膜法富氧技术对高海拔柴油发动机性能的影响

熊云，刘晓，范林君，许世海



膜法富氧技术对高海拔柴油发动机性能的影响

熊云，刘晓，范林君，许世海

（中国人民解放军陆军勤务学院，重庆 401331）

通过膜法富氧技术提高柴油发动机的高海拔使用性能。以卷式富氧膜为富氧气体来源，以发动机自身动力为动力来源，设计出富氧装置制造富氧气体。采用并联进气方式，在发动机进气系统增加旁通管路通过富氧装置为发动机补充富氧气体以提高进气的氧含量。通过高海拔发动机模拟台架和高海拔实装试验考察富氧技术对发动机性能的影响。高海拔发动机模拟台架试验结果表明，海拔的增加使发动机的高海拔使用性能明显下降，与平原相比，模拟海拔5000 m时，柴油机功率平均下降43.2%，燃油消耗率平均增加74.0%；使用富氧技术后，发动机的高海拔使用性能回复，在模拟海拔5000 m，柴油机应用富氧装置后功率平均提高9.9%，燃油消耗率平均下降8.4%。唐古拉泵站的柴油发电机高海拔实装表明，使用富氧装置后，平均单位发电量油耗下降8.52%。试验过程中，使用了富氧技术的发动机工作稳定、可靠。膜法富氧技术运用于柴油机，可有效提高柴油机的高海拔使用性能。

高海拔；柴油机；膜法富氧；油耗

大部分油料装备选用发动机在设计选型时，都是按照海拔1500 m以下使用进行设计计算。当海拔超过1500 m时，由于空气稀薄，发动机工作状态恶化，达不到标定扭矩和功率[1-2]。随之造成油料装备技术指标达不到要求，降低了油料装备保障效能[3]，影响正常训练、作战和油料保障。

为提高发动机的高海拔使用性能，可以采用改变发动机设计[4-5]、使用含氧燃料[6-8]、使用高效燃料添加剂[9]等方法。富氧燃烧技术通过膜或其他分离手段提高进气中的氧含量，从而可以提高燃烧效率。富氧燃烧技术最早应用在使用重质燃料的锅炉上[10-11]，随着富氧燃烧技术的提高，其用途扩大[12-15]。先后有人将富氧燃烧技术应用于平原使用的天然气汽车和点燃式发动机中以提高发动机的动力性能[16-19]。为解决油料装备用发动机性能下降问题，文中尝试将富氧技术应用于高海拔用柴油发动机，通过增加发动机进气中氧含量的方法提高发动机的高海拔使用性能。

1 试验

1.1 发动机富氧技术的选择

深冷法、变压吸附法和膜法均可从空气中制备富氧气体，其中，膜法具有设备简单、操作方便和安全等优点，尤其当富集氧气要求浓度不高(＜40％)时，经济效益明显。文中选用普瑞科尔的卷式膜作为富氧气体来源，其性能见表1。由表1中数据可见，卷式膜的富氧浓度虽低，富氧气体流量大，可满足发动机大进气量的实际需要。

表1 普瑞科尔卷式膜的富氧效果

1.2 富氧技术集成于发动机

以北内柴油机厂的F6L913发动机为试验发动机，为尽可能减少对原发动机进行结构上的改装，采用并联进气方式，即保持发动机原进气系统不变，在发动机进气系统增加旁通管路通过富氧辅助燃烧装置为发动机补充富氧气体，实现发动机进气含氧量增加。为避免增加额外动力设备，将富氧装置用真空泵、空气压缩机采用共轴式一体化设计，使富氧装置的动力取自原发动机。

发动机用富氧装置主体由风机增压模块、气体处理模块、管路和安装支架等组成，如图1所示。

图1 发动机用富氧装置原理流程

2 高海拔模拟试验和实地试验结果与分析

2.1 发动机台架试验

为考察富氧装置对发动机高海拔使用性能的影响，在军事交通学院军用动力机械高海拔环境实验室进行了高海拔发动机模拟台架试验，试验流程如图2所示。

进行了平原不使用富氧装置、模拟5000 m海拔不使用富氧装置、模拟海拔5000 m使用富氧装置等三种工况下发动机的外特性试验。试验结果见图3—图4。从表1可知，海拔的增加使发动机的高海拔使用性能明显下降。与平原相比，模拟海拔5000 m时，F6L913柴油机功率平均下降43.2%，燃油消耗率平均增加74.0%；使用富氧技术后，发动机的高海拔使用性能恢复，在模拟海拔5000 m，F6L913柴油机应用富氧装置后功率平均提高9.9%，燃油消耗率平均下降8.4%。

图2 高海拔发动机模拟台架试验原理流程

图3 不同海拔下柴油机外特性功率对比

注：试验环境压力为100 kPa；大气温度为25 ℃；干球为25 ℃湿球为22 ℃；相对湿度为83%；机油牌号为0w-40；燃油牌号为0#柴油

2.2 实地试验

唐古拉山口海拔5231 m，唐古拉泵站用CAT 3306B柴油机进行发电，在唐古拉泵站进行了富氧技术应用于CAT 3306B 柴油机的高海拔实装试验。由于试验条件有限，无法直接测试发动机的动力和油耗，因此将富氧装置安装于柴油发电机系统后，通过测试使用富氧装置前后，柴油发电机连续工作10 h的发电量和油耗，来确定富氧技术对发动机性能的影响。试验过程中，使用了富氧技术的发动机工作稳定、可靠。

使用富氧装置前，柴油发电机连续工作10 h的发电量为344 kW·h，累计油耗为149.29 cm3，计算平均单位发电量油耗为0.434 cm3/(kW·h)；使用富氧装置后，发电机连续工作10 h的发电量为334 kW·h，累计油耗为132.45 cm3，计算平均单位发电量油耗为0.397 cm3/(kW·h)。由此可知，使用富氧装置后，平均单位发电量油耗下降8.52%。

3 结论

1）将富氧技术集成于柴油发动机，成功实现了膜法富氧技术在发动机上的实际使用。

2）在模拟海拔5000 m 发动机台架试验中，使用富氧技术后，发动机的功率平均增加11.8%，油耗平均降低8.41%。

3）富氧技术在CAT 3306B 柴油机的高海拔实装试验结果表明，发动机油耗平均降低8.52%。

膜法富氧技术应用于高海拔柴油机，可有效提高柴油机的高海拔使用性能。

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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，主要研究方向为节油技术。