内燃机的发展和未来
可持续和可再生能源
2014年10月第38册
第561-571页
摘要
事实上，在过去十年左右的时间里，发动机行业在新时代技术的研究和开发方面取得了巨大的发展。尽管现在可以在引擎技术上使用庞大的数据库，但是熟练地呈现这些数据仍是一项艰巨的任务。在本文中，将以尽可能的方式简要介绍当今发动机技术的优缺点。简要的说，本文对主导内燃机设计和操作的主要原则进行了广泛的概括，并以优雅的方式组织和总结了新时代发动机技术--一个非常重要的领域--的简化框架。
关键词
发动机，替代燃料技术，性能，燃油喷射。
1.介绍
对于人类社会的经济和环境可能产生最大影响的最美妙的发明就是往复式内燃机，通常被称为IC发动机[1]，[2]。尽管一些研究人员在IC发动机的开发中做出了值得注意的贡献，但Nicolaus Otto（1876）和他的同行Rudolf Diesel（1892）在开发Spark Ignition（SI）发动机和压缩点火（CI）发动机方面的历史性突破得到了全球的赞誉。[3]，[4]。几十年来，他们的伟大发明被证明在汽车系统中起着至关重要的作用，几乎是当今唯一在使用的发动机。
不幸的是，目前迫切需要开发先进的内燃机，以最大限度地提高发动机效率并尽可能减少废气排放[5]，[6]。在这方面，混合动力的电动汽车将成为未来运输系统的主要部分，因为它们具有环保和操作灵活的特性[7]。相反，与优势并存的还有劣势，混合动力电动汽车存在电力存储等问题尚待解决[8]。因此，毫无疑问，混合动力汽车将成为新时代的环保型汽车，它将在不久的将来找到潜在的全球市场。
然而，关注着当前的市场，我们已经进行了几项研究，通过使用替代燃料来改善传统IC发动机的性能，而不需要对发动机系统进行太多修改[9]，[10]，[11]，[12]。由于在分析传统IC发动机的替代燃料的性能和排放方面已经进行了足够多的研究，本文试图设计原理设计和操作变量，如压缩比，点火期，燃油喷射参数等在不同情况下如何影响发动机运转。与此同时，已经做了一些努力来简要讨论与非传统IC发动机运行相关的利弊。
2.影响发动机性能的变量
在设计任何内燃机时，一个巨大的挑战在于通过设计使它以向发动机提供更少的能量输入来产生最大机械动力和最小发动机排气的双重优势。尽管上述情况要达到的100％是不可能发生的，但是，在某种程度上，发动机的性能还是可能会受到改变设计和操作变量的影响。在几个变量中，重点在于燃烧室几何形状，压缩比，废气再循环（EGR），点火延迟，喷射参数和进气系统加热。
2.1燃烧室几何形状
2.1.1打开燃烧室
通常，典型的IC发动机的性能、排放和燃烧特性强烈依赖于燃烧室配置。为了阐释上述事实，许多研究人员进行了几种关于不同燃烧室几何形状会产生影响的实验研究。在那个计数中，Jaichandar等人。[13]研究了在以Pongamia甲酯为燃料的单缸柴油发动机中改变开放燃烧室几何形状的结果。实验结果表明，与浅深度燃烧室和半球形燃烧室相比，环形燃烧室的更能改善结果。这种趋势主要是由于采用环形燃烧室改善了空气运动，这可能增强了混合物的混合和燃烧机理。在上述工作中，Mamilla等人作出了重大贡献。[14]通过改变开放式燃烧室的几何形状来评估对发动机性能的影响，该研究是在用麻风树生物柴油作为燃料的单缸直喷式柴油发动机上进行的。与其他开放式燃烧室相比，实验结果证明了环形燃烧室的优秀性能特征。
除了对燃烧室结构影响的实验研究外，一些研究人员还进行了各种优化技术来评估燃烧室几何形状对发动机性能的影响，Park [15]做出了一个这样的贡献。Park评估了用二甲醚（DME）燃烧的CI发动机的燃烧室几何形状和发动机运行条件的优化效果。在该研究中，选择DME作为柴油的替代燃料，因为DME大致含有约35wt ％的氧，这将改善燃烧特性。此外，该研究强调需要优化燃烧室，以实现发动机运行特性的显着改善。
2.1.2 分隔燃烧室
在过去二十五年左右的时间里，在直接喷射燃烧室（开放式燃烧室）中进行了大量的研究工作，而不是间接喷射燃烧室（分开的燃烧室）。这是因为使用分开的燃烧室通常伴随着高燃料损失。然而，采用分开的燃烧室设计，可以实现更的充电运动和更快的燃烧速率[16]。在这方面，Rakopoulos等人。[17]分析结果为分体式燃烧室的构造提供了依据，并且具有热释放率机制，表现出最具吸引力的结果。
2.2 压缩率
与燃烧室配置一样，压缩比（CR）也是一个同样重要的设计参数，对性能和排放特性有重大影响，因为CR是燃料技术发展的主要关注点[18]。为证实上述现状，世界各地的分析师已进行了多项研究工作。以下是研究不同CR对发动机性能影响的一些显着贡献。
Raheman和Ghadge [19]研究了以马华生物柴油为燃料的里卡多柴油发动机不同CR的影响。从研究中可以明显看出，通过改变压缩比从18：1到20：1，以B20（20％生物柴油和80％柴油）Mauha生物柴油为燃料的柴油发动机性能特征增加约29.5％热效率（BTE）。与之前的工作类似，Sayin和Gumus [20]研究了CR对单缸直喷式柴油发动机的影响，该柴油发动机以生物混合柴油为燃料。实验结果表明，当CR从标准设置升高时，BTE、燃料经济、，CO、HC和烟雾不透明度以及NO x排放的有显着改善。
最近，气体燃料由于其形成接近均匀的混合物的能力以及由于其更宽的可燃性限制而具有吸引力。Porpatham等人的实验工作。[21]是关于改进CR对用生物气体作为燃料的柴油发动机的性能机制的影响，揭示了BTE、HC和NO排放增加以增加CR。据报道，这一显着增长率在CR为15：1时最高。注意到这一趋势的主要原因是燃烧速率的增加和CR增加时延迟时间的减少。
Ccedil;elik等人的另一项研究。[22]关于在高CR为10：1的单缸汽油发动机中使用纯甲醇作为唯一燃料，发动机功率和BTE分别增加约14％和36％。另一方面，在高CR为10：1时，可以看到CO、CO 2和NO x排放（HC排放除外）有明显减少。发生HC排放指数增加的主要原因是随着CR的增加，表面/体积比增加。
Yuuml;cesu等人研究了不同CR对发动机性能的影响的另一个评估。[23]。选择以乙醇 - 汽油混合物为燃料的单缸四冲程汽油发动机来检查发动机特性。在该研究中，根据较高的CR，发现性能和排放特性都很好。
Pan等人最近的一项研究。[24]关于EGR和CR在端口燃料喷射汽油发动机中的全开节气门操作的双重影响，通过增加给定EGR率的CR来描绘循环变化的主要减少。通过实验和计算分析，这种趋势主要是由于层流火焰速度和湍流强度的影响，其随着CR的增加而增加。
2.3废气再循环（EGR）
如今，为了满足严格的车辆排放标准，汽车工程师在全球范围内努力设计新技术以大幅减少废气排放。在这方面，EGR技术将是对抗NO x排放的最有效的预处理技术[25]、[26]。一些学者对EGR对发动机性能和排放特性的影响所做的预计将在下一段中详细阐述。
Agarwal等人。[27]评估了EGR对柴油机运行特性的不利影响。评估证实NO x排放显着减少。但是，随着EGR率的增加，HC、CO和烟雾排放呈指数增长。然而，发现在BTE，燃油经济性和排放方面最令人满意的发动机性能高达15％的EGR率。Agarwal等人的另一项评估。[28]得出结论，当生物柴油和EGR用于柴油发动机时，NO x和烟雾排放的同时减少是明显的。
Saleh等人的另一项研究。
Internal combustion engines: Progress and prospects
Renewable and Sustainable Energy Reviews
Volume 38, October 2014, Pages 561-571
Avinash Alagumalai
Abstract
Indeed, the engine industries have seen a tremendous growth in the research and development of new-age technologies over the past ten years or so. Even though a huge database is now available on present-day engine technologies, a skillful presentation of those data is a demanding task. At this count, an endeavor has been made here to brief the pros and cons of present-day engine technologies in an elusive manner. In a nut–shell, this article provides an extensive review of the primary principles that preside over the internal combustion engines design and operation, as well as a simplifying framework of new-age engine technologies has been organized and summarized in an elegant way to contribute to this pragmatic field.
Keywords
Engine
Alternative fuel technology
Performance
Emission
1. Introduction
Perhaps the most graceful invention by humankind that ever had a greater impact on society, the economy, and the environment is the reciprocating internal combustion engines, in general called as IC engines [1], [2]. Although several researchers made noteworthy contributions in the development of IC engines, the historical breakthrough by Nicolaus Otto (1876) and his counterpart Rudolf Diesel (1892) in the development of Spark Ignition (SI) engine and Compression Ignition (CI) engine is globally praised [3], [4]. For decades, their magnificent inventions proved to play a vital role in the automobile system, used almost exclusively today.
Unfortunately, at present there is a pressing need to develop advanced combustion engines that maximize the engine efficiency and totally mitigate the exhaust emissions [5], [6]. In this regard, the hybrid electric vehicles would be the major part of future transportation systems, because of their eco-friendliness and flexibility in operation [7]. Conversely, there are issues like power storage options allied with hybrid electric vehicles yet to be resolved [8]. Thus, undoubtedly hybrid vehicles would be the new age eco-friendly vehicles, which would find a potential global market in near future.
However, focusing on the present day scenario, several studies have been conducted on improving the performance of conventional IC engines by using alternate fuels, without much modification in the engine system [9], [10], [11], [12]. Since more than enough of the research studies had been carried out in analyzing the performance and emissions of conventional IC engines by alternate fuels, an attempt has been made in this article to devise the principle design and operating variables, such as compression ratio, ignition period, injection parameters, etc., that influence the engine operation under diverse circumstances. In conjunction, an exertion has been made to discuss briefly the pros and cons associated with non-conventional IC engine׳s operation.
2. Variables influencing engine performance
While designing any potential heat engine, a formidable challenge lies in designing it to produce a twin advantage of maximum mechanical power and minimum engine-out exhaust, by supplying less energy input to the engine. Although 100% occurrence of the above incident is cumbersome, however, to some extent, the engine׳s performance could be influenced by varying the design and operating variables. Amongst several variables, the emphasis here is on the combustion chamber geometry, compression ratio, exhaust gas recirculation (EGR), ignition delay, injection parameters, and intake system heating.
2.1. Combustion chamber geometry
2.1.1. Open combustion chamber
In general, a typical IC engine׳s performance, emission, and combustion characteristics strongly rely on the combustion chamber configuration. To assist the above fact, several noteworthy experimental investigations on the effects of varying combustion chamber geometry were demonstrated by numerous researchers. In that count, Jaichandar et al. [13] studied the effects of varying the open combustion chamber geometry in a single cylinder diesel engine fueled with Pongamia methyl ester. The experimen
资料编号：[3528]
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