利用富氧裝置改善柴油機(jī)高海拔性能的試驗研究

董素榮 劉瑞林 羅彬 周廣猛 林春成 熊春友

利用富氧裝置改善柴油機(jī)高海拔性能的試驗研究

董素榮 劉瑞林 羅彬 周廣猛 林春成 熊春友

（軍事交通學(xué)院）

基于發(fā)動機(jī)高原環(huán)境模擬試驗臺建立了加裝富氧裝置的柴油機(jī)高原模擬試驗系統(tǒng)，研究了富氧裝置對WD615.62增壓柴油機(jī)在不同海拔（3 500 m、4 500 m）下性能的影響。結(jié)果表明，在不加裝富氧裝置的情況下，與零海拔相比，WD615.62增壓柴油機(jī)在海拔為3 500 m和4 500 m時功率分別下降15.2%和19.1%，燃油消耗率分別增加了10.7%和22.4%。加裝富氧裝置后，與零海拔相比，該柴油機(jī)在海拔為3 500 m時最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率分別提高了12.3%和8.6%，燃油消耗率平均下降了11.4%；在海拔為4 500 m時最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率分別提高了16.1%和10.4%，燃油消耗率平均下降了14.1%。

1 前言

柴油機(jī)在高海拔地區(qū)使用時，由于大氣壓力低、空氣稀薄、氧含量少等因素，使得柴油機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量下降，混合氣中氧分子數(shù)量減少，導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒惡化，動力性和經(jīng)濟(jì)性下降[1～4]。因此，提高進(jìn)氣壓力和增加進(jìn)氣氧含量是改善柴油機(jī)高海拔燃燒過程，提高柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的主要措施。

國外關(guān)于內(nèi)燃機(jī)富氧燃燒的相關(guān)研究始于20世紀(jì)70年代初[4]，研究內(nèi)容主要集中在富氧裝置的研制、富氧燃燒對發(fā)動機(jī)燃燒過程及性能的影響等方面[5～7]。從20世紀(jì)90年代末開始，我國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開展了富氧燃燒技術(shù)對內(nèi)燃機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能影響的研究[8～12]，結(jié)果表明在一定富氧濃度范圍內(nèi)，富氧燃燒技術(shù)可改善內(nèi)燃機(jī)的燃燒狀況，提高內(nèi)燃機(jī)綜合性能。然而，這些研究多針對于平原環(huán)境條件或低海拔環(huán)境條件，對于高海拔條件下富氧燃燒對柴油機(jī)性能影響的研究較少。為此，本文利用發(fā)動機(jī)高原環(huán)境模擬試驗臺，對加裝富氧裝置的渦輪增壓柴油機(jī)高海拔性能進(jìn)行模擬試驗，研究富氧裝置對柴油機(jī)高原性能的影響規(guī)律。

2 試驗系統(tǒng)及試驗方法

2.1 試驗系統(tǒng)

基于發(fā)動機(jī)高原環(huán)境模擬試驗臺，搭建了裝配富氧裝置的柴油機(jī)高原性能模擬試驗系統(tǒng)，如圖1所示[11]。該系統(tǒng)主要由富氧裝置高原環(huán)境模擬子系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣模擬子系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣與富氧裝置進(jìn)出、口低氣壓的模擬，從而達(dá)到同時模擬發(fā)動機(jī)和富氧裝置高原環(huán)境的目的。

富氧裝置高原環(huán)境模擬是對富氧裝置進(jìn)、出口進(jìn)行低氣壓的模擬。進(jìn)氣側(cè)低氣壓的模擬主要采用進(jìn)氣節(jié)流降壓的方法來實現(xiàn)，空氣經(jīng)過流量計、節(jié)流閥、穩(wěn)壓箱進(jìn)入富氧裝置，當(dāng)發(fā)動機(jī)開始運行時，由進(jìn)氣節(jié)流閥的節(jié)流作用在富氧裝置進(jìn)口側(cè)形成低氣壓，通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)流閥開度實現(xiàn)對富氧裝置中進(jìn)氣壓力的控制，從而模擬出不同海拔下的大氣壓力；排氣側(cè)低氣壓的模擬是通過真空泵從富氧裝置中抽取真空來實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)真空泵進(jìn)氣旁通閥開度，將富氧裝置內(nèi)的氣壓控制在所需模擬的壓力范圍內(nèi)。

試驗對象為WD615.62渦輪增壓柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 富氧裝置制氧原理

富氧裝置采用如圖2所示的板式富氧組件。富氧組件最大可制取氧濃度為28.5%的富氧空氣，流量為100 m3/h。富氧組件制取富氧氣體的基本原理是利用高分子富氧膜對空氣中不同氣體（氧氣和氮氣）具有不同的滲透率來實現(xiàn)的。當(dāng)空氣在一定壓力下通過富氧膜時，滲透率較大的氧氣通過富氧膜形成富氧氣體（圖2），而滲透率相對較小的其它氣體（如氮氣）從膜的另一側(cè)出氣口排出。將富氧組件制取的富氧氣體通過連接管路與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管連接（圖1），可實現(xiàn)提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣氧含量的目的。

2.3 試驗方法

試驗前檢查發(fā)動機(jī)試驗臺、檢測設(shè)備是否工作正常，若正常則首先起動發(fā)動機(jī)，然后開啟富氧裝置進(jìn)、排氣低氣壓控制系統(tǒng)。

試驗順序遵循先平原、后高原，先原機(jī)、后加富氧裝置的原則。模擬平原上試驗時，保持進(jìn)、排氣控制閥門全部處于全開狀態(tài)，使發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣壓力保持在平原水平，且關(guān)閉富氧裝置連接管路；模擬高原上試驗時，首先調(diào)整發(fā)動機(jī)的試驗工況，然后對發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣壓力和富氧裝置進(jìn)、排氣側(cè)壓力自動控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)置（即輸入模擬海拔的大氣壓力值），當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣壓力和富氧裝置進(jìn)、排氣側(cè)壓力穩(wěn)定后即可進(jìn)行試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 WD615.62增壓柴油機(jī)不同海拔性能試驗結(jié)果與分析

圖3為不同海拔條件下WD615.62增壓柴油機(jī)速度特性曲線。從圖3可看出，在海拔為3 500 m時，柴油機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率比零海拔時分別下降了14.0%和13.5%，燃油消耗率平均增加了10.7%；在海拔為4 500 m時，最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率比零海拔時分別下降了18%和20.0%，燃油消耗率平均增加了22.4%。由此表明，隨海拔的升高，柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性明顯下降。主要原因是高海拔下的大氣壓力和空氣密度降低，柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)可燃混合氣濃度增加，燃燒不完全，從而造成柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性下降。

3.2 富氧裝置對柴油機(jī)不同海拔性能影響的分析

3.2.1 富氧裝置對增壓柴油機(jī)動力性的影響

圖4和圖5分別為加裝富氧裝置的WD615.62柴油機(jī)在海拔為3 500 m和4 500 m時速度特性曲線。

由圖4和圖5可看出，加裝了富氧裝置后，柴油機(jī)高海拔動力性能明顯提高。在海拔為3 500 m時，最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率比原機(jī)分別提高了12.32%和8.6%，升功率提高了8.6%；在海拔為4 500 m時，最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率比原機(jī)分別提高了16.1%和10.3%，升功率提高了10.4%，海拔為4 500 m時的最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率的提升幅度均大于海拔為3 500 m時，表明隨海拔的升高富氧裝置的作用更明顯。這是因為海拔越高，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量缺乏越明顯，而加裝富氧裝置后可增加進(jìn)氣氧含量，促進(jìn)燃料的氧化和燃燒，進(jìn)而提高柴油機(jī)的動力性。

3.2.2 富氧裝置對增壓柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖6～圖9為WD615.62增壓柴油機(jī)在海拔為3 500 m和4 500 m時，加裝富氧裝置后柴油機(jī)負(fù)荷特性與原機(jī)負(fù)荷特性對比曲線。

由圖6～圖9可看出：

a.加裝富氧裝置后，柴油機(jī)高海拔平均燃油消耗率降低。在海拔為3 500 m時，平均燃油消耗率在最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（1 600 r/min）和標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速（2 200 r/min）時分別下降5.8%和3.1%；在海拔為4 500 m時，平均燃油消耗率分別下降14.1%和11.1%。這是因為加裝了富氧裝置后，柴油機(jī)進(jìn)氣氧含量增加，燃料燃燒更充分，燃料利用率提高，燃油消耗率降低，最終使柴油機(jī)高海拔燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善。

b.在相同海拔條件下，在低轉(zhuǎn)速區(qū)，富氧裝置對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響較大。在海拔為3 500 m、轉(zhuǎn)速為1 600 r/min以及海拔為4 500 m、轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時，柴油機(jī)的燃油消耗率下降程度均比轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時更明顯。主要原因是，隨海拔的升高，大氣壓力降低，柴油機(jī)“缺氧”嚴(yán)重，需要補(bǔ)充的富氧氣體增多。但由于富氧裝置的制氧能力限制，在高海拔、高轉(zhuǎn)速工況下，富氧裝置的制氧量不足以補(bǔ)償大氣壓力降低帶來氧含量的缺失。因此，在高海拔、高轉(zhuǎn)速時，富氧裝置對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的改善程度弱于低轉(zhuǎn)速工況。

由內(nèi)燃機(jī)燃燒基本理論可知，燃料能否在缸內(nèi)形成可燃混合氣并迅速完善燃燒是提高柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。在柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中加裝富氧裝置后，提高了柴油機(jī)進(jìn)氣中的氧含量，使噴入氣缸的燃料與富氧空氣迅速混合形成可燃混合氣。根據(jù)燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式，空氣中氧含量的增加加快了燃料的化學(xué)反應(yīng)速率和燃燒速率，進(jìn)而提高了燃料燃燒的放熱率。

燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式[13]為：

根據(jù)熱釋放關(guān)系，有

式中，Hu為燃料低熱值；gf為每缸每循環(huán)噴油量；

式中，A、B、C為調(diào)節(jié)參數(shù)；p為預(yù)混燃燒相位；d為擴(kuò)散燃燒相位；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]表示氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由此可知，在噴油量不變的情況下，加裝富氧裝置后柴油機(jī)進(jìn)氣氧含量增加，缸內(nèi)參與燃燒的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，缸內(nèi)燃料燃燒速率增大，柴油機(jī)放熱效率提高，使柴油機(jī)在高原“缺氧”條件下動力性、經(jīng)濟(jì)性得到有效提升。

4 結(jié)束語

利用加裝富氧裝置的柴油機(jī)高原性能模擬試驗系統(tǒng)，對WD615.62增壓柴油機(jī)分別進(jìn)行了不同海拔時的速度特性和負(fù)荷特性試驗，對比分析了富氧裝置對柴油機(jī)高海拔動力性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律。

a.柴油機(jī)在高海拔地區(qū)運行時，低氣壓環(huán)境使柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性下降。在海拔為4 500 m時，與零海拔相比，渦輪增壓柴油機(jī)的功率下降了20%以上，導(dǎo)致以柴油機(jī)為動力的機(jī)械裝備高原使用性能下降；

b.加裝富氧裝置后，高海拔地區(qū)柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性得到改善。與原機(jī)相比，海拔為4 500 m時柴油機(jī)的標(biāo)定功率提高了10.4%，平均燃油消耗率下降了11.1%。

c.富氧裝置制取的富氧氣體提高了柴油機(jī)進(jìn)氣氧含量，使燃料在高原“缺氧”的條件下燃燒更加完善，因此，富氧燃燒技術(shù)是改善柴油機(jī)高原性能的有效技術(shù)措施之一。

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2 董素榮，許翔，周廣猛，等.車用柴油機(jī)高原性能提升技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展.裝備環(huán)境工程，2013,10（2）:67～70.

3 周廣猛，劉瑞林，董素榮，等.柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性綜述.車用發(fā)動機(jī)，2013（4）:1～5.

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（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年1月5日。

由圖10可以看出，有過熱保護(hù)比無過熱保護(hù)的電機(jī)溫度上升速度慢、穩(wěn)態(tài)溫度低，如表3所列。

表3 有/無過熱保護(hù)的電機(jī)溫度對比

由表3可知，以環(huán)境溫度為100℃為例，采取過熱保護(hù)后，電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度降低54℃，平均溫升速度降低0.70℃/min，且降幅隨環(huán)境溫度上升而增大。由此證明該控制算法可對電機(jī)進(jìn)行有效的過熱保護(hù)，廢氣門在高溫惡劣環(huán)境下工作時，可以保證其電機(jī)持續(xù)運行。

5 結(jié)束語

建立了電機(jī)溫度模型，并設(shè)計了一種基于模型的電機(jī)過熱保護(hù)控制算法，試驗結(jié)果表明：

a.該電機(jī)溫度模型能實時計算電機(jī)當(dāng)前溫度，準(zhǔn)確可靠，可以替代熱電偶，降低了成本，并擴(kuò)展了ECU的功能。

b.過熱保護(hù)控制算法能有效防止電機(jī)過熱，簡單可靠，在保護(hù)電機(jī)的同時可使電機(jī)利用率最大化。

上述建模方法和控制算法設(shè)計思想對其它車用永磁直流電機(jī)同樣適用，但由于試驗條件所限，只進(jìn)行了恒溫、無風(fēng)環(huán)境下的電機(jī)自加熱試驗，模型準(zhǔn)確性和控制算法有效性還有待整車試驗驗證。

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（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為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

增壓柴油機(jī) 高海拔性能 富氧裝置

U464.172

A

1000-3703（2015）05-0058-05