EHN添加劑對高原環境柴油機燃燒特性的影響

李若亭， 李華兵， 馬 寧， 郭猛超， 胡俊彪

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 中國衛星海上測控部， 江蘇 江陰 214400；3. 總裝備部西安軍代局， 陜西 西安 710032； 4. 總裝備部車船軍代局駐西安軍代室， 陜西 西安 710043)

EHN添加劑對高原環境柴油機燃燒特性的影響

李若亭1， 李華兵2， 馬 寧1， 郭猛超3， 胡俊彪4

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 中國衛星海上測控部， 江蘇 江陰 214400；3. 總裝備部西安軍代局， 陜西 西安 710032； 4. 總裝備部車船軍代局駐西安軍代室， 陜西 西安 710043)

針對高原環境下柴油機燃燒惡化的問題，通過單缸機臺架實驗研究了進氣壓力為0.68 bar、轉速為1 400 r/min滿負荷工況下硝酸異辛酯(EHN)添加劑對柴油機燃燒特性的影響。結果表明：與燃燒純柴油相比，EHN添加劑使柴油機缸內壓力峰值略有降低，最大壓力升高率減小，柴油機工作時的機械負荷得到緩解；缸內燃燒放熱率峰值降低、出現位置提前，滯燃期及燃燒持續期縮短；缸內溫度和排氣溫度降低，改善了柴油機工作的熱負荷；柴油機扭矩增加，有效比油耗降低，且發動機有效熱效率得到了提高。

高原環境；柴油機；EHN添加劑；燃燒

高原地區大氣壓力較低，容易引起柴油機進氣壓力下降、缸內供氧量不足、燃燒惡化等問題，嚴重影響了高原環境柴油機的性能[1-2]。為了改善高原地區柴油機的燃燒性能，可以利用燃料改進技術，在柴油中加入多種組分的燃料或添加劑組成混合燃料[3]。該方法簡便易行，且不用對柴油機本體結構進行任何改變，又能達到改善燃燒、恢復功率的目的，因此具有廣闊的應用前景。近年來，國內外學者針對高原環境柴油機燃用含氧燃料進行了一系列的研究[4-7]，但主要側重于含氧燃料對高海拔地區柴油機燃燒排放性能影響的研究，尚無關于添加助燃劑對高原環境柴油機燃燒過程影響的研究報道。

硝酸異辛酯(EHN)是一種有機硝酸酯，其分子式為(C8H17O)NO2。EHN作為添加劑使用能夠提高柴油的十六烷值、降低燃點、縮短著火時間，對燃料燃燒性能具有一定的改善作用[7-9]。因此，筆者以EHN為添加劑，針對高原環境下柴油機燃燒惡化的問題，通過單缸機臺架實驗研究低氣壓進氣條件下其不同比例對柴油機燃燒特性的影響，以期為高原環境柴油機燃料改進技術提供依據。

1 柴油機臺架與實驗步驟

實驗在一臺單缸、水冷、自然進氣柴油機臺架上進行，單缸柴油機主要參數及其實驗臺架組成分別如表1和圖1所示。其中：實驗臺架的主要設備包括誠邦DL 55電力測功機、Kisler 6125C缸壓傳感器、Kisler 2613B角度編碼器、DEWE 801燃燒分析儀和誠邦ET 2500智能油耗儀。由于高原環境空氣稀薄，進氣對柴油機性能變化影響較為明顯，而排氣對其性能變化影響不大，因此，實驗過程中通過節流閥調節進入穩壓箱的空氣體積，實現柴油機低氣壓條件下的進氣，達到模擬高原環境柴油機工作過程的目的。

表1 單缸柴油機主要參數

圖1 單缸柴油機實驗臺架組成

實驗所采用基準油料為-35#軍用柴油，其與EHN的主要理化性質對比如表2所示。

表2 柴油與EHN的主要理化性質對比

從表2可以看出：與柴油相比，EHN的密度略大，沸點和低熱值明顯降低,閃點相差不大，黏度較小,流動性好。由于EHN易燃、易爆且有腐蝕性，在柴油中添加比例過大容易損傷機器，因此本實驗中將EHN的添加比例控制在較低范圍內，分別在柴油中加入體積分數為0.3%、0.6%和0.9%的EHN以配置混合燃料。

實驗模擬海拔高度3 700 m、進氣壓力為0.68 bar條件下柴油機的燃燒，進行常用轉速1 400 r/min下的負荷特性實驗。待工況穩定后，利用燃燒分析儀提取缸壓、曲軸轉角等信號，對缸內燃燒特性進行分析。

2 實驗結果分析

2.1 對缸內壓力和壓力升高率的影響

圖2、3分別為燃用添加不同比例EHN柴油時，缸內壓力和壓力升高率隨曲軸轉角的變化曲線。

由圖2可以看出:隨著EHN添加比例的增加，柴油機缸內壓力峰值略微降低，與燃用純柴油相比分別下降了0.5、0.84、1.15 bar，其對應曲軸轉角位置分別提前了0.5、0.8、1.2 ℃A。由圖3可以看出:缸內最大壓力升高率隨著EHN添加比例的增加而下降，與燃用純柴油相比分別下降了0.14、0.29、0.47 bar/℃A，其對應曲軸轉角位置分別提前了0.6、0.8、1.2 ℃A。其原因是：EHN的助燃作用能夠減少著火滯燃期內準備的可燃混合氣體量，使缸內壓力峰值略有降低，但總體變化不大；同時，缸內壓力升高率峰值有所下降，使得高原稀薄進氣條件下柴油機的機械負荷得到一定的改善。燃用不同比例EHN的缸內最大壓力及對應的變化值如表3所示。

圖2 柴油機缸內壓力變化曲線

圖3 柴油機缸內壓力升高率變化曲線

表3 燃用不同比例EHN的缸內最大壓力及對應的變化值

2.2 對缸內燃燒放熱規律的影響

圖4、5分別為燃用添加不同比例EHN柴油時,缸內瞬時放熱率和累計放熱率隨曲軸轉角變化曲線。由圖4可以看出：燃用EHN添加比例為0.3%、0.6%及0.9%的混合燃料時，柴油機瞬時放熱率峰值比燃用純柴油時分別下降了5.1%、8.1%和9.9%，其對應曲軸轉角位置分別提前了0.3、0.7 、1.1 ℃A。由圖5可以看出：1)在放熱初始階段，隨著EHN添加比例的增加，累計放熱率曲線向前移動，表明EHN的加入使柴油機燃燒放熱速率加快；2)在放熱中后期,純柴油的燃燒速率比加入EHN添加劑的混合燃料大；3)放熱結束時刻隨著EHN添加比例的增加而提前。這是由于EHN的添加使混合燃料的著火準備時間縮短，因而隨著柴油中EHN摻混比例的增加，混合燃料的著火始點提前，預混合燃燒比例減小，瞬時放熱率峰值減小，峰值對應位置提前。

圖4 柴油機缸內瞬時放熱率變化曲線

圖5 柴油機缸內累計放熱率變化曲線

圖6為燃用添加不同比例EHN柴油時滯燃期的變化曲線?？梢钥闯觯河捎贓HN的助燃作用，隨著其添加比例的增加，缸內滯燃期逐漸縮短，與燃用純柴油相比分別縮短了0.4、0.8、1.3 ℃A。

圖6 柴油滯燃期變化曲線

本文定義累積放熱率由10%增加至90%時柴油機所對應曲軸轉角間的差值為燃燒持續期。表4為添加不同比例EHN柴油燃燒持續期?？梢钥闯觯弘S著EHN添加比例的增加，燃燒持續期縮短，燃用EHN添加比例為0.3%、0.6%及0.9%的混合燃料時，其燃燒持續期分別縮短了1.1、1.8、2.2 ℃A。這表明在高原環境稀薄進氣環境下，EHN的摻混加快了混合燃料的燃燒進程。

表4 添加不同比例EHN柴油燃燒持續期

2.3 對缸內溫度和排氣溫度的影響

圖7為燃用添加不同比例EHN柴油時，柴油機缸內溫度隨曲軸轉角的變化曲線。

圖7 柴油機缸內溫度隨曲軸轉角變化曲線

由圖7可以看出：柴油機缸內溫度峰值隨著EHN添加比例的增加而略有降低，溫度曲線整體位置略有前移，其中EHN添加比例為0.9%時柴油機缸內最高溫度與燃燒純柴油時相比降低了40 ℃，降幅達1.9%。

圖8為燃用添加不同比例EHN柴油時，排氣溫度隨負荷的變化曲線。

圖8 柴油機排氣溫度變化曲線

由圖8可以看出：柴油機的排氣溫度隨負荷的增加而增加，隨EHN添加比例的增加而略有降低；EHN添加比例為0.9%時的柴油機排氣溫度比燃用純柴油降低了11 ℃，降幅達2.1%。其原因是：1)EHN的添加使滯燃期縮短，柴油機缸內燃燒過程提前，從而導致著火滯燃期內準備的可燃混合氣量減少；2)EHN的添加使柴油機燃燒持續期縮短，缸內燃燒放熱更加集中；3)在兩者的共同作用下，缸內溫度峰值以及排氣溫度略有降低，柴油機在模擬高原稀薄進氣條件下的熱負荷得到改善。

2.4 對柴油機主要性能的影響

表5為燃用添加不同比例EHN柴油時，最大扭矩和燃油消耗變化情況。

表5 最大扭矩與燃油消耗隨EHN添加比例變化

由表5可以看出：燃用EHN添加比例為0.3%、0.6%及0.9%的混合燃料時,柴油機最大扭矩比燃用純柴油時分別增加了1.1%、1.7%和1.9%，有效比油耗分別降低了0.7%、1.0%和1.2%。在該工況點，柴油機的有效熱效率隨EHN添加比例的變化趨勢如圖9所示。

圖9 柴油機有效熱效率隨EHN添加比例的變化趨勢

由圖9可見：隨著EHN添加比例的增加，柴油機的有效熱效率略有增加。這主要是由于EHN的添加縮短了混合燃料的滯燃期與燃燒持續期，優化了放熱規律，使柴油機的能量轉換效率提高。因此，在滿負荷工況下可以增加扭矩、降低有效比油耗，從而在一定程度上改善高原稀薄進氣條件下柴油機的動力性及經濟性。

3 結論

針對高原環境下柴油機燃燒惡化的問題，筆者通過單缸機臺架實驗研究了進氣壓力為0.68 bar、轉速為1 400 r/min滿負荷工況下EHN添加劑對柴油機燃燒特性及主要性能的影響，主要結論如下：

1) 柴油中加入EHN添加劑能夠有效降低缸內壓力峰值和最大壓力升高率，同時缸內溫度和排放溫度也有所減小，柴油機的機械負荷及熱負荷得到改善；

2) 柴油中加入EHN添加劑后，柴油機缸內燃燒放熱率峰值降低、出現位置提前，滯燃期及燃燒持續期縮短；

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進氣條件下柴油機的動力性及經濟性，同時提高了柴油機的有效熱效率。

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(責任編輯: 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

軍隊科研計劃項目

李若亭 (1987-)，男，博士研究生。

TK427

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.009