超高压进气二冲程内燃机的性能和排放仿真.pdf
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1、第45卷第17 期2023年9月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.45,No.17Sep.,2023超高压进气二冲程内燃机的性能和排放仿真李国忠,曹辉,王美文,靳伟杰(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116 0 2 6)摘要:超高压进气二冲程内燃机(UHPIE)是一种没有压缩冲程,进气为高压压缩空气的新型发动机。为验证UHPIE在性能和排放方面的巨大潜力和优势,使用AVL-boost将一台大型二冲程柴油机模型改变为UHPIE的形式,研究进气持续角、进气温度和进气压力对UHPIE的性能和排放影响。研究发现:较小的进气持续角、较低的进气温度和较高的进气压力
2、有利于提升UHPIE的指示热效率,同时NOx和Soot的排放也较低。当进气持续角为10 进气压力为9.1154MPa、进气温度为40 时,UHPIE的指示热效率为51.46%,NOx排放为0.0 2 1g/(kWh),So o t 排放为0.0 0 0 0 5g/(kWh),在该工况下UHPIE的性能和排放都远优于传统机型。关键词:新型发动机;高压进气;进气持续角;指示热效率中图分类号:U664.121.1文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)17-0 112-0 6Performance and emission simulation of ultra high pressu
3、re intake two-stroke engine(Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)Abstract:Ultra high pressure intake two stroke engine(UHPIE)is a new type of engine without compression stroke.Intake is high pressure compressed air.In order to verify the great potential and advan
4、tages of UHPIE,a large two-strokediesel engine model was changed to the form of UHPIE by AVL-Boost.We studied the effects of intake duration angle,tem-perature and pressure on the performance and emission ofUHPIE.It is found that the smaller intake duration angle,the lowerintake temperature and the
5、higher intake pressure are beneficial to improve the indicated thermal efficiency and reduce theemission of NOx and soot.When intake duration angle is 10CA,intake pressure is 9.1154 MPa and intake temperature is40,t h e i n d i c a t e d t h e r m a l e f f i c i e n c y o f U H PIE i s 51.457%,NO x
6、 e m i s s i o n i s 0.0 2 1 g/(k W-h)a n d s o o t e m i s s i o n i s 0.0 0 0 0 5g/(kW-h).The performance and emission of the UHPIE are much better than conventional engine in this working condition.Key words:new type engine;high pressure intake;intake duration angle;indicated thermal efficiency0引
7、言超高压进气二冲程内燃机(Ultra High Pressure In-take Two Stroke Engine,UHPIE)是一种没有压缩冲程的新型二冲程热机,参与循环的压缩空气由外部设备提供,压缩空气主要是提供燃烧所必须的空气,同时还可提供一部分能量。UHPIE的主要工作原理和大气压力式内燃机相似,大气压力式内燃机是最早的往复式内燃机,由Lenoir在18 59 年发明,工作原理为在活塞下行的上半个行程内通人常压混合油气,在下半个行程燃烧做功,由于膨胀比较小故热效率只有5%左右。UHPIE进气为高压空气,相比大气压力式内燃机可以实现较高的膨胀比,热效率也得到很大提高。收稿日期:2 0
8、2 2-0 8-17基金项目:智能船舶综合测试与验证研究(2 0 18/47 3)作者简介:李国忠(1996-),男,硕士研究生,研究方向为轮机自动化与智能化。文献标识码:ALI Guo-zhong,CAO Hui,WANG Mei-wen,JIN Wei-jiedoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.17.022UHPIE性能和排放的研究对于发动机领域的又一次技术突破具有重要意义。Dortchl在2 0 14年首次提出UHPIE的概念,对高压进气、排气、燃油等系统的布置给出了详细的解决方案;曹辉等 2 将纯氧燃烧运用在UHIPE上,并通过喷水来控制燃烧速度,具有热
9、效率高和无氮氧化物排放的优点。除此之外很少有类似于UHPIE的研究文献。UHPIE由于其工作原理的先进性,其性能和排放具有巨大的潜力。为此首先对UHPIE的工作原理和优点进行介绍,然后运用控制变量法,对不同进气持续角、进气温度和进气压力下UHPIE的性能和排放进行研究分析,从而揭示3个变量对发动机的影响,为UHPIE的实际研发和生产提供参考。第45卷1超高压进气二冲程内燃机介绍1.1工作原理超高压进气二冲程内燃机(UHPIE)主要特征为没有压缩冲程,工作流程如图1所示。进气在上止点后一定曲轴转角内通入高压空气作为助燃剂,同时喷人燃料,也可以是直接通人预混合好的油气,燃料可以是柴油、甲烷、氢气
10、3 等;然后点火爆炸,发火冲程从点火开始到下止点结束;排气冲程从下止点开始到上止点结束,至此一个工作循环结束,活塞在2 个行程内完成一个工作循环。由于UHPIE的进气温度较低,燃烧开始时温度也较低,所以需要高功率的点火装置,点火方式可以为火花塞点火、激光点火 4 或是微波点火 5。上止点,进气!爆炸图1UHPIE的工作流程Fig.1Work process of UHPIEUHPIE适用于大型十字头式、冲程缸径比较大的低速机型。UHPIE没有扫气口,进气口和排气口都设置在气缸盖上,对于缸内直喷的供油方式气缸盖上设置燃料喷射器,气缸盖上还设置点火装置、安全阀等附件。活塞下部空间直接通大气,防止活
11、塞在下行时压气,在上行时吸真空,这2 种情况都会使内燃机的功率降低。图2 为UHPIE高压空气和排气的一种布置方式,新鲜空气先进入废气涡轮增压器进行预增压,然后依次进人高压空气压缩机、空气冷却器、高压储气瓶,最后进入气缸参与燃烧,排气主要作用为推动废气涡轮转动。可以看出,UHPIE较适合作为船舶的主动力装置。因为船舶机舱有足够的空间容纳支持UHPIE工作的各种设备,同时三大洋表面平均水温为2 0 左右,可作为稳定的冷源冷却压缩空气。除此之外,远洋船舶螺旋桨转速较低且大部分时间处于定速航行,更适合于UHPIE高压空气直喷的工作模式。空气压缩高压储气瓶空气冷却器空气压缩机废气涡轮增压器排气空气图2
12、 UHPIE高压空气和排气布置简图Fig.2 Schematic diagram of high-pressure air and exhaust李国忠,等:超高压进气二冲程内燃机的性能和排放仿真下止点上止点排气UHPIE 113 机的能量来源可以是UHPIE本身轴带,也可是电机带动。高压空气储气瓶除了供气的作用外,也起到储能的作用,可对船舶上一些不稳定不持续的能量进行回收。1.2 UHPIE 的优点传统发动机工作过程中只有发火冲程是对外做功的,排气、进气、压缩冲程都不同程度地耗功,UH-PIE没有做负功的压缩冲程,每缸所做的功都转为输出轴的扭矩,相比传统机型有18 0 曲轴转角的做功冲程,所
13、以有更高的功率密度。因为没有压缩冲程,所以也就没有最低启动转速的限制,无需安装启动空气阀,可使用较小的飞轮。进排气系统和四冲程机类似,废气可大部分排出,不会在气缸内残留,所以有和四冲程机一样好的换气效果。进气量和喷油量都可以精确控制,易于实现稀薄燃烧 7 ,也容易实现膨胀比大于压缩比。因为做功冲程全部在活塞下行的时候进行,也就不会出现由于活塞还在上行时提前发火的爆震问题。传统发动机的压缩冲程可看作是绝热压缩,压缩终温较高,机外压缩可以实现低温压缩。直接通人温度较低的压缩空气,燃烧开始时温度较低,整个循环的温度都较低,可以减少氮氧化物的生成,同时低温可以改善气缸的润滑状况。空气的比热比随着温度的
14、升高而降低,进气温度较低时比热比较高,比热比越高的工质做功能力就越强,所以热效率也会相应提高。2计计算模型的建立与验证2.1柴油机主要技术参数和模型的建立仿真计算以1台大型二冲程增压中冷低速船用柴油机为原型,排放满足IMOTierI 法规要求。其主要参数如表1所示。研究使用AVL-boost仿真软件,搭建模型如图3所示。燃烧模型采用Vibe2-Zone,传热模型采用Woschni1978,氮氧化物排放模型为Extend ZeldovichMechan-ism,So o t 排放模型为Kinetic,单缸每循环喷油量为135g,燃料是低热值为42 8 0 0 kJ/kg的轻柴油。仿真计算中,发动
15、机的转速为12 0 r/min。为使计算结果收敛表1柴油机主要技术参数Tab.1Engine specifications参数数值缸数6缸径/mm900冲程/mm2100连杆长度/mm2.600发火次序1-5-3-6-2-4压缩比16参数标定转速/rmin1标定功率/kW每喷油器数进气开启角/(CA)进气关闭角/(CA)进气及冷却方式涡轮增压、中冷数值120274003140220数计算值和试验值之间存在良好的一致性,可使用该模型进行数值模拟。114 更快和提高计算精度,需对模型的初始条件和边界条件进行合理设置,设初始温度为2 98 K,初始压力为0.098MPa,气缸壁表面温度为50 0 K
16、,缸盖表面温度为550 K,活塞表面温度为6 0 0 K。PL1MPLSq1MP1*TC1XE1MP728图3仿真模型Fig.3 Diagram of simulation model2.2计算模型合理性验证图4为模型在转速12 0 r/min、10 0%负荷下1号缸的缸内压力、瞬时放热率、NOx和Soot排放试验值和14121080642000.20.40.60.81.01.21.41.6气缸容积/m(a)缸内压力300放热率试验值放热率计算值VOi(0)T/率洋X250200150100500041-4-My.3/X(非ON3200图4缸内压力、瞬时放热率、NOx-Soot排放试验值和计算
17、值对比Fig.4 Comparison of calculated and experimental results ofpressure,instantaneous heat release andNOx-Soot emissions舰船科学技术计算值曲线。图4(a)中缸内峰值压力试验值为13.0 8 MPa,计算值为13.2 2 MPa,计算值相比试验值高1.1%,计算值相位提前0.0 19CA。图4(b)中瞬时放热率试验值和计算值吻合良好。图4(c)中NOx排放的试验值为4.11g/(kWh),计算值为4.0 3g/(kWh),计算值比试验值低2%;Soot排放的试验值为0.0 2 0
18、4g/(kWh),计算值为0.0 196 g/(kWh),计算值比试验值低4%。所选参7112MP6K67271130曲轴转角/(CA)(b)瞬时放热率NO计算值NO,试验值Soot计算值0.12Soot试验值0.080.0402040进气持续角/(CA)(c)NO,和Soot排放第45卷73481942524一压力试验值-压力计算值60900.206080152021100120C6SB22.3模拟计算方案主要研究UHPIE缸内燃烧过程,所以取消掉扫气室、涡轮增压器和空冷器,修改后的模型如图5所示。进气方式由扫气口进气变为进气阀进气,进气阀设置和排气阀一致,阀盘直径为40 0 mm,阀门最大
19、升程为12 3mm。排气阀设置为18 0 开,36 0 关闭;进气阀设置为0 开,关闭角根据进气持续角确定。燃烧起始角和进气关闭角一致。RSB1MPE1SB320在以进气持续角为变量进行研究时,模型的进气压力是根据传统工作模型在上止点前压缩冲程的压力确定的,这样能确保进气量大致相同。例如,传统工作模型上止点前10 时缸内压力为9.11316 MPa,则UHPIE进气持续角为10 时进气压力也为9.11316 MPa,不同进气持续角下的进气压力根据表2 确定。因为船舶实际运营中空气经空冷器后温度会被冷却到40 左右,所以仿真中进气温度都设为40。表2 不同进气持续角下的进气压力Tab.2 Pre
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