大型单缸柴油机利用高膨胀比循环改善热效率

2017-06-28福长聡长田英朗岡本毅島田一昭内田登

汽车与新动力 2017年1期

【日】福长聡长田英朗岡本毅島田一昭内田登

工作过程

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为了说明柴油机通过控制最佳的压缩比和膨胀比来获得热效率改善的效果。使用带可变气门正时，并配装外部增压系统的大型单缸柴油机进行验证试验。试验装置可组合多种有效的压缩比与膨胀比，装备3个不同活塞，以获得18.0～26.0的几何压缩比。研究结果表明，由于增加有效膨胀比和高的压缩比，总指示热效率得到改善，同时，由于急剧增加的机械损失与泵气损失，制动热效率降低。另外，验证了通过扩大膨胀比，过度的排气损失能够有效地转换为有效功。

热机压燃式发动机热效率膨胀比压缩比

0 前言

在全球范围内要求削减CO2排放，并且在燃油价格上涨、节约能源等背景下，大型商用车柴油机将进一步改善燃油经济性列为急待解决的课题。为改善柴油机的燃油经济性，应该改善其有效热效率。考虑到柴油机的有效热效率，循环热效率可根据压缩比、膨胀比、真实发热，以及通过依赖于温度的工作气体的热容比来决定。其次，通过除去冷却损失(冷却损失也与冷却损失导致的工作气体的比热变化有关)、泵气损失、排气损失、驱动发动机运转时产生的摩擦损失，以决定发动机的有效热效率。因此，要改善有效热效率，必须要提高循环热效率，并且降低各种损失。研究小组以降低冷却损失为基础，提高循环热效率为目标，力求改善有效热效率。以往通过降低冷却损失来改善热效率的课题研究[1]中，表明了部分降低的冷却损失对循环热效率改善做出了贡献，而大部分冷却损失降低使排气损失有所增加，有效热效率只是稍有改善。参考文献[2]中研究的课题是将增加的排气损失转换为有效功，根据萨巴蒂循环(定容定压循环)中米勒循环效应，使用大型单缸、带外部增压器的发动机，研究提高理论循环热效率的可能性。

本文验证了在更高的几何压缩比条件下，循环热效率的提高。如研究结果所示，当冷却和排气损失增加的情况下，验证了扩大膨胀比能够有效地转换为有效功的可能性。

1 理论热效率

1.1 循环热效率的理论计算公式

[2]中，求出了压缩比与膨胀比不同的萨巴蒂循环的热效率理论计算公式，图1表示出研究的理想循环的压力-容积(p-V)曲线图。本文中使用开始压缩容积与膨胀端容积，将开始压缩容积(v1)与上止点容积之比(v2)设定为有效压缩比εc，将膨胀端容积(v5)与上止点容积之比(v2)设定为有效膨胀比εex。理论热效率ηth以图1中的点1为起点，如用εc和εex，热容比κ，以及爆炸度ρ(P3/P2)，预胀比σ(v4/v3)，有效压缩比与有效膨胀比的比例，膨胀比/压缩比α(εex/εc)，来描述从点1～6的各点的温度，则可得出式(1)。理论上成为最高效率的条件是p5=p1。也就是说，通过完全膨胀(膨胀达到膨胀端压力与开始压缩压力相同值)，形成热效率的极大值的膨胀比/压缩比率αopt，式(2)中，仅用爆炸度、热容比和预胀比来描述。式(2)中，因为爆炸度是 1/κ的乘方运算，所以，相比于预胀比对于αopt的影响小，爆炸度与预胀比可如式(3)那样来描述。这意味着通过工作气体质量与供热比例取得热效率的极大值的膨胀比/压缩比率αopt是变化的。因此，如柴油机那样，总供热量相对于工作气体量的变化，由于燃油喷射压力及燃油喷射定时导致供热比例不同情况下，αopt的值会随之变化。

图1 理想循环中的p-V曲线图

(1)

(2)

(3)

注：q1表示供给热量，x表示供热量比例；G表示工作气体质量，Cv表示定容比热，T1表示开始压缩温度。

2 试验装置及方法

2.1 试验用发动机

表1列出试验中使用的发动机技术规格；图2示出了试验装置的概况图。试验中的发动机为安装了涡轮中冷器的大型单缸直喷柴油机，拥有能够实现高增压、宽范围、大流量的废气再循环(EGR)系统。对电动机驱动的外部增压器进行增压，增压压力最大可以升至0.5MPa，能够分别独立地设定进气压力与排气压力及EGR率。试验中为除去增压器的消耗，使平均进、排气压力相同，进行了试验。燃油喷射系统中装备最大喷油压力ρinJ为 300MPa 的共轨系统，喷嘴采用了9孔、φ径为0.181mm的小喷雾腔喷嘴。气门机构使用液压式无凸轮可变气门机构。燃油使用轻油(JIS 2号柴油，S分9×10-6)，发动机油使用了JASO，DH2。

表1 试验用发动机技术规格

图2 试验装置概况

本单缸柴油机使用可适应缸内最大压力为 30MPa 的钢制莫诺西姆活塞。几何压缩比分别采用18.0、22.0和26.0。

2.2 计测设备

各种性能数据的计量测试和累计使用明电舍公司制造的测力计及数据处理系统(MEIDACS-DY6100P系列)。燃烧分析中，使用了小野测器公司的DS-2000系列，此外，缸内压力传感器使用了Kiesla公司制造的水冷6043A型。

2.3 发动机试验条件及方法

首先，基于扩大萨巴蒂循环的膨胀比，以提高循环热效率为目的，使投入热量衡定。按照空气过剩率恒定，在尽可能排除了对热量损失的影响下进行了试验。在延迟进气门开启定时的情况下，有效压缩比越低，进气时的气缸容积就越少，按照空气过剩率，在适当地提升增压压力之后，进行了试验。关于膨胀比扩大效果，在实体发动机中，最大膨胀比可根据几何压缩比决定，而作为基准的几何压缩比18.0，将会降低有效压缩比。所以只能变更膨胀比/压缩比率。试验证明，有效压缩比降低了，从而循环效率降低。因此，本试验中增加了2种几何压缩比的活塞，一方面确保了有效压缩比，另一方面基准的几何压缩比不能实现膨胀比扩大的效果。进入的空气温度设定为50℃，并对燃油喷射定时进行变更，设置燃烧定时为上止点(TDC)，之后进行了试验。表2表示进行了提高循环热效率的验证的试验条件。表3表示验证了根据膨胀比扩大方法，将冷却损失降低量转换为有效功的试验条件。

表2 试验条件

表3 试验条件

3 试验结果及考察

3.1 提高循环热效率的方法(循环热效率改善的潜力与指示热效率)

在改善有效热效率方面，首先，可以考虑提高总指示热效率(不包括进、排气行程的功)。同时，并不是简单地改变热量损失而进行试验，而是通过降低冷却损失、提高压缩比及膨胀比的方法来改善有效热效率；并利用与其相应的热容比以提高循环热效率。本文验证了利用压缩比、膨胀比以提高指示热效率的方法。

3.1.1 利用高几何压缩比以提高循环热效率的验证

使几何压缩比提高到26.0，验证了循环热效率提高的潜力。图3表示用作为膨胀比/压缩比的α(εex/εc=膨胀比/压缩比)为横轴时，几何压缩比为26.0与22.0时的总指示热效率(不包括进、排气行程的功)，泵气损失、有效热效率、机械损失与等容度的结果。总的指示热效率通过从膨胀行程的下止点容积到上止点容积的p-V线图计算功，用投入燃料的低位放热量进行运算。同样，泵气损失由从排气、进气行程的下止点容积到上止点容积的p-V线图计算功，用投入燃油的低位放热量运算求出。有效热效率由测力计的值计算得出，关于机械损失，按照指示热效率(含泵气损失)减去有效热效率方式求出。从总的指示热效率看，确认了使几何压缩比增加到26.0，相比于几何压缩比22.0时有所提高，作为循环热效率，有上升趋势。此外，作为利用膨胀比扩大以提高总指示热效率的功效，能够确认随着有效压缩比的提高，膨胀比扩大的效果如同理论效率公式所证，逐渐减少。可知，伴随泵气损失与机械损失的增加，有效热效率在减少。

图3 在不同的εc与εex之间的总指示热效率的比较(1200r/min、q=120mm3/st，λ=4，ε=22.0、26.0)

以往，通过提高几何压缩比，验证了膨胀比扩大的效果，伴随几何压缩比的增加，压缩端容积减小，有可能导致碳氢(HC)及CO的增加。图4表示在发动机转速1200r/min，燃油喷射量120mm3/st，空气过剩率λ=4，上止点(TDC)着火条件下，使几何压缩比变更为18.0、22.0和26.0时，根据缸内压力计算出来的放热系数，可知放热系数形态基本上没有改变。研发人员担心随着燃烧状况恶化，碳烟、CO、HC的排放特性恶化(图5)。不过，因为这次在较高的空气过剩率条件下进行试验，所以，并未看到排放特性恶化现象。图6示出了在几何压缩比18.0、22.0和26.0，使有效压缩比恒定为18.0条件下的膨胀比扩大效果的比较结果。由于膨胀比扩大，总指示热效率提高，不过，要在几何压缩比不同时形成同样的有效压缩比，有必要增加几何压缩比，并且推迟进气门关闭正时(IVC)，使得实际吸入气缸容积减少。由于本试验在空气过剩率相同条件下进行试验，所以，使增压压力适当上升，即便有效压缩比相同，也会由于缸内压力上升，导致机械损失增加。该机械损失的增加，在极端的情形下，由于增加量超过指示热效率，所以有效热效率没有提高。研究证明，进一步增加几何压缩比，总指示热效率随着膨胀比扩大而提高，显示出有效热效率提高的可能性。因此，在不增加损失情况下，要提高有效热效率，可利用压缩比、膨胀比以提高指示热效率。

图4 同样的εc条件下，不同的几何压缩比之间的放热系数的比较(1200r/min，q=120mm3/st，λ=4，ε=18.0、22.0、26.0)

图5 相同的不同的几何压缩比之间CO、HC、碳烟的排放比较(1200r/min，q=120mm3/st，λ=4，ε=18.0、22.0、26.0)

图6 在εc为18.0，加大膨胀比条件下，总指示热效率改善的结果(1200r/min，q=120mm3/st，λ=4，ε=22.0、26.0)

3.2 利用降低冷却损失与扩大膨胀比提高有效功

在文献[2]中，确认了利用膨胀比扩大，有改善循环热效率的效果。而本次研究采用实体发动机来验证，在冷却损失降低时，通过扩大膨胀比，将增加的排气损失转换为有效功的效果。

3.2.1 利用EGR降低冷却损失的效果

本研究利用EGR以降低冷却损失为目标进行了试验[1]。图7表示在几何压缩比22.0，发动机转速1200r/min，燃油喷射量120mm3/st条件下，当进气氧浓度为20.9%时，由于进行废气再循环(EGR)，降低了进气氧浓度时的热平衡[3]。该结果确认了在大气条件下的氧气浓度时，由于进行EGR，使进气氧浓度降低，进而降低了冷却损失，增加排气损失。其次，图8表示由于氧气浓度不同，总指示热效率、泵气损失、有效热效率、机械损失与等容度的结果。比较了氧气浓度分别为20.9%与15.0%时，总指示热效率大致相等。另一方面，比较当时的等容度，则氧浓度为15.0%相比氧浓度20.9%时的等容度小。因此，两者的总指示热效率并无差异，氧浓度较高时冷却损失降低，其总发热量也有所增加。

图7 有效压缩比为14.0，对于不同吸入氧浓度时的冷却损失与排气损失的比较(1200r/min，q=120mm3/st，Pb=0.273MPa，α=1.53，ε=22.0)

图8 在有效压缩比εc为14.0，对于不同氧气浓度时的总指示热效率比较(1200r/min,q=120mm3/st,Pb=273KPa,d=1.53,ε=22.0)

3.2.2 降低冷却损失时的膨胀比扩大效果与排气损失

图9表示在有、无EGR条件下扩大膨胀比时的热平衡结果。图9的5个方框中，左边3个方块表示没有降低冷却损失且吸入氧浓度为20.9%时的膨胀比扩大效果，右边2个方块表示氧浓度为15.0时的膨胀比扩大效果。如从左边3个方块依次使膨胀比/压缩比率增加为1.00、1.28和1.53，则由于膨胀比扩大效果，指示热效率有所改善。此外，同时能够确认的是排气损失也有所降低。假定带增压器的发动机仅截留排气损失，并进行膨胀比扩大时，面向增压器的能量将有所减少。因此，为实现同样的增压，必须提高增压器效率。确认在不降低冷却损失的情况下，按照能量计算求出的增压器效率随着膨胀比扩大而上升。但在不扩大膨胀比情形下，氧气浓度为20.9%，与氧气浓度为15.0%相比较，排气损失比例没有降低。同时，验证了总的指示热效率的提高。因此，利用膨胀比扩大措施，能够将EGR所降低的冷却损失能量转换为有效功。并且，能在不减少排气损失时进行上述工作过程，所以无须提高增压器效率，同时，增压器效率也不上升。因此，要利用膨胀比扩大以改善循环热效率，并通过降低冷却损失，来改善热效率是有效的。

图9 按照膨胀比增加，排气损失的转换(1200r/min，q=120mm3/st，O2浓度： 20%～ 15%，α=1.00～1.53，ε=22.0)

3.2.3 有、无EGR条件下的αopt的差异研究

按照前文所述的试验结果，利用EGR降低了冷却损失，并随着氧气浓度的降低，等容度也有所降低了。此外，由于增加EGR量，工作气体的比热可能会上升。因此要实现完全膨胀的膨胀比/压缩比率由式(2)及式(3)决定，所以，可预想达到完全膨胀的膨胀比会产生差异。同时，也会对总指示热效率的提高产生影响。

图10表示关于吸入氧浓度分别为20.9%和15.0%时，用总发热量除以总指示热效率，用总发热量除以总的指示功，并用百分数表示结果。用总发热量除以因膨胀比扩大获得的总的指示功的值以展示改善的效果。图10的中、下曲线图是为了确认膨胀比扩大的效果。因为将工作气体的内部能量转换为有效功，所以，相对于现在的总发热量，功转换比例的增减。考虑到总发热量功转换比例，由于氧气浓度为20.9%时的冷却损失较多，所以，总的指示热效率的绝对值有少量的差异。用总发热量除以利用膨胀比扩大获得的总的指示功的值来表示改善功效。由于吸入氧气浓度不同，其改善功效有所差异，导致在不同的吸入氧气的浓度下，其试验结果并无太大差异。其次，尝试了关于氧气浓度20.9%与15.0%条件下αopt有无差异的研究。在实体发动机采用了到达完全膨胀的膨胀比/压缩比率αopt的计算方法。由于温度、压力致使工作气体的比热增加，受到气缸壁面等的热量，燃烧导致分子数变化等各种因素产生的影响。图11示出了膨胀行程假定为多变(曲线)变化。根据燃烧解析装置(DS2000)计算出燃烧结束时，由图11中的点3到排气门开启时(膨胀结束时)的点4的压力、容积，求出乘方近似计算公式，得出指数n的值。根据该近似计算式(pVn=const)计算出与p1成为相同值的容积p5，将上止点容积V2与容积V5之比(V2/V5)作为达到完全膨胀的膨胀比，将压缩开始容积与上止点容积的比(V1/V2)与有效压缩比设定为αopt。表3表示氧气浓度分别为20.9%与15.0%2种条件下的指数n及αopt。研究结果表明，αopt值稍小且几乎不变。今后，在放热形态改变、工作气体的组成改变、质量改变的实体发动机运行条件下，对于利用膨胀比扩大致使放热和指示功的改善，并达到完全膨胀的膨胀比/压缩比率。