EHN添加剂对高原环境柴油机燃烧特性的影响

李若亭， 李华兵， 马 宁， 郭猛超， 胡俊彪

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 中国卫星海上测控部， 江苏 江阴 214400；3. 总装备部西安军代局， 陕西 西安 710032； 4. 总装备部车船军代局驻西安军代室， 陕西 西安 710043)

EHN添加剂对高原环境柴油机燃烧特性的影响

李若亭1， 李华兵2， 马 宁1， 郭猛超3， 胡俊彪4

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2. 中国卫星海上测控部， 江苏 江阴 214400；3. 总装备部西安军代局， 陕西 西安 710032； 4. 总装备部车船军代局驻西安军代室， 陕西 西安 710043)

针对高原环境下柴油机燃烧恶化的问题，通过单缸机台架实验研究了进气压力为0.68 bar、转速为1 400 r/min满负荷工况下硝酸异辛酯(EHN)添加剂对柴油机燃烧特性的影响。结果表明：与燃烧纯柴油相比，EHN添加剂使柴油机缸内压力峰值略有降低，最大压力升高率减小，柴油机工作时的机械负荷得到缓解；缸内燃烧放热率峰值降低、出现位置提前，滞燃期及燃烧持续期缩短；缸内温度和排气温度降低，改善了柴油机工作的热负荷；柴油机扭矩增加，有效比油耗降低，且发动机有效热效率得到了提高。

高原环境；柴油机；EHN添加剂；燃烧

高原地区大气压力较低，容易引起柴油机进气压力下降、缸内供氧量不足、燃烧恶化等问题，严重影响了高原环境柴油机的性能[1-2]。为了改善高原地区柴油机的燃烧性能，可以利用燃料改进技术，在柴油中加入多种组分的燃料或添加剂组成混合燃料[3]。该方法简便易行，且不用对柴油机本体结构进行任何改变，又能达到改善燃烧、恢复功率的目的，因此具有广阔的应用前景。近年来，国内外学者针对高原环境柴油机燃用含氧燃料进行了一系列的研究[4-7]，但主要侧重于含氧燃料对高海拔地区柴油机燃烧排放性能影响的研究，尚无关于添加助燃剂对高原环境柴油机燃烧过程影响的研究报道。

硝酸异辛酯(EHN)是一种有机硝酸酯，其分子式为(C8H17O)NO2。EHN作为添加剂使用能够提高柴油的十六烷值、降低燃点、缩短着火时间，对燃料燃烧性能具有一定的改善作用[7-9]。因此，笔者以EHN为添加剂，针对高原环境下柴油机燃烧恶化的问题，通过单缸机台架实验研究低气压进气条件下其不同比例对柴油机燃烧特性的影响，以期为高原环境柴油机燃料改进技术提供依据。

1 柴油机台架与实验步骤

实验在一台单缸、水冷、自然进气柴油机台架上进行，单缸柴油机主要参数及其实验台架组成分别如表1和图1所示。其中：实验台架的主要设备包括诚邦DL 55电力测功机、Kisler 6125C缸压传感器、Kisler 2613B角度编码器、DEWE 801燃烧分析仪和诚邦ET 2500智能油耗仪。由于高原环境空气稀薄，进气对柴油机性能变化影响较为明显，而排气对其性能变化影响不大，因此，实验过程中通过节流阀调节进入稳压箱的空气体积，实现柴油机低气压条件下的进气，达到模拟高原环境柴油机工作过程的目的。

表1 单缸柴油机主要参数

图1 单缸柴油机实验台架组成

实验所采用基准油料为-35#军用柴油，其与EHN的主要理化性质对比如表2所示。

表2 柴油与EHN的主要理化性质对比

从表2可以看出：与柴油相比，EHN的密度略大，沸点和低热值明显降低,闪点相差不大，黏度较小,流动性好。由于EHN易燃、易爆且有腐蚀性，在柴油中添加比例过大容易损伤机器，因此本实验中将EHN的添加比例控制在较低范围内，分别在柴油中加入体积分数为0.3%、0.6%和0.9%的EHN以配置混合燃料。

实验模拟海拔高度3 700 m、进气压力为0.68 bar条件下柴油机的燃烧，进行常用转速1 400 r/min下的负荷特性实验。待工况稳定后，利用燃烧分析仪提取缸压、曲轴转角等信号，对缸内燃烧特性进行分析。

2 实验结果分析

2.1 对缸内压力和压力升高率的影响

图2、3分别为燃用添加不同比例EHN柴油时，缸内压力和压力升高率随曲轴转角的变化曲线。

由图2可以看出:随着EHN添加比例的增加，柴油机缸内压力峰值略微降低，与燃用纯柴油相比分别下降了0.5、0.84、1.15 bar，其对应曲轴转角位置分别提前了0.5、0.8、1.2 ℃A。由图3可以看出:缸内最大压力升高率随着EHN添加比例的增加而下降，与燃用纯柴油相比分别下降了0.14、0.29、0.47 bar/℃A，其对应曲轴转角位置分别提前了0.6、0.8、1.2 ℃A。其原因是：EHN的助燃作用能够减少着火滞燃期内准备的可燃混合气体量，使缸内压力峰值略有降低，但总体变化不大；同时，缸内压力升高率峰值有所下降，使得高原稀薄进气条件下柴油机的机械负荷得到一定的改善。燃用不同比例EHN的缸内最大压力及对应的变化值如表3所示。

图2 柴油机缸内压力变化曲线

图3 柴油机缸内压力升高率变化曲线

表3 燃用不同比例EHN的缸内最大压力及对应的变化值

2.2 对缸内燃烧放热规律的影响

图4、5分别为燃用添加不同比例EHN柴油时,缸内瞬时放热率和累计放热率随曲轴转角变化曲线。由图4可以看出：燃用EHN添加比例为0.3%、0.6%及0.9%的混合燃料时，柴油机瞬时放热率峰值比燃用纯柴油时分别下降了5.1%、8.1%和9.9%，其对应曲轴转角位置分别提前了0.3、0.7 、1.1 ℃A。由图5可以看出：1)在放热初始阶段，随着EHN添加比例的增加，累计放热率曲线向前移动，表明EHN的加入使柴油机燃烧放热速率加快；2)在放热中后期,纯柴油的燃烧速率比加入EHN添加剂的混合燃料大；3)放热结束时刻随着EHN添加比例的增加而提前。这是由于EHN的添加使混合燃料的着火准备时间缩短，因而随着柴油中EHN掺混比例的增加，混合燃料的着火始点提前，预混合燃烧比例减小，瞬时放热率峰值减小，峰值对应位置提前。

图4 柴油机缸内瞬时放热率变化曲线

图5 柴油机缸内累计放热率变化曲线

图6为燃用添加不同比例EHN柴油时滞燃期的变化曲线。可以看出：由于EHN的助燃作用，随着其添加比例的增加，缸内滞燃期逐渐缩短，与燃用纯柴油相比分别缩短了0.4、0.8、1.3 ℃A。

图6 柴油滞燃期变化曲线

本文定义累积放热率由10%增加至90%时柴油机所对应曲轴转角间的差值为燃烧持续期。表4为添加不同比例EHN柴油燃烧持续期。可以看出：随着EHN添加比例的增加，燃烧持续期缩短，燃用EHN添加比例为0.3%、0.6%及0.9%的混合燃料时，其燃烧持续期分别缩短了1.1、1.8、2.2 ℃A。这表明在高原环境稀薄进气环境下，EHN的掺混加快了混合燃料的燃烧进程。

表4 添加不同比例EHN柴油燃烧持续期

2.3 对缸内温度和排气温度的影响

图7为燃用添加不同比例EHN柴油时，柴油机缸内温度随曲轴转角的变化曲线。

图7 柴油机缸内温度随曲轴转角变化曲线

由图7可以看出：柴油机缸内温度峰值随着EHN添加比例的增加而略有降低，温度曲线整体位置略有前移，其中EHN添加比例为0.9%时柴油机缸内最高温度与燃烧纯柴油时相比降低了40 ℃，降幅达1.9%。

图8为燃用添加不同比例EHN柴油时，排气温度随负荷的变化曲线。

图8 柴油机排气温度变化曲线

由图8可以看出：柴油机的排气温度随负荷的增加而增加，随EHN添加比例的增加而略有降低；EHN添加比例为0.9%时的柴油机排气温度比燃用纯柴油降低了11 ℃，降幅达2.1%。其原因是：1)EHN的添加使滞燃期缩短，柴油机缸内燃烧过程提前，从而导致着火滞燃期内准备的可燃混合气量减少；2)EHN的添加使柴油机燃烧持续期缩短，缸内燃烧放热更加集中；3)在两者的共同作用下，缸内温度峰值以及排气温度略有降低，柴油机在模拟高原稀薄进气条件下的热负荷得到改善。

2.4 对柴油机主要性能的影响

表5为燃用添加不同比例EHN柴油时，最大扭矩和燃油消耗变化情况。

表5 最大扭矩与燃油消耗随EHN添加比例变化

由表5可以看出：燃用EHN添加比例为0.3%、0.6%及0.9%的混合燃料时,柴油机最大扭矩比燃用纯柴油时分别增加了1.1%、1.7%和1.9%，有效比油耗分别降低了0.7%、1.0%和1.2%。在该工况点，柴油机的有效热效率随EHN添加比例的变化趋势如图9所示。

图9 柴油机有效热效率随EHN添加比例的变化趋势

由图9可见：随着EHN添加比例的增加，柴油机的有效热效率略有增加。这主要是由于EHN的添加缩短了混合燃料的滞燃期与燃烧持续期，优化了放热规律，使柴油机的能量转换效率提高。因此，在满负荷工况下可以增加扭矩、降低有效比油耗，从而在一定程度上改善高原稀薄进气条件下柴油机的动力性及经济性。

3 结论

针对高原环境下柴油机燃烧恶化的问题，笔者通过单缸机台架实验研究了进气压力为0.68 bar、转速为1 400 r/min满负荷工况下EHN添加剂对柴油机燃烧特性及主要性能的影响，主要结论如下：

1) 柴油中加入EHN添加剂能够有效降低缸内压力峰值和最大压力升高率，同时缸内温度和排放温度也有所减小，柴油机的机械负荷及热负荷得到改善；

2) 柴油中加入EHN添加剂后，柴油机缸内燃烧放热率峰值降低、出现位置提前，滞燃期及燃烧持续期缩短；

3) EHN的添加可以使扭矩增加、有效比油耗降低，在一定程度上改善了高原稀薄进气条件下柴油机的动力性及经济性，同时提高了柴油机的有效热效率。

[1] 申立中, 沈颖刚, 毕玉华, 等. 不同海拔高度下自然吸气和增压柴油机的燃烧过程[J]. 内燃机学报, 2002, 20(1):49-52.

[2] Laforgia D. Reduction of Smoke Emissions by Compression Ignition Engines in High-altitude Urban Transportation System[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 1993, 18(7):601-605.

[3] 蒋德明, 黄佐华. 内燃机替代燃料燃烧学[M]. 西安：西安交通大学出版社, 2007.

[4] Chauhan B S, Kumar N, Haeng M C. A Study on the Perfor-mance and Emission of a Diesel Engine Fueled with Jatropha Biodiesel Oil and its Blends[J]. Energy, 2012,37(1):616-622.

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(责任编辑: 尚菲菲)

Analysis of EHN Additive on the Diesel Engine Combustion Characteristics in Plateau Environment

LI Ruo-ting1, LI Hua-bing2, MA Ning1, GUO Meng-chao3, HU Jun-biao4

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. China Satellite Marine Tracking and Control Department, Jiangyin 214400, China; 3. Xi’an Military Representative Bureau of General Armament Department, Xi’an 710032, China; 4. Xi’an Office, Vehicle and Ship Representative Bureau, General Armament Department, Xi’an 710043, China)

Aiming at the combustion deterioration problem of diesel engine in plateau environment, a bench test is carried out for the effects of EHN additive on the diesel engine combustion characteristics with intake pressure of 0.68 bar and with the full load working condition of 1 400 r/min. The results show that compared with pure diesel, cylinder pressure and maximum pressure uprising rate decrease with EHN additive added in, mechanical load on the diesel engine can be relieved; peak value of the heat release rate decreases and its occurrence advances, ignition delay and combustion duration are shortened; cylinder temperature and exhaust gas temperature is reduced, thermal load on the engine is improved, output torque increases while specific oil consumption decreases, and effective thermal efficiency of diesel engine increases.

plateau environment; diesel engine; EHN additive; combustion

1672-1497(2015)05-0039-05

2015-07-12

军队科研计划项目

李若亭 (1987-)，男，博士研究生。

TK427

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.009