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    小型汽油發電機組的高原動力特性研究

    作者:admin 發布時間:2021-04-06點擊:54
      小型汽油發電機組的高原動力特性研究
     
      0引言
     
      目前,我軍野戰移動通信所配備的以汽油機為動力的發電機組在海拔高度1000米以上地區使用時,因功率下降較多,嚴重影響了野戰通信電臺的正常供電。因此,解決高原地區小型汽油機功率下降問題是保障我軍野戰移動通信在高原地區聯絡暢通的迫切需要。本文將就這一問題從理論和實驗兩個方面做一研究,內容涉及高原地區汽油機功率下降的原因、改善和提高高原汽油機的性能的各種途徑及其優劣和作者所作的改進實驗。
     
      1高原地區汽油機功率下降的原因我國幅員廣闊,高原地區(海拔1000米以上)約占全國總面積的65%,主要分布在西藏、云南和新疆。這些地區地形復雜,氣候多樣,氣溫溫差大,空氣干燥。
     
      隨著海拔高度的增加,大氣壓力降低,空氣密度減小,大氣中平均含氧量也減少。當海拔高度在2000-3000米時,其含氧量下降17%-25%,具體變化情況見表1。
     
      小型汽油發電機組的高原動力特性研究
     
      隨著海拔高度的增加,空氣稀薄,大氣中含氧量低,燃燒所需實際空氣量減少。a和都相應降低。但是,/a的變化幅度較小,對汽油機功率的影響不大;
     
      機械效率主要受氣缸內最大爆發壓力及零件間摩擦阻力的影響。當其他條件不變時,隨著海拔高度的增加,最大爆發壓力有所降低,使‰增加。但是,高原地區年平均氣溫較低,摩擦阻力有所增加,卻使降低。所以,機械效率對功率的影響也不是很大。
     
      由此可知,對汽油機功率影響最大的是氣缸的充量密度pI(和充氣效率。r7、r。
     
      在高原地區,因大氣壓力較低,空氣密度下降,造成進入氣缸的充氣量減少,從而使汽油機燃燒不良,導致發動機功率下降。
     
      試驗表明,海拔每升高1000m,發動機功率下降8—12%,扭矩下降約12%,且向高速方向移動;比油耗上升5.6—11%??傊?,發動機的動力性能下降,經濟性也變差。
     
      2改善和提高高原汽油機的性能
     
      針對隨海拔高度的增加造成汽油機功率下降的原因,其功率改善的主要措施是增加氣缸的充氣量,并使汽油機的空燃比保持在最大功率輸出所對應的空燃比值。其功率改善的一般方法有:增壓技術、補氧措施和參數優化。
     
      2·1增壓技術
     
      所謂增壓就是設法提高進入氣缸的充量密度pK,以提高平均有效壓力P,從而達到提高功率和改善經濟性的目的。
     
      目前,汽油機的增壓主要有機械增壓、廢氣渦輪增壓和氣波增壓等。氣波增壓雖然具有改善低速扭矩、加速性能好、改善性能的工況范圍廣的優點,但對于沒有加濃、加速裝置,且轉速額定的小型汽油機來說,它的優勢并不明顯,而且還存在重量
     
      大、體積大、噪聲大、轉子安裝困難等缺點。因而它不適用于軍用小型汽油機。因此我們主要研究機械增壓和廢氣渦輪增壓。
     
      2.1.1機械增壓系統
     
      增壓器由發動機直接驅動。該增壓器可有效地提高功率,高原地區冷起動也容易。但增壓壓力不能超過0.16—0.17MPa。因為增壓壓力較高時,壓氣機消耗的驅動功率很大,使整機的機械效率下降,導致發動機燃油消耗率增加。
     
      該系統可以使發動機動力性和經濟性大為改觀。但該系統結構復雜、成本高。對于高原地區小型汽油機來說,經濟性不夠理想,特別在野戰移動通信情況下,攜帶不便,不宜采用。
     
      2.1.2廢氣渦輪增壓系統
     
      汽油機廢氣渦輪增壓是利用發動機排出的廢氣進入渦輪并膨脹做功。它不消耗功率,而且結構簡單、工作可靠。但在小型汽油機上運用仍存在以下問題:
     
      從廢氣能量利用的觀點看,汽油機的廢氣渦輪增壓與柴油機的沒有什么不同。但長期以來,在小型汽油機上很少得到應用,究其原因,主要在于爆震、熱負荷過高以及小型汽油機的結構特點限制。第一,汽油機增壓后,由于混合氣的壓力、溫度增高,燃燒強烈,以及燃燒室受熱零件熱負荷高的原因,促使發生爆震傾向。因此,增壓比受到很大限制。雖然采用對增壓空氣進行中冷,降低壓縮比以及采用自動調節點火提前角的裝置,能夠抑制爆震,但帶來的抗爆性提高也是有限的,而且對于采用化油器式的軍用小型汽油機來說,應用困難。
     
      第二,汽油機的燃燒過量空氣系數小,燃燒溫度高,膨脹比小,排氣溫度高于柴油機。此外,增壓汽油機為了避免可燃混合氣的損失,一般氣門重疊角不大,燃燒室受熱零件得不到掃氣冷卻,因此增壓后,排氣門、火花塞、活塞、渦輪機的熱負荷均比增壓柴油機的更嚴重。
     
      第三,因為小型汽油機增壓比較低,需選用低增壓、高效率的增壓器。這就對渦輪增壓機的渦輪直徑、渦輪轉速、渦輪和軸承的材料提出了更高的要求。綜上所述,為減少高原地區小型汽油機功率下降而采用的增壓方式中,廢氣渦輪增壓是一種比
     
      較理想的方法。但要想達到裝置小型化、輕量化,又要改善其經濟性和動力性,目前還是渦輪增壓技術的一個主攻方向。
     
      2.2補氧措施
     
      由于高原地區空氣中含氧量低,為使燃料完全燃燒,從氧的角度出發,存在以下幾種方法。
     
      2.2.1使用含氧燃料
     
      由于含氧燃料中含氧,可使需要的理論空氣量減少,有利于在空氣稀薄的情況下燃燒。因此,使用含氧燃料是部分地恢復高原地區汽油機功率的有效措施之一。含氧燃料也稱為代用燃料,比較適合與汽油摻混使用的主要是醇類,即甲醇、乙醇等。
     
     ?。?)甲醇
     
      甲醇與汽油調合后辛烷值較高,可使汽油機在壓縮比高達13的情況下工作,從而提高了熱效率和降低了油耗。
     
      汽油機改用燃燒甲醇一汽油混合燃料后,功率和扭矩可以不下降,冒煙極限功率還可以增加,其排溫和排煙都低于原機,混合氣的稀釋效應得到改善,燃燒及時、火焰傳播快。
     
      燃用甲醇一汽油混合燃料時,甲醛和未燃甲醇排放量增加,這二者對人體有害。甲醛是燃燒中間產物,是排氣臭味的主要組成部分;甲醇除未燃燒外,還會從油箱和供油系統中泄漏和蒸發出來。因此,這些方面有待以后改進。
     
     ?。?)乙醇
     
      乙醇物理、化學特性與甲醇相近,因而在摻混燃燒時情況與甲醇相似,只是程度不同而已。因乙醇是工業酒精,價格便宜,經濟上更為合算,工作過程也可行。
     
      綜上所述,在高原地區對小型汽油機作適當調整后,用含氧燃料特別是乙醇參加燃燒,是最合理、最經濟的一種方案。
     
      2.2.2工業制氧法
     
      工業上的制氧是采用低溫液態空氣分離法。其原料來自于空氣,在價格上相對便宜而且液態儲存量大。
     
      經計算,在海拔高度為2000米時,一臺9HP的汽油機需補給的氧氣量為1.233K//J、時,其體積為858升,加壓到100個大氣壓,氧氣瓶尺寸為直徑D一150mm、高度H一500mm。發動機上需設置氧氣的定量噴射系統,同時還需設置制氧、裝罐等配套設施。
     
      2.2.3化學制氧法
     
      它是用水作原料,通過電解制氧發生裝置產生氧氣。由于電解水所消耗的電量極大,而且該方法制氧速度慢,不能適應小型汽油發電機組的需要。綜上所述,我們認為采用工業制氧法比較合理。在補氧方法中是值得推廣的一種方案。但該方案設備制造復雜,體積相對較大;加之液態氧儲存、攜帶不便,還需經常換氣,所以在小型汽油機上應用難度較大。



    參考文獻:重慶通信學院學報 第二十卷 第三期 《小型汽油發 電機組的高原 動力特性研究》