模拟高原环境下无灰助燃剂对柴油机性能的影响

陈 然，熊 云，杨 浩，吴 芃

(解放军后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 401331)

模拟高原环境下无灰助燃剂对柴油机性能的影响

陈 然，熊 云，杨 浩，吴 芃

(解放军后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 401331)

在大气模拟试验装置上进行了模拟高原环境下柴油机燃用0号柴油和添加无灰助燃剂燃油(1号柴油)的发动机台架试验，通过测试功率、燃油消耗率、碳烟等有害物质排放量来评价柴油添加剂节能减排功效。结果表明，柴油机在模拟海拔3 000 m气压(70 kPa)条件下，与0号柴油相比，燃用1号柴油时发动机输出功率升高，燃油消耗率及CO、HC、碳烟排放量降低，NOx排放量略有增加。添加无灰助燃剂可有效提升柴油机的动力性、节省燃料和降低排放，改善发动机的高原适应性。

柴油机 高原 无灰助燃剂 动力性 经济性 排放性

我国是世界上高原面积最大、海拔最高的国家，其中青藏高原占国土面积的37%，海拔多在3 000～5 300 m。高原地区气压低、空气稀薄、空气氧含量少、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的影响，气缸进气量减少，过量空气系数下降，燃烧过程中氧气供应不足，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]。有研究表明，海拔每升高1 000 m，非增压柴油机功率下降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]。如何提高发动机在高原环境下的运行性能、节省燃料和降低黑烟颗粒排放一直是研究的热点，对改善动力机械的高原适应性、提高军用动力装备的隐蔽性、加强运输和作战能力具有重要意义。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[6-9]，研究重点是含氧量高的醇、醚和酯类等一系列单一成分有机化合物，往往采用与柴油掺烧方式，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[10-11]。相对于含氧燃料，无灰助燃剂主要是以含氧、含氮羧基、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。目前评价柴油添加剂节能降污功效的方法一般是采用发动机台架试验，通过测试功率、节油率、烟度等有害物质排放的变化率来评价柴油添加剂节能减排功效[12]。这种方法直观准确，但资源损耗和费用较高。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的交互作用，通过低压氧弹燃烧法对多种不同类型助燃剂单剂的助燃效能进行模拟评定，筛选出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，得到最优配方助燃剂FT和最优添加量[13]。本研究通过在柴油中添加FT，在大气模拟试验台架上进行试验，研究模拟高原环境下无灰助燃剂对柴油机动力性、经济性和排放特性的影响。

1 试验装置与方案

1.1 试验装置

内燃机大气模拟试验台架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。图1为内燃机大气模拟试验台架系统流程示意。试验台主要通过进气压力模拟装置，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0～6 000 m，环境温度范围为-40～30 ℃。测功机主要进行柴油机动力性指标的测量，油耗仪主要进行经济性指标的测量，废气分析仪和不透光度计主要是进行排放性指标的测量。试验用发动机为F6L913型，北内柴油机有限责任公司制造，主要技术参数见表1。

图1 内燃机大气模拟试验台架系统流程示意

表1 试验用柴油机的主要参数

参 数指 标发动机型式6缸、风冷、直喷、4冲程缸径×行程∕(mm×mm)102×125排量∕L6.128压缩比17∶1额定转速∕(r·min-1)2200标定功率∕kW74最大转矩转速∕(r·min-1)1600

1.2 试验仪器及燃料

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，湘仪动力测试仪器有限公司生产；NHA-506废气分析仪、NHT-6不透光度计，佛山南华仪器有限公司生产。

以市售0号车用柴油为试验用油，理化指标符合GB 19147—2013要求。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0.85∶0.2∶1复配而成，将FT按质量分数0.24%(最优添加量)[13]添加到0号柴油中，得到1号柴油。试验用燃料油的主要理化性质见表2。

1.3 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的条件下进行模拟高原地区柴油机燃用0号和1号柴油时外特性和负荷特性的对比试验，在内燃机大气模拟试验台架上模拟海拔3 000 m(70 kPa)的大气环境。外特性试验是将柴油机调定在标定工况下稳定运转，使之达到热平衡，保持油门处于最大位置不变的情况下逐步降低转速直至1 000 r/min，按200 r/min的等间隔共取7个试验点，测量燃用0号和1号柴油时功率、燃油消耗率及CO、HC、NOx和碳烟的排放量。负荷特性试验是选取了代表性工况额定转速，当柴油机以转速2 200 r/min运行时，从工况的最大负荷点(扭矩)开始逐渐减小负荷，共取9个试验点，测量燃用0号和1号柴油时的燃油消耗率及CO、HC、NOx和碳烟的排放量。功率和扭矩是衡量发动机动力性能的重要指标，燃油消耗率是衡量发动机经济性能的重要指标，CO、HC、NOx和碳烟的排放值是衡量发动机排放性能的重要指标。同一工况条件，以测量指标所有工况点变化率的平均值作为该工况条件下测量指标的平均变化率。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。试验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。

表2 试验用燃料的主要理化性质

2 结果与讨论

2.1 无灰助燃剂对发动机动力性的影响

柴油机在模拟海拔3 000 m气压(70 kPa)条件下，分别燃用0号和1号柴油时发动机输出功率对比见图2。从图2可以看出：在试验转速范围内，燃用1号柴油发动机的功率大于燃用0号柴油时的功率，燃用1号柴油比燃用0号柴油发动机的功率平均增加3.21%；在中、高转速条件下工作时，燃用1号柴油比燃用0号柴油发动机的功率增幅加大，说明FT对柴油机动力的提升效果更加明显，这主要是因为FT在较低温度下就可分解产生高活性自由基团，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，燃油释放更多的热量，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。

图2 燃用0号和1号柴油时发动机输出功率对比

2.2 无灰助燃剂对发动机经济性的影响

图3 燃用0号和1号柴油时燃油消耗率对比

柴油机在模拟海拔3 000 m气压(70 kPa)条件下，分别燃用0号和1号柴油时燃油消耗率对比见图3。从图3可以看出，外特性试验在油门全开的情况下，整个转速范围内，两者的曲线变化一致，燃油消耗率随转速的增加先降低后升高，在中、低转速运行时，燃用1号柴油要比0号柴油的耗油率平均下降1.76%。这主要是因为添加FT的1号柴油含有氧，热值较高，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，使燃油经济性得到改善。从图3还可以看出：发动机燃油消耗率随着负荷的增大逐渐减少，在所有试验工况点，燃用1号柴油的燃油消耗率比0号柴油的燃油消耗率平均降低2.68%，这主要是因为FT活化能较低，分解产生大量高活性自由基团和氧原子，促进燃烧链式反应的进行，加快燃烧速率，提高了热效率，燃油经济性得到改善；在低、中负荷时，燃油消耗率基本一致，而在高负荷时降幅明显，这是因为随着负荷增大，过量空气系数变小，燃烧恶化；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 无灰助燃剂对发动机排放性的影响

图4 燃用0号和1号柴油时CO排放量对比

2.3.1 对CO排放的影响 柴油机在模拟海拔3 000 m气压(70 kPa)条件下，燃用0号和1号柴油时的CO排放量对比见图4。柴油机中CO的生成一般是由于燃料不完全燃烧导致。从图4可以看出，随着转速的增加，CO排放量逐渐升高，与燃用0号柴油相比，燃用1号柴油时的CO排放量平均下降12.8%。从图4还可以看出：CO排放量随着负荷的增大逐渐增大，在低负荷条件下CO排放量较低，在中、高负荷时急剧升高；与燃用0号柴油相比，燃用1号柴油时CO排放量平均下降22.5%。这主要是因为添加FT后，燃油十六烷值提高，改善了着火过程，促进混合气的形成和燃烧，使燃烧更充分；另一方面，缸内燃烧温度的升高，CO的氧化条件得到改善，不完全燃烧的现象减少，从而使CO排放量降低。

2.3.2 对HC排放的影响 柴油机在模拟海拔3 000 m气压(70 kPa)条件下，燃用0号和1号柴油时的HC排放量对比见图5。柴油机排气中的HC一般是由燃料中烃分子、不完全燃烧产物、燃烧过程中部分被分解的产物和再化合的中间产物组成。从图5可以看出，在整个转速范围内，HC排放量相对平缓，与燃用0号柴油相比，燃用1号柴油时的HC排放量平均下降21.6%。从图5还可以看出：HC排放量随着负荷的增大变化较为平缓，燃用0号柴油时HC排放量随负荷的增大略有降低，这是由于过稀的混合气是柴油机低负荷时HC排放的主要生成源；与燃用0号柴油相比，燃用1号柴油时HC的排放量平均下降16.2%。这主要是因为添加FT后，燃油十六烷值提高，燃烧始点提前，改善了着火过程，延长了HC的氧化时间，燃油易于蒸发混合均匀，燃烧更为充分，燃烧速率加快，使HC排放量降低，而燃用1号柴油时，HC排放量随负荷增大略有升高，可能是由于无灰助燃剂中的有机成分不完全燃烧产生了部分HC，使得HC排放量略有增加。

图5 燃用0号和1号柴油时HC排放量对比

2.3.3 对NOx排放的影响 柴油机在模拟海拔3 000 m气压(70 kPa)条件下，燃用0号和1号柴油时的NOx排放量对比见图6。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。从图6可以看出，在整个转速范围内，燃用1号柴油时的NOx排放量均高于燃用0号柴油时的NOx排放量，平均升高11.6%。从图6还可以看出，NOx排放量随着负荷增加逐渐升高，与燃用0号柴油相比，燃用1号柴油时的NOx排放量平均上升7.2%。这主要是由于添加FT后，燃用1号柴油的热值较高，提高了缸内燃烧温度，加快了燃烧速率，燃料燃烧更为充分，燃烧火焰温度升高，导致NOx排放量增加。

图6 燃用0号和1号柴油时NOx排放量对比

2.3.4 对碳烟排放的影响 柴油机在模拟海拔3 000 m气压(70 kPa)条件下，燃用0号和1号柴油时的碳烟排放量对比见图7。柴油机碳烟是在高温、高压燃烧的条件下，局部缺氧、裂解并脱氢而形成的以碳为主要成分的固体微小颗粒，是燃烧室内不完全燃烧的产物。目前，碳烟排放的测量主要采用不透光烟度计，用不透光度表示碳烟的排放量大小，不透光度值越大，碳烟排放越严重。从图7可以看出，随着转速的增加，碳烟排放逐渐升高，在整个转速范围内，与燃用0号柴油相比，发动机燃用1号柴油的碳烟排放量平均降低11.4%。从图7还可以看出，碳烟排放量随着负荷增加逐渐增加，与燃用0号柴油相比，燃用1号柴油时的碳烟排放量平均下降14.5%，最大降幅达20.5%，在中、高负荷时碳烟排放的改善效果更加显著。这主要是由于添加FT后，改善了柴油的物理活性，低沸点低黏度使燃油易于蒸发混合均匀，燃烧更为充分，减少了燃烧过程中碳烟的形成；FT在高温下分解产生的活性自由基能加速氧化反应从而促进碳烟氧化，也有效降低了碳烟的排放。

图7 燃用0号和1号柴油时碳烟排放量对比

3 结 论

(1) 柴油机在模拟海拔3 000 m气压(70 kPa)、外特性试验转速1 000～2 200 r/min的条件下，与燃用0号柴油相比，柴油机燃用1号柴油的输出功率平均升高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%，碳烟排放量平均下降11.4%，NOx排放量平均升高11.6%。

(2) 柴油机在模拟海拔3 000 m气压(70 kPa)、

2 200 r/min负荷特性试验(扭矩40～120 N·m)条件下，与燃用0号柴油相比，柴油机燃用1号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%，碳烟排放量平均下降14.5%，NOx排放量平均升高7.2%。

(3) 无灰助燃添加剂FT的使用可以有效提升柴油机的动力性能，改善发动机的高原适应性，具有良好的节能减排功效。

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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。

陈然，硕士研究生，主要研究方向为军用油品应用工程和装备节油技术。

陈然，E-mail:wrchr2@163.com。

军队科研计划项目(YX213J026)。