張一博　劉會(huì)猛　張煜盛　張　旭（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院湖北武漢430074）

EHN和DTBP對(duì)汽柴油PPCI燃燒與排放的影響試驗(yàn)研究*

張一博劉會(huì)猛張煜盛張旭
（華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院湖北武漢430074）

在一臺(tái)單缸柴油機(jī)不改變噴油參數(shù)的條件下，對(duì)比研究了硝酸異辛脂（EHN）和二叔丁基過氧化物（DTBP）對(duì)汽柴油混合燃料部分預(yù)混壓燃（PPCI）燃燒和排放特性的影響。研究結(jié)果表明：EHN和DTBP能夠顯著改善汽柴油混合燃料的低負(fù)荷著火性能。隨著二者添加比例的提高，燃燒的著火時(shí)刻提前，燃燒相位靠近上止點(diǎn)，燃燒放熱集中，缸內(nèi)最大壓力和最大壓力升高率提高；隨著二者添加比例的提高，NOx的排放增加，未燃HC和CO的排放降低，有效燃油消耗率降低。對(duì)比分別添加1%體積分?jǐn)?shù)的EHN和DTBP的試驗(yàn)結(jié)果表明，同比例下EHN對(duì)G90低負(fù)荷著火能力的促進(jìn)作用要比DTBP強(qiáng)。

部分預(yù)混壓燃EHNDTBP汽柴油燃燒排放

引言

日益嚴(yán)格的排放法規(guī)使得新型燃燒方式的研究開發(fā)成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的工作重點(diǎn)。部分預(yù)混壓燃（Partially Premixed Compression Ignition，PPCI）作為均質(zhì)充量壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）技術(shù)的衍生概念，是一種介于HCCI和傳統(tǒng)柴油機(jī)壓燃之間的燃燒方式。PPCI通過延長(zhǎng)缸內(nèi)混合氣的滯燃期，使燃料在著火前與空氣更加充分的混合，能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度，同時(shí)降低氮氧化物和碳煙的排放，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷下的高效清潔燃燒［1］。

柴油由于具有良好的自燃著火特性，但其揮發(fā)性較差，不利于形成良好的均質(zhì)混合氣，因此不利于PPCI燃燒［2］。研究表明，在柴油機(jī)中壓燃汽油能夠?qū)崿F(xiàn)中高負(fù)荷工況下的PPCI燃燒，但在低負(fù)荷下不能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)［3］。通過引入外部能量［4］和使用廢氣再循環(huán)［5］等手段，可以解決汽油類燃料在低負(fù)荷下著火困難的問題，但這也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的額外配制。

低十六烷值燃料由于有更長(zhǎng)的滯燃期，因此更適合PPCI燃燒，在其中添加著火促進(jìn)劑能有效提高其低溫著火性能，成為目前研究的熱點(diǎn)。本文在一臺(tái)單缸柴油機(jī)上，進(jìn)行了添加不同種類著火促進(jìn)劑硝酸異辛脂（EHN）和二叔丁基過氧化物（DTBP）的汽柴油混合燃料的試驗(yàn)研究，對(duì)比分析兩種著火促進(jìn)劑對(duì)汽柴油PPCI燃燒排放特性的影響。

1　試驗(yàn)裝置和方法

本試驗(yàn)是在一臺(tái)單缸柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)測(cè)功裝置為CMU3電渦流測(cè)控裝置和CW25-2400/10000電渦流測(cè)功機(jī)，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加載扭矩。缸壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由Kistler 6125B型壓電晶體式缸壓傳感器、Kistler 5011B型電荷放大器、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、凌華PCI-9112多功能數(shù)據(jù)采集卡及缸壓采集程序組成。油耗測(cè)量系統(tǒng)為上海內(nèi)燃機(jī)研究所生產(chǎn)的FCM-D油耗轉(zhuǎn)速自動(dòng)測(cè)量?jī)x。尾氣分析采用HORIBA-MEXA-584L型廢氣分析儀。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)主要研究不同著火促進(jìn)劑對(duì)汽柴油部分預(yù)混壓燃燃燒方式的燃燒、排放特性影響，并未對(duì)原機(jī)噴油參數(shù)進(jìn)行改動(dòng)，燃料經(jīng)原發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油泵、油管和噴嘴直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)。

試驗(yàn)所用汽柴油混合燃料為武漢市售93#汽油和0號(hào)柴油按體積比9：1混合而成，記為G90，純柴油記為D100。著火促進(jìn)劑為硝酸異辛脂（EHN）和二叔丁基過氧化物（DTBP），二者物性參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)時(shí)在G90燃料中分別添加0.5%、1%和1.5%體積分?jǐn)?shù)的EHN（分別記為GE0.5、GE1和GE1.5）和0.5%、1%和2%體積分?jǐn)?shù)的DTBP（分別記為GD0.5、GD1和GD2）。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，其中使用G90燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度控制在55±1℃，其余燃料試驗(yàn)時(shí)為35±1℃。

表2　EHN與DTBP物性參數(shù)

2　EHN對(duì)汽柴油PPCI燃燒和排放特性的影響

與G90燃料要在進(jìn)氣溫度加熱到55℃以上時(shí)才能壓燃相比，試驗(yàn)中添加了硝酸異辛脂（EHN）的三組燃料，在進(jìn)氣溫度35℃時(shí)就能使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1EHN對(duì)燃燒特性的影響

由圖1可看出，低負(fù)荷時(shí)G90的燃燒持續(xù)期較長(zhǎng)且燃燒相位靠后，這是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)循環(huán)噴油量少，著火滯燃期相對(duì)較長(zhǎng)，燃料與空氣的混合較均勻，缸內(nèi)處于著火濃度稀限附近的混合氣區(qū)域較多，由此產(chǎn)生的燃料不完全燃燒比例變大，燃燒效率變低。但在較高負(fù)荷時(shí)，隨著循環(huán)噴油量的增加，缸內(nèi)溫度升高，燃料噴入氣缸后混合氣有較明顯的分層，較快的燃燒速度使得燃料的著火滯燃期和燃燒持續(xù)期變短。

圖1　不同EHN添加比例下缸內(nèi)壓力和放熱率

在加入0.5%體積分?jǐn)?shù)的EHN時(shí)，混合燃料的著火始點(diǎn)和燃燒相位向純柴油接近，隨著添加比例的增加，混合燃料的著火始點(diǎn)和燃燒相位逐漸接近純柴油燃料。EHN的引入能增加混合氣低溫反應(yīng)階段自由基的濃度從而改善燃料的著火性能，但一旦著火開始，缸內(nèi)的燃燒便主要取決于燃料自身的性質(zhì)。EHN在溫度450～550 K范圍內(nèi)開始發(fā)生分解反應(yīng)，后續(xù)反應(yīng)產(chǎn)物包括甲醛（CH2O）、C7H15NO2、NO、NO2和其它多種自由基，在溫度達(dá)到550 K左右時(shí)，EHN完全分解［6］。當(dāng)溫度超過650 K時(shí)，C7H15NO2開始分解，進(jìn)一步增加了CH2O和NO2的濃度，NO2有兩種反應(yīng)路徑，一種是與CH2O反應(yīng)，另一種是與燃料分子發(fā)生反應(yīng)，生成HNO2。HNO2發(fā)生裂解生成NO和羥基（OH·），OH·的濃度增加促進(jìn)了低溫反應(yīng)階段的進(jìn)行，使得混合氣更快地進(jìn)入高溫反應(yīng)階段，進(jìn)而引發(fā)缸內(nèi)著火［7］。隨著EHN的添加比例增加，尤其是在高負(fù)荷下，循環(huán)噴油量變大，混合氣中EHN含量較高，較多含量的EHN在高溫下迅速分解釋放自由基，此時(shí)燃燒相位在上止點(diǎn)附近，燃燒進(jìn)行的更加迅速，放熱更集中，放熱率峰值也就更高。

2.2EHN對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

各燃料的有效燃油消耗率隨負(fù)荷變化的變化趨勢(shì)如圖2所示，添加少量的EHN就能使混合燃料的有效燃油消耗率降低到接近純柴油的水平。圖中各燃料的有效燃油消耗率均隨負(fù)荷的提高而降低。在低負(fù)荷下，G90燃料的著火滯燃期長(zhǎng)，燃燒相位滯后，較低的缸內(nèi)燃燒溫度使得燃料整體燃燒效率低，增加了有效燃油消耗率；加入EHN后，混合燃料的著火滯燃期縮短，燃燒相位提前，燃燒放熱快，降低了有效燃油消耗率。隨著負(fù)荷的提高，缸內(nèi)燃燒溫度升高使得燃料整體燃燒效率提高，放熱更集中，混合燃料的有效燃油消耗率更加接近純柴油。

圖2　不同負(fù)荷下EHN添加量對(duì)油耗影響

2.3EHN對(duì)排放特性的影響

如圖3所示為EHN添加量對(duì)G90燃料不同負(fù)荷下NOx、CO和未燃HC排放的影響。

隨著EHN添加量的增加，NOx的排放有所升高，且隨著負(fù)荷的提高而增加，這是因?yàn)镋HN的增加使得混合氣低溫反應(yīng)階段自由基增加，燃燒初期放熱加快導(dǎo)致缸內(nèi)溫度提高。但較高的缸內(nèi)溫度和提前的燃燒相位也降低了CO和未燃HC的排放，并且在高負(fù)荷時(shí)CO和未燃HC的排放接近于純柴油的排放水平。

圖3　不同負(fù)荷下EHN添加比例對(duì)排放的影響

3　DTBP對(duì)汽柴油PPCI燃燒和排放特性的影響

同EHN一樣，添加DTBP的G90混合燃料在進(jìn)氣溫度為35℃時(shí)就能正常壓燃，DTBP同EHN一樣，對(duì)G90燃料PPCI燃燒的低負(fù)荷著火性能和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性有很好的改善效果。

3.1DTBP對(duì)燃燒特性的影響

由圖4可知，DTBP添加量對(duì)G90的燃燒特性影響同EHN相似，隨著DTBP添加量的增加缸內(nèi)燃燒相位向純柴油接近。同EHN一樣，DTBP改善G90低溫著火性能的機(jī)理也是通過釋放大量自由基促進(jìn)混合氣低溫反應(yīng)階段的進(jìn)行，從而使得混合氣更快的進(jìn)入高溫反應(yīng)階段。DTBP在低溫環(huán)境下分解產(chǎn)生叔丁氧基自由基（t-C4H9O），隨后叔丁氧基自由基進(jìn)一步分解生成甲基自由基和丙酮。丙酮相對(duì)穩(wěn)定，只有在高溫條件下才繼續(xù)下一步反應(yīng)；而甲基自由基則在生成后快速的進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)，最終生成羥基（OH·）和其它燃燒中間產(chǎn)物（如HO2·等），促進(jìn)了氧化反應(yīng)的進(jìn)行。羥基大量產(chǎn)生后與燃料急速的發(fā)生反應(yīng)，放出大量熱量，引發(fā)著火［8］。

3.2DTBP對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

如圖5所示為DTBP對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，添加DTBP后，混合燃料的有效燃油消耗率得到顯著的降低，接近于純柴油的油耗水平。

3.3DTBP對(duì)排放特性的影響

如圖6所示為DTBP的添加量對(duì)G90燃料不同負(fù)荷下排放的影響。隨著DTBP添加量的提高，NOx的排放升高，并且隨著負(fù)荷的提高而升高；CO和未燃HC的排放降低，在負(fù)荷提高時(shí)繼續(xù)降低，接近于純柴油的排放水平。

圖4　不同DTBP添加比例下缸內(nèi)壓力和放熱率

圖5　不同負(fù)荷下DTBP添加量對(duì)油耗影響

4　EHN與DTBP對(duì)汽柴油PPCI燃燒影響對(duì)比

硝酸異辛脂（EHN）與二叔丁基過氧化物（DTBP）同為十六烷值增強(qiáng)劑，二者對(duì)G90燃料的低溫著火性能均有顯著的促進(jìn)作用，但其對(duì)G90燃料PPCI燃燒的燃燒特性的影響卻有一定的差異性。為此，有必要對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6　不同負(fù)荷下DTBP添加比例對(duì)排放的影響

本文選擇分別添加1%體積分?jǐn)?shù)的EHN和DTBP的G90混合燃料GE1和GD1進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)還對(duì)添加了1%體積分?jǐn)?shù)（0.5%EHN+0.5%DTBP）復(fù)合添加劑的G90混合燃料（記為GED1）進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要對(duì)比分析EHN和DTBP對(duì)G90的著火促進(jìn)作用。

圖7所示為GED1、GE1、GD1與G90和純柴油的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線，由圖可知，在低負(fù)荷下，G90中加入相同體積分?jǐn)?shù)1%的添加劑后，EHN對(duì)混合燃料的著火促進(jìn)作用最大，DTBP最小，復(fù)合添加劑的促燃作用介于二者之間，說明低負(fù)荷下1%的 EHN提高G90燃料的十六烷值效果要好于DTBP，此時(shí)EHN對(duì)缸內(nèi)混合氣低溫反應(yīng)階段的促進(jìn)作用要比DTBP強(qiáng)。

圖7　添加EHN與DTBP后缸內(nèi)壓力和放熱率對(duì)比

3）對(duì)比GE1和GD1的試驗(yàn)結(jié)果可知，在低負(fù)荷下，EHN對(duì)混合燃料的著火促進(jìn)能力要比DTBP強(qiáng)。同一負(fù)荷下，EHN對(duì)降低未燃HC和CO排放的效果要比同比例DTBP要好，但與GD1相比，GE1的NOx排放相對(duì)較高。

4）復(fù)合使用EHN和DTBP后，GED1的著火滯燃期和燃燒相位介于GE1和GD1之間，在本試驗(yàn)中，復(fù)合使用EHN和DTBP對(duì)混合燃料低溫著火性能的改善效果介于單獨(dú)使用這兩種著火促進(jìn)劑之間。

5　結(jié)論

1）汽柴油混合燃料G90在低負(fù)荷下的著火性能較差，在進(jìn)氣溫度加熱到55℃以上時(shí)才能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，且發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率較高。在G90燃料內(nèi)，分別加入少量的著火促進(jìn)劑硝酸異辛脂（EHN）和二叔丁基過氧化物（DTBP）后，對(duì)G90燃料的低負(fù)荷著火性能有很好的改善效果，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在35℃的進(jìn)氣溫度下就能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，并且降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃油消耗率。

2）隨著EHN和DTBP添加量的增加，缸內(nèi)著火滯燃期逐漸縮短，燃燒相位逐漸提前，缸內(nèi)最大壓力升高率提高，限制了向高負(fù)荷工況下的拓展。加入著火促進(jìn)劑后，NOx排放有所增加，并且隨著負(fù)荷的提高而增加；但未燃HC和CO的排放降低，并且隨著著火促進(jìn)劑添加量的增加而降低。

1馬帥營(yíng)，堯命發(fā)，童來會(huì)，等.汽油/柴油雙燃料高比例預(yù)混壓燃燃燒與排放的試驗(yàn)［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30（1）：1-8

2Pesant L，F(xiàn)orti L，Jeuland N.Effect of fuel characteristics on the performances and emissions of an early-injection LTC/ diesel engine［C］.SAE Paper 2008-01-2408

3Adam Weall，Nick Collings.Gasoline fuelled partially premixed compression ignition in a light duty multi cylinder engine:a study of low load and low speed operation［J］.SAE Int.，2009，2（1）:1574-1586

4Borgqvist P，Tunestal P，Johansson B.Gasoline partially premixed combustion in a light duty engine at low load and idle operating conditions［C］.SAE Paper 2012-01-0687

5Fan Zhang，Hongming Xu，Soheil Zeraati Rezaei，et al.Combustion and emission characteristics of a PPCI engine fuelled with dieseline［C］.SAE Paper 2012-01-1138

6Stein Y.，Yetter R.，Dryer F.，et al.The autoignition behavior of surrogate diesel fuel mixtures and the chemical effects of 2-ethylhexyl nitrate（2-EHN）cetane improver［C］.SAE Paper 1999-01-1504

7Andrew M.Ickes，Stanislav V.Bohac，Dennis N.Assanis. Effect of 2-ethylhexyl nitrate cetane improver on NOxemissions from premixed low-temperature diesel combustion［J］. Energy Fuels，2009，23:4943-4948

8Hu Wang，Adam B.Dempsey，Mingfa Yao，et al.Kinetic and numerical study on the effects of di-tert-butyl peroxide additive on the reactivity of methanol and ethanol［J］.Energy Fuels，2014，28:5480-5488

Experimental Study on the Effects of EHN and DTBP on Dieseline Fuelled PPCI Combustion and Emissions

Zhang Yibo，Liu Huimeng，Zhang Yusheng，Zhang Xu
College of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science&Technology（Wuhan，Hubei，430074，China）

Experiments on the effects of EHN and DTBP on dieseline fuelled PPCI combustion and emissions were carried out with a single-cylinder engine without changing the injection parameters.Results show that EHN and DTBP can significantly enhance the ignitibility of dieseline at low load range.As the additive proportion increases，the start of combustion and combustion phasing are advanced，heat release is concentrated，maximum pressure and maximum pressure rise rate increase，NOxemission increases，UHC and CO emissions reduced，and the specific fuel consumption reduced.Results of EHN and DTBP，both adding 1%volume fraction to G90，show that EHN is more effective on the enhancement of G90 ignition ability than DTBP.

Partially premixed compression，EHN，DTBP，Dieseline，Combustion，Emission

TK411+.71

A

2095-8234（2015）04-0016-07

2015-04-14）

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51176057）。

張一博（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠蚉PCI燃燒。

劉會(huì)猛（1966-），男，副教授，E-mail：hmliu@mail.hust.edu.cn。