高原環境下新型無灰助燃劑對發動機性能的影響

熊 云， 陳 然， 劉 曉， 范林君， 李 鵬

(1.解放軍后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系， 重慶 401331； 2.駐中石油大連石化公司軍代室， 遼寧 大連 116033)

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高原環境下新型無灰助燃劑對發動機性能的影響

熊 云1， 陳 然2， 劉 曉1， 范林君1， 李 鵬1

(1.解放軍后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系， 重慶 401331； 2.駐中石油大連石化公司軍代室， 遼寧 大連 116033)

采用大氣模擬試驗臺架進行了高原環境下柴油機燃用柴油0#和添加無灰助燃劑燃油1#的外特性和負荷特性試驗，考察了新型無灰助燃添加劑對柴油機高原動力性、經濟性、燃燒和排放性的影響。結果表明，在發動機不作任何調整的情況下，與燃用0#柴油相比較，燃用柴油1#時發動機功率平均升高3.21%；燃油消耗率有所降低，外特性和負荷特性試驗分別平均降低1.76%、2.68%；氣缸壓力、壓力升高率和放熱率峰值分別提高了5.10%、5.14%、7.49%，缸壓峰值出現位置變化不大，壓力升高率峰值和放熱率峰值出現位置前移1～2°CA；滯燃期縮短，燃燒持續期延長；CO、HC和碳煙排放顯著降低，NOx排放有所增加。

柴油機； 高原； 無灰助燃劑； 燃燒； 排放

我國是世界上高原面積最大、海拔最高的國家，其中青藏高原占我國國土面積37%，海拔多在3000～5300 m之間。高原地區氣壓比較低，空氣稀薄、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影響，氣缸進氣量減少，過量空氣系數下降，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]。海拔高度每升高1000 m，非增壓柴油機的功率下降 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%，且碳煙排放量增大[5-6]。提高發動機在高原環境下的性能一直是研究的熱點，對于改善動力機械的高原適應性，提高軍用動力裝備運輸和作戰能力具有重要意義。

在高原地區燃用含氧燃料可改善發動機性能[7-10]。但將含氧量高的醇、醚和酯類等有機化合物與柴油摻燒，添加量較大，對燃料品質的改進存在局限性，對燃油的理化性能也有不利影響[11-12]。無灰助燃劑主要是由含羧基、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。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交互作用，采用低壓氧彈燃燒法[13]篩選了多種助燃效果較好的添加劑，然后采用均勻設計的實驗方法進行復合配比研究，得到最優配方(FT)。筆者在柴油中添加該配方無灰助燃劑(FT)，采用大氣模擬試驗臺架進行對比實驗，深入考察了高原環境下無灰助燃劑對柴油機動力性、經濟性、燃燒和排放特性的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

采用內燃機大氣模擬試驗臺架進行高原環境下柴油機燃用0#柴油和添加無灰助燃劑的1#燃油的外特性和負荷特性研究。圖1為內燃機大氣模擬試驗臺架系統，其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。通過進氣壓力模擬裝置控制發動機進氣壓力來模擬柴油機在不同海拔高度下的工作條件，可模擬海拔范圍0～6000 m。采用的北內柴油機有限責任公司F6L913型發動機的主要技術參數見表1。

測量設備和儀器包括Power Link普聯FC 2000發動機測控裝置、GW250電渦流測功機、FC 2210智能油耗儀，湘儀動力測試儀器有限公司FC 2010發動機測控儀，佛山南華儀器有限公司NHA-506廢氣分析儀、NHT-6不透光度計，瑞士奇石樂儀器有限公司Kistler 6125c缸壓傳感器、Kistler 4067c油管傳感器、Kistler 2613B曲軸信號傳感器和Kibox燃燒分析儀。

圖1 內燃機大氣模擬試驗臺架系統

表1 F6L913型柴油機主要參數

1.2 燃料

中國石化0#車用柴油(記為0#)，市售，理化指標符合GB 19147-2013。無灰助燃添加劑FT，由有機硝酸酯A、胺類化合物B、表面活性劑C按質量比0.85∶0.2∶1復配而成，將其按質量分數0.24%(最優添加量)添加到0#柴油中，混合均勻，得到1#油樣。0#和1#燃料的主要理化性質見表2。

表2 實驗用0#和1#燃料主要理化性質

1.3 實驗方案

參照GB/T 18297-2001《汽車發動機性能試驗方法》，發動機結構和參數不作任何調整，模擬海拔3000 m(70 kPa)的大氣環境，測定高原地區柴油機燃用1#和0#時外特性和負荷特性，比較二者的動力性、經濟性和排放性。發動機額定轉速2200 r/min、100%負荷工況下，測定柴油機分別燃用1#和0#時的燃燒特性。以燃燒總放熱量的5%和95%作為燃燒始點和燃燒終點，供油始點到燃燒始點所對應的曲軸轉角為滯燃期，燃燒始點到燃燒終點所對應曲軸轉角為燃燒持續期。每個工況點重復測量3～5次，取平均值，以減少實驗誤差。同時發動機更換燃料后應在怠速狀態運行30 min后再行測試，避免燃料更換對試驗結果造成影響。

2 結果與討論

2.1 無灰助燃劑FT對發動機動力性的影響

發動機動力性和經濟性是評價柴油機性能的主要技術指標。圖2為發動機在海拔3000 m(70 kPa)分別燃用0#和1#的外特性輸出功率。從圖2可以看出，在整個轉速范圍內，發動機燃用1#的功率均大于燃用0#的功率，發動機功率平均增加3.21%，動力性得到改善。在中、高轉速工作時，FT對柴油機動力的提升效果更加明顯，功率最大提高幅度5.16%左右。FT在較低溫度下就可以分解出高活性自由基團，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，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。

2.2 無灰助燃劑FT對發動機經濟性的影響

燃油消耗率是衡量發動機經濟性能的重要指標。圖3為發動機在海拔3000 m(70 k Pa)燃用1#和0# 的外特性和負荷特性(額定轉速2200 r/min)的燃油消耗率。從圖3(a)可以看出，在油門全開的情況下，整個轉速范圍內，兩者的外特性燃油消耗率均隨轉速增加先降低后升高；在中、低轉速運行時，燃用1#要比0#的耗油率平均下降1.76%。由圖3(b)可以看出，兩者的轉速2200 r/min負荷特性曲線變化一致，發動機燃油消耗率隨著負荷的增加逐漸減少；在所有工況點，燃用1#的燃油消耗率比0#有所下降，平均降低2.68%。在低、中負荷時，燃用0#和1#的燃油消耗率基本一致，而在高負荷時后者降幅明顯。

圖2 燃用0#和1#燃油時發動機的外特性輸出功率

添加FT的1#燃油含氧，在燃燒過程中起到自供氧作用，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；而且FT活化能較低，分解產生大量高活性自由基團和氧原子，加快燃燒速率，提高了熱效率，改善了燃油經濟性。高負荷下，過量空氣系數變小，燃燒惡化，而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FT對發動機燃燒特性的影響

2.3.1 對氣缸壓力及壓力升高率的影響

影響柴油機氣缸壓力的主要因素有滯燃期內可燃混合氣量、燃燒放熱速率等。高原環境下由于空氣稀薄，氣缸進氣量減少，對油氣混合質量有很大影響，參與燃燒的氧含量降低，燃燒不充分，使氣缸壓力降低，燃燒滯后。圖4為發動機在海拔3000 m(70 kPa)條件下，2200 r/min、100%負荷時燃用0#和1#的氣缸壓力和壓力升高率(氣缸壓力圖中出現的“鋸齒形”毛刺是由于安裝缸壓傳感器距離氣缸蓋底平面有一段通道造成)。

圖3 不同工況下燃用0#和1#燃油時發動機的燃油消耗率

圖4 燃用0#和1#燃油時發動機氣缸壓力和壓力升高率

從圖4可以看出，與燃用0#相比，柴油機燃用1#的氣缸壓力有所升高，缸壓峰值由3.92 MPa升為4.12 MPa，升幅為5.10%，缸壓峰值出現位置變化不大。從圖4還可見，柴油機燃用1#的壓力升高率比燃用0#有所提高，壓力升高率峰值由1.36 MPa/(°CA)提高到1.43 MPa/(°CA)，升幅為5.14%，壓力升高率峰值出現位置前移1～2°CA。

FT在較低溫度下就能分解出高活性自由基團，促進燃燒鏈式反應的進行，改善燃油的著火性能，并使燃油燃燒更加充分，在相同時間內釋放更多的熱量，氣缸壓力升高。而燃油燃燒加速度和最大放熱加速度增加，使壓力升高率有所升高，燃燒提前，使壓力升高率峰值出現位置前移。

2.3.2 對滯燃期及燃燒持續期的影響

柴油機滯燃期與燃油的理化性能、霧化性能、氣缸壓力和溫度、噴油提前角等因素有關。在高原環境下，由于發動機進氣溫度較低，進氣密度下降，使得混合氣的溫度下降，氧含量減少，導致滯燃期延長；滯燃期的延長導致預混合燃燒比例的增加，使更多燃料在預混合燃燒階段氧化放熱，而擴散燃燒階段消耗的燃料相對減少，導致燃燒持續期縮短。表3列出了發動機在海拔3000 m(70 kPa)，2200 r/min、100%負荷時燃用0#和1#的滯燃期和燃燒持續期。

由表3可以看出，柴油機燃用1#的滯燃期比0#的滯燃期縮短，減少了8.9%，燃燒持續期增加了7.8%。添加FT后，燃油的十六烷值提高，降低了發火點，有效地改善了柴油的著火性，滯燃期縮短；滯燃期縮短使燃燒始點提前，在發動機工況不變的情況下，擴散燃燒的燃燒量增加，從而使燃燒持續期延長。

表3 燃用0#和1#燃油時滯燃期和燃燒持續期

2.3.3 對放熱率的影響

圖5為發動機在海拔3000 m(70 kPa)，2200 r/min、100%負荷時柴油機燃用0#和1#的放熱率。從圖5可以看出，與燃用0#相比，柴油機燃用1#的放熱率峰值由154.32 J/(°CA)升高到165.88 J/(°CA)，升幅為7.49%，并且放熱率峰值出現位置前移1°CA。柴油機燃用1#燃油時，其中的FT分解出高活性自由基團，促進燃燒鏈式反應的進行，加快燃燒速度，使燃油在相同時間內釋放更多的熱量，致使燃用1#燃油的放熱率峰值有所增高；燃燒和放熱速率加快，使放熱率峰值到達時間略有提前。

2.4 無灰助燃劑FT對發動機排放特性的影響

2.4.1 對CO和HC排放的影響

圖6為發動機在海拔3000 m(70 kPa)條件下，燃用1#和0#時外特性和負荷特性(額定轉速2200 r/min)的CO和HC排放。從圖6(a)可以看出，隨著轉速的增加，CO的排放逐漸升高，而HC的排放相對平緩；與燃用0#相比，柴油機燃用1#時的CO排放降低，平均下降12.8%，HC排放大幅度降低，平均下降21.6%。從圖6(b)可以看出，在低負荷條件，CO排放較低，在中、高負荷時急劇升高，而HC排放變化則相對平緩；燃用1#時CO的排放量平均下降22.5%，HC的排放量平均下降16.2%。添加FT后的燃油十六烷值提高，使燃燒更充分，同時CO和HC的氧化條件得到改善，減少了CO和HC的排放；另一方面，中、高負荷時，缸內溫度升高，混合氣燃燒狀況改善，使得火焰在壁面上的淬熄和局部淬熄的區域變小，抑制了CO和HC的排放。

圖5 發動機燃用0#和1#燃油時的放熱率

圖6 不同工況下燃用0#和1#燃油時CO和HC排放

2.4.2 對NOx和碳煙排放的影響

圖7為發動機在海拔3000 m(70 kPa)條件下，燃用1#和0#時外特性和負荷特性(額定轉速2200 r/min)的NOx和碳煙排放。從圖7(a)可以看出，在整個轉速范圍內，燃用1#的NOx排放均高于0#，平均升高11.6%。從圖7(b)可以看出，隨著負荷增加，NOx排放先是急劇升高后降低；與燃用0#相比，燃用1#時的NOx排放量平均上升7.2%。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。添加FT后的燃油1#的熱值較高，提高了缸內燃燒溫度，加快了燃燒速率，燃燒火焰溫度升高，導致NOx排放增加。

從圖7還可以看出，隨著轉速的增加，碳煙排放逐漸升高；與燃用0#相比，發動機燃用1#的碳煙排放有所降低，平均降低11.4%。隨著負荷增加，碳煙排放逐漸增加，與燃用0#相比，燃用1#時的碳煙排放量平均下降14.5%，最大降幅20.5%，在中、高負荷時對碳煙排放改善比較顯著。添加FT的燃油的空燃比相對變小，減少了缸內油氣混合過程中的混合區，使空氣和燃料混合更加均勻，減少了顆粒物生成；1#燃油含氧促進了已形成的顆粒物的氧化，低沸點低黏度易于蒸發混合均勻，改善了燃油噴射霧化性能，燃燒更為充分，碳煙排放明顯降低。

圖7 不同工況下發動機燃用0#和1#燃油時NOx和碳煙排放

3 結 論

(1) 高原環境下使用添加無灰助燃劑FT的燃油提高了柴油機的動力性。與燃用0#相比，燃用添加FT的1#燃油時，發動機功率平均提升3.21%；在中、高轉速工作時，對柴油機動力的改善效果更加明顯。

(2) 高原環境下使用添加無灰助燃劑FT的燃油降低了柴油機燃油消耗。與燃用0#相比，燃用添加FT的1#燃油時，外特性試驗燃油消耗率平均下降1.76%，2200 r/min時負荷特性試驗燃油消耗率平均降低2.68%，經濟性有所改善。

(3) 高原環境下與燃用0#相比，燃用添加FT的1#燃油時，氣缸壓力、壓力升高率峰值分別提高了5.10%、5.14%，壓力升高率峰值出現位置前移1～2°CA；放熱率峰值提高了7.49%，放熱率峰值出現位置前移1°CA；滯燃期縮短，燃燒持續期延長。無灰助燃劑FT有效地改善了柴油機燃燒狀況。

(4) 高原環境下使用添加無灰助燃劑FT的燃油可以降低柴油機CO、HC和碳煙的排放。與燃用0#相比，燃用添加FT的1#燃油時，CO排放外特性試驗平均下降12.8%，2200 r/min時負荷特性試驗平均下降22.5%；HC排放外特性試驗平均下降21.6%，2200 r/min時負荷特性試驗平均下降16.2%；碳煙排放外特性試驗平均下降11.4%，2200 r/min時負荷特性試驗平均下降14.5%；NOx排放有所增加，外特性試驗平均升高11.6%，2200 r/min 時負荷特性試驗平均升高7.2%。

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Effect of New Ashless Combustion Supporting Additive on theEngine Performance at Plateau Environment

XIONG Yun1， CHEN Ran2， LIU Xiao1， FAN Linjun1， LI Peng1

(1.DepartmentofOilApplicationandManagementEngineering，LogisticalEngineeringUniversity，Chongqing401331，China;2.MilitaryRepresentativeOfficeinPetroChinaDalianPetrochemicalCompany,Dalian116033,China)

By using an atmosphere simulation test platform, the external and load characteristic experiments of diesel engine at plateau environment were carried out with 0# and 1# as fuel to study the effects of newly ashless combustion supporting additive on the power, fuel economy, combustion characteristics and exhaust gas emission of engine. Fuel 1# was the fuel 0# with the addition of newly ashless combustion supporting additive. The results indicated that in comparison to fuelled with 0#,when the engine fuelled with 1#, the engine power was increased by 3.21%, the specific fuel consumption was decreased by the average of 1.76% and 2.68%, respectively, in the external and load characteristic experiment with the increases of maximum cylinder pressure, pressure increase rate and heat release rate for 5.10%, 5.14%, 7.49%. The corresponding position of the maximum cylinder pressure had little change, while the corresponding positions of the pressure increase rate and heat release were advanced by 1-2°CA. The ignition delay period decreased and the combustion duration increased. CO, HC and soot emissions decreased obviously, while NOxemission increased slightly.

diesel engine； plateau； ashless combustion supporting additive； combustion; emission

2015-10-29

軍隊科研計劃項目(YX213J026)資助

熊云，男，教授，博士，研究方向為軍用裝備節油技術和油品應用工程；E-mail： xy0000001@sina.cn

陳然，男，助理工程師，研究方向為軍用裝備節油技術；E-mail： wychr2@163.com

1001-8719(2016)06-1253-07

TK421.7

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2016.06.023