陳然熊云楊浩吳芃（后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系重慶401331）

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無灰助燃添加劑對(duì)柴油機(jī)性能影響的研究*

陳然熊云楊浩吳芃
（后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系重慶401331）

采用F6L913柴油機(jī)對(duì)無灰助燃劑進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和負(fù)荷特性性能試驗(yàn)，研究了無灰助燃添加劑對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響。結(jié)果表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)不做任何調(diào)整的情況下燃用添加無灰助燃劑的柴油后，與燃用0#柴油相比較，發(fā)動(dòng)機(jī)功率平均升高5.12%；燃油消耗率降低，外特性和負(fù)荷特性試驗(yàn)分別平均降低2.59%、1.68%；CO、HC、NOx排放顯著降低；碳煙排放外特性和負(fù)荷特性試驗(yàn)平均分別下降12.8%、26.5%。

柴油機(jī)無灰助燃劑動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性排放性

引言

據(jù)英國(guó)石油公司（BP）最新發(fā)布的《2035年全球能源展望》報(bào)告指出，從2015年至2035年，全球能源需求將增長(zhǎng)37%，其中石油需求將以年均0.8%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)中國(guó)將超越美國(guó)成為世界上最大的石油消費(fèi)國(guó)。隨著世界石油資源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，節(jié)能和減排已成為全球性的重要課題。柴油機(jī)的廣泛應(yīng)用使柴油的消耗量不斷增加，而國(guó)產(chǎn)柴油的品質(zhì)較差，柴油機(jī)普遍存在著耗油量大、燃燒效率低和排放黑煙等問題［1-3］。在燃油中添加助燃劑可以起到催化助燃作用，加快燃燒速度，使燃油燃燒能盡量完全釋放，提高燃油利用率，從而降低油耗，減少污染物排放［4-5］。使用助燃劑不用改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)或增加其他設(shè)備裝置，因此被認(rèn)為是一種降低排放和提高經(jīng)濟(jì)性的最佳方法［6］。

助燃劑一般可分為兩類：一類是含金屬或固體非金屬氧化物的有灰型助燃劑，一類是含純有機(jī)物的無灰型助燃劑［7-8］。由于無灰型助燃劑燃燒后不產(chǎn)生灰分，不存在二次污染問題，近年來關(guān)于無灰型助燃劑的研究較多。一般無灰型助燃劑主要是以含氧、含氮的羧基、醚基、酮基、氨基、硝基等官能團(tuán)的脂肪族，芳香族，聚合物等取代的單一有機(jī)物或多功能復(fù)合有機(jī)物組成，主要通過其自供氧能力及能在高溫下分解產(chǎn)生活性自由基，或具有清凈分散、改善燃油霧化性能，因而產(chǎn)生催化助燃和節(jié)能作用［8-10］。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在無灰添加劑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響方面進(jìn)行了大量研究工作［11-12］，但研究重點(diǎn)大多集中在含氧量高的醇、醚和酯類等單一成分有機(jī)化合物上，這類添加劑添加量比較大，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［13-14］。為了得到綜合性能比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，通過低壓氧彈燃燒法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)行了復(fù)合添加劑的配比研究，得到最優(yōu)配方（BT）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（BT），在F6L913型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，考察了復(fù)合添加劑對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響。

1　試驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為F6L913型（北內(nèi)柴油機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)），該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　試驗(yàn)用柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備和儀器主要有：

1）Power Link普聯(lián)FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控裝置；

2）GW250電渦流測(cè)功機(jī)；

3）FC2210智能油耗儀；

4）FC2010發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控儀（湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司生產(chǎn)）；

5）NHA-506廢氣分析儀；

6）NHT-6不透光度計(jì)（佛山南華儀器有限公司）。

1.2試驗(yàn)燃料與方案

試驗(yàn)以市售的中石化0號(hào)車用柴油為試驗(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BT，BT是由有機(jī)硝酸酯A、胺類化合物B、表面活性劑C按照0.85∶0.2∶1（質(zhì)量比）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號(hào)柴油中，攪拌使混合均勻，得到燃油油樣1#，與0號(hào)柴油（記為0#）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)用燃料的主要理化性質(zhì)見表2。

表2　試驗(yàn)用燃料主要理化性質(zhì)

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》，在保持柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)不變的情況下，對(duì)上述兩種燃料進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和負(fù)荷特性試驗(yàn)。在柴油機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)下，測(cè)量燃用不同燃料時(shí)功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油耗及CO、HC、NOx和碳煙排放等。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3～5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。試驗(yàn)選擇代表性工況（額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min）的負(fù)荷特性曲線及外特性曲線對(duì)兩種燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性進(jìn)行比較研究。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1無灰助燃劑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響

圖1給出了柴油機(jī)燃用不同燃料的外特性輸出功率對(duì)比。從圖1中可以看出，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用添加了無灰助燃劑（BT）的1#的功率均大于燃用0#的功率，發(fā)動(dòng)機(jī)功率平均增加5.12%，動(dòng)力性得到較大改善。在中高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，BT對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性的提升效果更加明顯，功率最大提高幅度在8%左右。這主要是因?yàn)锽T可以分解產(chǎn)生活性自由基，促進(jìn)了燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，加快燃燒速度，使燃?xì)庠诟變?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(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

圖1　不同RG值下IGBT的導(dǎo)通時(shí)間

2.2無灰助燃劑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖2給出了柴油機(jī)燃用不同燃料的外特性和額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況下的燃油消耗率對(duì)比。從圖2a）外特性曲線可以看出，在油門全開的情況下，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，兩者的曲線變化趨勢(shì)相一致，燃油消耗率先是有所下降后迅速上升，燃用1#要比0#的耗油率平均下降2.59%。在中、高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，燃用1#的燃油消耗率降低幅度較大，這主要是由于在中、高轉(zhuǎn)速情況下，氣缸溫度較高，燃油分子霧化和蒸發(fā)比較快，燃?xì)饣旌细泳鶆?，燃燒更加完全充分，無灰助燃劑降低燃油油耗的效果更加明顯。

由圖2b）轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況可以看出，兩者的曲線變化趨勢(shì)基本一致，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨著負(fù)荷的增加逐漸減少，燃用1#的燃油消耗率比0#有所下降，平均降低1.68%。在低、中負(fù)荷時(shí)，燃油消耗率下降比較明顯，而在高負(fù)荷時(shí)兩者燃油消耗率基本一致，降幅不大。這主要是因?yàn)锽T在較低溫度下就能分解活性自由基，促進(jìn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，加快燃燒速度，可以明顯改善因?yàn)槿剂匣旌?、霧化不良而導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗高的現(xiàn)象，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。在高負(fù)荷情況下，缸內(nèi)燃料燃燒品質(zhì)提高，無灰助燃劑對(duì)燃油消耗率的改善作用逐漸減小。

圖2　　燃油消耗率對(duì)比

圖3　CO排放對(duì)比

2.3無灰助燃劑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性的影響

2.3.1對(duì)CO排放的影響

圖3給出了柴油機(jī)燃用不同燃料的外特性和額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況下的CO排放對(duì)比。從圖3a）外特性曲線可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，CO排放逐漸升高；與燃用0#相比，柴油機(jī)燃用1#時(shí)的CO排放降低，平均下降21.3%。由圖3b轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況可以看出，在低負(fù)荷條件，CO排放變化不明顯，在中高負(fù)荷時(shí)急劇升高；燃用1#時(shí)CO的排放量平均下降35%。這主要是因?yàn)樘砑覤T燃油易于蒸發(fā)混合，促進(jìn)混合氣的形成和燃燒，使燃燒更充分，不完全燃燒的現(xiàn)象減少，CO排放降低。

2.3.2對(duì)HC排放的影響

圖4給出了柴油機(jī)燃用不同燃料的外特性和額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況下的HC排放對(duì)比。從圖4a）外特性曲線可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，HC排放逐漸升高。與燃用0#相比，燃用1#的HC排放大幅度降低，平均下降34.9%，且在中高轉(zhuǎn)速時(shí)HC排放下降更為明顯。由圖4b）轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況可以看出，隨著負(fù)荷增加，HC排放變化較為平緩。與燃用0#相比，燃用1#時(shí)HC的排放量平均下降37%。這主要是因?yàn)樘砑覤T燃油易于蒸發(fā)混合均勻，燃燒更為充分，燃燒速率加快，HC排放降低。

2.3.3對(duì)NOx排放的影響

圖5給出了柴油機(jī)燃用不同燃料的外特性和額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況下的NOx排放對(duì)比。從圖5a）外特性曲線可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，NOx排放逐漸降低。與燃用0#相比，燃用1#的NOx排放降低，平均下降10.4%。由圖5b）轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況可以看出，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(shí)的NOx排放量平均下降6%。這可能是由于BT的加入，提高了柴油十六烷值，滯燃期變短，預(yù)混燃燒量的減少有助于NOx排放減少。

圖4　HC排放的對(duì)比

圖5　NOx排放的對(duì)比

2.3.4對(duì)碳煙排放的影響

圖6給出了柴油機(jī)燃用不同燃料的外特性和額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況下的碳煙排放對(duì)比。從圖6a）外特性曲線可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，碳煙排放逐漸升高。在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，與燃用0#相比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用1#的碳煙排放有所降低，在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)，下降更為明顯，平均降低12.8%。由圖6b）轉(zhuǎn)速2 200 r/min負(fù)荷特性工況可以看出，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(shí)的碳煙排放量平均下降26.5%，在中高負(fù)荷時(shí)對(duì)碳煙排放比較顯著。這主要是由于添加BT燃油易于蒸發(fā)混合均勻，燃燒更為充分，碳煙排放降低。

圖6　碳煙排放的對(duì)比

3　結(jié)論

1）無灰助燃劑BT的使用提高了柴油機(jī)的動(dòng)力性，與燃用0#相比，發(fā)動(dòng)機(jī)功率平均提升5.12%；在中高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性的改善效果更加明顯。

2）無灰助燃劑BT的使用降低了柴油機(jī)燃油消耗，外特性試驗(yàn)燃油消耗率平均下降2.59%，2 200 r/min時(shí)負(fù)荷特性試驗(yàn)燃油消耗率平均降低1.68%，經(jīng)濟(jì)性有所改善。

3）添加了無灰助燃劑BT后，柴油機(jī)CO、HC、NOx和碳煙的排放都有顯著降低。CO排放外特性試驗(yàn)平均下降21.3%，2 200 r/min時(shí)負(fù)荷特性試驗(yàn)平均下降35%；HC排放外特性試驗(yàn)平均下降34.9%，2 200 r/min時(shí)負(fù)荷特性試驗(yàn)平均下降37%；NOx排放外特性試驗(yàn)平均下降10.4%，2 200 r/min時(shí)負(fù)荷特性試驗(yàn)平均下降6%；碳煙排放外特性試驗(yàn)平均下降12.8%，2 200 r/min時(shí)負(fù)荷特性試驗(yàn)平均下降26.5%.

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2清華大學(xué)中國(guó)車用能源研究中心.中國(guó)車用能源展望2012［M］.北京：科學(xué)出版社，2012

3樓狄明，龐然，譚丕強(qiáng)，等.助燃劑對(duì)公交車用柴油機(jī)性能影響的研究［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010（5）：40-44

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A Study on Effect of Ashless Combustion Supporting Additive on Diesel Engine Performance

Chen Ran，Xiong Yun，Yang Hao，Wu Peng
Department of Oil Application and Management Engineering，Logistical Engineering University（Chongqing，401331，China）

This paper carries out the external and load characteristic experiments with a F6L913 diesel engine to investigate the effect of a newly ashless combustion supporting additive doped in diesel on the power，fuel economy and exhaust gas emission.The results indicated that the engine power increased by 5.12% without any modification of the engine after the experimental fuel was added with ashless combustion supporting additive.The fuel consumption decreased by an average of 2.59%and 1.68%in the external and loadcharacteristicexperiment.MeanwhileCO，HCandNOxemissionsdecreasedobviouslyandthesootemission also decreased by an average of 12.8%and 26.5%in the external and load characteristic experiment. Keywords：Diesel engine，Ashless combustion supporting additive，Power，Economy，Emission

TK421.5

A

2095-8234（2015）06-0038-05

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（YX213J026）。

陳然（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐娪醚b備節(jié)油技術(shù)。

熊云（1962-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐娪糜推窇?yīng)用工程和油料節(jié)約技術(shù)。

（2015-10-27）