模擬高原環境下無灰助燃劑對柴油機性能的影響

陳 然，熊 云，楊 浩，吳 芃

(解放軍后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶 401331)

模擬高原環境下無灰助燃劑對柴油機性能的影響

陳 然，熊 云，楊 浩，吳 芃

(解放軍后勤工程學院軍事油料應用與管理工程系，重慶 401331)

在大氣模擬試驗裝置上進行了模擬高原環境下柴油機燃用0號柴油和添加無灰助燃劑燃油(1號柴油)的發動機臺架試驗，通過測試功率、燃油消耗率、碳煙等有害物質排放量來評價柴油添加劑節能減排功效。結果表明，柴油機在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，與0號柴油相比，燃用1號柴油時發動機輸出功率升高，燃油消耗率及CO、HC、碳煙排放量降低，NOx排放量略有增加。添加無灰助燃劑可有效提升柴油機的動力性、節省燃料和降低排放，改善發動機的高原適應性。

柴油機 高原 無灰助燃劑 動力性 經濟性 排放性

我國是世界上高原面積最大、海拔最高的國家，其中青藏高原占國土面積的37%，海拔多在3 000～5 300 m。高原地區氣壓低、空氣稀薄、空氣氧含量少、晝夜溫差大，氣候條件惡劣[1-2]。車用柴油機在高原地區運行時，受地理環境和氣候條件的影響，氣缸進氣量減少，過量空氣系數下降，燃燒過程中氧氣供應不足，直接導致發動機的燃燒惡化，其動力性、經濟性和排放性能明顯下降[3-4]。有研究表明，海拔每升高1 000 m，非增壓柴油機功率下降8%～13%，燃油消耗率增加6%～9%；增壓柴油機功率下降1%～8%；油耗增加1%～6%，且隨著海拔升高碳煙排放量增大[5]。如何提高發動機在高原環境下的運行性能、節省燃料和降低黑煙顆粒排放一直是研究的熱點，對改善動力機械的高原適應性、提高軍用動力裝備的隱蔽性、加強運輸和作戰能力具有重要意義。國內外在高原地區通過燃用含氧燃料來改善發動機性能進行了大量探索[6-9]，研究重點是含氧量高的醇、醚和酯類等一系列單一成分有機化合物，往往采用與柴油摻燒方式，添加量比較大，對燃料品質的改進存在局限性，對燃油的理化性能有不利影響[10-11]。相對于含氧燃料，無灰助燃劑主要是以含氧、含氮羧基、醚基、酮基、氨基、硝基等官能團的脂肪族、芳香族、聚合物等有機物組成，可以起到催化助燃作用，促進缺氧條件下燃料的完全燃燒，提高發動機的燃燒效率。目前評價柴油添加劑節能降污功效的方法一般是采用發動機臺架試驗，通過測試功率、節油率、煙度等有害物質排放的變化率來評價柴油添加劑節能減排功效[12]。這種方法直觀準確，但資源損耗和費用較高。為了得到綜合性能較好的無灰助燃添加劑，充分發揮現有添加劑間的交互作用，通過低壓氧彈燃燒法對多種不同類型助燃劑單劑的助燃效能進行模擬評定，篩選出效果較好的添加劑單劑，采用均勻設計的試驗方法進行復合添加劑的配比研究，得到最優配方助燃劑FT和最優添加量[13]。本研究通過在柴油中添加FT，在大氣模擬試驗臺架上進行試驗，研究模擬高原環境下無灰助燃劑對柴油機動力性、經濟性和排放特性的影響。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置

內燃機大氣模擬試驗臺架主要由電渦流測功機系統、燃油供給及燃油消耗測試系統、發動機進氣過濾及進氣壓力控制系統、燃燒分析及排放測試系統組成。圖1為內燃機大氣模擬試驗臺架系統流程示意。試驗臺主要通過進氣壓力模擬裝置，利用節流閥調節進入穩壓箱的空氣體積，同時利用自動控制系統實現進氣壓力的調節，模擬柴油機在高原低氣壓環境下的工作狀態，可模擬海拔范圍0～6 000 m，環境溫度范圍為-40～30 ℃。測功機主要進行柴油機動力性指標的測量，油耗儀主要進行經濟性指標的測量，廢氣分析儀和不透光度計主要是進行排放性指標的測量。試驗用發動機為F6L913型，北內柴油機有限責任公司制造，主要技術參數見表1。

圖1 內燃機大氣模擬試驗臺架系統流程示意

表1 試驗用柴油機的主要參數

參 數指 標發動機型式6缸、風冷、直噴、4沖程缸徑×行程∕(mm×mm)102×125排量∕L6.128壓縮比17∶1額定轉速∕(r·min-1)2200標定功率∕kW74最大轉矩轉速∕(r·min-1)1600

1.2 試驗儀器及燃料

Power Link普聯FC2000發動機測控裝置、GW250電渦流測功機、FC2210智能油耗儀，湘儀動力測試儀器有限公司生產；NHA-506廢氣分析儀、NHT-6不透光度計，佛山南華儀器有限公司生產。

以市售0號車用柴油為試驗用油，理化指標符合GB 19147—2013要求。采用自行研制的無灰助燃添加劑FT，FT是由有機硝酸酯A、胺類化合物B、表面活性劑C按照質量比0.85∶0.2∶1復配而成，將FT按質量分數0.24%(最優添加量)[13]添加到0號柴油中，得到1號柴油。試驗用燃料油的主要理化性質見表2。

1.3 試驗方案

參照GB/T 18297—2001《汽車發動機性能試驗方法》，在發動機結構和參數不做任何調整的條件下進行模擬高原地區柴油機燃用0號和1號柴油時外特性和負荷特性的對比試驗，在內燃機大氣模擬試驗臺架上模擬海拔3 000 m(70 kPa)的大氣環境。外特性試驗是將柴油機調定在標定工況下穩定運轉，使之達到熱平衡，保持油門處于最大位置不變的情況下逐步降低轉速直至1 000 r/min，按200 r/min的等間隔共取7個試驗點，測量燃用0號和1號柴油時功率、燃油消耗率及CO、HC、NOx和碳煙的排放量。負荷特性試驗是選取了代表性工況額定轉速，當柴油機以轉速2 200 r/min運行時，從工況的最大負荷點(扭矩)開始逐漸減小負荷，共取9個試驗點，測量燃用0號和1號柴油時的燃油消耗率及CO、HC、NOx和碳煙的排放量。功率和扭矩是衡量發動機動力性能的重要指標，燃油消耗率是衡量發動機經濟性能的重要指標，CO、HC、NOx和碳煙的排放值是衡量發動機排放性能的重要指標。同一工況條件，以測量指標所有工況點變化率的平均值作為該工況條件下測量指標的平均變化率。為保證試驗結果的準確性，減小誤差，每個工況點重復測量3次，取平均值。試驗時發動機更換燃料后應在怠速狀態運行30 min再進行試驗測試，避免燃料更換對試驗結果造成影響。

表2 試驗用燃料的主要理化性質

2 結果與討論

2.1 無灰助燃劑對發動機動力性的影響

柴油機在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，分別燃用0號和1號柴油時發動機輸出功率對比見圖2。從圖2可以看出：在試驗轉速范圍內，燃用1號柴油發動機的功率大于燃用0號柴油時的功率，燃用1號柴油比燃用0號柴油發動機的功率平均增加3.21%；在中、高轉速條件下工作時，燃用1號柴油比燃用0號柴油發動機的功率增幅加大，說明FT對柴油機動力的提升效果更加明顯，這主要是因為FT在較低溫度下就可分解產生高活性自由基團，促進燃燒鏈式反應的進行，改善柴油的著火性能，提高柴油的熱值，使可燃混合氣在缸內膨脹做功比較充分，燃油釋放更多的熱量，柴油機有效燃燒熱效率提高，輸出功率上升，有效地提升了柴油發動機的動力性。

圖2 燃用0號和1號柴油時發動機輸出功率對比

2.2 無灰助燃劑對發動機經濟性的影響

圖3 燃用0號和1號柴油時燃油消耗率對比

柴油機在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，分別燃用0號和1號柴油時燃油消耗率對比見圖3。從圖3可以看出，外特性試驗在油門全開的情況下，整個轉速范圍內，兩者的曲線變化一致，燃油消耗率隨轉速的增加先降低后升高，在中、低轉速運行時，燃用1號柴油要比0號柴油的耗油率平均下降1.76%。這主要是因為添加FT的1號柴油含有氧，熱值較高，低沸點低黏度促進了燃油混合氣霧化蒸發，降低了全負荷工況條件因高原過量空氣系數變小而導致的燃燒惡化程度，使燃油經濟性得到改善。從圖3還可以看出：發動機燃油消耗率隨著負荷的增大逐漸減少，在所有試驗工況點，燃用1號柴油的燃油消耗率比0號柴油的燃油消耗率平均降低2.68%，這主要是因為FT活化能較低，分解產生大量高活性自由基團和氧原子，促進燃燒鏈式反應的進行，加快燃燒速率，提高了熱效率，燃油經濟性得到改善；在低、中負荷時，燃油消耗率基本一致，而在高負荷時降幅明顯，這是因為隨著負荷增大，過量空氣系數變小，燃燒惡化；FT的加入，提高了燃油的十六烷值和含氧量，同時氣缸溫度較高，燃氣霧化蒸發混合更加均勻，燃燒更加充分，FT的助燃作用更加明顯。

2.3 無灰助燃劑對發動機排放性的影響

圖4 燃用0號和1號柴油時CO排放量對比

2.3.1 對CO排放的影響 柴油機在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，燃用0號和1號柴油時的CO排放量對比見圖4。柴油機中CO的生成一般是由于燃料不完全燃燒導致。從圖4可以看出，隨著轉速的增加，CO排放量逐漸升高，與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時的CO排放量平均下降12.8%。從圖4還可以看出：CO排放量隨著負荷的增大逐漸增大，在低負荷條件下CO排放量較低，在中、高負荷時急劇升高；與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時CO排放量平均下降22.5%。這主要是因為添加FT后，燃油十六烷值提高，改善了著火過程，促進混合氣的形成和燃燒，使燃燒更充分；另一方面，缸內燃燒溫度的升高，CO的氧化條件得到改善，不完全燃燒的現象減少，從而使CO排放量降低。

2.3.2 對HC排放的影響 柴油機在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，燃用0號和1號柴油時的HC排放量對比見圖5。柴油機排氣中的HC一般是由燃料中烴分子、不完全燃燒產物、燃燒過程中部分被分解的產物和再化合的中間產物組成。從圖5可以看出，在整個轉速范圍內，HC排放量相對平緩，與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時的HC排放量平均下降21.6%。從圖5還可以看出：HC排放量隨著負荷的增大變化較為平緩，燃用0號柴油時HC排放量隨負荷的增大略有降低，這是由于過稀的混合氣是柴油機低負荷時HC排放的主要生成源；與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時HC的排放量平均下降16.2%。這主要是因為添加FT后，燃油十六烷值提高，燃燒始點提前，改善了著火過程，延長了HC的氧化時間，燃油易于蒸發混合均勻，燃燒更為充分，燃燒速率加快，使HC排放量降低，而燃用1號柴油時，HC排放量隨負荷增大略有升高，可能是由于無灰助燃劑中的有機成分不完全燃燒產生了部分HC，使得HC排放量略有增加。

圖5 燃用0號和1號柴油時HC排放量對比

2.3.3 對NOx排放的影響 柴油機在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，燃用0號和1號柴油時的NOx排放量對比見圖6。NOx的生成與缸內燃氣的局部溫度、O2的濃度及滯留時間有關。從圖6可以看出，在整個轉速范圍內，燃用1號柴油時的NOx排放量均高于燃用0號柴油時的NOx排放量，平均升高11.6%。從圖6還可以看出，NOx排放量隨著負荷增加逐漸升高，與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時的NOx排放量平均上升7.2%。這主要是由于添加FT后，燃用1號柴油的熱值較高，提高了缸內燃燒溫度，加快了燃燒速率，燃料燃燒更為充分，燃燒火焰溫度升高，導致NOx排放量增加。

圖6 燃用0號和1號柴油時NOx排放量對比

2.3.4 對碳煙排放的影響 柴油機在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，燃用0號和1號柴油時的碳煙排放量對比見圖7。柴油機碳煙是在高溫、高壓燃燒的條件下，局部缺氧、裂解并脫氫而形成的以碳為主要成分的固體微小顆粒，是燃燒室內不完全燃燒的產物。目前，碳煙排放的測量主要采用不透光煙度計，用不透光度表示碳煙的排放量大小，不透光度值越大，碳煙排放越嚴重。從圖7可以看出，隨著轉速的增加，碳煙排放逐漸升高，在整個轉速范圍內，與燃用0號柴油相比，發動機燃用1號柴油的碳煙排放量平均降低11.4%。從圖7還可以看出，碳煙排放量隨著負荷增加逐漸增加，與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時的碳煙排放量平均下降14.5%，最大降幅達20.5%，在中、高負荷時碳煙排放的改善效果更加顯著。這主要是由于添加FT后，改善了柴油的物理活性，低沸點低黏度使燃油易于蒸發混合均勻，燃燒更為充分，減少了燃燒過程中碳煙的形成；FT在高溫下分解產生的活性自由基能加速氧化反應從而促進碳煙氧化，也有效降低了碳煙的排放。

圖7 燃用0號和1號柴油時碳煙排放量對比

3 結 論

(1) 柴油機在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)、外特性試驗轉速1 000～2 200 r/min的條件下，與燃用0號柴油相比，柴油機燃用1號柴油的輸出功率平均升高3.21%，燃油消耗率平均下降1.76%，CO排放量平均下降12.8%，HC排放量平均下降21.6%，碳煙排放量平均下降11.4%，NOx排放量平均升高11.6%。

(2) 柴油機在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)、

2 200 r/min負荷特性試驗(扭矩40～120 N·m)條件下，與燃用0號柴油相比，柴油機燃用1號柴油的燃油消耗率平均下降2.68%，CO排放量平均下降22.5%，HC排放量平均下降16.2%，碳煙排放量平均下降14.5%，NOx排放量平均升高7.2%。

(3) 無灰助燃添加劑FT的使用可以有效提升柴油機的動力性能，改善發動機的高原適應性，具有良好的節能減排功效。

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EFFECT OF ASHLESS COMBUSTION IMPROVER ON DIESEL ENGINE PERFORMANCE UNDER SIMULATED PLATEAU ENVIRONMENT

Chen Ran， Xiong Yun， Yang Hao， Wu Peng

(DepartmentofOilApplicationandManagementEngineering，LogisticalEngineeringUniversity，Chongqing401331)

Using an atmosphere simulation test device， the performance test of diesel engine under simulated plateau environment was conducted. No.1 diesel with ashless combustion improver was tested and its results were compared with No.0 diesel without combustion improver under the same conditions. The engine power， the fuel consumption and the emissions of soot and other harmful substances were evaluated to study the effect of energy-saving and emissions reduction of diesel additives. The results indicate that in comparison with No.0， at simulated altitude of 3 000 m (70 kPa)， the engine output power increases， the fuel consumption rate and CO， HC， soot emission decrease obviously when No.1 diesel is used， while NOxemission increases slightly. Addition of the ashless combustion improver can effectively improve the output power of the engine， save fuel and reduce emissions， resulting in improved plateau adaptability of the engine.

diesel engine； plateau； ashless combustion improver； output power； economy； emission

2015-11-02； 修改稿收到日期：2016-01-06。

陳然，碩士研究生，主要研究方向為軍用油品應用工程和裝備節油技術。

陳然，E-mail:wrchr2@163.com。

軍隊科研計劃項目(YX213J026)。