高原環(huán)境下無灰助燃劑對(duì)柴油機(jī)燃燒性能影響的研究*

陳然　熊云　劉衛(wèi)軍　吳芃（.中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶4033；.6569部隊(duì)，齊齊哈爾6000）

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高原環(huán)境下無灰助燃劑對(duì)柴油機(jī)燃燒性能影響的研究*

陳然1熊云1劉衛(wèi)軍2吳芃1
（1.中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶401331；2.65169部隊(duì)，齊齊哈爾161000）

【摘要】在大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行高原環(huán)境下柴油機(jī)燃用車用柴油（0#）和添加無灰助燃劑燃油（1#）的燃燒特性試驗(yàn)，測(cè)量在標(biāo)定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時(shí)柴油機(jī)燃用0#和1#燃油的示功圖，研究無灰助燃劑對(duì)柴油機(jī)燃燒過程的影響。結(jié)果表明，與燃用0#燃油相比，在標(biāo)定工況下柴油機(jī)燃用1#燃油時(shí)的氣缸壓力、壓力升高率和放熱率峰值分別提高5.10%、5.14%、7.49%，在最大轉(zhuǎn)矩工況下分別提高4.64%、4.34%、5.09%，且滯燃期縮短，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)。

1　前言

高原地區(qū)氣壓低，空氣稀薄，空氣含氧量少，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(shí)，受地理環(huán)境和氣候條件影響，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，將直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒惡化，其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能明顯下降［3，4］。有研究表明，海拔高度每升高1 000 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%，且隨著海拔升高碳煙排放量增大［5，6］。

國(guó)內(nèi)、外在高原地區(qū)通過燃用含氧燃料來改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了大量探索［7～10］，研究重點(diǎn)是將含氧量高的醇、醚和酯類等單一成分有機(jī)化合物與柴油摻燒，但因其添加量比較大，對(duì)燃料品質(zhì)的改進(jìn)存在局限性，對(duì)燃油的理化性能有不利影響［11，12］。相對(duì)于含氧燃料，無灰助燃劑主要是以含氧/氮的羧基、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(dòng)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，通過低壓氧彈燃燒法［13］篩選了多種助燃效果較好的添加劑單劑，采用均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法進(jìn)行復(fù)合添加劑的配比研究，得到最優(yōu)配方和最優(yōu)添加量。本文通過在柴油中添加該配方無灰助燃劑（FT），在大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以研究在高原環(huán)境下無灰助燃劑對(duì)柴油著火特性和燃燒過程的影響。

2　試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，其主要由電渦流測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、燃油供給及消耗測(cè)試系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)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(cè)試系統(tǒng)組成。圖1為內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)組成。該試驗(yàn)臺(tái)主要利用節(jié)流閥調(diào)節(jié)進(jìn)入穩(wěn)壓箱的空氣體積，同時(shí)利用自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)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)。可模擬海拔范圍為0～6 000 m，環(huán)境溫度范圍為-40～30℃。平原大氣壓力為101 kPa，海拔3 000 m處的大氣壓力即為70 kPa。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為F6L913型（北京北內(nèi)柴油機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)），其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1　內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)組成

表1　試驗(yàn)用柴油機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備和儀器主要有：

湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司的Power Link普聯(lián)FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控裝置、GW250電渦流測(cè)功機(jī)、FC2210智能油耗儀；瑞士奇石樂儀器有限公司的Kis?tler6125c缸壓傳感器、Kistler4067c油管傳感器、Kis?tler2613B曲軸信號(hào)傳感器、Kibox燃燒分析儀。

2.2試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)以市售的中石化0號(hào)車用柴油（記為0#）為試驗(yàn)用油，理化指標(biāo)符合GB 19147-2013。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)量比為0.85∶0.2∶1復(fù)配而成，將其按質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.4‰（最優(yōu)添加量）添加到0#柴油中，得到油樣記為1#，并攪拌使混合均勻，與0#柴油進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)用燃料的主要理化性質(zhì)比較見表2。

表2　試驗(yàn)燃料理化性質(zhì)

2.3試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案參照GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不做任何調(diào)整條件下，在內(nèi)燃機(jī)大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)架上模擬海拔3 000 m的大氣環(huán)境。選取發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下的25%、100%負(fù)荷4個(gè)工況點(diǎn)，比較研究柴油機(jī)分別燃用0#和1#燃油時(shí)的燃燒特性。該試驗(yàn)以燃燒總放熱量的5%和95%作為燃燒始點(diǎn)和燃燒終點(diǎn)，供油始點(diǎn)到燃燒始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為滯燃期，燃燒始點(diǎn)到燃燒終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒持續(xù)期。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，減小誤差，每個(gè)工況點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次，取平均值，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)更換燃料后應(yīng)在怠速狀態(tài)運(yùn)行30 min再進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，避免燃料更換對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1燃燒特征參數(shù)

表3為發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔3 000 m條件下，在不同工況點(diǎn)時(shí)燃用0#和1#燃油的燃燒特征參數(shù)。由表3可以看出，相同轉(zhuǎn)速條件下，氣缸壓力、壓力升高率、放熱率峰值隨負(fù)荷的增大而增加；相同負(fù)荷條件下，轉(zhuǎn)速1 600 r/min的氣缸壓力峰值相對(duì)較高，轉(zhuǎn)速2 200 r/min的壓力升高率和放熱率峰值相對(duì)較高。與燃用0#燃油相比，柴油機(jī)燃用1#的氣缸壓力、壓力升高率、放熱率峰值都有所提高，當(dāng)工況為1 600 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，氣缸壓力、壓力升高率、放熱率峰值分別提高4.64%、4.34%、5.09%；當(dāng)工況為2 200 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，氣缸壓力、壓力升高率、瞬時(shí)放熱率峰值分別提高5.10%、5.14%、7.49%。

表3　燃燒特征參數(shù)

3.2氣缸壓力和壓力升高率

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔3 000 m條件下，在不同工況點(diǎn)時(shí)燃用0#和1#燃油的氣缸壓力及壓力升高率比較，其中氣缸壓力出現(xiàn)的“鋸齒形”毛刺是由于氣缸壓力傳感器距離氣缸蓋底平面有一段通道造成的。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(duì)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2　氣缸壓力和壓力升高率比較

從圖2可以看出，在1 600 r/min、2 200 r/min轉(zhuǎn)速下，與燃用0#燃油相比，柴油機(jī)燃用1#燃料油的氣缸壓力有所升高，氣缸壓力峰值出現(xiàn)位置變化不大，F(xiàn)T在高負(fù)荷下對(duì)柴油機(jī)氣缸壓力的改善作用比低負(fù)荷下更加明顯。這主要是因?yàn)樘砑覨T后，其在較低溫度下就可以分解的高活性自由基團(tuán)和氧原子能夠促進(jìn)燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，改善了燃油的著火性能，加快燃燒速度，使燃油燃燒更加充分，在相同時(shí)間內(nèi)釋放更多的熱量，氣缸壓力升高。從圖2還可以看出，柴油機(jī)燃用1#燃油的壓力升高率比燃用0#有所提高，壓力升高率峰值出現(xiàn)位置均前移1°～2°。這主要是由于添加FT后，燃油燃燒加速度和最大放熱加速度增加，燃料燃燒速度加快，使壓力升高率有所升高，燃燒提前。

3.3滯燃期

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔3 000 m條件下，在不同工況點(diǎn)時(shí)燃用0#和1#燃油的滯燃期比較。柴油機(jī)滯燃期與燃油的理化性能、霧化性能、氣缸壓力、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(dòng)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(zhǎng)。從圖3可以看出，所有工況條件下，柴油機(jī)燃用1#燃油的滯燃期比0#縮短，在1 600 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，滯燃期從13.5°減少到12.6°，減少了6.7%；在2 200 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，滯燃期從12.4°減少到11.3°，減少了8.9%。這主要是因?yàn)樘砑覨T后，燃油的十六烷值提高，降低了著火點(diǎn)，使著火反應(yīng)提前開始，滯燃期縮短。從負(fù)荷特性還可以看出，滯燃期隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨負(fù)荷的增加而縮短，這主要是由于負(fù)荷的增加使循環(huán)供油量增加，氣缸內(nèi)的溫度升高，使可燃混合氣的物理、化學(xué)反應(yīng)準(zhǔn)備時(shí)間變短，著火提前，滯燃期縮短。

圖3　滯燃期比較

3.4燃燒持續(xù)期

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔3 000 m條件下，在不同工況點(diǎn)時(shí)燃用0#和1#燃油的燃燒持續(xù)期比較，在高原環(huán)境下，由于進(jìn)氣量減少，滯燃期的延長(zhǎng)導(dǎo)致預(yù)混合燃燒比例增加，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(duì)減少，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期縮短。從圖4中可以看出，柴油機(jī)燃用1#燃油的燃燒持續(xù)期比0#有所延長(zhǎng)，在1 600 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，燃燒持續(xù)期從24.76°延長(zhǎng)到26.27°，增加了6.1%；在2200 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，燃燒持續(xù)期從27.33°延長(zhǎng)到29.46°，增加了7.8%。這主要是因?yàn)樘砑覨T后，提高了燃油的十六烷值，使滯燃期縮短，燃燒始點(diǎn)提前，在發(fā)動(dòng)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(zhǎng)。從負(fù)荷特性還可以看出，燃燒持續(xù)期隨著負(fù)荷的增加而延長(zhǎng)，這主要是由于在同轉(zhuǎn)速條件下，負(fù)荷增加，噴油持續(xù)期延長(zhǎng)，所以相應(yīng)的燃燒持續(xù)期也延長(zhǎng)。

圖4　燃燒持續(xù)期比較

3.5放熱率

圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔3 000 m條件下，在不同工況點(diǎn)時(shí)燃用0#和1#燃油的放熱率比較。從圖5中可以看出，與燃用0#燃油相比，柴油機(jī)燃用1#的放熱率峰值有所升高，而且隨著負(fù)荷的變化有所變化，在小負(fù)荷條件下，升高幅度較小，在較高負(fù)荷條件下，升高幅度相對(duì)較大。這主要是因?yàn)樘砑覨T后，其分解的高活性自由基團(tuán)能夠促進(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(shí)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。在4種不同工況條件下，燃用1#燃油的放熱率峰值出現(xiàn)位置均前移1°。這主要是由于添加FT后，燃油燃燒加速度和最大放熱加速度增加，燃燒和放熱速度加快，瞬時(shí)放熱率峰值到達(dá)時(shí)間略有提前。

圖5　瞬時(shí)放熱率比較

4　結(jié)束語

a.在高原海拔3 000 m，工況為1 600 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，與燃用0#燃油相比，柴油機(jī)燃用1#的氣缸壓力、壓力升高率峰值分別提高了4.64%、4.34%；當(dāng)工況為2 200 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，氣缸壓力、壓力升高率峰值分別提高了5.10%、5.14%。氣缸壓力峰值出現(xiàn)位置變化不大，壓力升高率峰值出現(xiàn)位置都前移1°～2°。

b.在高原海拔3 000 m，工況為1 600 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，與燃用0#燃油相比，柴油機(jī)燃用1#時(shí)，滯燃期從13.5°減少到12.6°，減少了6.7%，燃燒持續(xù)期從24.2°增加到26.4°，增加了9.1%；當(dāng)工況為2 200 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，滯燃期從12.4°減少到11.3°，減少了8.9%，燃燒持續(xù)期從26.2°增加到29.4°，增加了12.2%。

c.在高原海拔3 000 m，工況為1 600 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，與燃用0#燃油相比，柴油機(jī)燃用1#的放熱率峰值提高了5.09%；當(dāng)工況為2 200 r/min、100%負(fù)荷時(shí)，放熱率峰值提高了7.49%，放熱率峰值出現(xiàn)位置均前移1°。

d.在高原環(huán)境下，F(xiàn)T改善了車用柴油機(jī)的燃燒狀況，促進(jìn)了燃油的著火性，提高了燃料燃燒速度，釋放出更多熱量，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的高原適應(yīng)性；該助燃劑對(duì)柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況下燃油燃燒過程的改善較低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷更加明顯。

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年1月1日。

主題詞：柴油機(jī)無灰助燃劑高原環(huán)境燃燒性能

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

中圖分類號(hào)：U464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）05-0021-05

*基金項(xiàng)目：軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（YX213J026）；重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2012yg-yyjs5008）。