高原环境下无灰助燃剂对柴油机燃烧性能影响的研究*

陈然　熊云　刘卫军　吴芃（.中国人民解放军后勤工程学院，重庆4033；.6569部队，齐齐哈尔6000）



高原环境下无灰助燃剂对柴油机燃烧性能影响的研究*

陈然1熊云1刘卫军2吴芃1
（1.中国人民解放军后勤工程学院，重庆401331；2.65169部队，齐齐哈尔161000）

【摘要】在大气模拟试验台架上进行高原环境下柴油机燃用车用柴油（0#）和添加无灰助燃剂燃油（1#）的燃烧特性试验，测量在标定转速、最大转矩转速时柴油机燃用0#和1#燃油的示功图，研究无灰助燃剂对柴油机燃烧过程的影响。结果表明，与燃用0#燃油相比，在标定工况下柴油机燃用1#燃油时的气缸压力、压力升高率和放热率峰值分别提高5.10%、5.14%、7.49%，在最大转矩工况下分别提高4.64%、4.34%、5.09%，且滞燃期缩短，燃烧持续期延长。

1　前言

高原地区气压低，空气稀薄，空气含氧量少，昼夜温差大，气候条件恶劣［1，2］。车用柴油机在高原地区运行时，受地理环境和气候条件影响，进气量减少，过量空气系数下降，燃烧过程中氧气供应不足，将直接导致发动机的燃烧恶化，其动力性、经济性和排放性能明显下降［3，4］。有研究表明，海拔高度每升高1 000 m，非增压柴油机的功率下降8%～13%，燃油消耗率增加6%～9%；增压柴油机功率下降1%～8%，油耗增加1%～6%，且随着海拔升高碳烟排放量增大［5，6］。

国内、外在高原地区通过燃用含氧燃料来改善发动机性能进行了大量探索［7～10］，研究重点是将含氧量高的醇、醚和酯类等单一成分有机化合物与柴油掺烧，但因其添加量比较大，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［11，12］。相对于含氧燃料，无灰助燃剂主要是以含氧/氮的羧基、醚基、酮基、氨基、硝基等官能团的脂肪族、芳香族、聚合物等有机物组成，可以起到催化助燃作用，促进缺氧条件下燃料的完全燃烧，提高发动机的燃烧效率。为了得到综合性能较好的无灰助燃添加剂，通过低压氧弹燃烧法［13］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复合添加剂的配比研究，得到最优配方和最优添加量。本文通过在柴油中添加该配方无灰助燃剂（FT），在大气模拟试验台架上进行对比试验，以研究在高原环境下无灰助燃剂对柴油着火特性和燃烧过程的影响。

2　试验装置及试验方案

2.1试验装置

试验在内燃机大气模拟试验台架上进行，其主要由电涡流测功机系统、燃油供给及消耗测试系统、发动机进气过滤及进气压力控制系统、燃烧分析及排放测试系统组成。图1为内燃机大气模拟试验台架系统组成。该试验台主要利用节流阀调节进入稳压箱的空气体积，同时利用自动控制系统实现进气压力的调节，模拟柴油机在高原低气压环境下的工作状态。可模拟海拔范围为0～6 000 m，环境温度范围为-40～30℃。平原大气压力为101 kPa，海拔3 000 m处的大气压力即为70 kPa。试验用发动机为F6L913型（北京北内柴油机有限责任公司生产），其主要技术参数见表1。

图1　内燃机大气模拟试验台架系统组成

表1　试验用柴油机主要参数

试验测量设备和仪器主要有：

湘仪动力测试仪器有限公司的Power Link普联FC2000发动机测控装置、GW250电涡流测功机、FC2210智能油耗仪；瑞士奇石乐仪器有限公司的Kis⁃tler6125c缸压传感器、Kistler4067c油管传感器、Kis⁃tler2613B曲轴信号传感器、Kibox燃烧分析仪。

2.2试验燃料

试验以市售的中石化0号车用柴油（记为0#）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FT，FT是由有机硝酸酯A、胺类化合物B、表面活性剂C按照质量比为0.85∶0.2∶1复配而成，将其按质量分数2.4‰（最优添加量）添加到0#柴油中，得到油样记为1#，并搅拌使混合均匀，与0#柴油进行对比试验。试验用燃料的主要理化性质比较见表2。

表2　试验燃料理化性质

2.3试验方案

试验方案参照GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》，在发动机结构和参数不做任何调整条件下，在内燃机大气模拟试验台架上模拟海拔3 000 m的大气环境。选取发动机额定转速和最大转矩转速下的25%、100%负荷4个工况点，比较研究柴油机分别燃用0#和1#燃油时的燃烧特性。该试验以燃烧总放热量的5%和95%作为燃烧始点和燃烧终点，供油始点到燃烧始点所对应的曲轴转角为滞燃期，燃烧始点到燃烧终点所对应曲轴转角为燃烧持续期。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。

3　试验结果及分析

3.1燃烧特征参数

表3为发动机在海拔3 000 m条件下，在不同工况点时燃用0#和1#燃油的燃烧特征参数。由表3可以看出，相同转速条件下，气缸压力、压力升高率、放热率峰值随负荷的增大而增加；相同负荷条件下，转速1 600 r/min的气缸压力峰值相对较高，转速2 200 r/min的压力升高率和放热率峰值相对较高。与燃用0#燃油相比，柴油机燃用1#的气缸压力、压力升高率、放热率峰值都有所提高，当工况为1 600 r/min、100%负荷时，气缸压力、压力升高率、放热率峰值分别提高4.64%、4.34%、5.09%；当工况为2 200 r/min、100%负荷时，气缸压力、压力升高率、瞬时放热率峰值分别提高5.10%、5.14%、7.49%。

表3　燃烧特征参数

3.2气缸压力和压力升高率

图2为发动机在海拔3 000 m条件下，在不同工况点时燃用0#和1#燃油的气缸压力及压力升高率比较，其中气缸压力出现的“锯齿形”毛刺是由于气缸压力传感器距离气缸盖底平面有一段通道造成的。影响柴油机气缸压力的主要因素有滞燃期内可燃混合气量、燃烧放热速率等。高原环境下由于空气稀薄，气缸进气量减少，对油气混合质量有很大影响，参与燃烧的氧含量降低，燃烧不充分，使气缸压力降低，燃烧滞后。

图2　气缸压力和压力升高率比较

从图2可以看出，在1 600 r/min、2 200 r/min转速下，与燃用0#燃油相比，柴油机燃用1#燃料油的气缸压力有所升高，气缸压力峰值出现位置变化不大，FT在高负荷下对柴油机气缸压力的改善作用比低负荷下更加明显。这主要是因为添加FT后，其在较低温度下就可以分解的高活性自由基团和氧原子能够促进燃烧链式反应的进行，改善了燃油的着火性能，加快燃烧速度，使燃油燃烧更加充分，在相同时间内释放更多的热量，气缸压力升高。从图2还可以看出，柴油机燃用1#燃油的压力升高率比燃用0#有所提高，压力升高率峰值出现位置均前移1°～2°。这主要是由于添加FT后，燃油燃烧加速度和最大放热加速度增加，燃料燃烧速度加快，使压力升高率有所升高，燃烧提前。

3.3滞燃期

图3为发动机在海拔3 000 m条件下，在不同工况点时燃用0#和1#燃油的滞燃期比较。柴油机滞燃期与燃油的理化性能、雾化性能、气缸压力、温度、喷油提前角等因素有关。在高原环境下，由于发动机进气温度较低，进气密度下降，使得混合气的温度下降，氧含量减少，导致滞燃期延长。从图3可以看出，所有工况条件下，柴油机燃用1#燃油的滞燃期比0#缩短，在1 600 r/min、100%负荷时，滞燃期从13.5°减少到12.6°，减少了6.7%；在2 200 r/min、100%负荷时，滞燃期从12.4°减少到11.3°，减少了8.9%。这主要是因为添加FT后，燃油的十六烷值提高，降低了着火点，使着火反应提前开始，滞燃期缩短。从负荷特性还可以看出，滞燃期随转速的增加而降低，随负荷的增加而缩短，这主要是由于负荷的增加使循环供油量增加，气缸内的温度升高，使可燃混合气的物理、化学反应准备时间变短，着火提前，滞燃期缩短。

图3　滞燃期比较

3.4燃烧持续期

图4为发动机在海拔3 000 m条件下，在不同工况点时燃用0#和1#燃油的燃烧持续期比较，在高原环境下，由于进气量减少，滞燃期的延长导致预混合燃烧比例增加，使更多燃料在预混合燃烧阶段氧化放热，而扩散燃烧阶段消耗的燃料相对减少，导致燃烧持续期缩短。从图4中可以看出，柴油机燃用1#燃油的燃烧持续期比0#有所延长，在1 600 r/min、100%负荷时，燃烧持续期从24.76°延长到26.27°，增加了6.1%；在2200 r/min、100%负荷时，燃烧持续期从27.33°延长到29.46°，增加了7.8%。这主要是因为添加FT后，提高了燃油的十六烷值，使滞燃期缩短，燃烧始点提前，在发动机工况不变的情况下，扩散燃烧的燃烧量增加，从而使燃烧持续期延长。从负荷特性还可以看出，燃烧持续期随着负荷的增加而延长，这主要是由于在同转速条件下，负荷增加，喷油持续期延长，所以相应的燃烧持续期也延长。

图4　燃烧持续期比较

3.5放热率

图5为发动机在海拔3 000 m条件下，在不同工况点时燃用0#和1#燃油的放热率比较。从图5中可以看出，与燃用0#燃油相比，柴油机燃用1#的放热率峰值有所升高，而且随着负荷的变化有所变化，在小负荷条件下，升高幅度较小，在较高负荷条件下，升高幅度相对较大。这主要是因为添加FT后，其分解的高活性自由基团能够促进燃烧链式反应的进行，加快燃烧速度，使燃油在相同时间内释放更多的热量，致使燃用1#燃油的放热率峰值有所增高。在4种不同工况条件下，燃用1#燃油的放热率峰值出现位置均前移1°。这主要是由于添加FT后，燃油燃烧加速度和最大放热加速度增加，燃烧和放热速度加快，瞬时放热率峰值到达时间略有提前。

图5　瞬时放热率比较

4　结束语

a.在高原海拔3 000 m，工况为1 600 r/min、100%负荷时，与燃用0#燃油相比，柴油机燃用1#的气缸压力、压力升高率峰值分别提高了4.64%、4.34%；当工况为2 200 r/min、100%负荷时，气缸压力、压力升高率峰值分别提高了5.10%、5.14%。气缸压力峰值出现位置变化不大，压力升高率峰值出现位置都前移1°～2°。

b.在高原海拔3 000 m，工况为1 600 r/min、100%负荷时，与燃用0#燃油相比，柴油机燃用1#时，滞燃期从13.5°减少到12.6°，减少了6.7%，燃烧持续期从24.2°增加到26.4°，增加了9.1%；当工况为2 200 r/min、100%负荷时，滞燃期从12.4°减少到11.3°，减少了8.9%，燃烧持续期从26.2°增加到29.4°，增加了12.2%。

c.在高原海拔3 000 m，工况为1 600 r/min、100%负荷时，与燃用0#燃油相比，柴油机燃用1#的放热率峰值提高了5.09%；当工况为2 200 r/min、100%负荷时，放热率峰值提高了7.49%，放热率峰值出现位置均前移1°。

d.在高原环境下，FT改善了车用柴油机的燃烧状况，促进了燃油的着火性，提高了燃料燃烧速度，释放出更多热量，提升了发动机的高原适应性；该助燃剂对柴油机高转速高负荷工况下燃油燃烧过程的改善较低转速低负荷更加明显。

参考文献

1刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究.北京：北京理工大学出版社，2013.

2周广猛，刘瑞林，董素荣.柴油机高原环境适应性研究综述.车用发动机，2013（4）：1～5.

3叶有义，刘振志，张伟明.高原环境对军用油料装备柴油动力性能影响分析.后勤工程学院学报，2004，20（1）：79～81.

4曾洪.玉柴高原型柴油机的研制开发.内燃机，2011（2）：1～5.

5张永虎.高海拔下发动机富氧进气性能及应用研究：［学位论文］.重庆：后勤工程学院，2011：30～35.

6张志强，何勇灵，韩志强.高原环境对车用柴油机的影响分析及对策.装备环境工程，2009，6（2）：27～31.

7刘少华，申立中，毕玉华.燃料含氧量在不同海拔下对柴油机性能的影响.内燃机学报，2012，30（4）：316～321.

8颜文胜，陈泓，申立中.不同大气压力下E15含水乙醇/柴油对柴油机性能与排放的影响.内燃机工程，2012，33 （1）：38～43.

9刘少华，申立中，张生斌.BED混合燃料稳定性及对高原地区发动机性能影响的研究.汽车工程，2012，34（9）：816～820.

10李建军，汪溪.改善高原地区柴油机燃烧状况的主要措施.农机化研究，2003（4）：202～203.

11DEVAN P K，MAHALAKSHMIN V.A Study of the Perfor⁃mance Emission and Combustion Characteristics of a Com⁃pression Ignition Engine Using Methyl Ester of Paradise Oil eucalyptus Oil Blends.Applied Energy，2009（86）：675～680.

12Gong Yanfeng，Liu Shenghua，Guo Hejun.A New Diesel Oxygenate Additive and its Effects on Engine Combustion and Emissions.Applied Thermal Engineering，2007，27：202～207.

13廖梓珺，陈国需，赵立涛.基于低压氧弹燃烧法评定柴油添加剂的节能降污功效.石油学报（石油加工），2010，26 （2）：268～271.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年1月1日。

主题词：柴油机无灰助燃剂高原环境燃烧性能

Study on Effect of Ashless Combustion Improver on Combustion Characteristics of Engine at Plateau

Chen Ran1，Xiong Yun1，Liu Weijun2，Wu Peng1
（1.Logistical Engineering University，PLA，Chongqing 401331；2.Unit 65169，Qiqihaer 161000）

【Abstract】Using an atmosphere simulation test platform，We make the combustion characteristics test of diesel engine at plateau environment when the diesel engine is fueled with diesel fuel（0#）and adding ashless combustion improver（1#）.The indicator diagram of different fuels is measured at the speed of maximum torque and rated speed，and the influence of ashless combustion improver on the combustion process of diesel engine is investigated.The results show that compared with fuel 0#，the maximum cylinder pressure，pressure increase rate and heat release peak are increased by 5.10%，5.14%and 7.49%on average when the engine fueled with 1#at rated condition，and which are increased by 4.64%，4.34%and 5.09%on average at maximum torque condition，and the ignition delay period shortens whereas combustion duration period lengthens.

Key words:Diesel engine，Ashless combustion improver，Plateau，Combustion characteristics

中图分类号：U464

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）05-0021-05

*基金项目：军队科研计划项目（YX213J026）；重庆市科技攻关计划项目（cstc2012yg-yyjs5008）。