柴油添加剂对柴油机排放的影响

钟祥麟

摘要：采用一台增压中冷柴油机，分别燃用0号柴油和按5%、10%、5‰比例添加某燃油添加剂，对发动机气态污染物排放特性进行对比分析。外特性工况，各加剂燃油THC排放有升高，且随掺比增加呈现正相关趋势，NOX和CO排放没有明显差异。小负荷工况时，随转速升高，各加剂燃油CO排放差异变大，但没有明显改善，NOX排放差异性较小。中高负荷时，各加剂燃油对CO排放没有明显差异，NOX排放有一定改善。部分负荷时0.5%添加剂使得THC排放恶化明显。

关键词：柴油机;添加剂;排放

0  引言

柴油机具有较好的燃油经济性，相比于同排量的汽油机，柴油机的平均节油率达20-30%。为改善柴油机燃烧，提高燃烧效率，降低排放和油耗，提高燃油品质一直是一个重要的技术手段，而采用柴油添加剂改善柴油燃烧性能已经是一种常规和必要措施。此外，良好的柴油添加剂还可使柴油抗氧性、防锈性及破乳性显著提升，有效提升柴油品质，降低劣质油品对发动机油路、油泵、滤清器和喷油嘴带来的损害[3]。本文针对某一市售燃油添加剂，开展不同比例柴油添加剂对柴油机性能影响研究，以便进一步了解燃油添加剂作用，为添加剂的发展提供借鉴。

1  试验设备及方法

1.1 试验装置  试验在一台涡轮增压共轨燃油喷射柴油机上进行，其技术参数如表1所示。

1.2 试验方法 在充分磨合的被测柴油机上用0号基础柴油，以及分别添加0.5%、10%、5%三种比例柴油添加剂的柴油进行万有特性稳态测试和外特性测试，对其排放特性进行对比分析。实验过程中每种燃油的试验次数进行三次评定并取数据平均值以保证实验的可靠性。

2  试验结果

2.1 外特性常规排放特性分析  图1～图2为不同比例添加剂外特性一氧化碳（CO）排放对比。由图1可得，在1200rpm时，0.5%和5%比例添加剂的CO排放相对于基础油明显增加，在其它工况点基础油与各比添加剂掺混燃油的CO排放浓度基本一致，从图2变化率对比曲线中也可得知，除了1200rpm工况点，三种比例添加剂燃油的CO排放变化率均在±10%之间，变化趋势也基本一致，说明加入添加剂对发动机CO外特性排放无明显作用。

图3～图4为不同比例添加剂外特性氮氧化物（NOx）排放对比。由图3可得，不同掺比添加剂燃油的NOx排放变化趋势，与基础油基本一致。整体来看，0.5%比例添加剂相比其它两种高掺比比例有一定改善：在1200rpm时，NOx排放降低率达到最大值12.1%。5%、10%比例添加剂在较多工况点NOx排放增加，10%比例添加剂的NOx增高更为明显，在1500～2000rpm范围内，增加近15%。由此估计，在低转速时，较小比例的柴油添加劑可减少缸内高温持续时间[4-5]，对缸内燃烧起到了一定调节作用，有利于NOx降低。

图5～图6不同比例添加剂外特性总未燃碳氢（THC）排放对比，由图5可以看出，加入各比例添加剂后，THC排放较基础油有一定的升高，尤其10%比例添加剂升高更为明显：在3200rpm时THC排放升高达到了15.4%。在1000-3200rpm之间三种比例添加剂THC排放变化率均在0以上，排放有一定恶化，3200rpm高转速工况下，三种添加剂THC恶化程度逐渐减小，甚至有一定改善，如5%比例添加剂在3600rpm相对于基础油THC降低了8%。

2.2 部分负荷常规排放特性分析  图7～图9为1600rpm、2400rpm、3600rpm下不同添加剂CO浓度排放随负荷变化对比。总体来看，不同掺比添加剂燃油对CO排放与基础油相比并没有显著改善。小负荷下随转速的升高不同掺比添加剂的CO排放差异越来越明显：在低速1600rpm时，在小负荷工况20-70N·m下，出现微小差异，随着转速的提高，变化差距呈现不断加大的趋势，总的来讲，5%和10%掺比相比于0.5%掺比，CO排放变化更为明显，其中5%掺比燃油表现为排放增加，而10%掺比燃油在转速2400rpm、负荷40-150N·m的工况区间时表现为排放略降低，高转速3600rpm时，10%添加剂和5%添加剂表现趋于一致，排放在整个负荷区间均升高，比基础油最多高出22.6%。由此可见，不同添加剂掺比的燃油对CO排放会产生较明显差异：发动机转速由低速到高速，影响逐渐变大;中低负荷条件下影响较大，随着负荷增加，影响变小。

图10～图12为1600rpm、2400rpm、3600rpm下各添加剂NOx排放浓度随负荷变化的对比。不同掺比添加剂对NOx排放影响的敏感工况区间偏重150-250N·m的中高负荷，而且随着发动机转速的升高，NOx排放离散差异越大。总的来看，不同掺比添加剂燃油对于NOx排放有一定的的改善作用，随着发动机转速的升高，或者在中高负荷条件下，改善越明显，可能是在此工况下缸内燃烧温度有所下降，缺少NOx生成条件[6]。中等转速（2400rpm）时5%添加剂燃油的NOx排放最低，与基础油相比，最高降低了16.7%。高转速（3600rpm）时，10%添加剂燃油的NOx排放最低，与基础油相比最大降低约为9%。

图13～图15为1600rpm、2400rpm、3600rpm下各添加剂THC排放浓度随负荷变化的对比。总体来看，三种转速条件下在整个负荷区间0.5%添加剂燃油的THC排放表现最高。中间转速（2400rpm）时，不同掺比添加剂燃油的THC排放离散程度最高，相比于基础油，5%和10%添加剂掺比的燃油THC排放平均降低约为15-19%。但在低速（1600rpm）和高速（3600rpm）工况条件下，改善并不明显，反而在某些负荷点会出现排放增加。

3  小结

①外特性工况下，不同添加剂掺比对发动机CO排放无明显降低作用。0.5%比例添加剂对NOx排放有一定的改善，但5%和10%比例添加剂在较多的工况点表现出NOx排放增加趋势。不同添加剂掺比对THC排放会造成一定恶化，高转速工况时恶化程度减小。②部分负荷工况下，不同掺比添加剂对CO排放并没有明显的改善作用，甚至出现恶化现象。高转速和中低负荷条件下影响较大。不同掺比对NOx排放有一定的的改善作用，随着发动机转速的升高，或者在中高负荷条件下，改善越明显。0.5%添加剂THC排放恶化，5%和10%添加剂掺比THC排放有一定改善，改善仅在中间转速工况时体现明显。③燃油添加剂对发动机的排放有一定的改善作用，但改善效果与发动机的运行工况更为相关。掺比比例从0.5%到10%，对排放的影响变化趋势随污染物种类和工况条件的改变并没有必然的相关性。

参考文献：

[1]杨道胜，史宗冈，胡华，等.汽车排放及油品升级的新阶段基础油及添加剂的挑战[J].润滑油，2006（01）：1-8.

[2]李仙粉，等.柴油清净剂改善柴油机有害排放的影响[D].北京化工大学.

[3]郭瑞莲.汽油清净剂对汽车排放分析研究[D].[博士学位论文].北京：中国农业大学，2008.

[4]杜家坤.基于燃料特性与燃烧边界条件协同控制的高效清洁燃烧技术研究[D].吉林大学，2016.