运用米勒循环与生物柴油对柴油机性能优化分析

本文基于GT-Power软件,对比分析了B20生物柴油在1000 r/min转速、2种负荷工况(100%和50%)下的2种米勒循环最佳方案,找到关于动力、经济、排放性能最佳的进气门提前关闭角;再基于米勒循环方案,对其性能进行了优化和分析,得出了B20生物柴油发动机在2种工况下功率、油耗、soot排放与NOx排放最佳性能的进气正时方案。结果表明:变气门重叠角米勒循环在整体性能方面优于变凸轮型线米勒循环,变气门重叠角米勒循环燃用B20生物柴油在2种不同负荷工况下,当处于进气门提前关闭角30℃A时功率性能最佳,并且通过模型优化后2种工况分别在进气门正时179.0℃aA和排气门正时174.0℃aA、进气门正时224.5℃aA和排气门正时119.0℃aA区域内有功率极大值;同理,油耗、soot与NOx排放也同样存在相对应的最佳进气门提前关闭角与优化后相对应的区域。

米勒循环对柴油机燃用生物柴油的性能研究

借助GT-Power软件实现某机车柴油机仿真模型的搭建,采用试验对仿真模型的准确性进行分析验证。研究在75%负载1000r/min工况燃用5种生物柴油B0、B10、B20、B50和B100,分析采用两种米勒循环对柴油机油耗、功率以及排放功能的影响。试验结果表明:柴油机功率发生变化拐点在30℃A米勒度处,油耗变化拐点在30℃A米勒度,碳烟排放发生变化拐点在20℃A米勒度,在该工况条件下NOx排放降低的效果较为显著。综合分析可知,在75%负载1000r/min工况条件下燃用B10生物柴油,米勒度为30℃A且变气阀重叠角米勒循环下柴油机表现最为佳。

两种米勒循环对柴油机性能的影响

基于某轻型柴油机使用GT-Power软件建立一维仿真模型,通过试验数据与仿真数据进行验证分析,确定仿真模型的精度,同时研究两种米勒循环对柴油机性能的影响。结果表明,当柴油机工作在额定转速下,采用进气门早关(EIVC)策略,缸内压力和有效燃油消耗率随米勒度的增加而下降,NOx排放随米勒度的增加而减少;采用进气门晚关(LIVC)策略,缸内压力随米勒度的增加而减小,有效燃油消耗率随米勒度的增加而上升,NOx随米勒度的增加先增加后减少;当柴油机工作在1 800 r/min转速下,采用EIVC策略,缸内压力随米勒度的增加而下降,有效燃油消耗率随米勒度的增加而上升,NOx排放随米勒度的增加先增加后减少;采用LIVC策略,缸内压力随米勒度的增加而下降,有效燃油消耗率随米勒度的增加而上升,NOx排放随米勒度的增加而减少。

米勒循环汽油机燃烧噪声诊断与优化

对某搭载米勒循环增压汽油机的SUV在低速高负荷区域出现的“哒哒”异响进行诊断、分析及优化。噪声振动信号经傅里叶变换、滤波及燃烧压力频谱对比分析,确认异响为1~3.5 kHz的燃烧噪声。通过对米勒循环结构分析,确认异响产生根本原因为小升程进气凸轮进气时间短、阻力大和增压器低速性能不足,在低速中高负荷节气门全开下,采用了过大的点火提前角,导致气缸压力急剧升高诱发高压力升高率,带来燃烧噪声。通过对异响工况点火提前角优化,最高压力升高率及1~3.5 kHz燃烧压力频谱成分优化明显,异响消除,且发动机性能变化不大。

米勒循环对重型柴油机燃烧和排放的影响

基于某重型高压共轨柴油机开展了米勒循环在外特性工况点、排放控制工况点和最低燃油消耗率工况点对发动机性能、燃烧和排放的影响研究.米勒循环依靠进气门晚关来实现,其中进气门关闭时刻分别推迟了30°、50°和70°CA.结果表明:重型柴油机应用米勒循环能够在实现较低缸内压力峰值下,较低燃油消耗率的目标,相同缸内压力峰值下燃油消耗率能够降低约1 g/(kW·h);大的进气门晚关角度能够实现在相同燃油消耗率下,排气温度提升20℃以上,可作为发动机排气热管理的储备技术.大的进气门晚关角度在外特性高转速段会造成功率损失,因而必须与高效增压器配合使用才能保证全局功率不损失,同时降低燃油消耗率,提升排气温度.

直喷米勒循环汽油机燃用甲醇/汽油燃料燃烧及排放特性分析

围绕高压缩比米勒循环发动机的热效率潜力及甲醇及甲醇/汽油混合燃料对燃烧过程和排放特性的影响进行了深入分析。通过试验对比分析,研究了不同压缩比下米勒循环与传统奥托循环的热效率,探究了甲醇燃料对发动机燃烧性能和排放影响的机理。结果表明,米勒循环在高速高负荷工况下相比奥托循环展现出更高的热效率潜力,同时能够提高对高压缩比的耐受性。试验所选2000 r/min、总平均指示压力(global indicated mean effective pressure,GIMEP)为0.66 MPa工况下,采用米勒循环后在压缩比分别为11.5和14.5时,指示热效率可相对于奥托循环提升约0.6和0.8个百分点。燃用甲醇/汽油燃料能够在保持负荷不变的情况下使燃烧相位提前,有助于进一步提升发动机指示热效率水平。当燃用纯甲醇时,高负荷工况下可显著改善燃烧过程,相比于汽油燃料,缸内最大压力增加约30%,指示热效率增加7.2个百分点,NOx排放明显升高,增幅达80%。此外,燃用甲醇燃料时核模态颗粒物数量显著升高,同时积聚模态微粒数量减少,不同模态微粒峰值均向小粒径方向迁移。

不同米勒循环方案汽油机性能仿真与试验研究

本课题借助某1.5L自然吸气汽油机进行配气机构改型以实现米勒循环,基于一维软件计算选取不同凸轮型线,研究不同方案实现新机油耗及额定扭矩性能目标的差异。借助三维CFD软件,对选取配气组合方案建立缸内流动模型,计算流场分布,对火花塞附近流场、湍动能进行计算;计算出缸内压力和温度场分布,为开发试验提供必要的计算流体力学输入。另外,借助性能试验台,对改型后的样机开展了性能开发试验,验证了实际收益,最终实现了满足设计目标的方案选型。

可变压缩比米勒循环汽油机热功转换效率预测及优化

从理想热力循环出发推导,实现了有效压缩比与膨胀比之间的解耦,提出了相应的缸内热功转换效率预测方程.结果表明:所提出的方程能准确预测有效压缩比或膨胀比的变化对热功转换效率的影响规律.从导出的方程中还可得到膨胀比对热效率的影响大于压缩比的结论.通过分析不同压缩比条件下发动机的膨胀比以及热效率的试验结果,得到了中、高负荷下压缩比εECR(εECR≥8)太高对膨胀比乃至热效率反而不利的结论.有效压缩比与有效膨胀比解耦后的方程为二者的独立优化或协同优化提供了一条清晰、快捷有效的技术路线,发动机的台架试验验证了“低压缩比”、“高膨胀比”的优化理念.

高原环境下米勒循环对柴油机燃烧效率和排放的影响

在高原地区,由于空气稀薄和极端天气的影响,导致内燃机的性能受到了影响,其中燃烧效率和排放问题更加突出。近年来,随着排放法规的严格要求及柴油机动力性能的影响,米勒循环逐渐引发工业界和学术界的广泛关注。文章针对高原环境下柴油机运用米勒循环的实际效果进行了深入探讨,通过对比高海拔地区(3000~5000 m)和低海拔地区(0~2000 m)下柴油机的运行数据可知,米勒循环在高海拔地区能有效改善柴油机的燃油经济性,同时可以显著降低NO_(x)等有害排放物的生成,对于高原地区的可持续发展具有重要的意义。

米勒循环结合两次喷射对缸内直喷发动机起动工况下混合气的影响

为探究直喷发动机第二次喷油时刻、两次喷油比例对燃油蒸发与混合气形成质量的影响,在一台汽油缸内直喷(GDI)发动机进气门早关(EIVC)米勒循环单次喷射的基础上,采用控制变量的方法,在两次喷油量相同的情况下,设计了7组不同的第二次喷油时刻方案,并在最优喷油正时的基础上,设计了6组不同喷油比例的方案进行试验。结果表明:在压缩冲程中后期,缸内湍动能随着喷油重心的后移而增强;随着二次喷油正时的推迟,更多的燃油附着位置从活塞顶部转向缸套表面;当二次喷油正时为进气上止点后150°曲轴转角、喷油比例为2∶1时,附壁油膜蒸发效果最佳,点火时刻缸内残余油膜量最少,较原机下降95%,并且该条件下当量比分布良好,在火花塞附近形成了当量比为1.3的微浓混合气,有助于火核的形成。

不同米勒循环对沼气机燃烧性能影响及优化研究

为了研究不同米勒循环对大功率沼气发动机在额定工况的燃烧和性能的影响,基于一台1.15 MW增压型沼气发动机及其仿真模型,通过变化进气门关闭正时,将沼气发动机由奥托循环改为不同米勒循环。仿真研究结果表明:在沼气发动机输出目标功率相同的情况下,随着早米勒的提前和晚米勒的推后,其缸内最大燃烧压力、最高燃烧温度、单缸排气温度、燃油消耗率及氮氧化物排放均降低明显,这表明早米勒循环和晚米勒循环对沼气发动机的燃烧和性能提升有较好的效果;随着早米勒的提前和晚米勒的推后,为了保证输出相同的功率,其增压压力需要提高,但其充气效率明显下降;随着晚米勒的加强,进气门关闭时刻进气倒流现象明显,容易出现进气回火现象,早米勒在进气门关闭时刻未发生任何进气倒流现象;相比晚米勒,早米勒更好的适宜预混增压型沼气发动机进气混合需求;所研究机型在ML-70时刻比原ML0时刻,其优点是爆发压力、燃气消耗率、氮氧化物排放分别下降3.74%、2.49%、23.58%,达到了降低爆震、提高效率、减小排放的目标。

米勒循环柴油机性能优化计算分析

基于GT-Power软件对12V26型柴油机进行仿真模拟。通过与实验数据的比对,验证了模型的可靠性。分析不同进气门关闭角度对柴油机性能参数与排放的影响。结果表明:采用米勒循环使压缩终点压力温度有效降低。再重新匹配压缩比以补充米勒循环造成的进气损失,重新匹配喷油正时角度以优化燃烧,降低Soot排放。在采用米勒循环M40的基础上重新匹配最佳增压比16.5和最佳喷油正时角-16℃A时,可保证与原机功率相同,油耗降低12.84 g/(kW·h),NOX减排22.08%,Soot减排57.2%。

米勒循环降低船用中速柴油机NOx排放研究

降低中速柴油机NOx排放的研究具有重要的现实意义。利用AVL BOOST软件,以Wartsila4L20型中速柴油机为模拟原型建立仿真模型,通过台架试验数据验证模型模拟的准确性,并利用所建立的模型,在综合考虑柴油机经济性和可靠性的基础上,研究米勒循环降低船用中速柴油机NOx排放的有效途径。

米勒循环发动机进气道优化设计

为了满足越来越严格的油耗法规要求,对某增压发动机进行米勒循环改造,通过利用CFD手段进行了三种进气道方案设计对比分析,并进行样机试验对比,结果表明:进气道滚流比的提升,可以大大增强缸内气流湍流强度,加快缸内燃烧扩散速度,燃烧速率较奥托循环气道提升22.2%。相比奥托循环,米勒循环外特性最大扭矩下降6%,额定功率下降2%,但米勒循环对发动机外特性的油耗降幅非常可观,低速工况降幅达到4%,高速工况降幅达到14.6%。

增压柴油机米勒循环热力学分析

通过建立涡轮增压柴油机米勒循环热力学分析模型,分析研究了有效压缩比对发动机性能的影响规律。米勒循环的热力学计算结果表明,随着米勒循环程度的减小,即进气门关闭角越接近下止点时,米勒循环效率越高;而在提前关闭角由大变小的过程中,循环效率逐步提高,但是提高的幅度逐渐减小直到关闭角接近下止点时,循环效率最大并停止提高。对增压柴油机所采用的增压米勒循环进行分析,结果表明,循环净功、最高燃烧温度和最大爆发压力随着有效压缩比的增大而线性增加,而循环效率则随有效压缩比的增大呈先增大后减小的趋势。因此,在增压米勒循环优化设计中,应根据实际使用工况对米勒循环有效压缩比进行选择,应考虑最高燃烧温度、爆发压力以及循环效率三者的综合效果。

掺烧生物柴油耦合米勒循环对船用柴油机燃烧及排放的影响

为了探索柴油发动机燃烧生物柴油并使用米勒循环后的性能影响,在4190Z_(L)C-2型的基础上采用AVL-Fire展开仿真研究,对柴油机在高负荷运转下选取不同米勒度及不同生物柴油掺混比进行仿真分析.结果表明:相同米勒度下,随着掺混比增大,爆压明显降低,缸温下降,CO排放量显著降低,NO排放总量上升,Soot排放量也减少明显;相同掺混比下,随着米勒度增大,爆压升高,缸温逐渐下降但不明显,CO排放降低,NO排放呈先增大后减小的趋势,Soot排放下降.因此,选用适当的掺混比和米勒度,能较好的降低NO排放,同时对Soot和CO生成也有较好的抑制效果,且柴油机动力性有小幅提升.

米勒循环在小型增压汽油机典型工况的应用研究

针对某3缸增压小型化汽油机,基于一维和三维发动机循环仿真,分别研究了进气门早关(EIVC)和进气门晚关(LIVC)两种米勒循环形式对发动机油耗、爆震及燃烧特性的影响。结果表明:两种米勒循环形式均能有效降低全工况范围的燃油消耗率,平均降幅约为8%。与LIVC相比,低负荷时EIVC具有更大的节气门开度和进气压力,故泵气损失相对较小,具有更好的燃油经济性;而在高负荷区域,EIVC会显著降低缸内滚流和压缩终了时的湍动能,导致燃烧变慢,CA50相比LIVC滞后2.5°曲轴转角,燃油经济性和爆震抑制作用较差。

米勒循环拓展均质压燃燃烧负荷范围的计算

针对柴油均质压燃燃烧中的压缩上止点喷射模式容易产生燃油附壁的特点,建立了基于喷雾、燃油附壁、油膜蒸发和燃烧等一系列过程的数学模型,利用该模型对135单缸柴油机进行了校核计算.在校核模型基础上完成了米勒循环拓展早喷模式均质压燃燃烧发动机负荷范围的计算,结果表明:在较低进气压力下(绝对压力小于0.14,MPa),最高燃烧温度是拓展负荷范围的限制条件;在较高的进气压力下(绝对压力大于0.14,MPa),最大压升率成为主要限制条件.通过过量空气系数与增压压力的匹配关系,实现维持排放水平的前提下拓展均质压燃燃烧发动机负荷,最大平均指示压力从0.889,MPa提高到1.029,MPa.

大功率中速米勒循环柴油机NO_x排放特性数值模拟

分别采用AVL Boost和Fire软件建立大功率中速柴油机整机及缸内仿真模型,并使用柴油机台架性能实验结果进行标定和验证,分析多种Miller正时、压缩比及喷油正时设计方案对柴油机燃烧和NOx排放的影响规律。研究结果表明:进气门关闭正时提前会使NOx排放下降且预混合燃烧部分放热率峰值升高;提高几何压缩比使Miller循环方案的预混合燃烧部分放热率峰值降低,NOx排放降低,燃油经济性提高,但会导致缸内爆压剧增;配合深度Miller正时和高压缩比,推迟喷油正时曲轴转角为2°,可在保持燃油经济性的前提下实现较低的NOx排放性。

进气门晚关米勒循环对柴油机燃烧和排放影响的研究

基于D6114柴油机的BOOST模型,分析了进气门晚关米勒循环对柴油机燃烧和排放的影响。结果表明:推迟进气门关闭时刻可以减小压缩阶段的压力和温度,从而使滞燃期增长;但是由于缸内工质的减少,缸内平均温度和碳烟排放升高;增压压力的提高可以弥补进气损失,研究发现进气门晚关结合提高增压压力及推迟喷油,可同时降低NOx和碳烟的排放;在保持爆发压力与原机相同时,采用米勒循环度M60、喷油正时推迟2°CA的方案,油耗降低4 g/(k W·h),碳烟排放降低6%,而NOx的排放量降低了31%.