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小型汽油发电机组的高原动力特性研究

作者: 发布时间:2021-04-06 21:55:02点击:
  小型汽油发电机组的高原动力特性研究
 
  0引言
 
  目前,我军野战移动通信所配备的以汽油机为动力的发电机组在海拔高度1000米以上地区使用时,因功率下降较多,严重影响了野战通信电台的正常供电。因此,解决高原地区小型汽油机功率下降问题是保障我军野战移动通信在高原地区联络畅通的迫切需要。本文将就这一问题从理论和实验两个方面做一研究,内容涉及高原地区汽油机功率下降的原因、改善和提高高原汽油机的性能的各种途径及其优劣和作者所作的改进实验。
 
  1高原地区汽油机功率下降的原因我国幅员广阔,高原地区(海拔1000米以上)约占全国总面积的65%,主要分布在西藏、云南和新疆。这些地区地形复杂,气候多样,气温温差大,空气干燥。
 
  随着海拔高度的增加,大气压力降低,空气密度减小,大气中平均含氧量也减少。当海拔高度在2000-3000米时,其含氧量下降17%-25%,具体变化情况见表1。
 
  小型汽油发电机组的高原动力特性研究
 
  随着海拔高度的增加,空气稀薄,大气中含氧量低,燃烧所需实际空气量减少。a和都相应降低。但是,/a的变化幅度较小,对汽油机功率的影响不大;
 
  机械效率主要受气缸内最大爆发压力及零件间摩擦阻力的影响。当其他条件不变时,随着海拔高度的增加,最大爆发压力有所降低,使‰增加。但是,高原地区年平均气温较低,摩擦阻力有所增加,却使降低。所以,机械效率对功率的影响也不是很大。
 
  由此可知,对汽油机功率影响最大的是气缸的充量密度pI(和充气效率。r7、r。
 
  在高原地区,因大气压力较低,空气密度下降,造成进入气缸的充气量减少,从而使汽油机燃烧不良,导致发动机功率下降。
 
  试验表明,海拔每升高1000m,发动机功率下降8—12%,扭矩下降约12%,且向高速方向移动;比油耗上升5.6—11%。总之,发动机的动力性能下降,经济性也变差。
 
  2改善和提高高原汽油机的性能
 
  针对随海拔高度的增加造成汽油机功率下降的原因,其功率改善的主要措施是增加气缸的充气量,并使汽油机的空燃比保持在最大功率输出所对应的空燃比值。其功率改善的一般方法有:增压技术、补氧措施和参数优化。
 
  2·1增压技术
 
  所谓增压就是设法提高进入气缸的充量密度pK,以提高平均有效压力P,从而达到提高功率和改善经济性的目的。
 
  目前,汽油机的增压主要有机械增压、废气涡轮增压和气波增压等。气波增压虽然具有改善低速扭矩、加速性能好、改善性能的工况范围广的优点,但对于没有加浓、加速装置,且转速额定的小型汽油机来说,它的优势并不明显,而且还存在重量
 
  大、体积大、噪声大、转子安装困难等缺点。因而它不适用于军用小型汽油机。因此我们主要研究机械增压和废气涡轮增压。
 
  2.1.1机械增压系统
 
  增压器由发动机直接驱动。该增压器可有效地提高功率,高原地区冷起动也容易。但增压压力不能超过0.16—0.17MPa。因为增压压力较高时,压气机消耗的驱动功率很大,使整机的机械效率下降,导致发动机燃油消耗率增加。
 
  该系统可以使发动机动力性和经济性大为改观。但该系统结构复杂、成本高。对于高原地区小型汽油机来说,经济性不够理想,特别在野战移动通信情况下,携带不便,不宜采用。
 
  2.1.2废气涡轮增压系统
 
  汽油机废气涡轮增压是利用发动机排出的废气进入涡轮并膨胀做功。它不消耗功率,而且结构简单、工作可靠。但在小型汽油机上运用仍存在以下问题:
 
  从废气能量利用的观点看,汽油机的废气涡轮增压与柴油机的没有什么不同。但长期以来,在小型汽油机上很少得到应用,究其原因,主要在于爆震、热负荷过高以及小型汽油机的结构特点限制。第一,汽油机增压后,由于混合气的压力、温度增高,燃烧强烈,以及燃烧室受热零件热负荷高的原因,促使发生爆震倾向。因此,增压比受到很大限制。虽然采用对增压空气进行中冷,降低压缩比以及采用自动调节点火提前角的装置,能够抑制爆震,但带来的抗爆性提高也是有限的,而且对于采用化油器式的军用小型汽油机来说,应用困难。
 
  第二,汽油机的燃烧过量空气系数小,燃烧温度高,膨胀比小,排气温度高于柴油机。此外,增压汽油机为了避免可燃混合气的损失,一般气门重叠角不大,燃烧室受热零件得不到扫气冷却,因此增压后,排气门、火花塞、活塞、涡轮机的热负荷均比增压柴油机的更严重。
 
  第三,因为小型汽油机增压比较低,需选用低增压、高效率的增压器。这就对涡轮增压机的涡轮直径、涡轮转速、涡轮和轴承的材料提出了更高的要求。综上所述,为减少高原地区小型汽油机功率下降而采用的增压方式中,废气涡轮增压是一种比
 
  较理想的方法。但要想达到装置小型化、轻量化,又要改善其经济性和动力性,目前还是涡轮增压技术的一个主攻方向。
 
  2.2补氧措施
 
  由于高原地区空气中含氧量低,为使燃料完全燃烧,从氧的角度出发,存在以下几种方法。
 
  2.2.1使用含氧燃料
 
  由于含氧燃料中含氧,可使需要的理论空气量减少,有利于在空气稀薄的情况下燃烧。因此,使用含氧燃料是部分地恢复高原地区汽油机功率的有效措施之一。含氧燃料也称为代用燃料,比较适合与汽油掺混使用的主要是醇类,即甲醇、乙醇等。
 
  (1)甲醇
 
  甲醇与汽油调合后辛烷值较高,可使汽油机在压缩比高达13的情况下工作,从而提高了热效率和降低了油耗。
 
  汽油机改用燃烧甲醇一汽油混合燃料后,功率和扭矩可以不下降,冒烟极限功率还可以增加,其排温和排烟都低于原机,混合气的稀释效应得到改善,燃烧及时、火焰传播快。
 
  燃用甲醇一汽油混合燃料时,甲醛和未燃甲醇排放量增加,这二者对人体有害。甲醛是燃烧中间产物,是排气臭味的主要组成部分;甲醇除未燃烧外,还会从油箱和供油系统中泄漏和蒸发出来。因此,这些方面有待以后改进。
 
  (2)乙醇
 
  乙醇物理、化学特性与甲醇相近,因而在掺混燃烧时情况与甲醇相似,只是程度不同而已。因乙醇是工业酒精,价格便宜,经济上更为合算,工作过程也可行。
 
  综上所述,在高原地区对小型汽油机作适当调整后,用含氧燃料特别是乙醇参加燃烧,是最合理、最经济的一种方案。
 
  2.2.2工业制氧法
 
  工业上的制氧是采用低温液态空气分离法。其原料来自于空气,在价格上相对便宜而且液态储存量大。
 
  经计算,在海拔高度为2000米时,一台9HP的汽油机需补给的氧气量为1.233K//J、时,其体积为858升,加压到100个大气压,氧气瓶尺寸为直径D一150mm、高度H一500mm。发动机上需设置氧气的定量喷射系统,同时还需设置制氧、装罐等配套设施。
 
  2.2.3化学制氧法
 
  它是用水作原料,通过电解制氧发生装置产生氧气。由于电解水所消耗的电量极大,而且该方法制氧速度慢,不能适应小型汽油发电机组的需要。综上所述,我们认为采用工业制氧法比较合理。在补氧方法中是值得推广的一种方案。但该方案设备制造复杂,体积相对较大;加之液态氧储存、携带不便,还需经常换气,所以在小型汽油机上应用难度较大。



参考文献:重庆通信学院学报 第二十卷 第三期 《小型汽油发 电机组的高原 动力特性研究》
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