航空替代燃料低溫點(diǎn)火關(guān)鍵物質(zhì)研究

臧雪靜， 周冠宇， 楊曉奕

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 北京 100083)

隨著替代燃料的不斷發(fā)展，將新型替代燃料應(yīng)用到現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)中需要適應(yīng)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)性能[1]。在惡劣條件下，例如冷啟動(dòng)和高空再點(diǎn)火，此時(shí)溫度范圍為-40～10℃[2]，燃料的霧化性能較差，燃料揮發(fā)性的影響因素對(duì)于點(diǎn)火過(guò)程至關(guān)重要。對(duì)于液體燃料而言，燃料特性會(huì)通過(guò)影響點(diǎn)火電嘴附近的燃料蒸汽濃度對(duì)點(diǎn)火性能產(chǎn)生顯著影響[3]。因此，為了保證在惡劣條件下發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)，需要?dú)鈶B(tài)組分中包含更多的燃料蒸汽補(bǔ)償較低的燃燒效率[4]。

根據(jù)前人研究，燃料中的輕烴組分具有較高的揮發(fā)性，意味著火核需要較少的潛熱來(lái)蒸發(fā)相同數(shù)量的燃料蒸汽[5]。Holley等[6]通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)具有較低碳數(shù)的烴類(lèi)物質(zhì)擴(kuò)散能力較強(qiáng)，在實(shí)際過(guò)程中更易點(diǎn)燃。Burger等[7]發(fā)現(xiàn)在低溫條件下燃料物化性能變差，燃料的揮發(fā)性能優(yōu)劣直接關(guān)系到點(diǎn)火的成功與否。Rye和Wilson[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出隨著碳原子數(shù)增多蒸氣壓降低。輕烴組分會(huì)顯著降低燃料的初餾點(diǎn)，具有更優(yōu)的蒸發(fā)性能[9]。當(dāng)足夠多的輕烴物質(zhì)以蒸汽形式存在于點(diǎn)火電極周?chē)?，?huì)顯著增加點(diǎn)火成功可能性。

總結(jié)前人研究可以發(fā)現(xiàn)，液體燃料蒸發(fā)特性對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)特性有直接影響。低閃點(diǎn)、高蒸氣壓的小分子烴類(lèi)物質(zhì)會(huì)率先揮發(fā)，改變液體燃料上部氣體組成，對(duì)于點(diǎn)火起動(dòng)起關(guān)鍵作用。然而，前人并未給出該輕烴物質(zhì)的具體成分及影響大小。因此,本文對(duì)航空煤油RP-3和煤基費(fèi)托F-T在低溫條件下的揮發(fā)組分進(jìn)行測(cè)試，定量分析該輕烴物質(zhì)組成及比例，確定低溫條件影響點(diǎn)火關(guān)鍵物質(zhì)。為了避免燃燒室自身結(jié)構(gòu)和工況條件方面的影響，本文根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，利用爆炸極限測(cè)定儀測(cè)試同一溫度下?lián)交禳c(diǎn)火關(guān)鍵組分的混合燃料的點(diǎn)火邊界，以確定關(guān)鍵物質(zhì)對(duì)于點(diǎn)火的影響程度，為研究低溫條件下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 燃料組成及理化性能

實(shí)驗(yàn)選用的測(cè)試燃料為航空煤油RP-3和煤基費(fèi)托F-T。航空煤油RP-3物質(zhì)組成較為復(fù)雜，其中鏈烷烴含量最大，芳香烴和烯烴等不飽和烴含量也較多[10]。本研究采用同一批次的航空煤油RP-3進(jìn)行試驗(yàn)以避免不同批次產(chǎn)生的誤差。F-T燃料成分相對(duì)簡(jiǎn)單，主要為鏈烷烴，不含環(huán)烷烴及芳香烴。二者理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

將航空煤油RP-3和煤基費(fèi)托F-T兩種燃料注滿(mǎn)自帶3 mm PTFE 墊片的60 mL頂空取樣瓶?jī)?nèi)密封，用注射器吸取部分液體，使瓶?jī)?nèi)剩余30 mL，營(yíng)造液體上部真空環(huán)境。通過(guò)制冷機(jī)制冷，將試樣分別置于-40℃到室溫條件下靜置24 h，使其達(dá)到氣液平衡狀態(tài)。用安捷倫石英注射器在試樣液面近處吸取2.5 mL上部混合燃料蒸汽，手動(dòng)注射至GS-MS測(cè)試儀內(nèi)進(jìn)行成分檢測(cè)。利用峰面積法，采用NIST08標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)對(duì)所測(cè)組分進(jìn)行檢索分析，流程圖見(jiàn)圖1。

實(shí)驗(yàn)樣品組成分析采用GC-MS測(cè)試儀(Agilent 7890/5975C)。液相組分測(cè)試色譜條件：HP-5MS色譜柱，載氣為高純氦氣，流量為1 mL/min，分流比為50∶1，進(jìn)樣口溫度為280℃，柱溫為50℃，保持5 min，以2.5℃/min升溫至300℃，保持5 min。質(zhì)譜條件：離子源為電子轟擊離子源(EI)，離子源溫度為230℃，四級(jí)桿溫度為150℃。氣相組分測(cè)試色譜條件：進(jìn)口溫度為280℃，分流比為20∶1；柱溫為30℃，保持1 min，以5℃/min升溫至100℃，停留1 min后再以10℃/min升溫至250℃。

表1 航空煤油RP-3和煤基費(fèi)托F-T理化性質(zhì)Table 1 Physicocemical properties of aviation kerosene RP-3 and coal-based F-T

圖1 低溫條件碳?xì)淙剂蠚庀嘟M分檢測(cè)流程圖Fig.1 Flowchart of gas phase component detection of hydrocarbon fuels under low temperature conditions

碳?xì)淙剂现械妮p烴物質(zhì)具有較高的蒸氣壓和較低的閃點(diǎn)，低溫條件下會(huì)率先揮發(fā)，在液體上部形成燃料蒸汽。輕烴物質(zhì)分子量越小，其蒸氣壓越高，閃點(diǎn)越低。由此可見(jiàn)蒸氣壓與閃點(diǎn)存在一個(gè)相互矛盾的關(guān)系。而航空燃油閃點(diǎn)對(duì)航空安全至關(guān)重要，是衡量航空燃油火災(zāi)危險(xiǎn)性的一個(gè)重要參數(shù)[11]。根據(jù)替代燃油相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，航空燃料閃點(diǎn)不能低于38℃[12]，否則容易出現(xiàn)安全性問(wèn)題。因此本文測(cè)試了混合燃油的閃點(diǎn)和蒸氣壓，以便對(duì)添加比例進(jìn)行限定。蒸氣壓測(cè)試采用MINIVAP VPXpert 蒸氣壓測(cè)定儀(符合ASTM D6378-10標(biāo)準(zhǔn)[13])。閃點(diǎn)測(cè)試采用賓斯基-馬丁閉口閃點(diǎn)實(shí)驗(yàn)儀(符合SH/T 0733—2004 標(biāo)準(zhǔn)[14])。

1.2 點(diǎn)火邊界測(cè)試

點(diǎn)火邊界測(cè)試采用型號(hào)為HWP21-30S爆炸極限測(cè)定儀(符合GB/T 21844—2008[15]標(biāo)準(zhǔn))。實(shí)驗(yàn)裝置主要由燃燒系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和自動(dòng)化控制軟件構(gòu)成。

點(diǎn)火邊界測(cè)試通過(guò)調(diào)節(jié)總壓改變點(diǎn)火油氣比，即加入一定質(zhì)量的燃料，測(cè)試達(dá)到設(shè)定溫度后容器內(nèi)蒸汽分壓，調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥控制進(jìn)氣壓力，通過(guò)測(cè)試點(diǎn)火成功時(shí)通入容器內(nèi)部空氣壓力，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為空氣質(zhì)量，在點(diǎn)火邊界處計(jì)算油氣比。根據(jù)油樣質(zhì)量體積Vf和油樣密度ρ得到油樣質(zhì)量mf，測(cè)定平衡之后燃料蒸汽分壓p1以及最終點(diǎn)火壓力p2，得到進(jìn)氣壓力并根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程換算為進(jìn)氣質(zhì)量ma，最終得到油氣比f(wàn)。

ma=(p2-p1)VM/(RT)

mf=Vfρ

式中:V為容器空氣體積;M為空氣摩爾質(zhì)量;R為通用氣體常數(shù);T為溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳?xì)淙剂弦合嘟M分分布

燃料蒸汽組成與液體中物質(zhì)組成密切相關(guān)，因此在試驗(yàn)前首先對(duì)液體樣品進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果如表2所示，航空煤油RP-3組成成分非常復(fù)雜，主要是碳原子數(shù)為7～20的烷烴類(lèi)，涵蓋鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和烯烴等諸多成分，其中鏈烷烴占比較大，達(dá)到了總量的64%左右，其次是芳香烴和環(huán)烷烴，還包括少量的烯烴和萘。相比之下，煤基費(fèi)托F-T不含芳香烴和環(huán)烷烴，且分布在C9～C16之間直鏈烷烴占比高達(dá)74%，比航空煤油同碳數(shù)直鏈烷烴占比多一倍左右。碳?xì)淙剂弦后w組成成分的差異，是導(dǎo)致不同種類(lèi)碳?xì)淙剂侠砘阅芗叭剂险羝M分分布存在區(qū)別的重要因素。

表2 航空煤油RP-3和煤基費(fèi)托F-T液相組分分布Table 2 Distribution of components in liquid phase of aviation kerosene RP-3 and coal-based F-T %

2.2 溫度對(duì)航空煤油RP-3氣相組分分布的影響

蒸發(fā)性是液體燃料最重要的特性之一，對(duì)液體燃料的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和在發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用有密切的關(guān)系。在液體燃料燃燒前，燃料中的易揮發(fā)組分首先與上部空氣形成可燃混合氣，然后進(jìn)行燃燒。特別是在低溫條件下，燃料的揮發(fā)性受到抑制，較難與上部空氣形成良好混合氣，對(duì)正常燃燒帶來(lái)不利影響。因此，本文探究了碳?xì)淙剂显谑覝刂?40℃條件下的氣相組分分布情況，確定構(gòu)成點(diǎn)火關(guān)鍵物質(zhì)的輕烴組成。

表3是樣品航空煤油RP-3和煤基費(fèi)托F-T在15℃下?lián)]發(fā)氣相組分分布情況，由于二者液相成分存在差異，其揮發(fā)氣體含量及分布也有所不同。根據(jù)質(zhì)譜定量分析可知，常溫條件下，航空煤油RP-3和煤基費(fèi)托F-T氣相主要由碳原子數(shù)為6～10的碳?xì)浠衔锝M成。其中，航空煤油氣相組分中含量最高的為C7(28.32%)，其次為C9和C8，分別占比27.39%和23.27%。煤基費(fèi)托氣相組分中含量最高為的C9(63.96%)，其次是C10和C8，分別占比21.87%和10.21%。此外，高碳數(shù)碳?xì)浠衔?C11)在二者氣相組分中占比較小。

表3 15℃條件下航空煤油RP-3與煤基費(fèi)托F-T氣相組分分布Table 3 Distribution of components in gas phase of aviation kerosene RP-3 and coal-based F-T at 15℃ %

圖2所示為不同溫度條件下，航空煤油RP-3氣相組分中具有不同碳數(shù)烴類(lèi)的相對(duì)含量隨溫度的變化情況。低溫條件下，航空煤油RP-3氣相組分主要為C6～C10碳?xì)浠衔?。隨著溫度降低，C6、C7和C8此類(lèi)低碳數(shù)碳?xì)浠衔镌龆?，以C9和C10為主的高碳數(shù)碳?xì)浠衔餃p少。碳?xì)浠衔锿滴锼荚訑?shù)越小，即相對(duì)分子質(zhì)量越小，液體在蒸發(fā)過(guò)程中需要克服分子間作用力越小，氣體分子受束縛程度越小，越容易從液面逸出，從而表現(xiàn)出較高的蒸氣壓，在氣相組成中占比較大。

圖3所示為不同溫度條件下，航空煤油RP-3氣相組分中具有不同族組成烴類(lèi)的相對(duì)含量隨溫度變化情況，并與15℃條件下液相成分進(jìn)行對(duì)比。

圖2 溫度對(duì)航空煤油RP-3氣相不同碳數(shù)輕烴物質(zhì)分布的影響Fig.2 Influence of temperature on light hydrocarbon distrubution with different carbon numbers in aviation kerosene RP-3 gas phase

圖3 溫度對(duì)航空煤油RP-3氣相不同族組成輕烴物質(zhì)分布的影響Fig.3 Influence of temperature on light hydrocarbon distrubution with different structures in aviation kerosene RP-3 gas phase

航空煤油液相組分中占比最大的是鏈烷烴，其次是環(huán)烷烴(9.73%)和芳香烴。對(duì)于航空煤油氣相組分而言，環(huán)烷烴占比重最大，其次是支鏈烷烴和直鏈烷烴。隨著溫度進(jìn)一步降低，氣相組分中環(huán)烷烴相對(duì)比例略有增加。在不同溫度條件下，航空煤油氣相中均檢測(cè)到碳數(shù)6～10的直鏈烷烴，且含量在總物質(zhì)中位于前列。氣相中芳香烴含量較低，即使常溫條件最多不超過(guò)5%，且隨著溫度逐漸降低，芳香烴含量進(jìn)一步減少。當(dāng)溫度低于40℃時(shí)，航空煤油氣相組分中沒(méi)有檢測(cè)到芳香烴。

2.3 溫度對(duì)煤基費(fèi)托F-T氣相組分分布的影響

根據(jù)煤基費(fèi)托氣相組分檢測(cè)結(jié)果可知，低溫條件下煤基費(fèi)托揮發(fā)組分介于C7～C11之間，其中C9含量最高，占總含量65%左右；其次是C10和C8，分別占比20%和10%左右。隨溫度降低，煤基費(fèi)托氣相組分中C7、C8和C9含量略有增加，C10含量略有下降。在氣相族組分分布上，隨著溫度降低，煤基費(fèi)托氣相組分中直鏈烷烴含量稍有增長(zhǎng)，逐步接近液相中直鏈烷烴含量?？傮w而言，溫度對(duì)煤基費(fèi)托在碳數(shù)和族組成的分布與航空煤油相比影響不大，絕對(duì)變化量不超過(guò)5%,如圖4和圖5所示。

圖4 溫度對(duì)煤基費(fèi)托F-T氣相不同碳數(shù)輕烴物質(zhì)分布影響Fig.4 Influence of temperature on light hydrocarbon distrubution with different carbon numbers in coal-based F-T gas phase

圖5 溫度對(duì)煤基費(fèi)托F-T氣相不同族組成輕烴物質(zhì)分布影響Fig.5 Influence of temperature on light hydrocarbon distrubution with different structures in coal-based F-T gas phase

綜合以上分析，航煤氣相中碳原子數(shù)為6～10的直鏈烷烴單一比例較大，環(huán)烷烴中甲基環(huán)己烷C7H14占比最大，支鏈烷烴中甲基居多。煤基費(fèi)托F-T氣相中碳原子數(shù)為7～11的直鏈烷烴占比高達(dá)67%，其中正癸烷含量最高，其次是正壬烷。以2種燃料中單組分占比最高的直鏈烷烴為例，結(jié)合文獻(xiàn)[8]提到的計(jì)算方法，根據(jù)已知的純物質(zhì)組分?jǐn)?shù)據(jù)[17]計(jì)算出不同溫度下蒸氣壓(單位：kPa)變化情況，其中常溫與文獻(xiàn)[18]進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該公式具有較好適用性。隨著溫度降低，具有相同碳數(shù)的直鏈烷烴蒸氣壓逐漸減小。同一溫度條件下，碳原子數(shù)目越小，其蒸氣壓越大，分子約束力較小，表現(xiàn)出較優(yōu)的蒸發(fā)性能，如表4所示。

表4 直鏈烷烴蒸氣壓隨溫度變化Table 4 Variation of vapor pressure of n-alkanes with temperature kPa

2.4 點(diǎn)火關(guān)鍵物質(zhì)與點(diǎn)火邊界

對(duì)于液體燃料而言，燃料濃度需要處于一定的范圍內(nèi)時(shí)混合氣才能燃燒。而在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料的燃燒伴隨著高速氣流條件，燃料在火焰筒內(nèi)滯留時(shí)間較短。因此，在短時(shí)間內(nèi)迅速形成混合良好的可燃混合氣體對(duì)于燃燒過(guò)程，尤其是低溫惡劣條件下的燃燒過(guò)程影響較大。對(duì)于高空點(diǎn)火而言，由于發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷狀態(tài)，氣流的溫度和壓力較低，燃料本身蒸發(fā)過(guò)程受到限制，若不能再短時(shí)間內(nèi)不能形成較好的可燃混合氣，便會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火起動(dòng)。對(duì)于航空煤油和煤基費(fèi)托而言，二者液相組成不同，同種條件下點(diǎn)火成功油氣比不同，航空煤油氣相組分中輕烴組分所占比例更大，具有更優(yōu)的點(diǎn)火性能。煤基費(fèi)托F-T較窄的點(diǎn)火邊界會(huì)導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控油規(guī)律做出一定改變[19]。因此，為了在不更改發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的前提下仍應(yīng)用煤基費(fèi)托燃料，需要對(duì)其成分進(jìn)行調(diào)配，使其揮發(fā)的輕烴物質(zhì)有利于低溫條件下點(diǎn)火啟動(dòng)。

根據(jù)前人研究可知，輕烴物質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火有改善作用，且混合可燃?xì)赓|(zhì)量的優(yōu)劣與輕烴物質(zhì)的含量及種類(lèi)有關(guān)。因此，為了確定影響點(diǎn)火的關(guān)鍵輕烴物質(zhì)， 同時(shí)為了避免燃燒室自身結(jié)構(gòu)和工況條件方面的影響，本文根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，利用爆炸極限測(cè)定儀測(cè)試同一溫度(37.8℃)下?lián)交禳c(diǎn)火關(guān)鍵組分的混合燃料的點(diǎn)火邊界。由于煤基費(fèi)托F-T本身不含環(huán)烷烴，并結(jié)合上述碳數(shù)分布特征，猜想低溫條件下影響航空煤油和煤基費(fèi)托燃料出現(xiàn)差異的關(guān)鍵物質(zhì)是環(huán)烷烴。選取環(huán)烷烴(甲基環(huán)己烷)作為添加物質(zhì)，并與相同碳數(shù)(C7)的直鏈烷烴(正庚烷)和支鏈烷烴(2-甲基己烷)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?結(jié)果如表5所示。

為了得到各輕烴物質(zhì)對(duì)點(diǎn)火的影響程度大小，本實(shí)驗(yàn)首先在煤基費(fèi)托F-T分別添加5%甲基環(huán)己烷、2-甲基己烷和正庚烷。將測(cè)試容器進(jìn)行抽真空處理，注入一定質(zhì)量的待測(cè)油樣，待其蒸發(fā)完全后得到燃油蒸汽分壓，調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥通入空氣達(dá)到最終點(diǎn)火壓力。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在點(diǎn)火邊界處計(jì)算換算油樣蒸汽與通入空氣的質(zhì)量比(表5)。

表5 37.8℃時(shí)F-T添加5%C7烴類(lèi)物質(zhì)油氣比Table 5 Fuel-to-air ratio of F-T added with 5% C7 hydrocarbons at 37.8℃

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，煤基費(fèi)托F-T點(diǎn)火油氣比比航空煤油高17.5%，意味著在惡劣條件下較難實(shí)現(xiàn)成功點(diǎn)火。添加5%的C7烴類(lèi)物質(zhì)的煤基費(fèi)托F-T點(diǎn)火性能得到明顯改善：當(dāng)供油質(zhì)量固定時(shí)，輕烴物質(zhì)能夠有效降低點(diǎn)火油氣比。其中，環(huán)烷烴降低作用最為明顯，比普通煤基費(fèi)托F-T點(diǎn)火油氣比降低了25.15%，其次是支鏈烷烴和直鏈烷烴，分別降低了22.75%和8.60%。其中，添加5%正庚烷的混合燃料(0.287 5)仍未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)航空煤油RP-3的點(diǎn)火油氣比(0.267 7)。由于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定航空煤油閃點(diǎn)不低于38℃，且考慮到各烴類(lèi)物質(zhì)揮發(fā)性和易燃性不同，因此需要重新調(diào)整添加比例以確保混合之后的燃料閃點(diǎn)滿(mǎn)足安全要求，見(jiàn)表6。

以混合燃料達(dá)到閃點(diǎn)臨界值時(shí)的比例作為參考，重新調(diào)整添加比例進(jìn)行點(diǎn)火油氣比測(cè)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于煤基費(fèi)托F-T而言，為確保在實(shí)際添加過(guò)程中滿(mǎn)足閃點(diǎn)要求，甲基環(huán)己烷和正庚烷的添加比例不應(yīng)超過(guò)5.5%和7.5%，2-甲基己烷不應(yīng)超過(guò)3%。對(duì)于航空煤油RP-3而言，甲基環(huán)己烷和正庚烷的添加比例不應(yīng)超過(guò)2%和3%，2-甲基己烷不應(yīng)超過(guò)1.5%。為了進(jìn)一步說(shuō)明環(huán)烷烴對(duì)點(diǎn)火的貢獻(xiàn)作用，添加相同比例不同碳原子數(shù)目的環(huán)烷烴，按上述方法測(cè)試其點(diǎn)火油氣比。結(jié)果表明添加的環(huán)烷烴碳原子數(shù)目越多，分子質(zhì)量越大，對(duì)點(diǎn)火的貢獻(xiàn)率越小。

根據(jù)以上分析可知，蒸氣壓高、閃點(diǎn)低的小分子烴類(lèi)物質(zhì)會(huì)帶動(dòng)周?chē)鷼怏w分子向上部運(yùn)動(dòng)，能夠有效改變?nèi)加蜕喜空羝M成實(shí)現(xiàn)一個(gè)混合更加均勻、易燃性更優(yōu)良的燃油蒸汽環(huán)境，對(duì)惡劣條件下點(diǎn)火起貢獻(xiàn)作用。考慮到在實(shí)際條件下飛機(jī)的飛行工況會(huì)發(fā)生變化，特別是高空冷啟動(dòng)條件下進(jìn)氣量降低，對(duì)點(diǎn)火不利。根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，在煤基費(fèi)托燃料中只需添加少量輕烴物質(zhì)，即可顯著降低煤基費(fèi)托燃料點(diǎn)火油氣比。在油量相同的情況下，燃料點(diǎn)火成功所需的油氣比越低，越能保證即使在較小進(jìn)氣量情況下，仍能正常點(diǎn)火起動(dòng)，見(jiàn)表7。

表6 RP-3和F-T添加不同比例C7理化性質(zhì)及油氣比Table 6 Physical properties and fuel-to-air ratio of RP-3 and F-T added with different proportions of C7

在點(diǎn)火能量一定的條件下，燃料點(diǎn)火成功與可燃蒸汽濃度大小密切相關(guān)?？扇紳舛仍酱?，且燃燒極限越低，則同等條件下更易實(shí)現(xiàn)成功點(diǎn)火。而輕烴物質(zhì)的蒸氣壓和燃燒極限對(duì)于燃料點(diǎn)火而言具有相反的作用：一方面，添加輕烴物質(zhì)的混合燃料蒸氣壓升高，更容易形成可燃蒸汽，有助于點(diǎn)火成功；另一方面,添加物質(zhì)本身具有較高的燃燒下限，使得混合燃料整體燃燒下限提高，更難以達(dá)到點(diǎn)火邊界。因此若要實(shí)現(xiàn)燃料點(diǎn)火成功，需要考慮燃料揮發(fā)性與燃燒性的綜合作用結(jié)果。根據(jù)燃燒極限數(shù)據(jù)可知，在相同條件下，甲基環(huán)己烷雖不如2-甲基己烷揮發(fā)性好，但其提高燃燒下限帶來(lái)的負(fù)面作用低于2-甲基己烷。例如在壓力30 kPa條件下，甲基環(huán)己烷揮發(fā)的蒸氣比例(1.033 3%)更容易達(dá)到燃燒下限(1.031 8%)，因此添加甲基環(huán)己烷實(shí)現(xiàn)了最低的點(diǎn)火油氣比。

表7 添加C7碳?xì)淙剂峡扇颊羝謮号c燃燒下限Table 7 Flammable vapor partial pressure and flammable lower limit of hydrocarbons added with C7

3 結(jié) 論

1) 定量測(cè)定了-40℃到15℃航空煤油RP-3和煤基費(fèi)托F-T氣相組成及比例，確定了影響點(diǎn)火起動(dòng)的關(guān)鍵物質(zhì)是環(huán)烷烴。

2) 通過(guò)在煤基費(fèi)托燃料中添加少量環(huán)烷烴及相同碳數(shù)不同結(jié)構(gòu)C7烴類(lèi)物質(zhì)，對(duì)混合燃料的點(diǎn)火油氣比、蒸氣壓、閃點(diǎn)和燃燒極限進(jìn)行測(cè)試并分析其對(duì)于點(diǎn)火的影響程度。其中環(huán)烷烴對(duì)點(diǎn)火的貢獻(xiàn)作用最大，比未添加的煤基費(fèi)托F-T點(diǎn)火油氣比降低了25.15%，其次是支鏈烷烴和直鏈烷烴，分別降低了22.75%和8.60%。

3) 燃料點(diǎn)火成功除了與揮發(fā)性有關(guān)，與物質(zhì)本身燃燒極限也有關(guān)，最終點(diǎn)火貢獻(xiàn)大小取決于二者綜合作用結(jié)果。當(dāng)供油質(zhì)量固定時(shí)，通過(guò)添加小分子輕烴物質(zhì)能夠有效降低貧油點(diǎn)火油氣比，對(duì)低溫條件煤基費(fèi)托燃料點(diǎn)火起動(dòng)有一定改善作用。