无灰助燃添加剂对柴油机性能影响的研究*

陈然熊云杨浩吴芃（后勤工程学院军事油料应用与管理工程系重庆401331）



无灰助燃添加剂对柴油机性能影响的研究*

陈然熊云杨浩吴芃
（后勤工程学院军事油料应用与管理工程系重庆401331）

采用F6L913柴油机对无灰助燃剂进行了发动机外特性和负荷特性性能试验，研究了无灰助燃添加剂对柴油机动力性、经济性和排放性的影响。结果表明，在发动机不做任何调整的情况下燃用添加无灰助燃剂的柴油后，与燃用0#柴油相比较，发动机功率平均升高5.12%；燃油消耗率降低，外特性和负荷特性试验分别平均降低2.59%、1.68%；CO、HC、NOx排放显著降低；碳烟排放外特性和负荷特性试验平均分别下降12.8%、26.5%。

柴油机无灰助燃剂动力性经济性排放性

引言

据英国石油公司（BP）最新发布的《2035年全球能源展望》报告指出，从2015年至2035年，全球能源需求将增长37%，其中石油需求将以年均0.8%的速度增长，预计中国将超越美国成为世界上最大的石油消费国。随着世界石油资源危机和环境污染日益严重，节能和减排已成为全球性的重要课题。柴油机的广泛应用使柴油的消耗量不断增加，而国产柴油的品质较差，柴油机普遍存在着耗油量大、燃烧效率低和排放黑烟等问题［1-3］。在燃油中添加助燃剂可以起到催化助燃作用，加快燃烧速度，使燃油燃烧能尽量完全释放，提高燃油利用率，从而降低油耗，减少污染物排放［4-5］。使用助燃剂不用改变发动机结构或增加其他设备装置，因此被认为是一种降低排放和提高经济性的最佳方法［6］。

助燃剂一般可分为两类：一类是含金属或固体非金属氧化物的有灰型助燃剂，一类是含纯有机物的无灰型助燃剂［7-8］。由于无灰型助燃剂燃烧后不产生灰分，不存在二次污染问题，近年来关于无灰型助燃剂的研究较多。一般无灰型助燃剂主要是以含氧、含氮的羧基、醚基、酮基、氨基、硝基等官能团的脂肪族，芳香族，聚合物等取代的单一有机物或多功能复合有机物组成，主要通过其自供氧能力及能在高温下分解产生活性自由基，或具有清净分散、改善燃油雾化性能，因而产生催化助燃和节能作用［8-10］。

目前国内外学者在无灰添加剂对发动机性能影响方面进行了大量研究工作［11-12］，但研究重点大多集中在含氧量高的醇、醚和酯类等单一成分有机化合物上，这类添加剂添加量比较大，对燃料品质的改进存在局限性，对燃油的理化性能有不利影响［13-14］。为了得到综合性能比较好的无灰助燃添加剂，充分发挥现有添加剂间交互作用，通过低压氧弹燃烧法筛选了多种助燃效果较好的添加剂单剂，采用均匀设计的试验方法进行了复合添加剂的配比研究，得到最优配方（BT）和最优添加量。

本文通过在柴油中添加该配方无灰助燃剂（BT），在F6L913型柴油发动机上进行了台架试验，考察了复合添加剂对柴油机动力性、经济性和排放性的影响。

1　试验设备与方案

1.1试验设备

试验用发动机为F6L913型（北内柴油机有限责任公司生产），该机主要技术参数见表1。

表1　试验用柴油机主要技术参数

试验测量设备和仪器主要有：

1）Power Link普联FC2000发动机测控装置；

2）GW250电涡流测功机；

3）FC2210智能油耗仪；

4）FC2010发动机测控仪（湘仪动力测试仪器有限公司生产）；

5）NHA-506废气分析仪；

6）NHT-6不透光度计（佛山南华仪器有限公司）。

1.2试验燃料与方案

试验以市售的中石化0号车用柴油为试验用油，理化指标符合GB 19147—2013。采用自行研制的无灰助燃添加剂BT，BT是由有机硝酸酯A、胺类化合物B、表面活性剂C按照0.85∶0.2∶1（质量比）复配而成，将其按质量分数2.4‰（最优添加量）添加到0号柴油中，搅拌使混合均匀，得到燃油油样1#，与0号柴油（记为0#）进行对比试验。试验用燃料的主要理化性质见表2。

表2　试验用燃料主要理化性质

试验方案参照GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》，在保持柴油机技术参数不变的情况下，对上述两种燃料进行发动机外特性和负荷特性试验。在柴油机稳定工作状态下，测量燃用不同燃料时功率、转速、转矩、油耗及CO、HC、NOx和碳烟排放等。为保证试验结果的准确性，减小误差，每个工况点重复测量3～5次，取平均值，同时发动机更换燃料后应在怠速状态运行30 min再进行试验测试，避免燃料更换对试验结果造成影响。试验选择代表性工况（额定转速2 200 r/min）的负荷特性曲线及外特性曲线对两种燃料的动力性、经济性和排放性进行比较研究。

2　试验结果及分析

2.1无灰助燃剂对发动机动力性的影响

图1给出了柴油机燃用不同燃料的外特性输出功率对比。从图1中可以看出，在整个转速范围内，发动机燃用添加了无灰助燃剂（BT）的1#的功率均大于燃用0#的功率，发动机功率平均增加5.12%，动力性得到较大改善。在中高转速工作时，BT对柴油机动力性的提升效果更加明显，功率最大提高幅度在8%左右。这主要是因为BT可以分解产生活性自由基，促进了燃烧链式反应的进行，加快燃烧速度，使燃气在缸内膨胀做功比较充分，燃油释放更多的热量，柴油机有效燃烧热效率提高，输出功率上升，有效地提升了柴油发动机的动力性。

图1　不同RG值下IGBT的导通时间

2.2无灰助燃剂对发动机经济性的影响

图2给出了柴油机燃用不同燃料的外特性和额定转速2 200 r/min负荷特性工况下的燃油消耗率对比。从图2a）外特性曲线可以看出，在油门全开的情况下，在整个转速范围内，两者的曲线变化趋势相一致，燃油消耗率先是有所下降后迅速上升，燃用1#要比0#的耗油率平均下降2.59%。在中、高转速工作时，燃用1#的燃油消耗率降低幅度较大，这主要是由于在中、高转速情况下，气缸温度较高，燃油分子雾化和蒸发比较快，燃气混合更加均匀，燃烧更加完全充分，无灰助燃剂降低燃油油耗的效果更加明显。

由图2b）转速2 200 r/min负荷特性工况可以看出，两者的曲线变化趋势基本一致，发动机燃油消耗率随着负荷的增加逐渐减少，燃用1#的燃油消耗率比0#有所下降，平均降低1.68%。在低、中负荷时，燃油消耗率下降比较明显，而在高负荷时两者燃油消耗率基本一致，降幅不大。这主要是因为BT在较低温度下就能分解活性自由基，促进链式反应的进行，加快燃烧速度，可以明显改善因为燃料混合、雾化不良而导致的发动机油耗高的现象，提高了燃油经济性。在高负荷情况下，缸内燃料燃烧品质提高，无灰助燃剂对燃油消耗率的改善作用逐渐减小。

图2　　燃油消耗率对比

图3　CO排放对比

2.3无灰助燃剂对发动机排放性的影响

2.3.1对CO排放的影响

图3给出了柴油机燃用不同燃料的外特性和额定转速2 200 r/min负荷特性工况下的CO排放对比。从图3a）外特性曲线可以看出，随着转速的增加，CO排放逐渐升高；与燃用0#相比，柴油机燃用1#时的CO排放降低，平均下降21.3%。由图3b转速2 200 r/min负荷特性工况可以看出，在低负荷条件，CO排放变化不明显，在中高负荷时急剧升高；燃用1#时CO的排放量平均下降35%。这主要是因为添加BT燃油易于蒸发混合，促进混合气的形成和燃烧，使燃烧更充分，不完全燃烧的现象减少，CO排放降低。

2.3.2对HC排放的影响

图4给出了柴油机燃用不同燃料的外特性和额定转速2 200 r/min负荷特性工况下的HC排放对比。从图4a）外特性曲线可以看出，随着转速的增加，HC排放逐渐升高。与燃用0#相比，燃用1#的HC排放大幅度降低，平均下降34.9%，且在中高转速时HC排放下降更为明显。由图4b）转速2 200 r/min负荷特性工况可以看出，随着负荷增加，HC排放变化较为平缓。与燃用0#相比，燃用1#时HC的排放量平均下降37%。这主要是因为添加BT燃油易于蒸发混合均匀，燃烧更为充分，燃烧速率加快，HC排放降低。

2.3.3对NOx排放的影响

图5给出了柴油机燃用不同燃料的外特性和额定转速2 200 r/min负荷特性工况下的NOx排放对比。从图5a）外特性曲线可以看出，随着转速的增加，NOx排放逐渐降低。与燃用0#相比，燃用1#的NOx排放降低，平均下降10.4%。由图5b）转速2 200 r/min负荷特性工况可以看出，随着负荷增加，NOx排放先是急剧升高后降低。与燃用0#相比，燃用1#时的NOx排放量平均下降6%。这可能是由于BT的加入，提高了柴油十六烷值，滞燃期变短，预混燃烧量的减少有助于NOx排放减少。

图4　HC排放的对比

图5　NOx排放的对比

2.3.4对碳烟排放的影响

图6给出了柴油机燃用不同燃料的外特性和额定转速2 200 r/min负荷特性工况下的碳烟排放对比。从图6a）外特性曲线可以看出，随着转速的增加，碳烟排放逐渐升高。在整个转速范围内，与燃用0#相比，发动机燃用1#的碳烟排放有所降低，在低转速和高转速时，下降更为明显，平均降低12.8%。由图6b）转速2 200 r/min负荷特性工况可以看出，随着负荷增加，碳烟排放逐渐增加。与燃用0#相比，燃用1#时的碳烟排放量平均下降26.5%，在中高负荷时对碳烟排放比较显著。这主要是由于添加BT燃油易于蒸发混合均匀，燃烧更为充分，碳烟排放降低。

图6　碳烟排放的对比

3　结论

1）无灰助燃剂BT的使用提高了柴油机的动力性，与燃用0#相比，发动机功率平均提升5.12%；在中高转速工作时，对柴油机动力性的改善效果更加明显。

2）无灰助燃剂BT的使用降低了柴油机燃油消耗，外特性试验燃油消耗率平均下降2.59%，2 200 r/min时负荷特性试验燃油消耗率平均降低1.68%，经济性有所改善。

3）添加了无灰助燃剂BT后，柴油机CO、HC、NOx和碳烟的排放都有显著降低。CO排放外特性试验平均下降21.3%，2 200 r/min时负荷特性试验平均下降35%；HC排放外特性试验平均下降34.9%，2 200 r/min时负荷特性试验平均下降37%；NOx排放外特性试验平均下降10.4%，2 200 r/min时负荷特性试验平均下降6%；碳烟排放外特性试验平均下降12.8%，2 200 r/min时负荷特性试验平均下降26.5%.

1向红，梁正文.车用柴油机的发展前景［J］.交通标准化，2006（12）：141-145

2清华大学中国车用能源研究中心.中国车用能源展望2012［M］.北京：科学出版社，2012

3楼狄明，庞然，谭丕强，等.助燃剂对公交车用柴油机性能影响的研究［J］.车用发动机，2010（5）：40-44

4Kittleson D B.Influence of a fuel additive on the performance and emission of a medium-duty diesel engine［C］.SAE Paper 941015

5熊云，郭小川，刘晓.汽车节油150问［M］.北京：中国石化出版社，2014

6赵光辉，关旭，崔锡红，等.柴油添加剂的现状及发展趋势［J］.化工中间体，2007（10）：15-19

7刘军萍，续彦芳，许俊峰.车用柴油添加剂的发展现状及开发方向［J］.小型内燃机与摩托车，2013，42（2）：90-92

8高永建，陈国需，秦敏，等.燃油助燃剂研究进展［J］.内燃机，2002（4）：3-5

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10张剑，郭和军，刘圣华，等.一种新型柴油机清洁含氧燃料添加剂合成及其应用的研究［J］.内燃机工程，2005，26 （6）：26-29

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13 Deven P.K，Mahalakshmi N.V.A study of the performance emission and combustion characteristics of a compression ignition engine using methyl ester of paradise oil-eucalyptus oil blends［J］.Applied Energy，2009，86（5）：675-680

14Gong Yanfeng，Liu Shenghua，Guo Hejun，et al.A new diesel oxygenate additive and its effects on engine combustion and emissions［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27（1）：202-207

A Study on Effect of Ashless Combustion Supporting Additive on Diesel Engine Performance

Chen Ran，Xiong Yun，Yang Hao，Wu Peng
Department of Oil Application and Management Engineering，Logistical Engineering University（Chongqing，401331，China）

This paper carries out the external and load characteristic experiments with a F6L913 diesel engine to investigate the effect of a newly ashless combustion supporting additive doped in diesel on the power，fuel economy and exhaust gas emission.The results indicated that the engine power increased by 5.12% without any modification of the engine after the experimental fuel was added with ashless combustion supporting additive.The fuel consumption decreased by an average of 2.59%and 1.68%in the external and loadcharacteristicexperiment.MeanwhileCO，HCandNOxemissionsdecreasedobviouslyandthesootemission also decreased by an average of 12.8%and 26.5%in the external and load characteristic experiment. Keywords：Diesel engine，Ashless combustion supporting additive，Power，Economy，Emission

TK421.5

A

2095-8234（2015）06-0038-05

军队科研计划项目（YX213J026）。

陈然（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向为军用装备节油技术。

熊云（1962-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为军用油品应用工程和油料节约技术。

（2015-10-27）