內燃機的並聯與複合(vbcbs)工藝簡介

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內燃機的並聯與複合(vbcbs)工藝簡介簡介
1。並聯與複合概念的引入 傳統內燃機是一閉口系統,其熱效率主要受壓縮比的影響;壓縮比較高相應熱效率較高。但壓縮比受爆震的限制不可能無限提高。當壓縮比過高……
內燃機的並聯與複合(vbcbs)工藝簡介正文

1。並聯與複合概念的引入

傳統內燃機是一閉口系統,其熱效率主要受壓縮比的影響;壓縮比較高相應熱效率較高。但壓縮比受爆震的限制不可能無限提高。當壓縮比過高時不僅不能提高熱效率,由於爆震還會引起排放惡化,甚至發動機結構的破壞 。

多方面的研究報告表明,爆燃的發生對一定的燃料與發動機的壓縮比、缸內壓力增長率、燃料的分佈、燃燒室的形狀有關。壓縮比較高,爆燃幾率較高;缸內壓力增長率超過一定值時必然發生爆燃。

現在設想在缸蓋上設一高壓燃氣閥,當缸內壓力增長率達到某一臨界值時,高壓燃氣閥打開,控制缸內壓力增長,達到控制爆震的目的。我們稱為閥控預混合燃燒系統(Bypass Valve Control Burn System簡稱VCBBS或 VBCBS)。

這一系統中,從高壓燃氣閥排出的燃氣可驅動其他動力裝置,就構成了一種複合發動機系統。由於該系統區別與傳統複合發動機,存在一個主動力系統與副動力裝置并行作功的過程(如圖三)。所以稱為並聯複合系統(Bypass Compound Engine System簡稱BCES)。

2。vbcbs的工程熱力學原理??阿托金遜循環

日本豐田公司在混合動力汽車Prius中裝用了前所未聞的稱為阿托金遜循環的4衝程汽油發動機。阿托金遜循環是由英國的瓊斯•阿托金遜提倡的奧托循環的改進,壓縮衝程與膨脹衝程是能夠獨立設定的高效率熱循環。其基本的特點是壓縮容積<膨脹容積即壓縮比<膨脹比。

在Prius混合動力汽車上應用的發動機說明書標稱壓縮比為13.5,實際上由於延遲進氣閥關閉時間(可變調節最大下止點后120o),在壓縮行程初始吸如缸內的部分空氣被擠回進氣支管一側,實際延遲了壓縮衝程的開始時間,從而降低了壓縮比;另一方面,排氣閥在下止點后30o開啟,所以膨脹衝程容積增大;形成膨脹比大於壓縮比的高膨脹比循環。

Prius混合動力汽車的汽油機裝有VVT-I氣閥正時系統。由於輸出功率、扭矩較低,高負荷時以蓄電池供給能量,低負荷時採用燃油經濟性良好的發動機驅動。

1947年R.H.Miller在美國機械工程學會(ASME)發表的旨在實現內燃機的理想性能「壓縮比<膨脹比的工作循環。其主要特點是具有能夠調整進氣閥開啟和關閉功能,從而實現上述功能的系統,為提高發動機輸出功率和扭矩而採用了渦輪增壓和中冷技術。這種改進的熱循環就是米勒循環。

米勒的發明直到1980年開始再次引起人們的重視,發表了許多研究論文,但均未能實用化。日本馬自達公司為尤諾斯轎車開發的V6發動機就是一款米勒循環發動機。該機為擺脫渦輪增壓的「增壓滯后」而採用了李肖姆螺旋式壓縮機。

vbcbs系統採用高壓燃氣并行作功的方法實現了作功膨脹比大於壓縮比,具有方法簡單可靠的特點。

借鑒奧托循環可以和工程熱力學原理可以推出.vbcbs的理想熱效率可用式一表示:

ηt=1-(λ1/k-1)/(λ-1)εk-1

式中λ=T3/T2為燃燒過程的升溫比,ρ= V4/ V1, ε=V2/V1為壓縮比,k為工質的絕熱係數。

顯然,阿托金遜循環的熱效率高於奧托循環。採用混合加熱模型也可得出相同的結論。

vbcbs在實際應用中ρ膨脹係數通常設計為定值,其理想熱效率可用式二表示:

ηt=1-(λρ1-k-1)/(λ-1)εk-1

按照式二,當ρk-1>λ時,系統熱效率大於100%,似乎違背了熱力學基本原理,其實際含義表示實際循環的作功行程後期,當ρk>λ時,系統開始從環境??如缸壁??吸熱,這個過程實際就是汽缸的冷卻過程,相當於過膨脹製冷過程,可使發動機免去冷卻設計,同時排氣溫度極低;因而vbcbs不僅具有較高的熱效率,系統平均溫度較低;且排氣溫度極低,對某些需要防熱輻射(如防熱尋的導彈)的車輛有特殊意義。

3.vbcbs的燃燒學原理

對內燃機尤其是點燃式預混合燃燒過程的排放生成機理,現在已有了比較清楚的認識,甚至可用計算機模擬預測主要污染物的生成及排放濃度。江蘇大學的王謙等就以燃燒反應的化學動力學程序為基礎,建立了發動機排放預測計算模型,並針對自由活塞式發動機的特點進行修正和實驗驗證。

據王謙等人的報告介紹,Van Blarigan等人曾在一台快速壓縮裝置(RCEM)即自由活塞模擬機上用丙烷作燃料、壓縮比為36:1、燃空比為0.337、初始溫度和壓力分別為54o和0.101MP(1atm)作試驗。在快速壓縮裝置中,活塞到達上止點(TDC)的時間是16.3ms,對應於帶曲軸的發動機轉速是30.58Hz,Van Blarigan等人在快速壓縮裝置上對氮氧化物的實測值是15×10-6,而在同樣幾何參數的帶曲軸的發動機上的氮氧化物實測值是215×10-6。兩者之間存在很大的差距。造成這一差距的原因,Van Blarigan等人給出了合理的解釋:自由活塞式發動機由於活塞加速度變化很大,導致一氧化氮排放遠低於常規發動機。他們認為自由活塞式發動機一氧化氮濃度的減少主要是由於在燃燒高溫時生成一氧化氮的時間太短。

與上述自由活塞式發動機同一原理,VBCBS發動機採用高壓燃氣閥放出早期點燃順序燃燒的已燃氣,使之溫度、壓力迅速下降,阻斷了氮氧化物的生成,使氮氧化物排放量很低。

在發動機大型化設計發麵,傳統發動機由於爆震和氮氧化物排放的限制,限制了缸徑的增大。Vbcbs使系統突破缸徑限制,有利於大缸徑低速設計,簡化控制系統,節約材料,降低成本。

4、vbcbs的相關技術

4.1 VBCBS的制氣結構與壓縮比選擇

閥控點燃式燃燒系統預混合氣的調製分為缸外製氣和缸內製氣兩大類。所謂缸外製氣包括現有技術中各種氣體燃料的混合裝置、汽油機的化油器、電磁化油器、進氣口汽油噴射系統、柴油機的進氣道加熱汽化裝置、柴油進氣道超聲波汽化混合裝置等,構成閥控點燃式預混合燃燒系統。主要動能是調製出符合工況要求的勻質預混合氣,或配合氣流組織技術調製成分層混合氣,是VBCBS預混合燃燒系統最重要的調節系統。

所謂缸內製氣主要是指應用缸內直噴、半直噴及相關的制氣方法,可構成預混合燃燒或雜交燃燒系統。我們統稱為閥控點燃式燃燒系統或閥控並聯燃燒系統(VBCBS)。

閥控點燃式燃燒系統的壓縮比是其基本參數。在缸外製氣的VBCBS汽油發動機上,可選擇較普通發動機稍高的壓縮比,而在缸內製氣的VBCBS汽油發動機上,由於燃料擴散大量吸熱,可選擇更高的壓縮比。在缸外製氣的VBCBS柴油發動機上(如HCCI),由於柴油的擴散、分解、氧化時間較長,可選擇較低的壓縮比。在缸內製氣的VBCBS汽油發動機上,可選擇稍高的壓縮比。

4.2閥控點燃式燃燒系統的點火方式與點火正時控制

最常用的是電火花點火方式。由於柴油機預混合氣的混合特點,普通電火花點火可靠性難以保證,為此可採用高能點火或電熱塞輔助電火花點火,或其它輔助方法以提高點火可靠性。點火正時控制是閥控預混合燃燒發動機的一個重要調節手段,通常採用電子控制,並與高壓燃氣閥控制配合,保證系統正常工作,降低排放、提高熱效率。

4.3高壓燃氣閥的控制

高壓燃氣閥控制是閥控預混合燃燒系統又一重要調節要素。分為定時控制和定壓控制兩種。

所謂定時控制是在某一固定的曲軸轉角如上止點、下止點打開或關閉高壓燃氣閥的控制方式。常用的方法有凸輪軸驅動的搖臂機構,定時控制VBCBS具有成本低、結構簡單、控制要素少、易於實施的特點。

所謂定壓控制是在某一可能導致爆震的缸內壓力臨界值打開或關閉高壓燃氣閥的控制方式。可採用缸內氣壓驅動彈力限壓閥的結構,也可採用電磁輔助氣壓驅動或電控液壓輔助驅動彈力限壓閥的結構,還可採用缸內壓力感應電控液壓驅動的控制方式。

vbcbs的理想熱效率可用式一表示:

ηt=1-(λ1/k-1)/(λ-1)εk-1

式中λ=T3/T2為燃燒過程的升溫比,ρ= V4/ V1, ε=V2/V1為壓縮比,k為工質的絕熱係數。

顯然,阿托金遜循環的熱效率高於奧托循環。採用混合加熱模型也可得出相同的結論。

vbcbs在實際應用中ρ膨脹係數通常設計為定值,其理想熱效率可用式二表示:

ηt=1-(λρ1-k-1)/(λ-1)εk-1

按照式二,當ρk-1>λ時,系統熱效率大於100%,似乎違背了熱力學基本原理,其實際含義表示實際循環的作功行程後期,當ρk>λ時,系統開始從環境??如缸壁??吸熱,這個過程實際就是汽缸的冷卻過程,相當於過膨脹製冷過程,可使發動機免去冷卻設計,同時排氣溫度極低;因而vbcbs不僅具有較高的熱效率,系統平均溫度較低;且排氣溫度極低,對某些需要防熱輻射(如防熱尋的導彈)的車輛有特殊意義。

內燃機的並聯與複合系統??是以阿托金遜循環和燃燒學為基礎,綜合運用現代電控和預混合燃燒技術的內燃機新技術。包括閥控點燃式預混合燃燒系統、並聯複合系統,組成內燃機系統。

主要特徵??以高壓燃氣閥把傳統內燃機由一個閉口系統變成一 個半開口系統。其基本原理是適當提高內燃機的壓縮比,在點火器(火花塞)附近 設高壓燃氣閥。中配合點火提前角的控制,當點火后隨著活塞的上行和燃燒過程的 進行,缸內壓力溫度迅速上升,當可能引起未燃區混合氣壓縮自燃時高壓燃氣閥打開,釋放部分已燃氣,限制壓力增長,防止爆震發生。發出的已燃氣可用於驅動其 它動力裝置??如渦輪機,構成燃氣同時驅動活塞和其它動力裝置的並聯動力系統 。

分析:

1.高壓縮比和趨於爆燃的臨界燃燒,提高了遠離點火中心的燃燒溫度,有利 於降低HC/CO生成量,而提前排出汽缸的已燃氣溫度壓力迅速降低,阻斷了NOx的生 成,達到降低總的排放水平的目的。

2.部分已燃氣提前排出汽缸,使系統的作功膨 脹比大於壓縮比,系統的熱效率提高。

3.在低負荷時,高壓燃氣閥不工作,系統相 當於一台常規發動機;高負荷時時,高壓燃氣閥開始工作,擴展了系統的功率範圍 ,提高了系統的工況適應性。4.由於膨脹比大於壓縮比,排氣溫度較低,系統循環溫度降低,有利於採用絕熱技術,進一步提高系統的熱效率。

應用系統:

1。並聯活塞式,包括二衝程1+1,四衝程2+1,二衝程2+1自由活塞,四衝程4+1自由活塞等多種結構。

2.並聯渦輪式,

3.混合驅動式

應用方向:

1,  可較大幅度提高內燃機的熱效率、降低排放。

2,  以簡潔、經濟的方式構成多種燃料發動機,混合動力發動機及內燃發電系統。

3,  在大型化設計發麵,突破缸徑限制,簡化控制系統,節約材料,降低成本.

4,  降低發動機平均工作溫度,簡化冷卻系統,節約材料.

5,  排氣溫度低,對軍用車輛有特殊意義.

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