熊 云， 陳 然， 劉 曉， 范林君， 李 鵬

(1.解放軍后勤工程學(xué)院 軍事油料應(yīng)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(huán)境下新型無灰助燃劑對發(fā)動機(jī)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(xué)院 軍事油料應(yīng)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(jìn)行了高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用柴油0#和添加無灰助燃劑燃油1#的外特性和負(fù)荷特性試驗，考察了新型無灰助燃添加劑對柴油機(jī)高原動力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒和排放性的影響。結(jié)果表明，在發(fā)動機(jī)不作任何調(diào)整的情況下，與燃用0#柴油相比較，燃用柴油1#時發(fā)動機(jī)功率平均升高3.21%；燃油消耗率有所降低，外特性和負(fù)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(xiàn)位置變化不大，壓力升高率峰值和放熱率峰值出現(xiàn)位置前移1～2°CA；滯燃期縮短，燃燒持續(xù)期延長；CO、HC和碳煙排放顯著降低，NOx排放有所增加。

柴油機(jī)； 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(qū)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(jī)在高原地區(qū)運(yùn)行時，受地理環(huán)境和氣候條件影響，氣缸進(jìn)氣量減少，過量空氣系數(shù)下降，氧氣供應(yīng)不足，直接導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的燃燒惡化，其動力性、經(jīng)濟(jì)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(jī)的功率下降 8%～13%，燃油消耗率增加6%～9%；增壓柴油機(jī)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(fā)動機(jī)在高原環(huán)境下的性能一直是研究的熱點，對于改善動力機(jī)械的高原適應(yīng)性，提高軍用動力裝備運(yùn)輸和作戰(zhàn)能力具有重要意義。

在高原地區(qū)燃用含氧燃料可改善發(fā)動機(jī)性能[7-10]。但將含氧量高的醇、醚和酯類等有機(jī)化合物與柴油摻燒，添加量較大，對燃料品質(zhì)的改進(jìn)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(tuán)的脂肪族、芳香族、聚合物等有機(jī)物組成，可以起到催化助燃作用，促進(jìn)缺氧條件下燃料的完全燃燒，提高發(fā)動機(jī)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(fā)揮現(xiàn)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(shè)計的實驗方法進(jìn)行復(fù)合配比研究，得到最優(yōu)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(jìn)行對比實驗，深入考察了高原環(huán)境下無灰助燃劑對柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)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(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗臺架進(jìn)行高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用0#柴油和添加無灰助燃劑的1#燃油的外特性和負(fù)荷特性研究。圖1為內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗臺架系統(tǒng)，其主要由電渦流測功機(jī)系統(tǒng)、燃油供給及燃油消耗測試系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過濾及進(jìn)氣壓力控制系統(tǒng)、燃燒分析及排放測試系統(tǒng)組成。通過進(jìn)氣壓力模擬裝置控制發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力來模擬柴油機(jī)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(nèi)柴油機(jī)有限責(zé)任公司F6L913型發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

測量設(shè)備和儀器包括Power Link普聯(lián)FC 2000發(fā)動機(jī)測控裝置、GW250電渦流測功機(jī)、FC 2210智能油耗儀，湘儀動力測試儀器有限公司FC 2010發(fā)動機(jī)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(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗臺架系統(tǒng)

表1 F6L913型柴油機(jī)主要參數(shù)

1.2 燃料

中國石化0#車用柴油(記為0#)，市售，理化指標(biāo)符合GB 19147-2013。無灰助燃添加劑FT，由有機(jī)硝酸酯A、胺類化合物B、表面活性劑C按質(zhì)量比0.85∶0.2∶1復(fù)配而成，將其按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.24%(最優(yōu)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(zhì)見表2。

表2 實驗用0#和1#燃料主要理化性質(zhì)

1.3 實驗方案

參照GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗方法》，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不作任何調(diào)整，模擬海拔3000 m(70 kPa)的大氣環(huán)境，測定高原地區(qū)柴油機(jī)燃用1#和0#時外特性和負(fù)荷特性，比較二者的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速2200 r/min、100%負(fù)荷工況下，測定柴油機(jī)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(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為滯燃期，燃燒始點到燃燒終點所對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒持續(xù)期。每個工況點重復(fù)測量3～5次，取平均值，以減少實驗誤差。同時發(fā)動機(jī)更換燃料后應(yīng)在怠速狀態(tài)運(yùn)行30 min后再行測試，避免燃料更換對試驗結(jié)果造成影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 無灰助燃劑FT對發(fā)動機(jī)動力性的影響

發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性是評價柴油機(jī)性能的主要技術(shù)指標(biāo)。圖2為發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)燃用1#的功率均大于燃用0#的功率，發(fā)動機(jī)功率平均增加3.21%，動力性得到改善。在中、高轉(zhuǎn)速工作時，F(xiàn)T對柴油機(jī)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(tuán)，促進(jìn)燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)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(nèi)膨脹做功比較充分，柴油機(jī)有效燃燒熱效率提高，輸出功率上升，有效地提升了柴油發(fā)動機(jī)的動力性。

2.2 無灰助燃劑FT對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

燃油消耗率是衡量發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)。圖3為發(fā)動機(jī)在海拔3000 m(70 k Pa)燃用1#和0# 的外特性和負(fù)荷特性(額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)，兩者的外特性燃油消耗率均隨轉(zhuǎn)速增加先降低后升高；在中、低轉(zhuǎn)速運(yùn)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(zhuǎn)速2200 r/min負(fù)荷特性曲線變化一致，發(fā)動機(jī)燃油消耗率隨著負(fù)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(fù)荷時，燃用0#和1#的燃油消耗率基本一致，而在高負(fù)荷時后者降幅明顯。

圖2 燃用0#和1#燃油時發(fā)動機(jī)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(jìn)了燃油混合氣霧化蒸發(fā)，降低了全負(fù)荷工況條件因高原過量空氣系數(shù)變小而導(dǎo)致的燃燒惡化程度；而且FT活化能較低，分解產(chǎn)生大量高活性自由基團(tuán)和氧原子，加快燃燒速率，提高了熱效率，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。高負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)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?xì)忪F化蒸發(fā)混合更加均勻，燃燒更加充分，F(xiàn)T的助燃作用更加明顯。

2.3 無灰助燃劑FT對發(fā)動機(jī)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(jī)氣缸壓力的主要因素有滯燃期內(nèi)可燃混合氣量、燃燒放熱速率等。高原環(huán)境下由于空氣稀薄，氣缸進(jìn)氣量減少，對油氣混合質(zhì)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(fā)動機(jī)在海拔3000 m(70 kPa)條件下，2200 r/min、100%負(fù)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(xiàn)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(fā)動機(jī)的燃油消耗率

圖4 燃用0#和1#燃油時發(fā)動機(jī)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(jī)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(xiàn)位置變化不大。從圖4還可見，柴油機(jī)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(xiàn)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(tuán)，促進(jìn)燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)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(nèi)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(xiàn)位置前移。

2.3.2 對滯燃期及燃燒持續(xù)期的影響

柴油機(jī)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(guān)。在高原環(huán)境下，由于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度較低，進(jìn)氣密度下降，使得混合氣的溫度下降，氧含量減少，導(dǎo)致滯燃期延長；滯燃期的延長導(dǎo)致預(yù)混合燃燒比例的增加，使更多燃料在預(yù)混合燃燒階段氧化放熱，而擴(kuò)散燃燒階段消耗的燃料相對減少，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期縮短。表3列出了發(fā)動機(jī)在海拔3000 m(70 kPa)，2200 r/min、100%負(fù)荷時燃用0#和1#的滯燃期和燃燒持續(xù)期。

由表3可以看出，柴油機(jī)燃用1#的滯燃期比0#的滯燃期縮短，減少了8.9%，燃燒持續(xù)期增加了7.8%。添加FT后，燃油的十六烷值提高，降低了發(fā)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(fā)動機(jī)工況不變的情況下，擴(kuò)散燃燒的燃燒量增加，從而使燃燒持續(xù)期延長。

表3 燃用0#和1#燃油時滯燃期和燃燒持續(xù)期

2.3.3 對放熱率的影響

圖5為發(fā)動機(jī)在海拔3000 m(70 kPa)，2200 r/min、100%負(fù)荷時柴油機(jī)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(jī)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(xiàn)位置前移1°CA。柴油機(jī)燃用1#燃油時，其中的FT分解出高活性自由基團(tuán)，促進(jìn)燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，加快燃燒速度，使燃油在相同時間內(nèi)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(dá)時間略有提前。

2.4 無灰助燃劑FT對發(fā)動機(jī)排放特性的影響

2.4.1 對CO和HC排放的影響

圖6為發(fā)動機(jī)在海拔3000 m(70 kPa)條件下，燃用1#和0#時外特性和負(fù)荷特性(額定轉(zhuǎn)速2200 r/min)的CO和HC排放。從圖6(a)可以看出，隨著轉(zhuǎn)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(jī)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(fù)荷條件，CO排放較低，在中、高負(fù)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(fù)荷時，缸內(nèi)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(qū)域變小，抑制了CO和HC的排放。

圖5 發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)在海拔3000 m(70 kPa)條件下，燃用1#和0#時外特性和負(fù)荷特性(額定轉(zhuǎn)速2200 r/min)的NOx和碳煙排放。從圖7(a)可以看出，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，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(fù)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(nèi)燃?xì)獾木植繙囟取2的濃度及滯留時間有關(guān)。添加FT后的燃油1#的熱值較高，提高了缸內(nèi)燃燒溫度，加快了燃燒速率，燃燒火焰溫度升高，導(dǎo)致NOx排放增加。

從圖7還可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，碳煙排放逐漸升高；與燃用0#相比，發(fā)動機(jī)燃用1#的碳煙排放有所降低，平均降低11.4%。隨著負(fù)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(fù)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(nèi)油氣混合過程中的混合區(qū)，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(jìn)了已形成的顆粒物的氧化，低沸點低黏度易于蒸發(fā)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(fā)動機(jī)燃用0#和1#燃油時NOx和碳煙排放

3 結(jié) 論

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

(2) 高原環(huán)境下使用添加無灰助燃劑FT的燃油降低了柴油機(jī)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(fù)荷特性試驗燃油消耗率平均降低2.68%，經(jīng)濟(jì)性有所改善。

(3) 高原環(huán)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(xiàn)位置前移1～2°CA；放熱率峰值提高了7.49%，放熱率峰值出現(xiàn)位置前移1°CA；滯燃期縮短，燃燒持續(xù)期延長。無灰助燃劑FT有效地改善了柴油機(jī)燃燒狀況。

(4) 高原環(huán)境下使用添加無灰助燃劑FT的燃油可以降低柴油機(jī)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jié)油技術(shù)和油品應(yīng)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(jié)油技術(shù)；E-mail： wychr2@163.com

1001-8719(2016)06-1253-07

TK421.7

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2016.06.023