富氧装置对柴油机高原性能的影响

刘瑞林，罗 斌，孙文龙，何西常，董素荣

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161;2.78525 部队，成都611630;3.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161;4.工程兵学院工程装备与保障系，江苏 徐州221000)

富氧燃烧，即通过富氧助燃装置增加柴油机 燃烧中的进气含氧量，用比普通空气含氧量高的富氧空气进行燃烧的技术［1］。利用该装置可以在不增加进气量的情况下，使燃料燃烧更加完全，从而提高柴油机的动力性能，减少燃油消耗，并有效减少污染物的排放量［2］。富氧燃烧技术在应用过程中关键因素之一是富氧空气的制取。目前，氧气制备主要有液化空气的精馏(深冷法)、使用各种吸附剂进行变压吸附(PSA 法)和利用气体对膜的渗透性能不同进行分离(膜法)等方法［3］。其中，膜法富氧技术在制备富氧方面的应用正在迅速增长，并正在取代其他高成本且操作不方便的分离技术［4］。国内外对富氧燃烧的研究主要集中在改善柴油机排放上［5-8］，对于提高柴油机在高原地区运行时的动力性和经济性文献鲜有报道。

本文在自行研制的高海拔(低气压)模拟试验台上，对F6L913 柴油机分别进行0 m 和5 000 m性能模拟试验，研究该型柴油机在高海拔条件下的动力性和经济性;并在5 000 m 海拔下进行了柴油机装配膜法富氧装置的试验，研究高海拔条件下富氧助燃装置对柴油机动力性和经济性的影响。

1 试验装置和试验方案

试验在军事交通学院军用动力机械高原环境性能模拟试验台［9］上进行。试验用柴油机为F6L913 增压中冷柴油机，其主要技术参数见表1，外形图如图1 所示。该试验所采用的富氧装置如图2 所示，装有富氧装置的柴油机高海拔性能模拟试验台如图3 所示。

表1 F6L913 增压中冷柴油机主要技术参数

图1 F6L913 增压中冷柴油机

图2 富氧装置

图3 装有富氧装置的柴油机高海拔性能模拟试验台

依据GJB138—86《军用汽车发动机试验方法》、GB/T18297—2001《汽车发动机性能试验方法》、GJB 7251—2011《后勤装备高原环境适应性通用技术要求》中的规定，参照我国高原气象数据，5 000 m海拔下F6L913 柴油机进、排气压力和曲轴箱压力见表2。选择平原和5 000 m 模拟海拔高度大气压力，对F6L913 柴油机进行了全负荷速度特性试验，以及1 200、1 600、2 100 r/min 等3 种转速下的负荷特性试验;另外，在5 000 m 海拔高度下分别进行原机试验和加富氧装置试验。其试验方法和流程如图4 所示。

表2 5 000 m 海拔下F6L913 柴油机进、排气压力和曲轴箱压力

图4 试验方法和流程

2 试验结果及分析

2.1 高海拔(低气压)，富氧装置对柴油机动力性的影响

柴油机在高原地区使用时，由于大气压力降低、空气体积质量减小、进气量减少等原因，导致柴油机空燃比变小、混合气变浓、燃烧恶化，从而使柴油机的功率和转矩下降［2-4］。图5 为0 m 和5 000 m 海拔下，F6L913 柴油机富氧助燃与原机全负荷速度特性曲线。

由图5 可知，在5 000 m 海拔下，F6L913 柴油机的转矩和功率较0 m 均有下降。在不同转速下，该柴油机的功率平均下降43.7%，且降幅差别较小，均在40%以上。

加装富氧装置后，通过富氧装置的过滤作用，柴油机进气中含氧量增加。随着柴油机进气氧浓度的升高，过量空气系数有所上升，燃油着火时间缩短，单位时间内燃烧产生的热量增加，柴油机有效功增大，提高了柴油机的输出功率。可以看出，海拔5 000 m，该柴油机不同转速下功率平均提升11.8%，且提升幅度差别较小，均在10%以上，其中2 100 r/min 提升12.4%。

图5 富氧助燃与原机全负荷速度特性曲线

2.2 高海拔(低气压)，富氧装置对柴油机经济性的影响

随着海拔的升高，大气压力减小，空气体积质量下降(空气含氧量降低)，进入汽缸内的空气量减少，导致燃烧过程变差，燃料燃烧不完全且燃烧速度慢，柴油机有效热效率降低，从而使柴油机燃油消耗率随着海拔的升高而增加。图6—8 为0 m和5 000 m 海拔下，柴油机转速分别为1 000、1 600、2 100 r/min时的富氧助燃与原机负荷特性曲线。

图6 1 000 r/min 富氧助燃与原机负荷特性曲线

可以看出，海拔5 000 m，F6L913 柴油机不同转速下燃油经济性均下降，在小负荷时下降幅度比较大，较0 m 海拔燃油消耗率增加40% ～60%。

加装富氧装置后，随着进气中含氧量的增加，燃油分子与氧分子接触的机会增加，燃烧更加完全，从而使燃料利用率大大提高;同时供气中氮气的含量相对下降，柴油机排气总量减少，排气中带走的热量也相应减少，燃油消耗率下降，柴油机的经济性得到改善。可以看出，海拔5 000 m，加装富氧装置后，该柴油机不同转速下燃油消耗率平均降低8.4%。

图7 1 600 r/min 富氧助燃与原机负荷特性曲线

图8 2 100 r/min 富氧助燃与原机负荷特性曲线

3 结 论

(1)同平原相比，海拔5 000 m，F6L913 柴油机的动力性下降，在不同转速下平均下降43.7%;加装富氧装置后，该柴油机在海拔5 000 m 功率平均提升11.8%。

(2)同平原相比，海拔5 000 m，F6L913 柴油机燃油经济性下降，在小负荷时下降幅度比较大，不同转速下燃油消耗率增加40% ～60%;加装富氧装置后，该柴油机在海拔5 000 m 燃油消耗率平均降低8.4%。

［1］ 潘亮.富氧燃烧火焰特性及热工特性试验研究［D］. 长春:吉林大学，2007.

［2］ 陈山林.膜法富氧性能优化研究［D］. 北京:北京交通大学，2011.

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［4］ 沈光林.膜法富氧助燃技术在工业锅炉中的应用［J］. 工业锅炉，2002(6):18-22.

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［9］ 刘瑞林，刘宏威. 内燃机高海拔(低气压)模拟试验台研制［J］.军事交通学院学报，2003，5(1):213-216.

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［11］ 刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究［M］. 北京:北京理工大学出版社，2013.

［12］ 刘瑞林，周广猛，许翔，等. SOFIM 电控共轨柴油机高海拔性能模拟［J］.燃烧科学与技术，2010，16(4):303-308.