EHN和DTBP對汽柴油PPCI燃燒與排放的影響試驗研究*

張一博　劉會猛　張煜盛　張　旭（華中科技大學能源與動力工程學院湖北武漢430074）

EHN和DTBP對汽柴油PPCI燃燒與排放的影響試驗研究*

張一博劉會猛張煜盛張旭
（華中科技大學能源與動力工程學院湖北武漢430074）

在一臺單缸柴油機不改變噴油參數的條件下，對比研究了硝酸異辛脂（EHN）和二叔丁基過氧化物（DTBP）對汽柴油混合燃料部分預混壓燃（PPCI）燃燒和排放特性的影響。研究結果表明：EHN和DTBP能夠顯著改善汽柴油混合燃料的低負荷著火性能。隨著二者添加比例的提高，燃燒的著火時刻提前，燃燒相位靠近上止點，燃燒放熱集中，缸內最大壓力和最大壓力升高率提高；隨著二者添加比例的提高，NOx的排放增加，未燃HC和CO的排放降低，有效燃油消耗率降低。對比分別添加1%體積分數的EHN和DTBP的試驗結果表明，同比例下EHN對G90低負荷著火能力的促進作用要比DTBP強。

部分預混壓燃EHNDTBP汽柴油燃燒排放

引言

日益嚴格的排放法規使得新型燃燒方式的研究開發成為內燃機領域的工作重點。部分預混壓燃（Partially Premixed Compression Ignition，PPCI）作為均質充量壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）技術的衍生概念，是一種介于HCCI和傳統柴油機壓燃之間的燃燒方式。PPCI通過延長缸內混合氣的滯燃期，使燃料在著火前與空氣更加充分的混合，能提高發動機的功率密度，同時降低氮氧化物和碳煙的排放，實現了發動機在中高負荷下的高效清潔燃燒［1］。

柴油由于具有良好的自燃著火特性，但其揮發性較差，不利于形成良好的均質混合氣，因此不利于PPCI燃燒［2］。研究表明，在柴油機中壓燃汽油能夠實現中高負荷工況下的PPCI燃燒，但在低負荷下不能穩定運轉［3］。通過引入外部能量［4］和使用廢氣再循環［5］等手段，可以解決汽油類燃料在低負荷下著火困難的問題，但這也增加了發動機的額外配制。

低十六烷值燃料由于有更長的滯燃期，因此更適合PPCI燃燒，在其中添加著火促進劑能有效提高其低溫著火性能，成為目前研究的熱點。本文在一臺單缸柴油機上，進行了添加不同種類著火促進劑硝酸異辛脂（EHN）和二叔丁基過氧化物（DTBP）的汽柴油混合燃料的試驗研究，對比分析兩種著火促進劑對汽柴油PPCI燃燒排放特性的影響。

1　試驗裝置和方法

本試驗是在一臺單缸柴油機試驗臺架上進行的，發動機主要技術參數如表1所示。試驗測功裝置為CMU3電渦流測控裝置和CW25-2400/10000電渦流測功機，可對發動機加載扭矩。缸壓數據采集系統由Kistler 6125B型壓電晶體式缸壓傳感器、Kistler 5011B型電荷放大器、磁電式轉速傳感器、凌華PCI-9112多功能數據采集卡及缸壓采集程序組成。油耗測量系統為上海內燃機研究所生產的FCM-D油耗轉速自動測量儀。尾氣分析采用HORIBA-MEXA-584L型廢氣分析儀。

表1　發動機參數

試驗主要研究不同著火促進劑對汽柴油部分預混壓燃燃燒方式的燃燒、排放特性影響，并未對原機噴油參數進行改動，燃料經原發動機的噴油泵、油管和噴嘴直接進入發動機氣缸內。

試驗所用汽柴油混合燃料為武漢市售93#汽油和0號柴油按體積比9：1混合而成，記為G90，純柴油記為D100。著火促進劑為硝酸異辛脂（EHN）和二叔丁基過氧化物（DTBP），二者物性參數如表2所示。試驗時在G90燃料中分別添加0.5%、1%和1.5%體積分數的EHN（分別記為GE0.5、GE1和GE1.5）和0.5%、1%和2%體積分數的DTBP（分別記為GD0.5、GD1和GD2）。發動機轉速為1 400 r/min，其中使用G90燃料時發動機進氣溫度控制在55±1℃，其余燃料試驗時為35±1℃。

表2　EHN與DTBP物性參數

2　EHN對汽柴油PPCI燃燒和排放特性的影響

與G90燃料要在進氣溫度加熱到55℃以上時才能壓燃相比，試驗中添加了硝酸異辛脂（EHN）的三組燃料，在進氣溫度35℃時就能使發動機穩定運轉。

2.1EHN對燃燒特性的影響

由圖1可看出，低負荷時G90的燃燒持續期較長且燃燒相位靠后，這是因為低負荷時循環噴油量少，著火滯燃期相對較長，燃料與空氣的混合較均勻，缸內處于著火濃度稀限附近的混合氣區域較多，由此產生的燃料不完全燃燒比例變大，燃燒效率變低。但在較高負荷時，隨著循環噴油量的增加，缸內溫度升高，燃料噴入氣缸后混合氣有較明顯的分層，較快的燃燒速度使得燃料的著火滯燃期和燃燒持續期變短。

圖1　不同EHN添加比例下缸內壓力和放熱率

在加入0.5%體積分數的EHN時，混合燃料的著火始點和燃燒相位向純柴油接近，隨著添加比例的增加，混合燃料的著火始點和燃燒相位逐漸接近純柴油燃料。EHN的引入能增加混合氣低溫反應階段自由基的濃度從而改善燃料的著火性能，但一旦著火開始，缸內的燃燒便主要取決于燃料自身的性質。EHN在溫度450～550 K范圍內開始發生分解反應，后續反應產物包括甲醛（CH2O）、C7H15NO2、NO、NO2和其它多種自由基，在溫度達到550 K左右時，EHN完全分解［6］。當溫度超過650 K時，C7H15NO2開始分解，進一步增加了CH2O和NO2的濃度，NO2有兩種反應路徑，一種是與CH2O反應，另一種是與燃料分子發生反應，生成HNO2。HNO2發生裂解生成NO和羥基（OH·），OH·的濃度增加促進了低溫反應階段的進行，使得混合氣更快地進入高溫反應階段，進而引發缸內著火［7］。隨著EHN的添加比例增加，尤其是在高負荷下，循環噴油量變大，混合氣中EHN含量較高，較多含量的EHN在高溫下迅速分解釋放自由基，此時燃燒相位在上止點附近，燃燒進行的更加迅速，放熱更集中，放熱率峰值也就更高。

2.2EHN對燃油經濟性的影響

各燃料的有效燃油消耗率隨負荷變化的變化趨勢如圖2所示，添加少量的EHN就能使混合燃料的有效燃油消耗率降低到接近純柴油的水平。圖中各燃料的有效燃油消耗率均隨負荷的提高而降低。在低負荷下，G90燃料的著火滯燃期長，燃燒相位滯后，較低的缸內燃燒溫度使得燃料整體燃燒效率低，增加了有效燃油消耗率；加入EHN后，混合燃料的著火滯燃期縮短，燃燒相位提前，燃燒放熱快，降低了有效燃油消耗率。隨著負荷的提高，缸內燃燒溫度升高使得燃料整體燃燒效率提高，放熱更集中，混合燃料的有效燃油消耗率更加接近純柴油。

圖2　不同負荷下EHN添加量對油耗影響

2.3EHN對排放特性的影響

如圖3所示為EHN添加量對G90燃料不同負荷下NOx、CO和未燃HC排放的影響。

隨著EHN添加量的增加，NOx的排放有所升高，且隨著負荷的提高而增加，這是因為EHN的增加使得混合氣低溫反應階段自由基增加，燃燒初期放熱加快導致缸內溫度提高。但較高的缸內溫度和提前的燃燒相位也降低了CO和未燃HC的排放，并且在高負荷時CO和未燃HC的排放接近于純柴油的排放水平。

圖3　不同負荷下EHN添加比例對排放的影響

3　DTBP對汽柴油PPCI燃燒和排放特性的影響

同EHN一樣，添加DTBP的G90混合燃料在進氣溫度為35℃時就能正常壓燃，DTBP同EHN一樣，對G90燃料PPCI燃燒的低負荷著火性能和發動機運轉穩定性有很好的改善效果。

3.1DTBP對燃燒特性的影響

由圖4可知，DTBP添加量對G90的燃燒特性影響同EHN相似，隨著DTBP添加量的增加缸內燃燒相位向純柴油接近。同EHN一樣，DTBP改善G90低溫著火性能的機理也是通過釋放大量自由基促進混合氣低溫反應階段的進行，從而使得混合氣更快的進入高溫反應階段。DTBP在低溫環境下分解產生叔丁氧基自由基（t-C4H9O），隨后叔丁氧基自由基進一步分解生成甲基自由基和丙酮。丙酮相對穩定，只有在高溫條件下才繼續下一步反應；而甲基自由基則在生成后快速的進行后續反應，最終生成羥基（OH·）和其它燃燒中間產物（如HO2·等），促進了氧化反應的進行。羥基大量產生后與燃料急速的發生反應，放出大量熱量，引發著火［8］。

3.2DTBP對燃油經濟性的影響

如圖5所示為DTBP對燃油經濟性的影響，添加DTBP后，混合燃料的有效燃油消耗率得到顯著的降低，接近于純柴油的油耗水平。

3.3DTBP對排放特性的影響

如圖6所示為DTBP的添加量對G90燃料不同負荷下排放的影響。隨著DTBP添加量的提高，NOx的排放升高，并且隨著負荷的提高而升高；CO和未燃HC的排放降低，在負荷提高時繼續降低，接近于純柴油的排放水平。

圖4　不同DTBP添加比例下缸內壓力和放熱率

圖5　不同負荷下DTBP添加量對油耗影響

4　EHN與DTBP對汽柴油PPCI燃燒影響對比

硝酸異辛脂（EHN）與二叔丁基過氧化物（DTBP）同為十六烷值增強劑，二者對G90燃料的低溫著火性能均有顯著的促進作用，但其對G90燃料PPCI燃燒的燃燒特性的影響卻有一定的差異性。為此，有必要對二者進行對比分析。

圖6　不同負荷下DTBP添加比例對排放的影響

本文選擇分別添加1%體積分數的EHN和DTBP的G90混合燃料GE1和GD1進行對比，同時還對添加了1%體積分數（0.5%EHN+0.5%DTBP）復合添加劑的G90混合燃料（記為GED1）進行了試驗研究，主要對比分析EHN和DTBP對G90的著火促進作用。

圖7所示為GED1、GE1、GD1與G90和純柴油的缸內壓力和放熱率曲線，由圖可知，在低負荷下，G90中加入相同體積分數1%的添加劑后，EHN對混合燃料的著火促進作用最大，DTBP最小，復合添加劑的促燃作用介于二者之間，說明低負荷下1%的 EHN提高G90燃料的十六烷值效果要好于DTBP，此時EHN對缸內混合氣低溫反應階段的促進作用要比DTBP強。

圖7　添加EHN與DTBP后缸內壓力和放熱率對比

3）對比GE1和GD1的試驗結果可知，在低負荷下，EHN對混合燃料的著火促進能力要比DTBP強。同一負荷下，EHN對降低未燃HC和CO排放的效果要比同比例DTBP要好，但與GD1相比，GE1的NOx排放相對較高。

4）復合使用EHN和DTBP后，GED1的著火滯燃期和燃燒相位介于GE1和GD1之間，在本試驗中，復合使用EHN和DTBP對混合燃料低溫著火性能的改善效果介于單獨使用這兩種著火促進劑之間。

5　結論

1）汽柴油混合燃料G90在低負荷下的著火性能較差，在進氣溫度加熱到55℃以上時才能穩定運轉，且發動機的有效燃油消耗率較高。在G90燃料內，分別加入少量的著火促進劑硝酸異辛脂（EHN）和二叔丁基過氧化物（DTBP）后，對G90燃料的低負荷著火性能有很好的改善效果，使得發動機在35℃的進氣溫度下就能穩定運轉，并且降低了發動機的有效燃油消耗率。

2）隨著EHN和DTBP添加量的增加，缸內著火滯燃期逐漸縮短，燃燒相位逐漸提前，缸內最大壓力升高率提高，限制了向高負荷工況下的拓展。加入著火促進劑后，NOx排放有所增加，并且隨著負荷的提高而增加；但未燃HC和CO的排放降低，并且隨著著火促進劑添加量的增加而降低。

1馬帥營，堯命發，童來會，等.汽油/柴油雙燃料高比例預混壓燃燃燒與排放的試驗［J］.內燃機學報，2012，30（1）：1-8

2Pesant L，Forti L，Jeuland N.Effect of fuel characteristics on the performances and emissions of an early-injection LTC/ diesel engine［C］.SAE Paper 2008-01-2408

3Adam Weall，Nick Collings.Gasoline fuelled partially premixed compression ignition in a light duty multi cylinder engine:a study of low load and low speed operation［J］.SAE Int.，2009，2（1）:1574-1586

4Borgqvist P，Tunestal P，Johansson B.Gasoline partially premixed combustion in a light duty engine at low load and idle operating conditions［C］.SAE Paper 2012-01-0687

5Fan Zhang，Hongming Xu，Soheil Zeraati Rezaei，et al.Combustion and emission characteristics of a PPCI engine fuelled with dieseline［C］.SAE Paper 2012-01-1138

6Stein Y.，Yetter R.，Dryer F.，et al.The autoignition behavior of surrogate diesel fuel mixtures and the chemical effects of 2-ethylhexyl nitrate（2-EHN）cetane improver［C］.SAE Paper 1999-01-1504

7Andrew M.Ickes，Stanislav V.Bohac，Dennis N.Assanis. Effect of 2-ethylhexyl nitrate cetane improver on NOxemissions from premixed low-temperature diesel combustion［J］. Energy Fuels，2009，23:4943-4948

8Hu Wang，Adam B.Dempsey，Mingfa Yao，et al.Kinetic and numerical study on the effects of di-tert-butyl peroxide additive on the reactivity of methanol and ethanol［J］.Energy Fuels，2014，28:5480-5488

Experimental Study on the Effects of EHN and DTBP on Dieseline Fuelled PPCI Combustion and Emissions

Zhang Yibo，Liu Huimeng，Zhang Yusheng，Zhang Xu
College of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science&Technology（Wuhan，Hubei，430074，China）

Experiments on the effects of EHN and DTBP on dieseline fuelled PPCI combustion and emissions were carried out with a single-cylinder engine without changing the injection parameters.Results show that EHN and DTBP can significantly enhance the ignitibility of dieseline at low load range.As the additive proportion increases，the start of combustion and combustion phasing are advanced，heat release is concentrated，maximum pressure and maximum pressure rise rate increase，NOxemission increases，UHC and CO emissions reduced，and the specific fuel consumption reduced.Results of EHN and DTBP，both adding 1%volume fraction to G90，show that EHN is more effective on the enhancement of G90 ignition ability than DTBP.

Partially premixed compression，EHN，DTBP，Dieseline，Combustion，Emission

TK411+.71

A

2095-8234（2015）04-0016-07

2015-04-14）

國家自然科學基金資助項目（51176057）。

張一博（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為汽油PPCI燃燒。

劉會猛（1966-），男，副教授，E-mail：hmliu@mail.hust.edu.cn。