．设计・计算・研究・ 富氧进气改善高原汽车发动机动力性和经济性研究★ 张永虎１ 熊 云１ 刘 晓１ 翟小敏２ （１．后勤工程学院；２．重庆大学） 【摘要】建立了模拟高原汽车发动机富氧进气的试验台，在一台６缸四冲程直喷柴油机上供应氧气体积分数从 ２０．９％～２４．５％的气体，研究了海拔分别为２ ０００、３ ０００、４ ０００ ｍ时发动机全负荷下富氧进气对发动机动力性和经济性 的影响。结果表明，随着进气氧气体积分数的增加，高原汽车发动机的功率增加，燃油消耗率降低。且转速越低，海拔 越高，富氧进气改善发动机动力性和经济性的效果越好：富氧进气扩大了高原发动机的经济转速区域 主题词：发动机富氧进气高原环境动力性经济性 中图分类号：Ｕ４６４文献标识码：Ａ文章编号：１０００—３７０３（２０１ １）０３—００２４—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ Ｆｕｅｌ Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅ ｗｉｔｈ ｏｘｙｇｅｎ—ｅｎｒｉｃｈｅｄ Ｉｎｔａｋｅ Ａｉｒ ｉｎ Ｈｉｇｈｌａｎｄ Ｚｈａｎｇ Ｙｏｎｇｈｕ ，Ｘｉｏｎｇ Ｙｕｎ ，Ｌｉｕ Ｘｉａｏ ，Ｚｈａｉ Ｘｉａｏｍｉｎ （１．Ｌｏｇｉｓｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｂｅｄ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｏｘｙｇｅｎ—ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｎｇｉｎｅ ａｔ ｈｉｇｈｌａｎｄ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ—ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｎｇｉｎｅ ａｔ ｆｕｌｌ ｌｏａｄ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｔ ａｌｔｉｔｕｄｅｓ ｏｆ ２ ０００，３ ０００ ａｎｄ ４ Ｏ００ｍ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｗｉｔｈ ａ ｓｉｘ—ｃｙｌｉｎｄｅｒ，ｆｏｕｒ－ｓｔｒｏｋｅ，ＤＩ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｓｕｐｐｌｉｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｗｉｔｈ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｏｘｙｇｅｎ ｆｒｏｍ ２０．９％ｆｏｘｙｇｅｎ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ａｍｂｉｅｎｔ ａｉｒ）ｔｏ ２４．５％．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｎｄ ｆｕｅｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｒａｎｇｅ ｗａｓ ｗｉｄｅｎｅｄ．Ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅ ａｌｔｉｔｕｄｅ ａｒｅ，ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｙ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ—ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ ｅｎｇｉｎｅ ａｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｎｇｉｎｅ，ｏｘｙｇｅｎ—ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ，Ｈｉｇｈｌａｎｄ，Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ，Ｅｃｏｎｏｍｙ １前言 ２试验装置及方法 汽车在高原地区使用时．由于大气压力低． ２．１试验装置 燃烧不完全．导致高原汽车动力下降和油耗增 建立了模拟高原发动机富氧进气的试验台（图１）． 加。富氧进气可提高进气氧气分压，减少燃烧过 并通过进气节流、稳压箱压力稳定．对发动机的进气 程中燃料的离解作用…．提高发动机的最高燃 压力、曲轴箱压力进行模拟。按照国内试验台对发 烧温度和气缸峰值压力 ．进而克服高原环境 动机进气稳压箱容积是发动机排量１００～２００倍的 下发动机气缸峰值压力下降 的不足 平原富氧 要求．本试验台稳压箱的容积是发动机排量的１６０ 进气的试验结果表明［５－８１：富氧进气可提高发动 倍 由于高原条件下温度对发动机的性能影响远小 机的燃烧效率，减少排放（ＮＯ 除外）。膜法富氧 于压力的影响Ｉ ３＿．本试验台没有对高原环境下温度 技术的发展使高原发动机富氧进气应用充满期 对发动机的影响进行模拟 待『２ｌｓ．６＿引。作为前期的理论研究．本文通过氧气 发动机为潍柴ＷＤ６１５５０型直列６缸水冷增 瓶法富氧进气．研究了不同海拔高度富氧进气 压直喷柴油机，其主要技术参数见表１所列。测 对高原汽车发动机动力性和经济性的影响 功机为ＣＷ系列电涡流测功机．控制系统为 后勤工程学院２００９年度研究生创新专项经费资助项目一高原车辆用膜法富氧组件的研 一２４一 汽车技术 ．设计．计算．研究． ＦＳＴ２Ｅ型发动机数控试验台。试验中，采用 ＦＣＭＭ一２油耗测量仪测量发动机的耗油量．采 用ＮＨＡ一５０６型尾气分析仪测量排气中的ＨＣ、 ＣＯ、ＮＯ、ＣＯ２和０：的体积分数；采用ＮＨＴ一６型 不透光度计测量排气中的烟度 １．氧气瓶２．减压阀３、４．调节阀５．稳压箱６．温度传感器 ７、８．真空表９．过滤器 １０．取样真空泵 ｌ１．氧量分析仪 １２．油耗测量仪 １３．发动机 １４．测功机 １５．废气分析仪 １６．不透光度计 图】试验装置示意 表１试验用发动机主要技术参数 型式 ６缸四冲程直喷 排量，Ｌ ９．７２６ 缸径×行程／ｍｍＸｍｍ ｌ２６ｘ１３０ 标定功率／ｋＷ ２０６ 最大扭矩（转速）ＩＮ・ｍ（ｄｍｉｎ） １ １６０（１ １００－１ ６００） 压缩比 １７ ２．２试验方法 试验中．通过调节加入的纯氧流量实现不同氧 气体积分数的发动机富氧进气．在过滤器的出口测 量进气氧气体积分数。不调整发动机的喷油量和 烟度限制．将发动机置于全负荷下。当转速分别为 １ ３００、１ ５００、１ ７００、１ ９００ｒ／ｍｉｎ和２ １００ ｄｍｉｎ时，初步 调节发动机进气压力．待发动机稳定后，通过阀３调 节进气氧气体积分数为２０．９０／ｏ（不加氧）、２１．５％、２２．０％、 ２２．５％、２３．０％、２３．５％、２４．Ｏ％、２４．５％，通过阀４调节海 拔为２ ０００、３ ０００ ｍ和４ ０００ ｍ（大气压力分别为 ７９．５、７０．１、６１．６ ｋＰａ）时的进气压力，待发动机稳定后 测定数据 ３试验结果与分析 ３．１ 高原汽车发动机的动力性和经济性 图２是在海拔分别为５００（重庆海拔）、２ ０００、 ３ ０００ ｍ和４ ０００ ｍ时发动机正常进气（氧气体积 分数为２０．９％）的全负荷功率和燃油消耗率曲 线 由图２可知．随着海拔高度的增加，发动机 的功率下降．燃油消耗率增加．与海拔５００ ｍ相 ２０１１年第３期 比，海拔２ ０００、３ ０００ ｍ和４ ０００ ｍ的最低燃油消 耗率分别增加９．５％、２０．２％和３４％：海拔高度对低转 速区的燃油经济性影响较大．对高转速区影响较 小．海拔从５００ ｍ增加到４ ０００ ｍ、１ ３００ ｄｍｉｎ时 发动机燃油消耗率增加了７９％．而转速为２ １００ ｒ／ ｍｉｎ时发动机燃油消耗率仅增加１８．４％ 试验台模拟 高海拔发动机正常进气的基础试验结果与其他研究 者［ ０】的结论一致 ● 褂 淫 曩 转速／ｒ・ｍｉｎ。。 图２不同海拔发动机全负荷的功率和燃油消耗率曲线 ３．２高原富氧进气发动机的动力性 图３为发动机全负荷时功率随氧气体积分数的 变化 由图３可知．转速一定时．随着进气氧气体积 分数的增加．燃烧状态得到改善，发动机功率增加。 如图３ａ所示．海拔为２ ０００ ｍ时．氧气体积分 数从２０．９％增加到２４．５％．不同转速发动机的功率逐 渐增大．最大增加１０．９％ 但随着氧气体积分数的增 加．发动机的缺氧状况逐渐得到改善．更高氧气体积 分数的富氧进气改善发动机动力性的效果变差 以 海拔为２ ０００ ｍ、１ ９００ ｇｍｉｎ功率随氧气体积分数的 变化为例．氧气体积分数从２０．９％增加到２２％．功率 增加３．０％：而氧气体积分数从２２％ｔ￣加到２４．５％．功 率仅增加２．５％ 高转速下低氧气体积分数的富氧进 气即可使发动机燃烧完全．因此高转速下高氧气体积 分数段的富氧进气改善发动机动力性的效果比低转 速下更差 逞 缸 最 磐 褂 Ｏ 体积分数 （ａ）海拔为２０００ｍ 一２５— ．设计・计算・研究・ 氧进气理论上对发动机的燃油消耗量没有影响．但 由于试验操作控制的因素．燃油消耗率出现微小 ０：体积分数 （ｂ）海拔为３ ０００ｍ 逞 ｌ皿 嚣 磐 料 ０：体积分数 （Ｃ）海拔为４０００ｍ 图３ 不同海拔发动机不同转速条件下功率随 进气氧气体积分数的变化 如图３ｂ和图３ｃ所示．发动机动力性能随进气 氧气体积分数和转速的变化表现出和海拔２ ０００ ｍ 相似的趋势 而且海拔越高，同样氧气体积分数的 富氧进气增加发动机功率的百分比增加 对图３中 各曲线进行二重数值积分，由积分均值可得：海拔分 别为２ ０００、３ ０００ ｍ和４ ０００ ｍ富氧进气增加发动 机功率的均值分别为３．９％、５．４％和８．１％ 当海拔高于３ ０００ｍ时．发动机开始处于严重 缺氧状态．富氧进气改善发动机动力性的整体效果 更加明显。然而。海拔为４ ０００ ｒｎ、转速为１ ３００ ｒ／ｍｉｎ 时发动机进气量较少．仅是海拔为５００ Ｉｎ转速为 １ ３００ ｒ／ｍｉｎ时进气量的５２％．处于极度缺氧状态 富 氧进气虽然增加了进气氧体积分数．但进气绝对氧 量增加较少．发动机燃烧状况改善不明显．发动机功 率增加百分比整体较小．使海拔４ ０００ ｍ发动机富 氧进气改善发动机动力性的效果最好点出现在 转速１ ５００ ｒ／ｍｉｎ时 ３．３高原富氧进气发动机的经济性 富氧进气．提高了发动机进气的氧气体积分数． 但并没有增加发动机的进气空气流量 如图４所示． 一定海拔～定转速条件下，不同氧气体积分数的富 一２６一 波动。 图４海拔为３ ０Ｏ０ ｍ燃油消耗量 随进气氧气体积分数的变化 燃油消耗率与功率呈反比关系使富氧进气发动 机的燃油经济性与其动力性呈现一致的变化规律． 因此不同海拔、不同转速、不同进气氧气体积分数发 动机的燃油经济性这里就不再赘述 设定发动机最低燃油消耗率的１０５％以下的转 速范围为发动机的经济转速区域 在试验数据的基 础上，利用ｌａｇｒａｎｇｅ插值的方法所计算的不同海拔 正常进气和富氧进气时发动机经济转速区域见表２ 所列．可见计算所得该发动机平原低海拔的经济转 速符合发动机的正常工作范围 表２正常进气和富氧进气时发动机的经济转速区域 海拔 正常进气 （Ｏ ）：２０．９％ 富氧进气妒（０２）＝２４．５％ 高度／ 最低燃油消耗 经济转速区 最低燃油消耗 经济转速区 ｍ 率培・Ｏ，ｗ・ｈ） 域／ｒ．ｍｉｎ 率儋・Ｏ，ｗ・ｈ） 域／ｒ．ｍｉｎ－１ ５００ ２１１．０ １３００－１９００ ２０００ ２３１．１ ｌ４００－１９００ ２１５．６ １４０Ｏ～１９００ ３ＯＯＯ ２５３．７ １ ７００～２ＯＯ０ ２３７．７ １５００～２０００ ４０００ ２８２．８ １７００－２１００ ２５５．３ １５０ｏ一２０００ 如表２所示．随着海拔高度的增加．发动机的最 低燃油消耗率增加．经济转速区域向高转速区移动． 经济转速区域减小 而富氧进气大幅度地降低了高 原发动机低转速区的燃油消耗率．减缓了增加海拔 高度引起的最经济转速向高转速区移动．扩大了高 原汽车发动机的经济转速区域 ４结束语 ａ． 富氧进气可提高高原汽车发动机的功率．降 低燃油消耗率。但发动机的功率增加百分比随氧气 汽车技术 ．设计．计算．研究． 体积分数的变化呈非线性关系．且随着氧气体积分 ２００９，（８）：１～ｌ２． 数的增加，富氧进气改善发动机动力性的效果变差。 ４沈颖刚．高原环境下内燃机Ｔ作过程应用基础研究：『学位 ｂ． 同样的进气氧气体积分数时．转速越低。发动 论文］．天津：天津大学 ２００３． 机的功率增加百分比越大．即富氧进气对于改善发 ５ Ｈｏｎｇｓｉｋ Ｂ，Ｂｙｕｎｇｐｙｏ Ｈ，Ｂｙｏｕｎｇｓｏｏ Ｌ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ 动机低转速下的动力性效果更加明显。 ｅｎｒｉｃｈｅｄ ａｉｒ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｇａｓ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｃ 随着海拔高度的增加．特别是海拔３ ０００ＩＴＩ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｇａｓ ｏｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ 以上．同样氧气体积分数的富氧进气改善发动机动 Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ａｎｄ Ｍｅｎｌｂｒａｎｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，Ｓｅｏｕｌ，２００５． 力性和经济性的效果提高。 ６ 肖广飞．氧化剂设计改善内燃机燃烧的研究：『学位论文１．上 ｄ．富氧进气减缓了增加海拔高度引起的最经 海：上海交通大学．２００７． 济转速向高转速区移动．扩大了发动机的经济转速 ７左承基，李海海 徐天玉，路苏君．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． 区域 ８ 刘成材．金英爱．高淳．马纯强 方瑛．变组分富氧进气发动机 参 考 文 献 起动与怠速过程排放研究．汽车技术．２００９（１２）：３３～３６． １ 蒋德明．内燃机原理．北京：中国农业机械出版社．１９８８． ２ Ａｓｓａｎｉｓ Ｄ Ｎ，Ｐｏｏｌａ Ｒ Ｂ，Ｓｅｋａｒ Ｒ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｏｘｙ— ９张永虎．熊云．刘晓．刘敏．基于高原发动机应用的富氧膜组 ｇｅｎ——ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｆｏｒ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ． 件操作性能研究．后勤工程学院学报 ２０１０ ２６（５）：５１～５５． ＡＳＭＥ，２００１，１２３：１５７￣１６６． １０刘瑞林，刘宏威，秦德．涡轮增压柴油机高海拔（低气压）性 ３ Ｐｅｔｅｒ Ｌ Ｐ，Ａｎｄｒｅ Ｌ Ｂ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｙｌｉｎｄｅｒ 能试验研究．内燃机学报．２００３．２１（３）：２１３～２１６． ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｕｓｉｎｇ ｏｘｙｇｅｎ—ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ ａｔ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ （责任编辑学林） ｈｉｇｈ—ａｌｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． 修改稿收到日期为２０１０年１１月１６日 （上接第２３页） ４ 结束语 通过燃油喷雾试验可以得到如下结论：高共轨 暑 ｇ 压力下柴油喷雾贯穿距离随背压增大而减小．喷雾 键 锥角随背压增大而增大：高背压情况下．喷雾贯穿距 钛 由Ｅ： 离随轨压升高而增大．喷雾锥角随轨压增大而增大 瞥 由于试验较为仓促．试验室条件有限．一些设计还较 不完善．今后准备对定容系统进一步改进．更多的兼 顾对摄像和喷油的联动控制、定容器内气流场的加 入等因素 同时还将对不同定容器内温度．以及加 （ａ）喷雾贯穿距离 入内流场条件下的喷雾进行深入研究 参考文献 １ 高原．李理光．吴志军．等．高背压大可视化场的喷雾试验 定容弹及其控制系统开发．内燃机学报．２００９，３０（４）：５７～６２． ２ ＤａｎｉｅｌＣＯ．ＷａｈｉｄｕｚｚａｍａｎＳ．ＦｅｒｇｕｓｏｎＣＲＡｄｉｅｓｅｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｂｏｍｂ：ｐｒｏｏｆ ｏｆ ｃｏｎｃｅｐｔ．ＳＡＥ ８４ １ ３５８． ３林学东．袁兆成．天然气发动机燃烧过程控制及可视化的 督 试验研究．汽车技术，２００１（４）． ４刘字．隆武强．杜宝国．陈雷．基于喷雾可视化装置的碰撞 喷雾研究．内燃机Ｔ程．２００８．２９（１）：２０～２３． ５钱耀义，李云清．于秀敏，铃木胜义．小型直喷式柴油机喷 （ｂ）喷雾锥角 雾特性的试验研究．内燃机学报，２００２，１９（２）：９７～１０１． 图１２不同轨压下油雾的贯穿距离与 （责任编辑学林） 锥角的变化情况（３．０ ＭＰａ背压） 修改稿收到日期为２０１ １年１月１５日。 一２０１１年第３期 ２７—
