高原环境下新型无灰助燃剂对发动机性能的影响

熊 云， 陈 然， 刘 晓， 范林君， 李 鹏

(1.解放军后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系， 重庆 401331； 2.驻中石油大连石化公司军代室， 辽宁 大连 116033)



高原环境下新型无灰助燃剂对发动机性能的影响

熊 云1， 陈 然2， 刘 晓1， 范林君1， 李 鹏1

(1.解放军后勤工程学院 军事油料应用与管理工程系， 重庆 401331； 2.驻中石油大连石化公司军代室， 辽宁 大连 116033)

采用大气模拟试验台架进行了高原环境下柴油机燃用柴油0#和添加无灰助燃剂燃油1#的外特性和负荷特性试验，考察了新型无灰助燃添加剂对柴油机高原动力性、经济性、燃烧和排放性的影响。结果表明，在发动机不作任何调整的情况下，与燃用0#柴油相比较，燃用柴油1#时发动机功率平均升高3.21%；燃油消耗率有所降低，外特性和负荷特性试验分别平均降低1.76%、2.68%；气缸压力、压力升高率和放热率峰值分别提高了5.10%、5.14%、7.49%，缸压峰值出现位置变化不大，压力升高率峰值和放热率峰值出现位置前移1～2°CA；滞燃期缩短，燃烧持续期延长；CO、HC和碳烟排放显著降低，NOx排放有所增加。

柴油机； 高原； 无灰助燃剂； 燃烧； 排放

我国是世界上高原面积最大、海拔最高的国家，其中青藏高原占我国国土面积37%，海拔多在3000～5300 m之间。高原地区气压比较低，空气稀薄、氧含量少，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，气缸进气量减少，过量空气系数下降，氧气供应不足，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]。海拔高度每升高1000 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%，且碳烟排放量增大[5-6]。提高发动机在高原环境下的性能一直是研究的热点，对于改善动力机械的高原适应性，提高军用动力装备运输和作战能力具有重要意义。

在高原地区燃用含氧燃料可改善发动机性能[7-10]。但将含氧量高的醇、醚和酯类等有机化合物与柴油掺烧，添加量较大，对燃料品质的改进存在局限性，对燃油的理化性能也有不利影响[11-12]。无灰助燃剂主要是由含羧基、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，充分发挥现有添加剂间交互作用，采用低压氧弹燃烧法[13]筛选了多种助燃效果较好的添加剂，然后采用均匀设计的实验方法进行复合配比研究，得到最优配方(FT)。笔者在柴油中添加该配方无灰助燃剂(FT)，采用大气模拟试验台架进行对比实验，深入考察了高原环境下无灰助燃剂对柴油机动力性、经济性、燃烧和排放特性的影响。

1 实验部分

1.1 实验装置

采用内燃机大气模拟试验台架进行高原环境下柴油机燃用0#柴油和添加无灰助燃剂的1#燃油的外特性和负荷特性研究。图1为内燃机大气模拟试验台架系统，其主要由电涡流测功机系统、燃油供给及燃油消耗测试系统、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。通过进气压力模拟装置控制发动机进气压力来模拟柴油机在不同海拔高度下的工作条件，可模拟海拔范围0～6000 m。采用的北内柴油机有限责任公司F6L913型发动机的主要技术参数见表1。

测量设备和仪器包括Power Link普联FC 2000发动机测控装置、GW250电涡流测功机、FC 2210智能油耗仪，湘仪动力测试仪器有限公司FC 2010发动机测控仪，佛山南华仪器有限公司NHA-506废气分析仪、NHT-6不透光度计，瑞士奇石乐仪器有限公司Kistler 6125c缸压传感器、Kistler 4067c油管传感器、Kistler 2613B曲轴信号传感器和Kibox燃烧分析仪。

图1 内燃机大气模拟试验台架系统

表1 F6L913型柴油机主要参数

1.2 燃料

中国石化0#车用柴油(记为0#)，市售，理化指标符合GB 19147-2013。无灰助燃添加剂FT，由有机硝酸酯A、胺类化合物B、表面活性剂C按质量比0.85∶0.2∶1复配而成，将其按质量分数0.24%(最优添加量)添加到0#柴油中，混合均匀，得到1#油样。0#和1#燃料的主要理化性质见表2。

表2 实验用0#和1#燃料主要理化性质

1.3 实验方案

参照GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》，发动机结构和参数不作任何调整，模拟海拔3000 m(70 kPa)的大气环境，测定高原地区柴油机燃用1#和0#时外特性和负荷特性，比较二者的动力性、经济性和排放性。发动机额定转速2200 r/min、100%负荷工况下，测定柴油机分别燃用1#和0#时的燃烧特性。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。每个工况点重复测量3～5次，取平均值，以减少实验误差。同时发动机更换燃料后应在怠速状态运行30 min后再行测试，避免燃料更换对试验结果造成影响。

2 结果与讨论

2.1 无灰助燃剂FT对发动机动力性的影响

发动机动力性和经济性是评价柴油机性能的主要技术指标。图2为发动机在海拔3000 m(70 kPa)分别燃用0#和1#的外特性输出功率。从图2可以看出，在整个转速范围内，发动机燃用1#的功率均大于燃用0#的功率，发动机功率平均增加3.21%，动力性得到改善。在中、高转速工作时，FT对柴油机动力的提升效果更加明显，功率最大提高幅度5.16%左右。FT在较低温度下就可以分解出高活性自由基团，促进燃烧链式反应的进行，改善柴油的着火性能，提高柴油的热值，使可燃混合气在缸内膨胀做功比较充分，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。

2.2 无灰助燃剂FT对发动机经济性的影响

燃油消耗率是衡量发动机经济性能的重要指标。图3为发动机在海拔3000 m(70 k Pa)燃用1#和0# 的外特性和负荷特性(额定转速2200 r/min)的燃油消耗率。从图3(a)可以看出，在油门全开的情况下，整个转速范围内，两者的外特性燃油消耗率均随转速增加先降低后升高；在中、低转速运行时，燃用1#要比0#的耗油率平均下降1.76%。由图3(b)可以看出，两者的转速2200 r/min负荷特性曲线变化一致，发动机燃油消耗率随着负荷的增加逐渐减少；在所有工况点，燃用1#的燃油消耗率比0#有所下降，平均降低2.68%。在低、中负荷时，燃用0#和1#的燃油消耗率基本一致，而在高负荷时后者降幅明显。

图2 燃用0#和1#燃油时发动机的外特性输出功率

添加FT的1#燃油含氧，在燃烧过程中起到自供氧作用，低沸点低黏度促进了燃油混合气雾化蒸发，降低了全负荷工况条件因高原过量空气系数变小而导致的燃烧恶化程度；而且FT活化能较低，分解产生大量高活性自由基团和氧原子，加快燃烧速率，提高了热效率，改善了燃油经济性。高负荷下，过量空气系数变小，燃烧恶化，而FT的加入，提高了燃油的十六烷值和含氧量，同时气缸温度较高，燃气雾化蒸发混合更加均匀，燃烧更加充分，FT的助燃作用更加明显。

2.3 无灰助燃剂FT对发动机燃烧特性的影响

2.3.1 对气缸压力及压力升高率的影响

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4为发动机在海拔3000 m(70 kPa)条件下，2200 r/min、100%负荷时燃用0#和1#的气缸压力和压力升高率(气缸压力图中出现的“锯齿形”毛刺是由于安装缸压传感器距离气缸盖底平面有一段通道造成)。

图3 不同工况下燃用0#和1#燃油时发动机的燃油消耗率

图4 燃用0#和1#燃油时发动机气缸压力和压力升高率

从图4可以看出，与燃用0#相比，柴油机燃用1#的气缸压力有所升高，缸压峰值由3.92 MPa升为4.12 MPa，升幅为5.10%，缸压峰值出现位置变化不大。从图4还可见，柴油机燃用1#的压力升高率比燃用0#有所提高，压力升高率峰值由1.36 MPa/(°CA)提高到1.43 MPa/(°CA)，升幅为5.14%，压力升高率峰值出现位置前移1～2°CA。

FT在较低温度下就能分解出高活性自由基团，促进燃烧链式反应的进行，改善燃油的着火性能，并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。而燃油燃烧加速度和最大放热加速度增加，使压力升高率有所升高，燃烧提前，使压力升高率峰值出现位置前移。

2.3.2 对滞燃期及燃烧持续期的影响

柴油机滞燃期与燃油的理化性能、雾化性能、气缸压力和温度、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；滞燃期的延长导致预混合燃烧比例的增加，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。表3列出了发动机在海拔3000 m(70 kPa)，2200 r/min、100%负荷时燃用0#和1#的滞燃期和燃烧持续期。

由表3可以看出，柴油机燃用1#的滞燃期比0#的滞燃期缩短，减少了8.9%，燃烧持续期增加了7.8%。添加FT后，燃油的十六烷值提高，降低了发火点，有效地改善了柴油的着火性，滞燃期缩短；滞燃期缩短使燃烧始点提前，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。

表3 燃用0#和1#燃油时滞燃期和燃烧持续期

2.3.3 对放热率的影响

图5为发动机在海拔3000 m(70 kPa)，2200 r/min、100%负荷时柴油机燃用0#和1#的放热率。从图5可以看出，与燃用0#相比，柴油机燃用1#的放热率峰值由154.32 J/(°CA)升高到165.88 J/(°CA)，升幅为7.49%，并且放热率峰值出现位置前移1°CA。柴油机燃用1#燃油时，其中的FT分解出高活性自由基团，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；燃烧和放热速率加快，使放热率峰值到达时间略有提前。

2.4 无灰助燃剂FT对发动机排放特性的影响

2.4.1 对CO和HC排放的影响

图6为发动机在海拔3000 m(70 kPa)条件下，燃用1#和0#时外特性和负荷特性(额定转速2200 r/min)的CO和HC排放。从图6(a)可以看出，随着转速的增加，CO的排放逐渐升高，而HC的排放相对平缓；与燃用0#相比，柴油机燃用1#时的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%。从图6(b)可以看出，在低负荷条件，CO排放较低，在中、高负荷时急剧升高，而HC排放变化则相对平缓；燃用1#时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，使燃烧更充分，同时CO和HC的氧化条件得到改善，减少了CO和HC的排放；另一方面，中、高负荷时，缸内温度升高，混合气燃烧状况改善，使得火焰在壁面上的淬熄和局部淬熄的区域变小，抑制了CO和HC的排放。

图5 发动机燃用0#和1#燃油时的放热率

图6 不同工况下燃用0#和1#燃油时CO和HC排放

2.4.2 对NOx和碳烟排放的影响

图7为发动机在海拔3000 m(70 kPa)条件下，燃用1#和0#时外特性和负荷特性(额定转速2200 r/min)的NOx和碳烟排放。从图7(a)可以看出，在整个转速范围内，燃用1#的NOx排放均高于0#，平均升高11.6%。从图7(b)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排放量平均上升7.2%。NOx的生成与缸内燃气的局部温度、O2的浓度及滞留时间有关。添加FT后的燃油1#的热值较高，提高了缸内燃烧温度，加快了燃烧速率，燃烧火焰温度升高，导致NOx排放增加。

从图7还可以看出，随着转速的增加，碳烟排放逐渐升高；与燃用0#相比，发动机燃用1#的碳烟排放有所降低，平均降低11.4%。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14.5%，最大降幅20.5%，在中、高负荷时对碳烟排放改善比较显著。添加FT的燃油的空燃比相对变小，减少了缸内油气混合过程中的混合区，使空气和燃料混合更加均匀，减少了颗粒物生成；1#燃油含氧促进了已形成的颗粒物的氧化，低沸点低黏度易于蒸发混合均匀，改善了燃油喷射雾化性能，燃烧更为充分，碳烟排放明显降低。

图7 不同工况下发动机燃用0#和1#燃油时NOx和碳烟排放

3 结 论

(1) 高原环境下使用添加无灰助燃剂FT的燃油提高了柴油机的动力性。与燃用0#相比，燃用添加FT的1#燃油时，发动机功率平均提升3.21%；在中、高转速工作时，对柴油机动力的改善效果更加明显。

(2) 高原环境下使用添加无灰助燃剂FT的燃油降低了柴油机燃油消耗。与燃用0#相比，燃用添加FT的1#燃油时，外特性试验燃油消耗率平均下降1.76%，2200 r/min时负荷特性试验燃油消耗率平均降低2.68%，经济性有所改善。

(3) 高原环境下与燃用0#相比，燃用添加FT的1#燃油时，气缸压力、压力升高率峰值分别提高了5.10%、5.14%，压力升高率峰值出现位置前移1～2°CA；放热率峰值提高了7.49%，放热率峰值出现位置前移1°CA；滞燃期缩短，燃烧持续期延长。无灰助燃剂FT有效地改善了柴油机燃烧状况。

(4) 高原环境下使用添加无灰助燃剂FT的燃油可以降低柴油机CO、HC和碳烟的排放。与燃用0#相比，燃用添加FT的1#燃油时，CO排放外特性试验平均下降12.8%，2200 r/min时负荷特性试验平均下降22.5%；HC排放外特性试验平均下降21.6%，2200 r/min时负荷特性试验平均下降16.2%；碳烟排放外特性试验平均下降11.4%，2200 r/min时负荷特性试验平均下降14.5%；NOx排放有所增加，外特性试验平均升高11.6%，2200 r/min 时负荷特性试验平均升高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

军队科研计划项目(YX213J026)资助

熊云，男，教授，博士，研究方向为军用装备节油技术和油品应用工程；E-mail： xy0000001@sina.cn

陈然，男，助理工程师，研究方向为军用装备节油技术；E-mail： wychr2@163.com

1001-8719(2016)06-1253-07

TK421.7

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2016.06.023