膜法富氧技術對高海拔柴油發(fā)動機性能的影響

熊云，劉曉，范林君，許世海

?

膜法富氧技術對高海拔柴油發(fā)動機性能的影響

熊云，劉曉，范林君，許世海

（中國人民解放軍陸軍勤務學院，重慶 401331）

通過膜法富氧技術提高柴油發(fā)動機的高海拔使用性能。以卷式富氧膜為富氧氣體來源，以發(fā)動機自身動力為動力來源，設計出富氧裝置制造富氧氣體。采用并聯進氣方式，在發(fā)動機進氣系統增加旁通管路通過富氧裝置為發(fā)動機補充富氧氣體以提高進氣的氧含量。通過高海拔發(fā)動機模擬臺架和高海拔實裝試驗考察富氧技術對發(fā)動機性能的影響。高海拔發(fā)動機模擬臺架試驗結果表明，海拔的增加使發(fā)動機的高海拔使用性能明顯下降，與平原相比，模擬海拔5000 m時，柴油機功率平均下降43.2%，燃油消耗率平均增加74.0%；使用富氧技術后，發(fā)動機的高海拔使用性能回復，在模擬海拔5000 m，柴油機應用富氧裝置后功率平均提高9.9%，燃油消耗率平均下降8.4%。唐古拉泵站的柴油發(fā)電機高海拔實裝表明，使用富氧裝置后，平均單位發(fā)電量油耗下降8.52%。試驗過程中，使用了富氧技術的發(fā)動機工作穩(wěn)定、可靠。膜法富氧技術運用于柴油機，可有效提高柴油機的高海拔使用性能。

高海拔；柴油機；膜法富氧；油耗

大部分油料裝備選用發(fā)動機在設計選型時，都是按照海拔1500 m以下使用進行設計計算。當海拔超過1500 m時，由于空氣稀薄，發(fā)動機工作狀態(tài)惡化，達不到標定扭矩和功率[1-2]。隨之造成油料裝備技術指標達不到要求，降低了油料裝備保障效能[3]，影響正常訓練、作戰(zhàn)和油料保障。

為提高發(fā)動機的高海拔使用性能，可以采用改變發(fā)動機設計[4-5]、使用含氧燃料[6-8]、使用高效燃料添加劑[9]等方法。富氧燃燒技術通過膜或其他分離手段提高進氣中的氧含量，從而可以提高燃燒效率。富氧燃燒技術最早應用在使用重質燃料的鍋爐上[10-11]，隨著富氧燃燒技術的提高，其用途擴大[12-15]。先后有人將富氧燃燒技術應用于平原使用的天然氣汽車和點燃式發(fā)動機中以提高發(fā)動機的動力性能[16-19]。為解決油料裝備用發(fā)動機性能下降問題，文中嘗試將富氧技術應用于高海拔用柴油發(fā)動機，通過增加發(fā)動機進氣中氧含量的方法提高發(fā)動機的高海拔使用性能。

1 試驗

1.1 發(fā)動機富氧技術的選擇

深冷法、變壓吸附法和膜法均可從空氣中制備富氧氣體，其中，膜法具有設備簡單、操作方便和安全等優(yōu)點，尤其當富集氧氣要求濃度不高(＜40％)時，經濟效益明顯。文中選用普瑞科爾的卷式膜作為富氧氣體來源，其性能見表1。由表1中數據可見，卷式膜的富氧濃度雖低，富氧氣體流量大，可滿足發(fā)動機大進氣量的實際需要。

表1 普瑞科爾卷式膜的富氧效果

1.2 富氧技術集成于發(fā)動機

以北內柴油機廠的F6L913發(fā)動機為試驗發(fā)動機，為盡可能減少對原發(fā)動機進行結構上的改裝，采用并聯進氣方式，即保持發(fā)動機原進氣系統不變，在發(fā)動機進氣系統增加旁通管路通過富氧輔助燃燒裝置為發(fā)動機補充富氧氣體，實現發(fā)動機進氣含氧量增加。為避免增加額外動力設備，將富氧裝置用真空泵、空氣壓縮機采用共軸式一體化設計，使富氧裝置的動力取自原發(fā)動機。

發(fā)動機用富氧裝置主體由風機增壓模塊、氣體處理模塊、管路和安裝支架等組成，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機用富氧裝置原理流程

2 高海拔模擬試驗和實地試驗結果與分析

2.1 發(fā)動機臺架試驗

為考察富氧裝置對發(fā)動機高海拔使用性能的影響，在軍事交通學院軍用動力機械高海拔環(huán)境實驗室進行了高海拔發(fā)動機模擬臺架試驗，試驗流程如圖2所示。

進行了平原不使用富氧裝置、模擬5000 m海拔不使用富氧裝置、模擬海拔5000 m使用富氧裝置等三種工況下發(fā)動機的外特性試驗。試驗結果見圖3—圖4。從表1可知，海拔的增加使發(fā)動機的高海拔使用性能明顯下降。與平原相比，模擬海拔5000 m時，F6L913柴油機功率平均下降43.2%，燃油消耗率平均增加74.0%；使用富氧技術后，發(fā)動機的高海拔使用性能恢復，在模擬海拔5000 m，F6L913柴油機應用富氧裝置后功率平均提高9.9%，燃油消耗率平均下降8.4%。

圖2 高海拔發(fā)動機模擬臺架試驗原理流程

圖3 不同海拔下柴油機外特性功率對比

注：試驗環(huán)境壓力為100 kPa；大氣溫度為25 ℃；干球為25 ℃濕球為22 ℃；相對濕度為83%；機油牌號為0w-40；燃油牌號為0#柴油

2.2 實地試驗

唐古拉山口海拔5231 m，唐古拉泵站用CAT 3306B柴油機進行發(fā)電，在唐古拉泵站進行了富氧技術應用于CAT 3306B 柴油機的高海拔實裝試驗。由于試驗條件有限，無法直接測試發(fā)動機的動力和油耗，因此將富氧裝置安裝于柴油發(fā)電機系統后，通過測試使用富氧裝置前后，柴油發(fā)電機連續(xù)工作10 h的發(fā)電量和油耗，來確定富氧技術對發(fā)動機性能的影響。試驗過程中，使用了富氧技術的發(fā)動機工作穩(wěn)定、可靠。

使用富氧裝置前，柴油發(fā)電機連續(xù)工作10 h的發(fā)電量為344 kW·h，累計油耗為149.29 cm3，計算平均單位發(fā)電量油耗為0.434 cm3/(kW·h)；使用富氧裝置后，發(fā)電機連續(xù)工作10 h的發(fā)電量為334 kW·h，累計油耗為132.45 cm3，計算平均單位發(fā)電量油耗為0.397 cm3/(kW·h)。由此可知，使用富氧裝置后，平均單位發(fā)電量油耗下降8.52%。

3 結論

1）將富氧技術集成于柴油發(fā)動機，成功實現了膜法富氧技術在發(fā)動機上的實際使用。

2）在模擬海拔5000 m 發(fā)動機臺架試驗中，使用富氧技術后，發(fā)動機的功率平均增加11.8%，油耗平均降低8.41%。

3）富氧技術在CAT 3306B 柴油機的高海拔實裝試驗結果表明，發(fā)動機油耗平均降低8.52%。

膜法富氧技術應用于高海拔柴油機，可有效提高柴油機的高海拔使用性能。

[1] SOARES S M C, SODRE J R. Effects of Atmospheric Temperature and Pressure on the Performance of a Vehicle[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D: Journal of Automobile Engineering, 2002, 216 (6): 473-477

[2] 蔚亞. 高原環(huán)境對燃油發(fā)動機的影響[J]. 汽車實用技術, 2016(6): 171-172.

[3] 李江. 海拔高度對發(fā)動機泵機組性能的影響[J]. 后勤工程學院學報, 2013, 29(5): 29-33.

[4] 文雄, 董慷, 陳強. 提高面向高原地區(qū)的汽車發(fā)動機機油消耗適應性研究[J]. 裝備制造技術, 2015(7): 181-184

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

[6] 李曉然, 許世海. 模擬高原條件下含氧燃料對發(fā)動機性能的影響[J]. 石油學報(石油加工), 2016, 32(1): 215-220.

[7] 張志才, 郭小川, 熊小龍. 高原地區(qū)柴油發(fā)動機燃用混合燃料的研究[J]. 石油學報(石油加工), 2015, 31(6): 1370-1375.

[8] 吳娜, 趙武云. 高原地區(qū)雙燃料發(fā)動機功率性能試驗[J]. 甘肅農業(yè)大學學報, 2014, 49(6): 171-174.

[9] 熊云, 陳然, 劉曉, 等. 高原環(huán)境下新型無灰助燃劑對發(fā)動機性能的影響[J]. 石油學報(石油加工), 2016, 32 (6): 1253-1259.

[10] 張艷偉, 葛學利, 聶宇宏. 富氧燃燒鍋爐爐膛內煙氣輻射特性計算[J]. 鍋爐技術, 2016,47(5): 51-54.

[11] 曾潔, 潘紹成. 35MW富氧燃燒煤粉鍋爐開發(fā)與研究[J]. 東方電氣評論, 2016, 30(4): 24-28.

[12] 張鑫, 仇廣金, 李勝利. 富氧燃燒硫磺回收裝置重要控制方案的探討[J]. 石油化工自動化, 2017, 53(1): 30-32.

[13] 田正學. 富氧燃燒點火技術在600MW超臨界鍋爐的應用[J]. 山東工業(yè)技術, 2017(5): 285-285.

[14] 吳慶龍, 張興豪, 周虹光. 富氧條件下低揮發(fā)分煤油點火試驗研究[J]. 熱力發(fā)電, 2016(9): 51-55.

[15] 謝軍, 任紅燦, 李曉青. 富氧燃燒技術在天然氣玻璃熔窯上的應用[J]. 建筑玻璃與工業(yè)玻璃, 2016(8): 21-24.

[16] 劉利梁, 張虎. 進氣摻氫與富氧燃燒對汽油機性能影響的試驗研究[J]. 車用發(fā)動機, 2017(1): 70-74.

[17] 周俊瑾, 沈穎剛, 徐波峰. 富氧燃燒對柴油機工作特性影響的試驗研究[J]. 小型內燃機與車輛技術, 2016(4): 15-19.

[18] 宇文巍, 戴曉江. 柴油機富氧燃燒的試驗研究[J]. 黃金, 2016(8): 76-79.

[19] 周明, 沈穎剛, 朱文霞. 富氧燃燒結合EGR技術控制柴油機排放的試驗研究[J]. 小型內燃機與車輛技術, 2016, 45(6): 1-5.

Effects of Membrane-based Oxygen-enrichment Technology on Performance of Diesel Engine at High Altitude

XIONG Yun, LIU Xiao, FAN Linjun, XU Shi-hai

(Army Service College, PLA, Chongqing 401331, China)

To improve the performance of diesel engine at high altitude by membrane-based oxygen-enrichment technology.The spiral-wound oxygen-enriched membrane was used as the source of oxygen enriched air; the engine itself was used as the power source; and the oxygen-enriched device was designed to produce oxygen enriched inlet air. The parallel intake mode was used. The bypass pipeline was added to the engine intake system to supplement the engine with oxygen-enriched air to improve the oxygen content of the inlet air. Influences of oxygen enrichment technology on engine performance were investigated by high altitude engine simulation bench and high altitude real equipment test.The experimental results of high altitude engine simulation showed that the performance of the engine at high altitude obviously decreased with the increase of altitude. Compared with that on the plain, the power of the diesel engine dropped by 43.2 % and the fuel consumption increased by 74.0 % respectively. After using the oxygen enrichment technology, the performance of the engine at high altitude restored. At the simulated altitude of 5000 m, the power of the diesel engine increased by 9.9 %; and the fuel consumption rate decreased by 8.4 % on average. The test on the diesel generator of Tanggula pumping station showed that the average power consumption of the unit decreased by 8.52 % after the use of oxygen-enriched device. During the test, the engine with oxygen enrichment technology was stable and reliable.The membrane-based oxygen-enrichment technology can effectively improve the performance of diesel engine at high altitude.

high altitude; diesel engine; membrane-based oxygen-enrichment; fuel consumption

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.006

TJ07；TK42

A

1672-9242(2017)10-0031-04

2017-07-28；

2017-08-30

熊云（1962—），男，四川人，博士，教授，主要研究方向為節(jié)油技術。