利用富氧装置改善柴油机高海拔性能的试验研究

董素荣 刘瑞林 罗彬 周广猛 林春成 熊春友

利用富氧装置改善柴油机高海拔性能的试验研究

董素荣 刘瑞林 罗彬 周广猛 林春成 熊春友

（军事交通学院）

基于发动机高原环境模拟试验台建立了加装富氧装置的柴油机高原模拟试验系统，研究了富氧装置对WD615.62增压柴油机在不同海拔（3 500 m、4 500 m）下性能的影响。结果表明，在不加装富氧装置的情况下，与零海拔相比，WD615.62增压柴油机在海拔为3 500 m和4 500 m时功率分别下降15.2%和19.1%，燃油消耗率分别增加了10.7%和22.4%。加装富氧装置后，与零海拔相比，该柴油机在海拔为3 500 m时最大转矩和标定功率分别提高了12.3%和8.6%，燃油消耗率平均下降了11.4%；在海拔为4 500 m时最大转矩和标定功率分别提高了16.1%和10.4%，燃油消耗率平均下降了14.1%。

1 前言

柴油机在高海拔地区使用时，由于大气压力低、空气稀薄、氧含量少等因素，使得柴油机进气质量下降，混合气中氧分子数量减少，导致柴油机燃烧恶化，动力性和经济性下降[1～4]。因此，提高进气压力和增加进气氧含量是改善柴油机高海拔燃烧过程，提高柴油机动力性、经济性和排放性能的主要措施。

国外关于内燃机富氧燃烧的相关研究始于20世纪70年代初[4]，研究内容主要集中在富氧装置的研制、富氧燃烧对发动机燃烧过程及性能的影响等方面[5～7]。从20世纪90年代末开始，我国相关科研机构开展了富氧燃烧技术对内燃机动力性、经济性和排放性能影响的研究[8～12]，结果表明在一定富氧浓度范围内，富氧燃烧技术可改善内燃机的燃烧状况，提高内燃机综合性能。然而，这些研究多针对于平原环境条件或低海拔环境条件，对于高海拔条件下富氧燃烧对柴油机性能影响的研究较少。为此，本文利用发动机高原环境模拟试验台，对加装富氧装置的涡轮增压柴油机高海拔性能进行模拟试验，研究富氧装置对柴油机高原性能的影响规律。

2 试验系统及试验方法

2.1 试验系统

基于发动机高原环境模拟试验台，搭建了装配富氧装置的柴油机高原性能模拟试验系统，如图1所示[11]。该系统主要由富氧装置高原环境模拟子系统和发动机进排气模拟子系统组成，能够实现对发动机进排气与富氧装置进出、口低气压的模拟，从而达到同时模拟发动机和富氧装置高原环境的目的。

富氧装置高原环境模拟是对富氧装置进、出口进行低气压的模拟。进气侧低气压的模拟主要采用进气节流降压的方法来实现，空气经过流量计、节流阀、稳压箱进入富氧装置，当发动机开始运行时，由进气节流阀的节流作用在富氧装置进口侧形成低气压，通过调节进气节流阀开度实现对富氧装置中进气压力的控制，从而模拟出不同海拔下的大气压力；排气侧低气压的模拟是通过真空泵从富氧装置中抽取真空来实现，通过调节真空泵进气旁通阀开度，将富氧装置内的气压控制在所需模拟的压力范围内。

试验对象为WD615.62涡轮增压柴油机，主要技术参数见表1。

表1 柴油机技术参数

2.2 富氧装置制氧原理

富氧装置采用如图2所示的板式富氧组件。富氧组件最大可制取氧浓度为28.5%的富氧空气，流量为100 m3/h。富氧组件制取富氧气体的基本原理是利用高分子富氧膜对空气中不同气体（氧气和氮气）具有不同的渗透率来实现的。当空气在一定压力下通过富氧膜时，渗透率较大的氧气通过富氧膜形成富氧气体（图2），而渗透率相对较小的其它气体（如氮气）从膜的另一侧出气口排出。将富氧组件制取的富氧气体通过连接管路与发动机进气管连接（图1），可实现提高发动机进气氧含量的目的。

2.3 试验方法

试验前检查发动机试验台、检测设备是否工作正常，若正常则首先起动发动机，然后开启富氧装置进、排气低气压控制系统。

试验顺序遵循先平原、后高原，先原机、后加富氧装置的原则。模拟平原上试验时，保持进、排气控制阀门全部处于全开状态，使发动机的进、排气压力保持在平原水平，且关闭富氧装置连接管路；模拟高原上试验时，首先调整发动机的试验工况，然后对发动机进、排气压力和富氧装置进、排气侧压力自动控制系统的控制目标值进行设置（即输入模拟海拔的大气压力值），当发动机进、排气压力和富氧装置进、排气侧压力稳定后即可进行试验。

3 试验结果与分析

3.1 WD615.62增压柴油机不同海拔性能试验结果与分析

图3为不同海拔条件下WD615.62增压柴油机速度特性曲线。从图3可看出，在海拔为3 500 m时，柴油机的最大转矩和标定功率比零海拔时分别下降了14.0%和13.5%，燃油消耗率平均增加了10.7%；在海拔为4 500 m时，最大转矩和标定功率比零海拔时分别下降了18%和20.0%，燃油消耗率平均增加了22.4%。由此表明，随海拔的升高，柴油机的动力性、经济性明显下降。主要原因是高海拔下的大气压力和空气密度降低，柴油机进气量减少，缸内可燃混合气浓度增加，燃烧不完全，从而造成柴油机的动力性、经济性下降。

3.2 富氧装置对柴油机不同海拔性能影响的分析

3.2.1 富氧装置对增压柴油机动力性的影响

图4和图5分别为加装富氧装置的WD615.62柴油机在海拔为3 500 m和4 500 m时速度特性曲线。

由图4和图5可看出，加装了富氧装置后，柴油机高海拔动力性能明显提高。在海拔为3 500 m时，最大转矩和标定功率比原机分别提高了12.32%和8.6%，升功率提高了8.6%；在海拔为4 500 m时，最大转矩和标定功率比原机分别提高了16.1%和10.3%，升功率提高了10.4%，海拔为4 500 m时的最大转矩和标定功率的提升幅度均大于海拔为3 500 m时，表明随海拔的升高富氧装置的作用更明显。这是因为海拔越高，发动机进气量缺乏越明显，而加装富氧装置后可增加进气氧含量，促进燃料的氧化和燃烧，进而提高柴油机的动力性。

3.2.2 富氧装置对增压柴油机经济性的影响

图6～图9为WD615.62增压柴油机在海拔为3 500 m和4 500 m时，加装富氧装置后柴油机负荷特性与原机负荷特性对比曲线。

由图6～图9可看出：

a.加装富氧装置后，柴油机高海拔平均燃油消耗率降低。在海拔为3 500 m时，平均燃油消耗率在最大转矩转速（1 600 r/min）和标定功率转速（2 200 r/min）时分别下降5.8%和3.1%；在海拔为4 500 m时，平均燃油消耗率分别下降14.1%和11.1%。这是因为加装了富氧装置后，柴油机进气氧含量增加，燃料燃烧更充分，燃料利用率提高，燃油消耗率降低，最终使柴油机高海拔燃油经济性得到改善。

b.在相同海拔条件下，在低转速区，富氧装置对柴油机经济性的影响较大。在海拔为3 500 m、转速为1 600 r/min以及海拔为4 500 m、转速为1 600 r/min时，柴油机的燃油消耗率下降程度均比转速为2 200 r/min时更明显。主要原因是，随海拔的升高，大气压力降低，柴油机“缺氧”严重，需要补充的富氧气体增多。但由于富氧装置的制氧能力限制，在高海拔、高转速工况下，富氧装置的制氧量不足以补偿大气压力降低带来氧含量的缺失。因此，在高海拔、高转速时，富氧装置对柴油机经济性能的改善程度弱于低转速工况。

由内燃机燃烧基本理论可知，燃料能否在缸内形成可燃混合气并迅速完善燃烧是提高柴油机动力性和经济性的关键。在柴油机进气系统中加装富氧装置后，提高了柴油机进气中的氧含量，使喷入气缸的燃料与富氧空气迅速混合形成可燃混合气。根据燃料燃烧的化学反应方程式，空气中氧含量的增加加快了燃料的化学反应速率和燃烧速率，进而提高了燃料燃烧的放热率。

燃料燃烧的化学反应方程式[13]为：

根据热释放关系，有

式中，Hu为燃料低热值；gf为每缸每循环喷油量；

式中，A、B、C为调节参数；p为预混燃烧相位；d为扩散燃烧相位；Ap=16.810～0.165 39[O2]；Bp=26.625～0.709 21 [O2]；Cp=28.152～0.766 02[O2]；Ad=-6.029 5～0.169 20[O2]；Bd=3.469 8～0.105 64[O2]；Cd=1.820 2～0.031 95[O2]；[O2]表示氧气质量分数。

由此可知，在喷油量不变的情况下，加装富氧装置后柴油机进气氧含量增加，缸内参与燃烧的氧气质量分数增加，缸内燃料燃烧速率增大，柴油机放热效率提高，使柴油机在高原“缺氧”条件下动力性、经济性得到有效提升。

4 结束语

利用加装富氧装置的柴油机高原性能模拟试验系统，对WD615.62增压柴油机分别进行了不同海拔时的速度特性和负荷特性试验，对比分析了富氧装置对柴油机高海拔动力性和经济性的影响规律。

a.柴油机在高海拔地区运行时，低气压环境使柴油机的动力性和经济性下降。在海拔为4 500 m时，与零海拔相比，涡轮增压柴油机的功率下降了20%以上，导致以柴油机为动力的机械装备高原使用性能下降；

b.加装富氧装置后，高海拔地区柴油机的动力性和经济性得到改善。与原机相比，海拔为4 500 m时柴油机的标定功率提高了10.4%，平均燃油消耗率下降了11.1%。

c.富氧装置制取的富氧气体提高了柴油机进气氧含量，使燃料在高原“缺氧”的条件下燃烧更加完善，因此，富氧燃烧技术是改善柴油机高原性能的有效技术措施之一。

1 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究.北京:北京理工大学出版社,2013.

2 董素荣，许翔，周广猛，等.车用柴油机高原性能提升技术研究现状与发展.装备环境工程，2013,10（2）:67～70.

3 周广猛，刘瑞林，董素荣，等.柴油机高原环境适应性综述.车用发动机，2013（4）:1～5.

4 Karim G.a W G.The examination of the combustion process⁃es in a compression-ignition engine by changing the partial pressure of oxygen in the intake charge.SAE Paper 680767.1968.

5 Maxwell T T E.The effect of oxygen-enriched air on the per⁃formance and emissions of an internal combustion engine.SAE paper 932804.1993.

6 Hongsik Byun B H B L.The effect of oxygen enriched air ob⁃tained by gas separation membranes from the emission gas of diesel engines.Desalination.2006（193）:73～81.

7 Udayakumar R M A K.Use of oxygen enriched air in a di⁃rect injection diesel engine.Institution of Engineers(India).2005:156～159.

8 章俊良，黄震，等.EGR与富氧进气控制柴油机排放的机理探讨.内燃机学报，1998,16（4）:399～403.

9 栗工，乔信起，等.LPG点燃式发动机冷起动首循环进气富氧试验研究.内燃机学报，2007,25（1）:53～59.

10 肖广飞，乔信起，等.膜法富氧进气降低点燃式发动机冷起动排放.上海交通大学学报.2006,40（8）:1298～1306.

11 左承基，等.柴油机富氧燃烧排放特性的试验研究.热科学与技术，2003,2（1）:70～73.

12 唐强，等.富氧助燃提高天然气发动机动力性能实验.重庆大学学报（自然科学版），2006,29（11）:58～61.

13 李胜琴，巴兴强，关强，等.柴油发动机富氧燃烧理论分析.东北林业大学学报，2006,34（2）:80～81.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年1月5日。

由图10可以看出，有过热保护比无过热保护的电机温度上升速度慢、稳态温度低，如表3所列。

表3 有/无过热保护的电机温度对比

由表3可知，以环境温度为100℃为例，采取过热保护后，电机稳态温度降低54℃，平均温升速度降低0.70℃/min，且降幅随环境温度上升而增大。由此证明该控制算法可对电机进行有效的过热保护，废气门在高温恶劣环境下工作时，可以保证其电机持续运行。

5 结束语

建立了电机温度模型，并设计了一种基于模型的电机过热保护控制算法，试验结果表明：

a.该电机温度模型能实时计算电机当前温度，准确可靠，可以替代热电偶，降低了成本，并扩展了ECU的功能。

b.过热保护控制算法能有效防止电机过热，简单可靠，在保护电机的同时可使电机利用率最大化。

上述建模方法和控制算法设计思想对其它车用永磁直流电机同样适用，但由于试验条件所限，只进行了恒温、无风环境下的电机自加热试验，模型准确性和控制算法有效性还有待整车试验验证。

参考文献

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7 Daesuk Joo，Ju-Hee Cho，Kyungil Woo，et al.Electromag⁃netic Field and Thermal Linked Analysis of Interior Perma⁃nent-Magnet Synchronous Motor for Agriculture Electric Vehicle.IEEE transactions on magnetics，2011，47:4242～4245.

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9 Huang Xuzhen，Liu Jiaxi，Zhang Chengming，et al.Calcula⁃tion and Experimental Study on Temperature Rise of a High Overload Tubular Permanent Magnet Linear Motor.IEEE transactions on plasma science，2013，41:1182～1187.

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11 迟长春，李奎，岳大为.基于热积累的过载保护算法.电力系统及其自动化学报.2008（2）：52～56.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2014年11月1日。

An Experimental Study of Enhancing the High Altitude Performance of Turbocharged Diesel Engine with Oxygen Enriched Device

Dong Surong,Liu Ruilin,Zhou Guangmeng,Luo Bin,Lin Chuncheng,Xiong Chunyou
（Military Transportation University）

The engine performance test system equipped with oxygen enriched device for simulating high altitude is designed based on the high altitude(low pressure)engine performance simulation test bench.The effects of oxygen enriched device on the turbocharged diesel engines’performances at different altitude(3 500 m,4 500 m)are studied.The results indicate that the power of the turbocharged diesel engine WD615.62 decreases by 15.2%and 19.1% respectively,and the fuel consumption rises by 10.7%and 22.4%respectively compared with altitude of 0 m at altitude of 3 500 m and 4 500 m without the oxygen enriched device.Whereas the maximum torque and rated power increase by 12.3%and 8.6%respectively after the installation of the oxygen enriched device,and the fuel consumption decreases by 11.4%at altitude of 3500m;the maximum torque and rated power increase by 16.1%and 10.4%respectively,and the fuel consumption decreases by 14.1%at altitude of 4 500 m.

Turbocharged diesel engine,High altitude simulation Performance,Oxygen enriched device

增压柴油机 高海拔性能 富氧装置

U464.172

A

1000-3703（2015）05-0058-05