CN112986528B - 一种十六烷值测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种十六烷值测量方法和系统,选择已知十六烷值的燃料,将已知十六烷值的燃料与空气预混,喷入可连续调节压缩比的发动机,调节压缩比使已知十六烷值的燃料与空气的预混物点燃,得到其临界压缩比与十六烷值的对应关系,重复上述操作,得到多种不同的已知十六烷值的燃料在同样燃烧条件下临界压缩比与十六烷值的对应关系,建立十六烷值‑临界压缩比拟合曲线;对待测试样在同样燃烧条件下进行同样的操作,获得待测试样的临界压缩比,利用十六烷值‑临界压缩比曲线,得到待测试样的十六烷值。本发明实现了快速准确测量柴油机燃料的十六烷值,具有测试步骤简单、测试范围广、测量成本低经济性好且操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及十六烷值测量技术领域,尤其是一种十六烷值测量方法和系统。
背景技术
现有技术中四冲程压燃式柴油机在压缩冲程中,活塞上行抵达上止点前,将气缸内空气压缩使其温度和压力急剧升高,冲程即将结束时,燃油喷嘴开始向气缸内喷射燃油喷雾,处于高温高压环境下的燃油喷雾迅速升温气化,此时缸内温度虽已远高于燃料自燃点,但燃料并不会立刻着火,而是稍滞后一些才开始燃烧。通常把从喷油开始到燃料燃烧的时间间隔称为滞燃期,滞燃期越长,则燃烧着火准备时间内向气缸内喷入的燃料越多,以至于气缸内达到可燃程度的燃料越多,放热速度和加速度增加,放热峰值增加,燃烧压力和温度也会随之升高。
针对柴油机燃料的滞燃特性的量化,目前通用的方法是测量燃料的十六烷值来获得燃料相对点火延迟、发火性能等特性。燃料的十六烷值越高,表明燃料具有短的点火延迟,并且燃烧更加均匀稳定,发动机能够以更加平稳的工况运行。十六烷值低则表明燃烧发火困难,滞燃期长。然而过高的十六烷值,也容易导致燃料局部不完全燃烧,加剧未燃尽碳氢化合物和碳烟的产生。
现行国家标准GB/T386-2010采用的是ASTM D613-2008十六烷值测试方法。该法由一个标准的单缸,四冲程,可变压缩比,间接喷射的柴油机采用内插的手轮法完成。通过标准发动机实验,将待测柴油与已知十六烷值的标准燃料的发火性能进行比较,从而得出燃料着火性能的测定值。其中,标准燃料包括正标准燃料和副标准燃料。正标准燃料是正十六烷(n-cetane)和七甲基壬烷(HMN)按照一定的体积比混合而成,规定正十六烷的十六烷值为100,七甲基壬烷的十六烷值为15。正标准燃料的十六烷值=100×正十六烷的体积分数+15×七甲基壬烷的体积分数。副标准燃料是指能够替代正标准燃料来测算柴油的十六烷值的高十六烷值的烃类(T燃料)和低十六烷值烃类(U燃料)按照一定比例组成的混合物。按照GB/T386-2010方法测定十六烷值,每测定一种燃料都要选取两种标准燃料,分别测定两种标准燃料的十六烷值,再通过手轮读数计算待测燃料的十六烷值。计算公式为:
CN=CN1+(CN2-CN1)(a-a1)/(a2-a1)
CN——试样的十六烷值;
CN1——低着火性质标准燃料的十六烷值;
CN2——高着火性质标准燃料的十六烷值;
a——样品三次测定手轮读数的算术平均值;
a1——低十六烷值标准燃料三次测定手轮读数的算术平均值;
a2——高十六烷值标准燃料三次测定手轮读数的算术平均值.
使用此方法测量,对于试样以及将试样包括在中间的标准燃料中的每一个,都需要改变压缩比(通过手轮读数获取)并通过缸内爆震传感器测量的爆震信号获取缸内燃烧工况得到着火滞后期,再根据手轮读数采用内插法计算。
该法不仅测量步骤十分繁琐,而且对标准燃料的选取也有严格要求,两种标准燃料的十六烷值相差不能超过5.5且要求待测燃料的十六烷值在两种标准燃料的十六烷值之间,被测燃料的十六烷值要求在40-100之间,燃料范围较小。由于事先不知道待测燃料的十六烷值,标准燃料的选取只能依照测试人员的经验,若经过测试发现所选取标准燃料不能满足需要,还需再次调配标准燃料,重复进行上述步骤最终才能测出十六烷值,因此测试周期往往较长,耗时耗力。
另外,该方法使用的仪器目前已被ASTM垄断,机组售价昂贵且价格年年攀升(现售价超过500万元),给测试机构带来沉重的经济压力。而且对待测燃料的性质也有一定的要求,根据该方法的测试步骤,待测燃料通过喷雾的方式喷射进入十六烷值机气缸当中,因而待测燃料必须是液体燃料,对于气体燃料十六烷值的测量无法通过该法完成。然而当前以甲烷,石油气等气体燃料作为动力源的气体发动机应用亦十分广泛,测量其十六烷值获得压燃特性也十分重要。
发明内容
本发明针对现有十六烷值测试方法(GB/T386-2010)对标准燃料要求高、测试步骤复杂耗时长的问题,提供了一种十六烷值测量方法和系统,通过点燃时对应的临界压缩比确定被测燃料的十六烷值,从而简化测试步骤简单,拓展可测试的范围。
本发明采用的技术方案如下:
一种十六烷值测量方法,选择已知十六烷值的燃料,将所述已知十六烷值的燃料与空气预混,喷入可连续调节压缩比的发动机,调节压缩比使所述已知十六烷值的燃料与空气的预混物点燃,得到其临界压缩比与十六烷值的对应关系,重复上述操作,得到多种不同的已知十六烷值的燃料在同样燃烧条件下临界压缩比与十六烷值的对应关系,建立十六烷值-临界压缩比拟合曲线;对待测试样在同样燃烧条件下进行同样的操作,获得所述待测试样的临界压缩比,利用所述十六烷值-临界压缩比曲线,得到所述待测试样的十六烷值。
其进一步技术方案为:
空气的进气温度可连续调节,控制空气的进气温度和已知十六烷值的燃料与空气预混时的混合温度,确保所述预混物进入所述发动机之前已蒸发为气态。
在给定所述进气温度下,燃料临界压缩比对应唯一的十六烷值,当待测试样十六烷值高于100时,通过降低进气温度拓宽十六烷值测量上限;当待测试样十六烷值低于0时,通过升高进气温度拓宽十六烷值测量下限。
所述同样燃烧条件是指:空气的进气温度、进气压力和当量比。
在对已知十六烷值的燃料的临界压缩比测定过程中,调节发动机的压缩比至初始值,打开喷油器的喷油开关,观测多个周期内发动机的压缸-曲轴转角曲线,如未观测到曲线出现上升峰,重新调整发动机的压缩比,再次观测,直到缸内燃料已被压燃;通过二分法调节压缩比并观察压缸-曲轴转角曲线,逐步逼近燃料的临界压缩比,并保证所测得临界压缩比误差小于0.1。
在如下标准条件下调节喷油器流速,并根据进气流量控制当量比,其中:发动机转速600±6r/min,进气门间隙0.10-0.20mm,排气门间隙0.15-0.25mm,点火角为上止点前13°±1°,热机机油压力≥0.15MPa,冷却水温度85-100℃。
所述待测试样为液体或气体。
所述已知十六烷值的燃料包括正庚烷、糠醛、2-甲基呋喃或呋喃。
一种十六烷值测量系统,包括可连续调节压缩比的发动机、对所述发动机缸内压力进行检测的压力传感器、用于进气并加热空气的进气加热管道、用于加热空气与燃料预混物的混合气加热管道;所述混合气加热管道上连接有喷油器,其与进油系统连接;所述进气加热管道与所述混合气加热管道连接;所述发动机包括相位角检测系统以及压缩比调节手轮,所述相位角检测系统安装于发动机凸轮处将信号传至计算机,用于检测曲轴转角;所述调节手轮用于连续调节发动机的压缩比。
其进一步技术方案为:
发动机的压缩比的调节范围为4∶1-15∶1。
本发明的有益效果如下:
本发明实现了快速准确测量柴油机燃料的十六烷值,具有测试步骤简单、测试范围广、测量成本低经济性好且操作简单等优点。
1、本发明实现液体燃料或气体燃料的十六烷值快速测定,提前制作十六烷值-临界压缩比拟合曲线,之后只需测量待测燃料临界压缩比即可获得十六烷值,与GB/T386-2010相比,无须调配标准燃料,测试步骤简单,测试时间大幅降低,一小时以内可以完成十六烷值测试,十六烷值测试范围大幅提高。
2、本发明可测量的十六烷值测试范围大幅提高,GB/T386-2010的测试方法要求燃料的十六烷值在40-100之间,且只能测试液体燃料。而本发明测量方法可测试十六烷值在-20-200的液体和气体燃料。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为利用本发明方法得出的临界压缩比-十六烷值关系图。
图中:1、进气加热管道;2、混合气加热管道;3、喷油器;4、第二热电偶;5、第一热电偶;6、调节手轮;7、质量流量计。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例的一种十六烷值测量方法,选择已知十六烷值的燃料,将已知十六烷值的燃料与空气预混,喷入可连续调节压缩比的发动机,调节压缩比使已知十六烷值的燃料与空气的预混物点燃,得到其临界压缩比与十六烷值的对应关系,重复上述操作,得到多种不同的已知十六烷值的燃料在同样燃烧条件下临界压缩比与十六烷值的对应关系,建立十六烷值-临界压缩比拟合曲线;对待测试样在同样燃烧条件下进行同样的操作,获得所述待测试样的临界压缩比,利用所得的十六烷值-临界压缩比曲线,得到所述待测试样的十六烷值。
上述实施例中,空气的进气温度可连续调节,控制空气的进气温度和已知十六烷值的燃料与空气预混时的混合温度,确保所述预混物进入所述发动机之前已蒸发为气态。
上述实施例中,适用于临界压缩比的测量范围为4-15。同样燃烧条件是指:空气的进气温度、进气压力和当量比。
上述实施例中,燃料在柴油发动机中的滞燃时间与燃料本身的氧化活性具有极大的关联,燃料的临界压缩比(CCR)亦取决于低温氧化活性。燃料的临界压缩比对十六烷值的依赖对不同燃料是不一样的,燃料的十六烷值和临界压缩比之间存在一定的函数关系。临界压缩比,是指燃料在完全相同的测试条件下能够被完全相同参数的柴油机(发动机)压燃所对应的最小压缩比。
由于在给定进气温度下,燃料临界压缩比对应唯一的十六烷值。如果待测试样燃料的压缩比超过了15,可以通过调节进气温度,满足其在上述压缩比范围内被点燃。例如,对于十六烷值为20的某种燃料,在进气温度为150℃时,其临界压缩比为14,即在压缩比为14时被点燃;对于十六烷值是-10的另一种燃料,在压缩比为15时还没有点燃,即需要调节进气温度至200℃,即可满足其在压缩比为13时被点燃。
上述实施例中,采用的进气温度是150度,如果燃料十六烷值高于100,采用的进气温度是100度,即通过降低进气温度拓宽十六烷值测量上限;如果燃料十六烷值低于0,采用的进气温度是200度,即通过升高进气温度拓宽十六烷值测量下限。在一种燃烧条件下,可测量的待测试样的十六烷值具有特定范围,超出该范围的其他燃料在被测量时需要适应性地调整进气温度(燃烧条件),得出新的临界压缩比与十六烷值的对应关系拟合曲线,以拓宽十六烷值的测量范围。
上述实施例中,所述待测试样为液体或气体,即本实施例的测量方法适用于液体燃料或气体燃料的测量。
已知十六烷值的燃料包括正庚烷、糠醛、2-甲基呋喃或呋喃等。
本实施例的一种十六烷值测量系统,如图1所示,包括可连续调节压缩比的发动机、对所述发动机缸内压力进行检测的压力传感器、用于进气并加热空气的进气加热管道1、用于加热空气与燃料预混物的混合气加热管道2;进气加热管道1出口与混合气加热管道2进口连接;混合气加热管道上连接有喷油器3,其与进油系统连接;发动机包括相位角检测系统以及压缩比调节手轮6,调节手轮6用于连续调节发动机的压缩比,调节范围为4∶1-15∶1;相位角检测系统包括编码器,其安装于发动机凸轮处将信号传至计算机,用于检测曲轴转角。
上述实施例的十六烷值测量系统,进气加热管道1进口用于通入空气,进气加热管道1上安装有质量流量计7;进气加热管道1、混合气加热管道2上均设置有保温层和电加热带,还包括主加热器(图中为示出)。混合器加热管3可直接对燃油喷雾加热气化。进气加热管道1、混合气加热管道2中分别安装有温度传感器,温度传感器为第一热电偶5、第二热电偶4,可将温度信号传至控制台,用以控制进气温度和混合温度。
上述实施例的十六烷值测量系统,进油系统包括高压氮气和油箱,高压氮气为油箱提供压力,油箱出口与喷油器3进口连接。上述实施例的十六烷值测量系统,还包括用于发动机润滑的润滑系统、用于发动机冷却的冷却系统以及发动机的排气系统。发动机还包括气缸部件、摇臂机构、曲柄连杆部件;压力传感器为Kistler 6125C型缸内压力传感器,通过程序获取缸内压力信号并进行实时的燃烧分析;凸轮轴上安装的编码器为Kistler2614C11编码器,将压力信号传值计算机当中进行分析,实现缸内压力与时序对应。
上述实施例的十六烷值测量方法,具体操作步骤如下:
(1)设定参数
启动发动机,检查操作系统、冷却系统及机油液位,使之符合发动机试验典型柴油时的运行的要求,通过控制台输入进气温度和混合温度,确保燃料-空气混合物进入气缸前已蒸发为气态,等待30分钟保证温度上升至设定温度。本实例中对所有燃料进行测试的进气温度和混合温度都设置为260℃,以消除预混气体初温对临界压缩比测量的影响。
(2)添加燃料
将正庚烷入油箱中,打开高压氮气气瓶向燃料罐内充气30s使罐内压力升高。
(3)调节喷油器的喷油量
在如下标准条件下调节喷油器3流速,并根据进气流量控制当量比。
a)发动机转速:600±6r/min
b)进气门间隙:0.10-0.20mm
c)排气门间隙:0.15-0.25mm
d)点火角:上止点前13°±1°
e)热机机油压力:≥0.15MPa
f)冷却水温度:85-100℃
在本实例中对不同燃料进气当量比均选择0.25,该参数由主控制台通过控制燃油喷嘴喷油量和进气量间接控制。
(4)临界压缩比的测定
由于已知正庚烷十六烷值较高,具有强低温氧化活性,因此本实例中通过调节手轮6将正庚烷初始压缩比设置为5.0以保证首次测试时不至于超过其临界压缩比。旋转压缩比调节手轮6,通过指针与表盘观察压缩比数值,打开喷油开关,观察安装在柴油机气缸内的Kistler 6125C型缸内压力传感器和凸轮轴上的Kistler 2614C11编码器传入计算机的缸压及曲轴转角曲线,在20个周期内观察缸压曲线情况,未观察到曲线出现强烈上升峰,关闭喷油开关,调节压缩比至6.0,再次观察缸压-曲柄转角图像,此时明显观察到缸压剧增,表明该压缩比下正庚烷已经着火燃烧。关闭喷油开关,调节压缩比至5.5,打开喷油,观察图像,未观察到缸内燃烧现象。关闭喷油开关,调节压缩比至5.75,重复上述步骤,最终测量的正庚烷临界压缩比为5.6。
(5)燃料临界压缩比-十六烷值曲线图的建立
选择已知十六烷值的糠醛、2-甲基呋喃、呋喃,重复步骤(2)-(4),获得在完全相同条件下的临界压缩比,分别为7.4、9.7和11.2,如表1所示。
表1 2-5二甲基呋喃的临界压缩比和推算的十六烷值
燃料种类 | 正庚烷 | 糠醛 | 2-甲基呋喃 | 呋喃 | 2,5-二甲基呋喃 |
临界压缩比 | 5.6 | 7.4 | 9.7 | 11.2 | 9.5 |
十六烷值 | 56 | 13.9 | 8.9 | 7 | 10.9 |
推测十六烷值 | --- | --- | --- | --- | 10.4 |
相对误差 | --- | --- | --- | --- | 4.6% |
以临界压缩比为横坐标,十六烷值为纵坐标,绘制十六烷值-临界压缩比曲线,如图2所示。可见在同样的当量比、进气温度条件下,根据所选用的具有高或低十六烷值燃料,其临界压缩比存在明显的、可测量的差值。图中曲线上的点分别表示所测量的已知十六烷值的正庚烷、糠醛、2-甲基呋喃、呋喃的临界压缩比-十六烷值关系。
(6)试样十六烷值的测量
对本实例中待测的2,5-二甲基呋喃,重复所述步骤(2)-(4),获得其临界压缩比为9.5,将2,5-二甲基呋喃临界压缩比带入拟合曲线中,获得推测的十六烷值为10.4。将表1显示的通过该曲线推测的2,5-二甲基呋喃的十六烷值和通过GB/T386-2010测试方法所得十六烷值比较,如表1所示,相对误差为4.6%。
根据本实施例的方测量方法,可以方便快捷的针对不同理化性质燃料,通过快速调节压缩比,针对不同十六烷值的标准燃料临界压缩比和十六烷值之间的拟合函数关系,推测被测燃料的十六烷值。燃料十六烷值的测量通过连续调节柴油机的压缩比获取临界压缩比,并通过建立燃料十六烷值和其临界压缩比之间的拟合函数关系来确定。柴油机安装有燃料-空气提前预混的进气系统,进气系统安装有可控制加热温度的加热带,可将液体燃料加热为气态。因而本实施例的测量方法不用标准燃料即可推测正庚烷,环烷烃,二甲醚等液体或气体燃料的十六烷值,具有测量准确,省时省力,燃料适应范围广泛的特点。
Claims (9)
1.一种十六烷值测量方法,其特征在于,选择已知十六烷值的燃料,将所述已知十六烷值的燃料与空气预混,喷入可连续调节压缩比的发动机,调节压缩比使所述已知十六烷值的燃料与空气的预混物点燃,得到其临界压缩比与十六烷值的对应关系,重复上述操作,得到多种不同的已知十六烷值的燃料在同样燃烧条件下临界压缩比与十六烷值的对应关系,建立十六烷值-临界压缩比拟合曲线;对待测试样在同样燃烧条件下进行同样的操作,获得所述待测试样的临界压缩比,利用所述十六烷值-临界压缩比曲线,得到所述待测试样的十六烷值;
在对已知十六烷值的燃料的临界压缩比测定过程中,调节发动机的压缩比至初始值,打开喷油器的喷油开关,观测多个周期内发动机的压缸-曲轴转角曲线,如未观测到曲线出现上升峰,重新调整发动机的压缩比,再次观测,直到缸内燃料已被压燃;通过二分法调节压缩比并观察压缸-曲轴转角曲线,逐步逼近燃料的临界压缩比,并保证所测得临界压缩比误差小于0.1。
2.根据权利要求1所述的十六烷值测量方法,其特征在于,空气的进气温度可连续调节,控制空气的进气温度和已知十六烷值的燃料与空气预混时的混合温度,确保所述预混物进入所述发动机之前已蒸发为气态。
3.根据权利要求2所述的十六烷值测量方法,其特征在于,在给定所述进气温度下,燃料临界压缩比对应唯一的十六烷值,当待测试样十六烷值高于100时,通过降低进气温度拓宽十六烷值测量上限;当待测试样十六烷值低于0时,通过升高进气温度拓宽十六烷值测量下限。
4.根据权利要求1所述的十六烷值测量方法,其特征在于,所述同样燃烧条件是指:空气的进气温度、进气压力和当量比。
5.根据权利要求1所述的十六烷值测量方法,其特征在于,在如下标准条件下调节喷油器流速,并根据进气流量控制当量比,其中:发动机转速600±6r/min,进气门间隙0.10-0.20mm,排气门间隙0.15-0.25mm,点火角为上止点前13°±1°,热机机油压力≥0.15MPa,冷却水温度85—100℃。
6.根据权利要求1所述的十六烷值测量方法,其特征在于,所述待测试样为液体或气体。
7.根据权利要求1所述的十六烷值测量方法,其特征在于,所述已知十六烷值的燃料包括正庚烷、糠醛、2-甲基呋喃或呋喃。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述的十六烷值测量方法的十六烷值测量系统,其特征在于,包括可连续调节压缩比的发动机、对所述发动机缸内压力进行检测的压力传感器、用于进气并加热空气的进气加热管道、用于加热空气与燃料预混物的混合气加热管道;所述混合气加热管道上连接有喷油器,其与进油系统连接;所述进气加热管道与所述混合气加热管道连接;所述发动机包括相位角检测系统以及压缩比调节手轮,所述相位角检测系统安装于发动机凸轮处将信号传至计算机,用于检测曲轴转角;所述调节手轮用于连续调节发动机的压缩比。
9.根据权利要求8所述的十六烷值测量系统,其特征在于,发动机的压缩比的调节范围为4:1—15:1。
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