富氧裝置對柴油機高原性能的影響

劉瑞林，羅 斌，孫文龍，何西常，董素榮

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161;2.78525 部隊，成都611630;3.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;4.工程兵學院工程裝備與保障系，江蘇 徐州221000)

富氧燃燒，即通過富氧助燃裝置增加柴油機 燃燒中的進氣含氧量，用比普通空氣含氧量高的富氧空氣進行燃燒的技術［1］。利用該裝置可以在不增加進氣量的情況下，使燃料燃燒更加完全，從而提高柴油機的動力性能，減少燃油消耗，并有效減少污染物的排放量［2］。富氧燃燒技術在應用過程中關鍵因素之一是富氧空氣的制取。目前，氧氣制備主要有液化空氣的精餾(深冷法)、使用各種吸附劑進行變壓吸附(PSA 法)和利用氣體對膜的滲透性能不同進行分離(膜法)等方法［3］。其中，膜法富氧技術在制備富氧方面的應用正在迅速增長，并正在取代其他高成本且操作不方便的分離技術［4］。國內外對富氧燃燒的研究主要集中在改善柴油機排放上［5-8］，對于提高柴油機在高原地區運行時的動力性和經濟性文獻鮮有報道。

本文在自行研制的高海拔(低氣壓)模擬試驗臺上，對F6L913 柴油機分別進行0 m 和5 000 m性能模擬試驗，研究該型柴油機在高海拔條件下的動力性和經濟性;并在5 000 m 海拔下進行了柴油機裝配膜法富氧裝置的試驗，研究高海拔條件下富氧助燃裝置對柴油機動力性和經濟性的影響。

1 試驗裝置和試驗方案

試驗在軍事交通學院軍用動力機械高原環境性能模擬試驗臺［9］上進行。試驗用柴油機為F6L913 增壓中冷柴油機，其主要技術參數見表1，外形圖如圖1 所示。該試驗所采用的富氧裝置如圖2 所示，裝有富氧裝置的柴油機高海拔性能模擬試驗臺如圖3 所示。

表1 F6L913 增壓中冷柴油機主要技術參數

圖1 F6L913 增壓中冷柴油機

圖2 富氧裝置

圖3 裝有富氧裝置的柴油機高海拔性能模擬試驗臺

依據GJB138—86《軍用汽車發動機試驗方法》、GB/T18297—2001《汽車發動機性能試驗方法》、GJB 7251—2011《后勤裝備高原環境適應性通用技術要求》中的規定，參照我國高原氣象數據，5 000 m海拔下F6L913 柴油機進、排氣壓力和曲軸箱壓力見表2。選擇平原和5 000 m 模擬海拔高度大氣壓力，對F6L913 柴油機進行了全負荷速度特性試驗，以及1 200、1 600、2 100 r/min 等3 種轉速下的負荷特性試驗;另外，在5 000 m 海拔高度下分別進行原機試驗和加富氧裝置試驗。其試驗方法和流程如圖4 所示。

表2 5 000 m 海拔下F6L913 柴油機進、排氣壓力和曲軸箱壓力

圖4 試驗方法和流程

2 試驗結果及分析

2.1 高海拔(低氣壓)，富氧裝置對柴油機動力性的影響

柴油機在高原地區使用時，由于大氣壓力降低、空氣體積質量減小、進氣量減少等原因，導致柴油機空燃比變小、混合氣變濃、燃燒惡化，從而使柴油機的功率和轉矩下降［2-4］。圖5 為0 m 和5 000 m 海拔下，F6L913 柴油機富氧助燃與原機全負荷速度特性曲線。

由圖5 可知，在5 000 m 海拔下，F6L913 柴油機的轉矩和功率較0 m 均有下降。在不同轉速下，該柴油機的功率平均下降43.7%，且降幅差別較小，均在40%以上。

加裝富氧裝置后，通過富氧裝置的過濾作用，柴油機進氣中含氧量增加。隨著柴油機進氣氧濃度的升高，過量空氣系數有所上升，燃油著火時間縮短，單位時間內燃燒產生的熱量增加，柴油機有效功增大，提高了柴油機的輸出功率。可以看出，海拔5 000 m，該柴油機不同轉速下功率平均提升11.8%，且提升幅度差別較小，均在10%以上，其中2 100 r/min 提升12.4%。

圖5 富氧助燃與原機全負荷速度特性曲線

2.2 高海拔(低氣壓)，富氧裝置對柴油機經濟性的影響

隨著海拔的升高，大氣壓力減小，空氣體積質量下降(空氣含氧量降低)，進入汽缸內的空氣量減少，導致燃燒過程變差，燃料燃燒不完全且燃燒速度慢，柴油機有效熱效率降低，從而使柴油機燃油消耗率隨著海拔的升高而增加。圖6—8 為0 m和5 000 m 海拔下，柴油機轉速分別為1 000、1 600、2 100 r/min時的富氧助燃與原機負荷特性曲線。

圖6 1 000 r/min 富氧助燃與原機負荷特性曲線

可以看出，海拔5 000 m，F6L913 柴油機不同轉速下燃油經濟性均下降，在小負荷時下降幅度比較大，較0 m 海拔燃油消耗率增加40% ～60%。

加裝富氧裝置后，隨著進氣中含氧量的增加，燃油分子與氧分子接觸的機會增加，燃燒更加完全，從而使燃料利用率大大提高;同時供氣中氮氣的含量相對下降，柴油機排氣總量減少，排氣中帶走的熱量也相應減少，燃油消耗率下降，柴油機的經濟性得到改善。可以看出，海拔5 000 m，加裝富氧裝置后，該柴油機不同轉速下燃油消耗率平均降低8.4%。

圖7 1 600 r/min 富氧助燃與原機負荷特性曲線

圖8 2 100 r/min 富氧助燃與原機負荷特性曲線

3 結 論

(1)同平原相比，海拔5 000 m，F6L913 柴油機的動力性下降，在不同轉速下平均下降43.7%;加裝富氧裝置后，該柴油機在海拔5 000 m 功率平均提升11.8%。

(2)同平原相比，海拔5 000 m，F6L913 柴油機燃油經濟性下降，在小負荷時下降幅度比較大，不同轉速下燃油消耗率增加40% ～60%;加裝富氧裝置后，該柴油機在海拔5 000 m 燃油消耗率平均降低8.4%。

［1］ 潘亮.富氧燃燒火焰特性及熱工特性試驗研究［D］. 長春:吉林大學，2007.

［2］ 陳山林.膜法富氧性能優化研究［D］. 北京:北京交通大學，2011.

［3］ 王小華.氧燃燒方式下煤粉燃燒及爐內輻射傳熱特性基礎研究［D］.武漢:華中科技大學，2007.

［4］ 沈光林.膜法富氧助燃技術在工業鍋爐中的應用［J］. 工業鍋爐，2002(6):18-22.

［5］ Poola R B. Reduction of NOxand particulate emissions by using oxygen-enriched combustion air in a locomotive diesel engine［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2003，125(2):524-533.

［6］ Akopoulos C D，Levendis Y A. Operational and environmental evaluation of diesel engine burning oxygen-enriched Intake air or oxygen-enriched fuels［C］.2004-01-2924，2004.

［7］ 肖廣飛，喬信起.膜法富氧進氣降低點燃式發動機冷起動排放［J］.上海交通大學學報，2006，40(8):1298-1306.

［8］ 左承基.柴油機富氧燃燒排放特性試驗研究［J］. 熱科學與技術，2003，2(1):70-73.

［9］ 劉瑞林，劉宏威. 內燃機高海拔(低氣壓)模擬試驗臺研制［J］.軍事交通學院學報，2003，5(1):213-216.

［10］ 張家璽.高原環境對車用柴油機使用性能影響分析［J］. 車用發動機，2003(4):52-53.

［11］ 劉瑞林.柴油機高原環境適應性研究［M］. 北京:北京理工大學出版社，2013.

［12］ 劉瑞林，周廣猛，許翔，等. SOFIM 電控共軌柴油機高海拔性能模擬［J］.燃燒科學與技術，2010，16(4):303-308.