EHN和DTBP对汽柴油PPCI燃烧与排放的影响试验研究*

张一博　刘会猛　张煜盛　张　旭（华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074）

EHN和DTBP对汽柴油PPCI燃烧与排放的影响试验研究*

张一博刘会猛张煜盛张旭
（华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074）

在一台单缸柴油机不改变喷油参数的条件下，对比研究了硝酸异辛脂（EHN）和二叔丁基过氧化物（DTBP）对汽柴油混合燃料部分预混压燃（PPCI）燃烧和排放特性的影响。研究结果表明：EHN和DTBP能够显著改善汽柴油混合燃料的低负荷着火性能。随着二者添加比例的提高，燃烧的着火时刻提前，燃烧相位靠近上止点，燃烧放热集中，缸内最大压力和最大压力升高率提高；随着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。对比分别添加1%体积分数的EHN和DTBP的试验结果表明，同比例下EHN对G90低负荷着火能力的促进作用要比DTBP强。

部分预混压燃EHNDTBP汽柴油燃烧排放

引言

日益严格的排放法规使得新型燃烧方式的研究开发成为内燃机领域的工作重点。部分预混压燃（Partially Premixed Compression Ignition，PPCI）作为均质充量压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）技术的衍生概念，是一种介于HCCI和传统柴油机压燃之间的燃烧方式。PPCI通过延长缸内混合气的滞燃期，使燃料在着火前与空气更加充分的混合，能提高发动机的功率密度，同时降低氮氧化物和碳烟的排放，实现了发动机在中高负荷下的高效清洁燃烧［1］。

柴油由于具有良好的自燃着火特性，但其挥发性较差，不利于形成良好的均质混合气，因此不利于PPCI燃烧［2］。研究表明，在柴油机中压燃汽油能够实现中高负荷工况下的PPCI燃烧，但在低负荷下不能稳定运转［3］。通过引入外部能量［4］和使用废气再循环［5］等手段，可以解决汽油类燃料在低负荷下着火困难的问题，但这也增加了发动机的额外配制。

低十六烷值燃料由于有更长的滞燃期，因此更适合PPCI燃烧，在其中添加着火促进剂能有效提高其低温着火性能，成为目前研究的热点。本文在一台单缸柴油机上，进行了添加不同种类着火促进剂硝酸异辛脂（EHN）和二叔丁基过氧化物（DTBP）的汽柴油混合燃料的试验研究，对比分析两种着火促进剂对汽柴油PPCI燃烧排放特性的影响。

1　试验装置和方法

本试验是在一台单缸柴油机试验台架上进行的，发动机主要技术参数如表1所示。试验测功装置为CMU3电涡流测控装置和CW25-2400/10000电涡流测功机，可对发动机加载扭矩。缸压数据采集系统由Kistler 6125B型压电晶体式缸压传感器、Kistler 5011B型电荷放大器、磁电式转速传感器、凌华PCI-9112多功能数据采集卡及缸压采集程序组成。油耗测量系统为上海内燃机研究所生产的FCM-D油耗转速自动测量仪。尾气分析采用HORIBA-MEXA-584L型废气分析仪。

表1　发动机参数

试验主要研究不同着火促进剂对汽柴油部分预混压燃燃烧方式的燃烧、排放特性影响，并未对原机喷油参数进行改动，燃料经原发动机的喷油泵、油管和喷嘴直接进入发动机气缸内。

试验所用汽柴油混合燃料为武汉市售93#汽油和0号柴油按体积比9：1混合而成，记为G90，纯柴油记为D100。着火促进剂为硝酸异辛脂（EHN）和二叔丁基过氧化物（DTBP），二者物性参数如表2所示。试验时在G90燃料中分别添加0.5%、1%和1.5%体积分数的EHN（分别记为GE0.5、GE1和GE1.5）和0.5%、1%和2%体积分数的DTBP（分别记为GD0.5、GD1和GD2）。发动机转速为1 400 r/min，其中使用G90燃料时发动机进气温度控制在55±1℃，其余燃料试验时为35±1℃。

表2　EHN与DTBP物性参数

2　EHN对汽柴油PPCI燃烧和排放特性的影响

与G90燃料要在进气温度加热到55℃以上时才能压燃相比，试验中添加了硝酸异辛脂（EHN）的三组燃料，在进气温度35℃时就能使发动机稳定运转。

2.1EHN对燃烧特性的影响

由图1可看出，低负荷时G90的燃烧持续期较长且燃烧相位靠后，这是因为低负荷时循环喷油量少，着火滞燃期相对较长，燃料与空气的混合较均匀，缸内处于着火浓度稀限附近的混合气区域较多，由此产生的燃料不完全燃烧比例变大，燃烧效率变低。但在较高负荷时，随着循环喷油量的增加，缸内温度升高，燃料喷入气缸后混合气有较明显的分层，较快的燃烧速度使得燃料的着火滞燃期和燃烧持续期变短。

图1　不同EHN添加比例下缸内压力和放热率

在加入0.5%体积分数的EHN时，混合燃料的着火始点和燃烧相位向纯柴油接近，随着添加比例的增加，混合燃料的着火始点和燃烧相位逐渐接近纯柴油燃料。EHN的引入能增加混合气低温反应阶段自由基的浓度从而改善燃料的着火性能，但一旦着火开始，缸内的燃烧便主要取决于燃料自身的性质。EHN在温度450～550 K范围内开始发生分解反应，后续反应产物包括甲醛（CH2O）、C7H15NO2、NO、NO2和其它多种自由基，在温度达到550 K左右时，EHN完全分解［6］。当温度超过650 K时，C7H15NO2开始分解，进一步增加了CH2O和NO2的浓度，NO2有两种反应路径，一种是与CH2O反应，另一种是与燃料分子发生反应，生成HNO2。HNO2发生裂解生成NO和羟基（OH·），OH·的浓度增加促进了低温反应阶段的进行，使得混合气更快地进入高温反应阶段，进而引发缸内着火［7］。随着EHN的添加比例增加，尤其是在高负荷下，循环喷油量变大，混合气中EHN含量较高，较多含量的EHN在高温下迅速分解释放自由基，此时燃烧相位在上止点附近，燃烧进行的更加迅速，放热更集中，放热率峰值也就更高。

2.2EHN对燃油经济性的影响

各燃料的有效燃油消耗率随负荷变化的变化趋势如图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纯柴油的水平。图中各燃料的有效燃油消耗率均随负荷的提高而降低。在低负荷下，G90燃料的着火滞燃期长，燃烧相位滞后，较低的缸内燃烧温度使得燃料整体燃烧效率低，增加了有效燃油消耗率；加入EHN后，混合燃料的着火滞燃期缩短，燃烧相位提前，燃烧放热快，降低了有效燃油消耗率。随着负荷的提高，缸内燃烧温度升高使得燃料整体燃烧效率提高，放热更集中，混合燃料的有效燃油消耗率更加接近纯柴油。

图2　不同负荷下EHN添加量对油耗影响

2.3EHN对排放特性的影响

如图3所示为EHN添加量对G90燃料不同负荷下NOx、CO和未燃HC排放的影响。

随着EHN添加量的增加，NOx的排放有所升高，且随着负荷的提高而增加，这是因为EHN的增加使得混合气低温反应阶段自由基增加，燃烧初期放热加快导致缸内温度提高。但较高的缸内温度和提前的燃烧相位也降低了CO和未燃HC的排放，并且在高负荷时CO和未燃HC的排放接近于纯柴油的排放水平。

图3　不同负荷下EHN添加比例对排放的影响

3　DTBP对汽柴油PPCI燃烧和排放特性的影响

同EHN一样，添加DTBP的G90混合燃料在进气温度为35℃时就能正常压燃，DTBP同EHN一样，对G90燃料PPCI燃烧的低负荷着火性能和发动机运转稳定性有很好的改善效果。

3.1DTBP对燃烧特性的影响

由图4可知，DTBP添加量对G90的燃烧特性影响同EHN相似，随着DTBP添加量的增加缸内燃烧相位向纯柴油接近。同EHN一样，DTBP改善G90低温着火性能的机理也是通过释放大量自由基促进混合气低温反应阶段的进行，从而使得混合气更快的进入高温反应阶段。DTBP在低温环境下分解产生叔丁氧基自由基（t-C4H9O），随后叔丁氧基自由基进一步分解生成甲基自由基和丙酮。丙酮相对稳定，只有在高温条件下才继续下一步反应；而甲基自由基则在生成后快速的进行后续反应，最终生成羟基（OH·）和其它燃烧中间产物（如HO2·等），促进了氧化反应的进行。羟基大量产生后与燃料急速的发生反应，放出大量热量，引发着火［8］。

3.2DTBP对燃油经济性的影响

如图5所示为DTBP对燃油经济性的影响，添加DTBP后，混合燃料的有效燃油消耗率得到显著的降低，接近于纯柴油的油耗水平。

3.3DTBP对排放特性的影响

如图6所示为DTBP的添加量对G90燃料不同负荷下排放的影响。随着DTBP添加量的提高，NOx的排放升高，并且随着负荷的提高而升高；CO和未燃HC的排放降低，在负荷提高时继续降低，接近于纯柴油的排放水平。

图4　不同DTBP添加比例下缸内压力和放热率

图5　不同负荷下DTBP添加量对油耗影响

4　EHN与DTBP对汽柴油PPCI燃烧影响对比

硝酸异辛脂（EHN）与二叔丁基过氧化物（DTBP）同为十六烷值增强剂，二者对G90燃料的低温着火性能均有显著的促进作用，但其对G90燃料PPCI燃烧的燃烧特性的影响却有一定的差异性。为此，有必要对二者进行对比分析。

图6　不同负荷下DTBP添加比例对排放的影响

本文选择分别添加1%体积分数的EHN和DTBP的G90混合燃料GE1和GD1进行对比，同时还对添加了1%体积分数（0.5%EHN+0.5%DTBP）复合添加剂的G90混合燃料（记为GED1）进行了试验研究，主要对比分析EHN和DTBP对G90的着火促进作用。

图7所示为GED1、GE1、GD1与G90和纯柴油的缸内压力和放热率曲线，由图可知，在低负荷下，G90中加入相同体积分数1%的添加剂后，EHN对混合燃料的着火促进作用最大，DTBP最小，复合添加剂的促燃作用介于二者之间，说明低负荷下1%的 EHN提高G90燃料的十六烷值效果要好于DTBP，此时EHN对缸内混合气低温反应阶段的促进作用要比DTBP强。

图7　添加EHN与DTBP后缸内压力和放热率对比

3）对比GE1和GD1的试验结果可知，在低负荷下，EHN对混合燃料的着火促进能力要比DTBP强。同一负荷下，EHN对降低未燃HC和CO排放的效果要比同比例DTBP要好，但与GD1相比，GE1的NOx排放相对较高。

4）复合使用EHN和DTBP后，GED1的着火滞燃期和燃烧相位介于GE1和GD1之间，在本试验中，复合使用EHN和DTBP对混合燃料低温着火性能的改善效果介于单独使用这两种着火促进剂之间。

5　结论

1）汽柴油混合燃料G90在低负荷下的着火性能较差，在进气温度加热到55℃以上时才能稳定运转，且发动机的有效燃油消耗率较高。在G90燃料内，分别加入少量的着火促进剂硝酸异辛脂（EHN）和二叔丁基过氧化物（DTBP）后，对G90燃料的低负荷着火性能有很好的改善效果，使得发动机在35℃的进气温度下就能稳定运转，并且降低了发动机的有效燃油消耗率。

2）随着EHN和DTBP添加量的增加，缸内着火滞燃期逐渐缩短，燃烧相位逐渐提前，缸内最大压力升高率提高，限制了向高负荷工况下的拓展。加入着火促进剂后，NOx排放有所增加，并且随着负荷的提高而增加；但未燃HC和CO的排放降低，并且随着着火促进剂添加量的增加而降低。

1马帅营，尧命发，童来会，等.汽油/柴油双燃料高比例预混压燃燃烧与排放的试验［J］.内燃机学报，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）

国家自然科学基金资助项目（51176057）。

张一博（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为汽油PPCI燃烧。

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