kāi)展航空煤油的燃燒過(guò)程研究，并在全負(fù)荷條件下與柴油的燃燒進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：預(yù)混燃燒放熱峰值和擴(kuò)散燃燒放熱峰值較燃用柴油都有所降低。在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，燃用航空煤油的燃燒相位較柴油的燃燒相位偏左；轉(zhuǎn)速較高情況下，情況正好相反。中低轉(zhuǎn)速時(shí)，滯燃期縮短，缸內(nèi)最高燃燒壓力和最大壓升率升高，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴；高轉(zhuǎn)速時(shí)，滯燃期增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力和最大壓升率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)工作平緩。

高壓共軌柴油機(jī)；航空煤油；燃燒過(guò)程

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)會(huì)更加殘酷，油料保障面臨更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)，因此有必要尋找更加高效、保障方式簡(jiǎn)單的燃料。1988年美國(guó)國(guó)防部明確規(guī)定：在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上采用單一燃料(JP-8)[1]，這一規(guī)定將大大減少油料保障的難度。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)陸軍坦克與自動(dòng)車輛研究、開(kāi)發(fā)和工程中心(TARDEC)對(duì)2 857臺(tái)地面柴油車輛裝備燃用JP-8航空煤油進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)[2]。結(jié)果表明：可以將JP-8作為地面車用柴油機(jī)使用燃料[3]，并分別在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)及海地維和任務(wù)中使用與JP-8性質(zhì)相似的Jet-A1、TS1與JP-5作為單一燃料[1，4]。經(jīng)過(guò)航空煤油的不斷改進(jìn)，美軍在1999年底，將JP-8+100作為戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)斗機(jī)、訓(xùn)練機(jī)等小型飛機(jī)上的航空用油。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)車用柴油機(jī)燃用航空煤油的燃燒與性能影響等方面的研究較少。張俊強(qiáng)等[5-8]對(duì)溶有甲烷的煤油和柴油穩(wěn)態(tài)噴霧特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)兩種燃料的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：溶氣對(duì)燃油的霧化有正反兩方面的影響，且與多種因素有關(guān)。姚廣濤等[9]將某重型柴油機(jī)燃用RP-3航空煤油和柴油的性能進(jìn)行對(duì)比，研究表明：燃用航空煤油相比于柴油其動(dòng)力性能未出現(xiàn)明顯的下降；在部分負(fù)荷時(shí)，由于航空煤油有著較好的霧化與蒸發(fā)特點(diǎn)，其燃燒速度更快，熱效率更高，有效燃油消耗率降低。本文基于車用柴油機(jī)燃燒特性試驗(yàn)系統(tǒng)，研究高壓共軌柴油機(jī)燃用航空煤油與輕質(zhì)柴油燃燒特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)裝置

本文以某型高壓共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高壓共軌柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

我國(guó)的主要航空油料為3號(hào)航空煤油(RP-3)，本文選取與美軍的Jet-A1噴氣燃料性質(zhì)相似的RP-3航空煤油作為試驗(yàn)用油。RP-3航空煤油與車用輕質(zhì)柴油理化性質(zhì)對(duì)比見(jiàn)表2[10-13]。

表2 航空煤油與車用輕質(zhì)柴油理化性質(zhì)對(duì)比

1.2試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》[14]，分別在1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min等3個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了燃燒航空煤油與柴油的燃燒與性能試驗(yàn)。曲軸轉(zhuǎn)角分辨率為0.1°CA，曲軸轉(zhuǎn)角范圍為-40～100°CA，并把測(cè)得的每50個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)取平均值。計(jì)算過(guò)程中，把燃燒始點(diǎn)設(shè)為燃油瞬時(shí)放熱率曲線上止點(diǎn)前的突然回升最低點(diǎn)，燃燒終點(diǎn)設(shè)為累計(jì)放熱率達(dá)到90%的時(shí)刻[15]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1柴油機(jī)燃用航空煤油與柴油燃燒放熱參數(shù)對(duì)比分析

(a)n=1 000 r·min-1

(b)n=1 500 r·min-1

(c)n=2 100 r·min-1圖1 柴油機(jī)燃用航空煤油和柴油放熱規(guī)律曲線

試驗(yàn)用柴油機(jī)分別燃用航空煤油和柴油兩種燃料，并記錄下相關(guān)燃燒數(shù)據(jù)。兩種燃料的瞬時(shí)放熱率曲線和累計(jì)放熱率曲線如圖1所示，并將曲軸轉(zhuǎn)角從-32～0°CA時(shí)滯燃期階段的瞬時(shí)放熱率以及1 500 r/min轉(zhuǎn)速下曲軸轉(zhuǎn)角從6～20°CA時(shí)的瞬時(shí)放熱率進(jìn)行了突出顯示。 對(duì)比圖中兩燃料的放熱規(guī)律曲線可以看出，燃用RP-3航空煤油較燃用柴油存在以下差異。

(1)滯燃期對(duì)比。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用RP-3航空煤油時(shí)的燃燒始點(diǎn)分別為-4.1°CA、-3.6°CA、-7.2°CA，而燃用輕質(zhì)柴油時(shí)的燃燒始點(diǎn)分別為-3°CA、-3.3°CA、-7.8°CA，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料的滯燃期也有所不同。

在低轉(zhuǎn)速(1 000 r/min)時(shí)，柴油機(jī)燃用RP-3航空煤油的滯燃期小于柴油，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)燃用RP-3航空煤油的滯燃期卻大于柴油。這是由于在低轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較低，燃料的蒸發(fā)性起主要作用[16]。RP-3航空煤油的沸點(diǎn)(185 ℃)低于柴油(180～370 ℃)，其汽化潛熱值(345 kJ/kg)也小于輕質(zhì)柴油(375 kJ/kg)。吸熱少更具有揮發(fā)性，利于油霧的擴(kuò)散，更易形成均勻的可燃混合氣，加上此時(shí)燃用RP-3航空煤油的過(guò)量空氣系數(shù)為1.19，大于燃用柴油時(shí)的1.13(不同轉(zhuǎn)速下過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)比如圖2所示)，燃燒室內(nèi)的氧含量較大，更利于混合氣的燃燒。在中等轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)時(shí)，缸內(nèi)溫度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，此時(shí)十六烷值對(duì)燃料的燃燒影響更加明顯，由于柴油的十六烷值(49)低于RP-3航空煤油(43)，燃料的燃燒性能更強(qiáng)，對(duì)柴油的弱蒸發(fā)性所引起自燃能力偏低進(jìn)行了一定補(bǔ)償[17]，且此時(shí)兩種燃料的過(guò)量空氣系數(shù)幾乎相同，所以此時(shí)輕質(zhì)柴油的滯燃期略大于RP-3航空煤油，相差為0.3°CA；在高轉(zhuǎn)速(2 100 r/min)時(shí)，缸內(nèi)溫度較高，蒸發(fā)性作用不明顯，而十六烷值對(duì)于燃料的燃燒始點(diǎn)起著主要作用，此時(shí)柴油的過(guò)量空氣系數(shù)(1.66)大于航空煤油的過(guò)量空氣系數(shù)(1.64)，對(duì)混合氣的燃燒起到促進(jìn)作用，使柴油的滯燃期要小于RP-3航空煤油。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下兩種燃料的過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)比

(2)預(yù)混燃燒放熱峰值點(diǎn)及放熱峰值對(duì)比。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用兩種不同燃料預(yù)混燃燒放熱峰值點(diǎn)及放熱峰值如圖3、圖4所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下預(yù)混燃燒放熱峰值點(diǎn)

圖4 不同轉(zhuǎn)速下預(yù)混燃燒放熱峰值

從圖中可知，RP-3航空煤油的擴(kuò)散燃燒放熱峰值點(diǎn)隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，擴(kuò)散燃燒放熱峰值點(diǎn)較柴油提前；轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，擴(kuò)散燃燒放熱峰值點(diǎn)較柴油有所推遲；轉(zhuǎn)速為2 100 r/min時(shí)，放熱峰值點(diǎn)滯后更加明顯。這是由于RP-3航空煤油的表面張力小、運(yùn)動(dòng)黏度低、蒸發(fā)性比柴油的好，擴(kuò)散速率較快，隨著轉(zhuǎn)速的升高，缸內(nèi)溫度增加，十六烷值對(duì)燃燒的作用大于蒸發(fā)對(duì)燃燒的作用。所以會(huì)出現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，航空煤油的擴(kuò)散燃燒放熱峰值提前，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)，擴(kuò)散燃燒放熱峰值滯后。

發(fā)動(dòng)機(jī)3種轉(zhuǎn)速下，燃用航空煤油預(yù)混燃燒放熱峰值均低于輕質(zhì)柴油，但在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，兩種燃料峰值相差不明顯。這是由于輕質(zhì)柴油的密度大于航空煤油，在相同的噴油壓力下，航空煤油的可壓縮性比輕質(zhì)柴油好，再加上在預(yù)混燃燒階段航空煤油的噴油出現(xiàn)的延遲導(dǎo)致噴油量減少，因此，在此階段航空煤油的放熱峰值比柴油低。

從累積放熱率曲線可以看出，在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油的燃燒終點(diǎn)分別為47.3°CA、46.9°CA、44.8°CA，而燃用航空煤油的燃燒終點(diǎn)明顯滯后0.8°CA、0.6°CA、5.1°CA，分別為48.1°CA、47.5°CA、49.9°CA，造成后燃增加。究其原因，雖然航空煤油的蒸發(fā)性較好，但其密度比輕質(zhì)柴油小，可壓縮性大，以及出現(xiàn)的噴油延遲，造成擴(kuò)散燃燒不充分，后燃期增長(zhǎng)，使燃燒終點(diǎn)出現(xiàn)滯后。

2.2柴油機(jī)燃用航空煤油與柴油缸內(nèi)壓力參數(shù)對(duì)比分析

壓力升高率是反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文按下式計(jì)算壓力升高率[15]：

式中：φC、φB分別為缸壓曲線臨近兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度；pC、pB分別為缸壓曲線臨近兩點(diǎn)的壓力。

圖5所示為轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min，全負(fù)荷工況下，兩種燃油的缸內(nèi)壓力及壓力升高率對(duì)比曲線。

(a)n=1 000 r·min-1

(b)n=1 500 r·min-1

(c)n=2 100 r·min-1圖5 柴油機(jī)燃用航空煤油和柴油缸內(nèi)壓力及壓力升高率曲線

圖6所示為RP-3航空煤油和柴油在3種轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)壓力參數(shù)。

(a)最高燃燒壓力

(b)最高燃燒壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角

(c)壓力升高率峰值

(d)壓力升高率峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)燃用兩種不同燃料在不同轉(zhuǎn)速下缸壓參數(shù)

由圖6可知，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，燃用航空煤油與燃用柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響不同。在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、1 500 r/min時(shí)，燃用航空煤油相比較于柴油缸內(nèi)最高燃燒壓力上升明顯，分別為3.6%、3.4%，壓力升高率峰值出現(xiàn)明顯上升，分別為4.8%、5.9%，達(dá)到14.8 MPa、16.2 MPa。與中低轉(zhuǎn)速不同，發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)(2 100 r/min)，缸內(nèi)最高燃燒壓力有4.3%的下降，壓力升高率峰值也下降8.5%。

究其原因，發(fā)動(dòng)機(jī)處于較低轉(zhuǎn)速時(shí)，缸內(nèi)溫度不高，此時(shí)缸溫對(duì)柴油機(jī)的燃燒起主要作用。航空煤油的黏度(1.814 mm2/s)與輕質(zhì)柴油(2.5 mm2/s)相比較低，減少了在噴孔中的摩擦損失，更利于噴霧的流動(dòng)，且航空煤油的表面張力也比輕質(zhì)柴油的小，噴霧與空氣接觸產(chǎn)生的卷吸渦流更加明顯，混合可燃?xì)獾男纬梢哺友杆?，航空煤油的平均閃點(diǎn)低于輕質(zhì)柴油也會(huì)縮短滯燃期，滯燃期短，壓力升高率的峰值相應(yīng)地增大，使最大壓力升高率對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前；而柴油機(jī)處于高轉(zhuǎn)速時(shí)，缸內(nèi)溫度升高，燃油的蒸發(fā)性、霧化特性對(duì)柴油機(jī)的燃燒影響不大，燃料的十六烷值起了很大的作用，使柴油放熱量明顯大于航空煤油，在相同的噴油壓力和噴油脈寬下，由于輕質(zhì)柴油的密度大于航空煤油的密度，相對(duì)的燃料的噴入量較大，最高燃燒壓力和最大壓力升高率也會(huì)有所增加，但兩者的燃燒相位基本相同。

最大壓力升高率是反映柴油機(jī)燃燒粗暴程度的重要指標(biāo)[18]，發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速時(shí)，燃用航空煤油的最大壓力升高率較燃用輕質(zhì)柴油的大；在高轉(zhuǎn)速時(shí)，燃用航空煤油的最大壓力升高率低于輕質(zhì)柴油，所以燃用航空煤油柴油機(jī)在中低轉(zhuǎn)速時(shí)工作粗暴，高轉(zhuǎn)速時(shí)工作平穩(wěn)。

3 結(jié) 論

在不改變發(fā)動(dòng)噴油參數(shù)情況下，選取轉(zhuǎn)速1 000 r/min、1 500 r/min、2 100 r/min，全負(fù)荷工況，分析了車用柴油機(jī)燃用航空煤油與燃用輕質(zhì)柴油的不同燃燒性能，得到如下結(jié)論：

(1)低轉(zhuǎn)速時(shí)，燃用RP-3航空煤油相較于燃用輕質(zhì)柴油，滯燃期縮短，預(yù)混燃燒放熱峰值降低，擴(kuò)散燃燒放熱峰值降低，燃燒相位整體左移，缸內(nèi)最高燃燒壓力上升3.6%，最大壓升率升高4.8%，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴；

(2)中等轉(zhuǎn)速時(shí)，燃用航空煤油相較于燃用輕質(zhì)柴油，滯燃期縮短，僅相差0.3°CA，預(yù)混燃燒放熱峰值接近，擴(kuò)散燃燒放熱峰值低于輕質(zhì)柴油，燃燒相位相差不大，缸內(nèi)最高燃燒壓力上升3.4%，最大壓升率升高5.9%，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴；

(3)高轉(zhuǎn)速時(shí)，燃用航空煤油相較于燃用輕質(zhì)柴油，滯燃期延長(zhǎng)，預(yù)混燃燒放熱峰值降低，擴(kuò)散燃燒放熱峰值降低，燃燒相位整體右移，缸內(nèi)最高燃燒壓力下降4.3%，壓力升高率峰值降低8.5%，發(fā)動(dòng)機(jī)工作平緩；

(4)柴油機(jī)燃用航空煤油，在中低轉(zhuǎn)速時(shí)工作粗暴，而在高轉(zhuǎn)速時(shí)工作平穩(wěn)，下一步可開(kāi)展通過(guò)改變噴油參數(shù)優(yōu)化燃用航空煤油燃燒特性的研究。

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(編輯：張峰)

ApplicationofRP-3AviationKeroseneinHighPressureCommonRailDieselEngine

LIU Wuquan1, ZHANG Guangchao2, YANG Chunhao3, LIU Jianfeng2, LIU Ruilin1

(1.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 3．College of Power Engineering, Naval Unviersity of Engineering, Wuhan 430033, China)

To study the combustion characteristics of aviation kerosene in diesel engine, the paper studies the combustion process of a high pressure common rail diesel engine, and compares the combustion with diesel oil under full load. The result shows that the heat release peak of premixed combustion and diffusion combustion are lower than that of diesel oil. The combustion phase of kerosene deviates to left comparing to that of diesel oil at lower rotational speed, and it is opposite at higher rotational speed. At medium-low rotational speed, the ignition delay period is decreased, and the peak combustion pressure and maximum pressure rise rate are increased, and the engine operates roughly. At high rotational speed, the ignition delay period is increased, and the peak combustion pressure and maximum pressure rise rate are decreased, and the engine operates smoothly.

high pressure common rail diesel engine; aviation kerosene; combustion process

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.11.009

TK428.9

A

1674-2192(2017)11- 0040- 06

2017-06-09；

2017-08-21．

劉伍權(quán)(1973—)，男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師．