模擬高原環(huán)境下無灰助燃劑對柴油機(jī)性能的影響

陳 然，熊 云，楊 浩，吳 芃

(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)

模擬高原環(huán)境下無灰助燃劑對柴油機(jī)性能的影響

陳 然，熊 云，楊 浩，吳 芃

(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)

在大氣模擬試驗裝置上進(jìn)行了模擬高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用0號柴油和添加無灰助燃劑燃油(1號柴油)的發(fā)動機(jī)臺架試驗，通過測試功率、燃油消耗率、碳煙等有害物質(zhì)排放量來評價柴油添加劑節(jié)能減排功效。結(jié)果表明，柴油機(jī)在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，與0號柴油相比，燃用1號柴油時發(fā)動機(jī)輸出功率升高，燃油消耗率及CO、HC、碳煙排放量降低，NOx排放量略有增加。添加無灰助燃劑可有效提升柴油機(jī)的動力性、節(jié)省燃料和降低排放，改善發(fā)動機(jī)的高原適應(yīng)性。

柴油機(jī) 高原 無灰助燃劑 動力性 經(jīng)濟(jì)性 排放性

我國是世界上高原面積最大、海拔最高的國家，其中青藏高原占國土面積的37%，海拔多在3 000～5 300 m。高原地區(qū)氣壓低、空氣稀薄、空氣氧含量少、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)運行時，受地理環(huán)境和氣候條件的影響，氣缸進(jìn)氣量減少，過量空氣系數(shù)下降，燃燒過程中氧氣供應(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]。有研究表明，海拔每升高1 000 m，非增壓柴油機(jī)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%，且隨著海拔升高碳煙排放量增大[5]。如何提高發(fā)動機(jī)在高原環(huán)境下的運行性能、節(jié)省燃料和降低黑煙顆粒排放一直是研究的熱點，對改善動力機(jī)械的高原適應(yīng)性、提高軍用動力裝備的隱蔽性、加強(qiáng)運輸和作戰(zhàn)能力具有重要意義。國內(nèi)外在高原地區(qū)通過燃用含氧燃料來改善發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行了大量探索[6-9]，研究重點是含氧量高的醇、醚和酯類等一系列單一成分有機(jī)化合物，往往采用與柴油摻燒方式，添加量比較大，對燃料品質(zhì)的改進(jìn)存在局限性，對燃油的理化性能有不利影響[10-11]。相對于含氧燃料，無灰助燃劑主要是以含氧、含氮羧基、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。目前評價柴油添加劑節(jié)能降污功效的方法一般是采用發(fā)動機(jī)臺架試驗，通過測試功率、節(jié)油率、煙度等有害物質(zhì)排放的變化率來評價柴油添加劑節(jié)能減排功效[12]。這種方法直觀準(zhǔn)確，但資源損耗和費用較高。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)有添加劑間的交互作用，通過低壓氧彈燃燒法對多種不同類型助燃劑單劑的助燃效能進(jìn)行模擬評定，篩選出效果較好的添加劑單劑，采用均勻設(shè)計的試驗方法進(jìn)行復(fù)合添加劑的配比研究，得到最優(yōu)配方助燃劑FT和最優(yōu)添加量[13]。本研究通過在柴油中添加FT，在大氣模擬試驗臺架上進(jìn)行試驗，研究模擬高原環(huán)境下無灰助燃劑對柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗裝置

內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗臺架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。圖1為內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗臺架系統(tǒng)流程示意。試驗臺主要通過進(jìn)氣壓力模擬裝置，利用節(jié)流閥調(diào)節(jié)進(jìn)入穩(wěn)壓箱的空氣體積，同時利用自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)進(jìn)氣壓力的調(diào)節(jié)，模擬柴油機(jī)在高原低氣壓環(huán)境下的工作狀態(tài)，可模擬海拔范圍0～6 000 m，環(huán)境溫度范圍為-40～30 ℃。測功機(jī)主要進(jìn)行柴油機(jī)動力性指標(biāo)的測量，油耗儀主要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的測量，廢氣分析儀和不透光度計主要是進(jìn)行排放性指標(biāo)的測量。試驗用發(fā)動機(jī)為F6L913型，北內(nèi)柴油機(jī)有限責(zé)任公司制造，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗臺架系統(tǒng)流程示意

表1 試驗用柴油機(jī)的主要參數(shù)

參 數(shù)指 標(biāo)發(fā)動機(jī)型式6缸、風(fēng)冷、直噴、4沖程缸徑×行程∕(mm×mm)102×125排量∕L6.128壓縮比17∶1額定轉(zhuǎn)速∕(r·min-1)2200標(biāo)定功率∕kW74最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速∕(r·min-1)1600

1.2 試驗儀器及燃料

Power Link普聯(lián)FC2000發(fā)動機(jī)測控裝置、GW250電渦流測功機(jī)、FC2210智能油耗儀，湘儀動力測試儀器有限公司生產(chǎn)；NHA-506廢氣分析儀、NHT-6不透光度計，佛山南華儀器有限公司生產(chǎn)。

以市售0號車用柴油為試驗用油，理化指標(biāo)符合GB 19147—2013要求。采用自行研制的無灰助燃添加劑FT，F(xiàn)T是由有機(jī)硝酸酯A、胺類化合物B、表面活性劑C按照質(zhì)量比0.85∶0.2∶1復(fù)配而成，將FT按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.24%(最優(yōu)添加量)[13]添加到0號柴油中，得到1號柴油。試驗用燃料油的主要理化性質(zhì)見表2。

1.3 試驗方案

參照GB/T 18297—2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗方法》，在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不做任何調(diào)整的條件下進(jìn)行模擬高原地區(qū)柴油機(jī)燃用0號和1號柴油時外特性和負(fù)荷特性的對比試驗，在內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗臺架上模擬海拔3 000 m(70 kPa)的大氣環(huán)境。外特性試驗是將柴油機(jī)調(diào)定在標(biāo)定工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，使之達(dá)到熱平衡，保持油門處于最大位置不變的情況下逐步降低轉(zhuǎn)速直至1 000 r/min，按200 r/min的等間隔共取7個試驗點，測量燃用0號和1號柴油時功率、燃油消耗率及CO、HC、NOx和碳煙的排放量。負(fù)荷特性試驗是選取了代表性工況額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)柴油機(jī)以轉(zhuǎn)速2 200 r/min運行時，從工況的最大負(fù)荷點(扭矩)開始逐漸減小負(fù)荷，共取9個試驗點，測量燃用0號和1號柴油時的燃油消耗率及CO、HC、NOx和碳煙的排放量。功率和扭矩是衡量發(fā)動機(jī)動力性能的重要指標(biāo)，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)，CO、HC、NOx和碳煙的排放值是衡量發(fā)動機(jī)排放性能的重要指標(biāo)。同一工況條件，以測量指標(biāo)所有工況點變化率的平均值作為該工況條件下測量指標(biāo)的平均變化率。為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，減小誤差，每個工況點重復(fù)測量3次，取平均值。試驗時發(fā)動機(jī)更換燃料后應(yīng)在怠速狀態(tài)運行30 min再進(jìn)行試驗測試，避免燃料更換對試驗結(jié)果造成影響。

表2 試驗用燃料的主要理化性質(zhì)

2 結(jié)果與討論

2.1 無灰助燃劑對發(fā)動機(jī)動力性的影響

柴油機(jī)在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，分別燃用0號和1號柴油時發(fā)動機(jī)輸出功率對比見圖2。從圖2可以看出：在試驗轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃用1號柴油發(fā)動機(jī)的功率大于燃用0號柴油時的功率，燃用1號柴油比燃用0號柴油發(fā)動機(jī)的功率平均增加3.21%；在中、高轉(zhuǎn)速條件下工作時，燃用1號柴油比燃用0號柴油發(fā)動機(jī)的功率增幅加大，說明FT對柴油機(jī)動力的提升效果更加明顯，這主要是因為FT在較低溫度下就可分解產(chǎn)生高活性自由基團(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，燃油釋放更多的熱量，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。

圖2 燃用0號和1號柴油時發(fā)動機(jī)輸出功率對比

2.2 無灰助燃劑對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖3 燃用0號和1號柴油時燃油消耗率對比

柴油機(jī)在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，分別燃用0號和1號柴油時燃油消耗率對比見圖3。從圖3可以看出，外特性試驗在油門全開的情況下，整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，兩者的曲線變化一致，燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的增加先降低后升高，在中、低轉(zhuǎn)速運行時，燃用1號柴油要比0號柴油的耗油率平均下降1.76%。這主要是因為添加FT的1號柴油含有氧，熱值較高，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，使燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善。從圖3還可以看出：發(fā)動機(jī)燃油消耗率隨著負(fù)荷的增大逐漸減少，在所有試驗工況點，燃用1號柴油的燃油消耗率比0號柴油的燃油消耗率平均降低2.68%，這主要是因為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，促進(jìn)燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，加快燃燒速率，提高了熱效率，燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善；在低、中負(fù)荷時，燃油消耗率基本一致，而在高負(fù)荷時降幅明顯，這是因為隨著負(fù)荷增大，過量空氣系數(shù)變小，燃燒惡化；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 無灰助燃劑對發(fā)動機(jī)排放性的影響

圖4 燃用0號和1號柴油時CO排放量對比

2.3.1 對CO排放的影響 柴油機(jī)在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，燃用0號和1號柴油時的CO排放量對比見圖4。柴油機(jī)中CO的生成一般是由于燃料不完全燃燒導(dǎo)致。從圖4可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，CO排放量逐漸升高，與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時的CO排放量平均下降12.8%。從圖4還可以看出：CO排放量隨著負(fù)荷的增大逐漸增大，在低負(fù)荷條件下CO排放量較低，在中、高負(fù)荷時急劇升高；與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時CO排放量平均下降22.5%。這主要是因為添加FT后，燃油十六烷值提高，改善了著火過程，促進(jìn)混合氣的形成和燃燒，使燃燒更充分；另一方面，缸內(nèi)燃燒溫度的升高，CO的氧化條件得到改善，不完全燃燒的現(xiàn)象減少，從而使CO排放量降低。

2.3.2 對HC排放的影響 柴油機(jī)在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，燃用0號和1號柴油時的HC排放量對比見圖5。柴油機(jī)排氣中的HC一般是由燃料中烴分子、不完全燃燒產(chǎn)物、燃燒過程中部分被分解的產(chǎn)物和再化合的中間產(chǎn)物組成。從圖5可以看出，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，HC排放量相對平緩，與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時的HC排放量平均下降21.6%。從圖5還可以看出：HC排放量隨著負(fù)荷的增大變化較為平緩，燃用0號柴油時HC排放量隨負(fù)荷的增大略有降低，這是由于過稀的混合氣是柴油機(jī)低負(fù)荷時HC排放的主要生成源；與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時HC的排放量平均下降16.2%。這主要是因為添加FT后，燃油十六烷值提高，燃燒始點提前，改善了著火過程，延長了HC的氧化時間，燃油易于蒸發(fā)混合均勻，燃燒更為充分，燃燒速率加快，使HC排放量降低，而燃用1號柴油時，HC排放量隨負(fù)荷增大略有升高，可能是由于無灰助燃劑中的有機(jī)成分不完全燃燒產(chǎn)生了部分HC，使得HC排放量略有增加。

圖5 燃用0號和1號柴油時HC排放量對比

2.3.3 對NOx排放的影響 柴油機(jī)在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，燃用0號和1號柴油時的NOx排放量對比見圖6。NOx的生成與缸內(nèi)燃?xì)獾木植繙囟?、O2的濃度及滯留時間有關(guān)。從圖6可以看出，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，燃用1號柴油時的NOx排放量均高于燃用0號柴油時的NOx排放量，平均升高11.6%。從圖6還可以看出，NOx排放量隨著負(fù)荷增加逐漸升高，與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時的NOx排放量平均上升7.2%。這主要是由于添加FT后，燃用1號柴油的熱值較高，提高了缸內(nèi)燃燒溫度，加快了燃燒速率，燃料燃燒更為充分，燃燒火焰溫度升高，導(dǎo)致NOx排放量增加。

圖6 燃用0號和1號柴油時NOx排放量對比

2.3.4 對碳煙排放的影響 柴油機(jī)在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)條件下，燃用0號和1號柴油時的碳煙排放量對比見圖7。柴油機(jī)碳煙是在高溫、高壓燃燒的條件下，局部缺氧、裂解并脫氫而形成的以碳為主要成分的固體微小顆粒，是燃燒室內(nèi)不完全燃燒的產(chǎn)物。目前，碳煙排放的測量主要采用不透光煙度計，用不透光度表示碳煙的排放量大小，不透光度值越大，碳煙排放越嚴(yán)重。從圖7可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，碳煙排放逐漸升高，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，與燃用0號柴油相比，發(fā)動機(jī)燃用1號柴油的碳煙排放量平均降低11.4%。從圖7還可以看出，碳煙排放量隨著負(fù)荷增加逐漸增加，與燃用0號柴油相比，燃用1號柴油時的碳煙排放量平均下降14.5%，最大降幅達(dá)20.5%，在中、高負(fù)荷時碳煙排放的改善效果更加顯著。這主要是由于添加FT后，改善了柴油的物理活性，低沸點低黏度使燃油易于蒸發(fā)混合均勻，燃燒更為充分，減少了燃燒過程中碳煙的形成；FT在高溫下分解產(chǎn)生的活性自由基能加速氧化反應(yīng)從而促進(jìn)碳煙氧化，也有效降低了碳煙的排放。

圖7 燃用0號和1號柴油時碳煙排放量對比

3 結(jié) 論

(1) 柴油機(jī)在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)、外特性試驗轉(zhuǎn)速1 000～2 200 r/min的條件下，與燃用0號柴油相比，柴油機(jī)燃用1號柴油的輸出功率平均升高3.21%，燃油消耗率平均下降1.76%，CO排放量平均下降12.8%，HC排放量平均下降21.6%，碳煙排放量平均下降11.4%，NOx排放量平均升高11.6%。

(2) 柴油機(jī)在模擬海拔3 000 m氣壓(70 kPa)、

2 200 r/min負(fù)荷特性試驗(扭矩40～120 N·m)條件下，與燃用0號柴油相比，柴油機(jī)燃用1號柴油的燃油消耗率平均下降2.68%，CO排放量平均下降22.5%，HC排放量平均下降16.2%，碳煙排放量平均下降14.5%，NOx排放量平均升高7.2%。

(3) 無灰助燃添加劑FT的使用可以有效提升柴油機(jī)的動力性能，改善發(fā)動機(jī)的高原適應(yīng)性，具有良好的節(jié)能減排功效。

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EFFECT OF ASHLESS COMBUSTION IMPROVER ON DIESEL ENGINE PERFORMANCE UNDER SIMULATED PLATEAU ENVIRONMENT

Chen Ran， Xiong Yun， Yang Hao， Wu Peng

(DepartmentofOilApplicationandManagementEngineering，LogisticalEngineeringUniversity，Chongqing401331)

Using an atmosphere simulation test device， the performance test of diesel engine under simulated plateau environment was conducted. No.1 diesel with ashless combustion improver was tested and its results were compared with No.0 diesel without combustion improver under the same conditions. The engine power， the fuel consumption and the emissions of soot and other harmful substances were evaluated to study the effect of energy-saving and emissions reduction of diesel additives. The results indicate that in comparison with No.0， at simulated altitude of 3 000 m (70 kPa)， the engine output power increases， the fuel consumption rate and CO， HC， soot emission decrease obviously when No.1 diesel is used， while NOxemission increases slightly. Addition of the ashless combustion improver can effectively improve the output power of the engine， save fuel and reduce emissions， resulting in improved plateau adaptability of the engine.

diesel engine； plateau； ashless combustion improver； output power； economy； emission

2015-11-02； 修改稿收到日期：2016-01-06。

陳然，碩士研究生，主要研究方向為軍用油品應(yīng)用工程和裝備節(jié)油技術(shù)。

陳然，E-mail:wrchr2@163.com。

軍隊科研計劃項目(YX213J026)。