英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
《满负荷下使用乙醇燃料和EGR的米勒循环：潜在的优势和问题》
【摘要】：米勒循环，也称为超膨胀循环，是自1940年以来著名的内燃机工作方式。米勒循环的主要目的是利用较高的膨胀比提高发动机效率。高膨胀比可以通过不同的可变气门驱动机制使进气门早关或晚关来实现。涡轮增压器和中冷器经常用于增加进气密度和恢复因减少进气冲程而损失的功率。随着人们对气候变化的日益关注，使用乙醇等生物燃料是一种很有前途的选择。与汽油相比，乙醇具有更高的抗爆震性能，并能提供更好的充电冷却效果，从而可以使用更高的压缩比或提高增压压力。尽管有潜在的好处，但由于技术方面的问题，这一方式未被广泛采用。本文指出了需要特殊的气门总成配置和高压比增压器等问题。本文详细对一台满负荷米勒循环火花点火发动机在使用不同构型含水乙醇、不同配气机构和机械增压状况下运行时的情况进行了一维仿真分析。研究了进气阀关闭时间、凸轮轴形状、EGR或过量空气的充量稀释、燃烧持续时间和缸内温度的影响。对主要损失进行了详细评估，并研究了几种可能的安排。使用米勒循环时，柴油机制动效率可达40%以上。
【关键字】：米勒循环；EGR ；乙醇；内燃机
1.简介
自工业时代以来，温室气体的浓度一直在增加，达到前所未有的水平，导致产生对气候变化的不良影响和更频繁的自然灾害[1]。使用生物燃料来减少化石燃料的使用和温室气体的排放是一条必然的前进之路。乙醇是目前研究最多的替代汽油的燃料之一。它是生产的可以由农作物淀粉发酵。反过来，这些农作物在生长的同时可以吸收二氧化碳。因此，这种燃料在高效率的火花点火发动机中的使用是非常有价值的。[2]乙醇与汽油相比在SI发动机中具有更高的抗爆震性能和冷却效果，这是乙醇的主要优点。利用更高的压缩比和/或更高的升压压力，从而可以提高功率和效率。乙醇的缺点是较低的热值，对金属腐蚀性强和更高的醛排放量。在巴西，作为汽车乙醇使用的先驱国家之一，乙醇被广泛使用。 在所有加油站都可以加注乙醇(95%乙醇和5%水)，由于生产成本较低，这是比纯乙醇更便宜的替代品[5]。
自1947年美国工程师拉尔夫米勒第一次提出米勒循环以来，米勒循环便是发动机设计中的一个反复出现的课题。[6]作为阿特金森循环的一种改进，米勒循环提供了高热效率和低能量密度。通过进气门早或晚关IVC(进口阀门关闭)提高膨胀率。并通过涡轮增压和充量冷却实现气缸内的低温低压。这会减少爆震，提高热效率，强化燃烧相位，增加定容燃烧度。
较低的峰值气缸温度也有助于减少氮氧化物的排放[7]和发动机的总应力，需要一个的设计来降低摩擦和增加机械强度。此外，由于较高的热效率，排气温度往往会降低，这有助于提高涡轮增压器的使用寿命(如果使用)，并避免全负荷进气进一步提高工作效率。尽管有不少潜在的好处，但这一概念仍未被广泛应用于一些技术挑战。例如需要特殊的气门总成和高压缩比机械增压或涡轮增压器等会在本研究中涉及的一些问题。
到目前为止，在米勒循环上所做的大部分工作都集中在火花点火发动机的部分负荷工作上(其效率较低的工作范围)。正如Stoter，Ribeiro等人进行了仿真和实验研究后所提出的，即使与分层(LEAN)SI方式相比，由于这种循环所提供的泵损失减少，效率也会有相当大的提高，变压缩比的SI米勒循环发动机在部分负荷工况下比柴油机具有更高的效率。
与常规循环发动机相比，Miller循环利用了较低的有效压缩比。这会降低缸内温度和降低NOx排放水平.有效压缩比的降低，以及膨胀比的增大都可以通过不管是早还是晚IVC。由于对特殊凸轮轴和可变阀系的需求，许多人都在寻找能够产生动态IVC变化的装置。Sakai等人[11]在涡轮增压米勒循环发动机上使用了旋转辅助进气阀，通过扩大爆震极限，结果显示有效燃油消耗率降低，发动机下降功率10%和15%。压缩温度显著降低，排气温度下降100K以上。该系统还应用于了一台柴油机[12]，显示了平均有效缸内压力在低速下的改善和有效燃油消耗率的减少。Yaodong等人[13]试验了一个LIVC(晚期进口阀关闭)版本的米勒循环使用两种不同的进气气门关闭角在全油门条件下。据发现，有效燃油消耗率和废气温度降低69%的NOx排放。
动态变化压缩比与可变气门定时是一个概念也与米勒循环结合进行了实验，有趣的是其结论是可以提高效率[13]。可变进气凸轮正时(VCT)和可变气门正时(VVT)是在进气阶段产生磨坊循环状态的有效途径，也是在排期冲程末产生内部EGR的有效途径[14,15]。Fontana等人[16]使用计算模型测试了一种数值方法，利用VCT和VVT来评估发动机的性能，目的是优化排气和进气过程，从而提高发动机的整体效率。使用摆动凸轮代替旋转凸轮的方法也可以被用来实现可变气门设计[17]。当与VVT一起使用时，这种方法不仅减少了部分负荷运行时的进气损失，而且还减少了气门传动系统的摩擦力，从而进一步提高了发动机效率。全可变阀驱动通过电液系统已经应用于发动机研究中，不仅可以使用米勒循环，而且还可以实现在同一引擎中进行二冲程或四冲程发动机工作过程，并根据负载和速度要求在模式之间切换[18]。
第一个批量生产的米勒循环发动机是马自达，在1993年[19]开始销售，显示出减小多达15%的有效燃油消耗率，同时缩小发动机排量23%。采用旋转阀提高了膨胀率，采用专门设计的高效Lysholm压缩机解决了充量密度问题[20]。对这一概念的持续研究使排放量和燃料消耗比同类型的竞争对手柴油发动机更低[21]。
进一步的发展集中在丰田大批量生产的车辆上，通过结合电控技术解决了低体积效率和充量密度的阿特金森循环的混合动力发动机(丰田普锐斯)。还实现了排放量和燃料消耗的减少[22]。在一种更温和的方法中，通过只使用可变凸轮相位器来实现动态的进气门关闭时刻变化，其他几家制造商也能够做到这一点。 将阿特金森循环应用于他们的发动机，目的是减少部分负荷泵的损失，这已经证明了阿特金森循环的好处[23]。在满负荷运行方面，除了提高膨胀率外，所取得的主要好处是爆震极限，在火花点火发动机的情况下，爆震极限可以转移到更高的负荷。在满负荷运行方面，除了提高膨胀率外，主要优点是提高爆震极限，在使用火花点火的情况下，爆震极限可以满足到更高的负荷。相应地，在柴油机上降低了最大缸内压力。NOx的排放是值得注意的。Chute[24]进行了大量的发动机模拟，并证明了满载米勒循环柴油机的效率提高。但他指出需要高效率的涡轮增压器。此外，对重型卡车和发电机使用的柴油发动机的模拟表明，除了米勒循环，EGR对控制气缸压力是必须的。Qi等人[25]研究了使用净大豆生物柴油的柴油发动机的燃烧，发现增加EGR率时，有效燃油消耗率和烟灰水平在降低缸内峰值压力时略有增加。这项研究还表明，氮氧化物的排放明显减少。然而，要使废气再循环和保持空燃比大于23：1，在使用现有涡轮增压器的条件下，必须采用苛刻的技术才能在整个发动机转速范围内达到6bar增压。为避免有效燃油消耗率罚款[26-28]，高涡轮机械效率将是必要的。在对某重型柴油机采用双级增压的试验研究中也指出了这一事实[29]。
几项研究报告，米勒循环也已应用于高效率的SI天然气发动机发电，随着技术的提高其效率也提高了36%-42.5%。大多数发动机采用了进气门晚关IVC，在某些情况下，膨胀比提高到15：1。几乎所有的研究都指出需要专门设计的高效率涡轮增压器，以能够在低流量下提供高压力比[30-35]。Kesgin[36]提出了一种发动机模拟方法，并通过实验测试开发了一种用于发电的双级涡轮增压V20天然气发动机。建立了发动机气体交换过程的一维气体动力学模型，并对模型进行了验证。采用二次热力学方法计算了燃烧过程中的缸内状态。 (类似于所提出的模型)在参考文献中[37]。燃烧速率是通过使用Wiebe函数来实现的。仿真的目的是为不同的后期IVC阀型优化进气阀的正时。本文还对压缩比效应进行了参数化研究，表明了利用较高的压缩比获得更高效率的有效性。米勒循环在乙醇燃料发动机中的应用尚未见文献报道。最近的计算和实验SI引擎开发研究[38-40]表明采用涡轮增压器进行高平均有效缸内压力负荷运行，可实现较高的柴油机整体效率。本文详细地对一台米勒循环火花点火发动机在水乙醇(95%乙醇和5%体积水)的不同阀门结构和机械增压下运行进行了详细的一维仿真分析。进气阀关闭时间、凸轮轴形状、EGR率、燃烧持续时间和充量冷却的影响都进行了研究。并根据其结果对所指示的制动效率和制动效率进行了研究和比较。
- 发动机建模
使用Gamma Technologies Inc.生产的商用软件GT-Power对发动机进行建模。GT-Power是建立起来的发动机性能仿真软件.它提供了一个指向对象的工作空间来对发动机流体交换系统进行建模。在一维流体力学的基础上，求解了排气系统和进气道系统非定常可压缩流动的质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。基于有限差分的建模方法能够描述发生在发动机中的脉动流。用显式解法求解微分形式的守恒方程，得到满足Courant准则的自动时间计算。经验关联式也得到了广泛的应用，例如Woschni[41]缸内传热模型，Chen-Flynn发动机摩擦模型[42]和Wiebe关联式(用于强制放热燃烧过程)。给出的所有解都是曲柄转角解。在速度模式下进行了仿真，软件计算转速为1800 rpm时的发动机性能。通过单区和双区模型计算了气缸的热力学状态。在进气、压缩和排气过程中，单区模型计算了考虑均质充量随周围环境变化的热力学状态。相应地，对于火花点火发动机，在燃烧过程中气缸被建模为一个燃烧和未燃烧的区域，类似于参考文献中的描述[37]。当燃烧发生时，燃烧模型控制在释放燃料内部能量的同时导致从未燃烧到燃烧区的传质的充量燃烧过程。这样就可以估算这两个区域的热力学状态。本文采用了预混燃烧和非预混燃烧两种燃烧模型进行了研究。首先，由于这项研究是基于文献资料，燃烧是通过Wiebe函数曲线来实现的，该曲线用一个非预测燃烧模型来表示热释放率[43]。它可以控制燃烧持续时间和热释放过程。选择30°曲轴转角作为20bar平均有效压力的持续时间式可以实现的，并调整了称为SITURB的预测火花点火燃烧模型。参考文献中也使用了类似的模型[38]参考文献对缸内流动和火焰传播模型进行了更深入的探讨[44-46]。缸内流动模型将缸体分为多个区域：中心核区、挤压区、压头凹区和活塞杯区。考虑到气缸室的几何形状、活塞运动和流动速度，计算了各区域内各时间步长的平均径向速度、轴向速度和旋流速度。湍流模型解决了在火焰传播模型中使用的湍流和气缸运动相关参数(涡旋、翻滚和粘滞)。
火焰模型采用基于几何的方法，其中圆柱体被离散成不同的子体积。假设火焰前沿从火花塞中扩散，并以球形生长的方式通过圆柱体传播，同时也与燃烧室的几何形状相互作用。在每个时间步骤中，未燃烧的充量以与层流和湍流火焰速度之和成比例的速率被带入火焰前沿(其使用来自缸内流动模型的信息作为湍流长度微尺度和湍流强度)。质量燃速与两个时间级燃烧体积之差成正比，放热率与此速率成正比。
SITurb燃烧模型的使用提供了STL活塞和头部几何形状的使用，火花发生位置可以在空间上定位。在本研究中，使用了一个圆盘燃烧室。乙醇的最大层流火焰速度是根据[47]设定的。调整湍流火焰速度参数，使燃烧持续时间保持在30°曲轴转角(10-90%质量分数燃烧时期)，在相同燃烧速率下化学计量比20 bar的平均有效压力具有类似Wiebe函数的曲线，将在后面的一节中显示。将在后面的一节中论述。
在所有模拟过程中，通过参数振铃强度和未燃烧区温度对火花提前进行调节，以控制爆震。敲缸强度是Eng[48]提出的半经验参数，它将最大压力上升、峰值压力和温度联系起来。虽然这个参数被用来计算hcci布置的爆震阈值，但在本研究中，它被用于SI过程，其假设是如果一个很高的压力梯度会发生反应， 当爆震阈值达到时，足够的能量将被输送到最终气体中，以启动自动点火过程。在[49]的基础上，决定在所有发动机工况下的目标RI为5 MW/m2，最大允许RI值为10 MW/m2，这里定义为爆震阈值。PID控制将LER应用于点火提前，以保证发动机正常工作状态，在爆震限制的情况下，MBT或RI为5 MW/m2。
此外，未燃烧区的最大温度被用作第二爆震指示参数。Sojberg[50]提出了与EGR分数相关的HCCI发动机中乙醇自动点火所需的缸内温度。对于大多数数据，缸内温度必须大于900K才能启动自动点火过程。根据Munsin[51]的观点，乙醇自动点火所需的温度约为950 K，1100 K的温度将为压缩点火操作提供条件。因此，以950K未烧区温度作为爆震阈值。从一台假设的单缸发动机出发，分析了一台商用康明斯4BT3.9-G4发电机组发动机的几何特性。其特点如表所示。
图1显示了单气缸计算模型。阀系被建模为用于基础发动机的螺线管驱动系统，使分析更容易。为了模拟压力感应的影响，采用PID控制器对20 bar的目标平均有效压力施加进气压力和温度并对其进行优化。在本文的所有的分析中，此负荷指标保持不变。所用燃料为水乙醇(95%乙醇和5%水体积分数)，直接喷射。
燃料汽化效应虽然可能是有益的，但并不是本研究的重点，而是通过注入完全汽化的燃料来单独研究的(如果燃料是在液体状态下注入的，燃料会再次蒸发)。 蒸发或降低蒸发过程中的充量温度，以潜热汽化的形式吸收燃烧温度)。
在单缸发动机模型试验中，分析了四个主要变量：燃烧持续时间(10 -90%MFB)、EGR率、空燃比和IVC正时。第一次研究是在30°曲轴转角和0%EGR率的Wiebe函数曲线下进行的。在调节进气压力以实现20bar的BMEP的同时，改变IVC。进气温度保持在330 K。
由于米勒循环可以由早期或晚期的IVC实现，所以IVC在下止点附近的变化是对称的，在到达上止点之前从300°到60°CA发火(或420-660 CA绝对值)，如图2所示。
- 结果与讨论
在模型中，在进气口处施加增压作为边界条件，并由PID控制器自动调整，改变进气压力
全文共7131字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[1086]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
