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能源转换与管理130（2016）14-2

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能源转换与管理

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使用低热排放（LHR）概念的柴油发动机中的能量分布

Tingting Li, Jerald A. Caton, Timothy J. Jacobs

德克萨斯A＆M大学机械工程系，College Station，TX 77843-3123，United States

摘要：能量平衡分析被认为是有助于表征内燃(IC)发动机性能和效率的有用方法。在常规IC发动机中，大约三分之一的总燃料能量被转换成有用功，而大部分能量输入被排放到废气和冷却系统中。低排热(LHR)发动机(也称为“绝热发动机”)的想法在20世纪80年代得到了广泛开发，因为它通过减少热损失来提高发动机热效率的潜力。在这项研究中，LHR操作条件通过增加发动机冷却剂温度(ECT)来实现。实验中，发动机从过冷状态到低ECT状态，然后使ECT增加到100℃以努力获得升温行为而不超过安全ECT。该研究使用以1500rpm操作的常规多气缸，四冲程，1.9L柴油发动机的发动机模拟来检查具有不同ECT的五种情况。实验和模拟结果之间的比较显示了ECT对燃料转化效率的影响。结果表明，增加ECT，净指示的燃料转化效率有轻微改进，在有效燃料转化效率中观察到更大的改进。

文章信息

文章历史：于2016年8月13日提出

于2016年10月10日收到

于2016年10月18日被批准可用

于2016年10月25日在网上刊登

关键词：低散热性；发动机冷却液温度；能量平衡；燃油转化效率；

1. 介绍

能源效率是与内燃机有关的最重要的评估因素之一。从热力学的角度来看，IC发动机理论上可以达到100%的效率，因为IC发动机将化学能转化为机械能；化学能可以被完全用来做有用功。然而，IC引擎仍然会受到第二定律的限制，如不可逆转的过程[1,2]。实际的IC引擎通常只将大约三分之一的燃料转化为能量来做有用功，其余部分通常以冷却和排气热能的形式散失。

自20世纪80年代以来，LHR概念一直很受关注，当时有相当数量的方案调查了“绝热发动机”[3-5]。这些方案旨在通过部分或完全地抑制通过燃烧室壁的热损失来提高发动机效率。热障涂层已广泛用于LHR发动机设计中，这就增加了燃烧室壁的热阻，从而提高了气缸内的温度水平。根据热力学第一定律，可以预期，减少通过室壁的热损失，任何保留的能量可以转化为有用功，从而提高燃料转化效率。Modi等人对部分稳定的氧化锆(PSZ)涂层柴油发动机进行了能量平衡研究，[6]报告说，与基准发动机相比，低，中，高载荷下冷却系统的热损失分别下降了2%，7%和7%。Prarath等人[7]在涂装发动机中实现了30-40%的冷却液负载下降，并且观察到制动器热效率有微小的改善。Srithar等人[8]研究了隔热涂层燃烧室对具有双生物柴油的单缸柴油发动机的影响，具体燃料消耗量显示低于基准发动机的13.9%，冷却剂损失的减少被发现在5-25%左右。Panneerselvam等人[9]报道了LHR概念在生物柴油发动机中的应用综述，表明在LHR操作下生物柴油的能量可以更有效地释放。Kamo等人的调查[10]和Modi和Gosai [11]也表明，在使用多缸柴油发动机时，在高负载条件下燃油效率有望得到提高。Jafarmadar等人[12]从热力学第二定律的角度，使用3-D计算流体动力学代码进一步研究了LHR柴油发动机缸内的燃烧过程，这表明通过LHR概念可以改善燃烧效率研究的负载条件。

另外，Reddy等[13]总结说，所有的模拟工作证明了LHR发动机的燃油经济性优于常规冷却发动机。然而，这些事实并不一定证实LHR发动机将胜过常规发动机的理论。事实上，以前的一些实验结果混合的实验工作表明，一些发动机的运行参数是相互关联的，这可能会对LHR发动机的效率产生负面影响。例如，较高的工作温度条件降低了体积效率，这又不利地影响了能量转换效率[14]。此外，Caton [15,16]和Tuneacute;r[17]显示，LHR发动机中产生的高温气体会产生较低的比热值，导致燃料转化成工作能量的效率降低。这些相互冲突的结果大多来自对陶瓷涂层发动机的研究；到目前为止，相对较少的人关注研究LHR发动机的可能性，改变冷却剂温度的方法，这不需要对发动机进行重大修改。由于冷却剂和墙壁之间的较小的温度差异，冷却液套管的热损失减少可以通过提高发动机冷却液温度(ECT)来实现。然而，从传热的角度来看，只有少数文章已经报道了在更高的ECT条件下操作发动机存在优点[18,19]。主要的发现是，更高的ECT降低了冷却剂的排热或缸内净传热速率，相关的增益还包括提高燃料蒸发量，从而减轻碳氢化合物(HC)和CO排放[20,21]。通过改变发动机冷却液温度来扩展LHR概念的调查似乎是合乎逻辑的。

通常，由于需要避免过高的油温，不可能实现ECT超过110℃的操作条件[22]。当壁表面温度超过冷却剂饱和温度时，最大ECT也受到核沸腾的发生限制，从而导致发生强对流。在这种情况下，仿真方法允许ECT的扩展研究超出实际发动机的有限值。目前的工作旨在详细考虑使用较高冷却液温度的LHR发动机的能量平衡。如上所述，这是过去很少受到关注的领域。

本文介绍了一项研究，为LHR发动机的模拟分析奠定了基础。该工作补充了常规和低温燃烧与LHR的先前实验研究介绍[23]，并提供了分析工具，以更深入地探索相关的热力学问题。目前的研究主要依靠使用伪预测燃烧方法的一维发动机模拟来预测多缸轻型柴油发动机的能量分布。本文首先简要介绍了引擎仿真模型，其次是能量平衡方法论的理论研究。然后，结果和讨论部分介绍了模拟和实验之间能量分布的研究比较，进一步应用于将燃料转换效率的改进与发动机冷却液温度的变化相关联。

1. 模型设置和验证

柴油发动机采用一维发动机模拟软件(GT-Power)进行建模[24]。表1列出了发动机的主要规格。一般来说，这种系统级发动机模型是通过内置的模板开发的，其中提供了引擎部件(如进气歧管，气缸，气门机构和发动机曲柄)的详细描述。

表格1

发动机规格。

仿真模型对来自仪器发动机的五个操作条件[25]下的稳态测量结果进行了测试。表2列出了发动机速度，喷油正时，加油速率和主要独立参数ECT的设置。发动机保持在30N/m的低负载状态，相当于约2巴平均有效压力(BMEP)。发动机首先运行在低ECT情况下，然后增加到100℃，以获得升温行为，而不超过安全的工作温度。实验测量数据从每个圆柱和整体平均的连续循环中收集。

通过给定输入和界定条件，通过在五个测试点上再现实验数据来校准包括传热模型，燃烧模型，摩擦模型和氮氧化物(NO_X)模型在内的子模型。应该注意的是，发动机模拟不包括预测窜气和缝隙体积的子模型。

除了排放模型之外，这些子模型背后的物理特性已经在前面的工作[26]中详细阐述，并且开发了系统校准程序来生成单组模型常数，能够预测多个操作点的发动机性能。气缸压力，流量特性和大多数发动机性能参数的比较也已在[26]中得到验证，表明预测结果通常与测量值一致，而从研究中观察到热释放速率(ROHR)的差异，其中一个(＃4)如图1所示，剩余情况的验证列于附录A。然而，这些差异并不引起重大关注，因为模拟大部分使用的是捕获发动机系统的热力学参数，其中压力精确匹配为首要。

鉴于NO_X排放与燃烧速率密切相关，燃烧模型需要在将NO_X模型集成到发动机模拟中之前用测量进行校准。用于该模拟研究的NO_X模型是基于扩展的Zeldovich机制建立的，动力学速率常数取自[27]中公布的推荐值。图2示出了NO_X浓度(以ppm为单位)与制动特定NO_XB(SNO_X)之间的比较测量和预测。所有数据图中的误差条是在两个不同的时间从不同的测量集中创建的。应该注意的是，情况＃1(ECT=56.5℃)的误差棒为零，因为仅获得了一组测量值。一般来说，仿真结果的变化与实验数据相似。与测量值相比，预测的NO_X浓度似乎被高估了约2-3%，但是由于保留的能量导致更高的缸内温度，两个结果都显示随ECT增加而增加[23]。Zeldovich NO形成机理对压力和温度都敏感，但温度比压力更高；由于模拟压力很好地匹配验证数据，模拟模型的双区温度计算很可能不能非常准确地捕获燃烧区域的最高温度。由于随着ECT增加，有效功率的提高超过了NO_X排放量的增加，所以模拟和实验都显示了BSNO_X的逐渐下降。BSNO_X相对于实验BSNO_X(与过度预测的NO_X浓度相比)的预测值低于通过模拟发动机的总质量流量的预测。在[26]中已经讨论过，所有五种情况的预测进气体积都显示相对低于测量值5%，其中错误被认为主要是由进气门排气系数的不准确性引起的。

1. 能量路径分析

这项研究试图比较模拟和实验之间的能量分布，缺乏关于涡轮增压器，中冷器和精确发动机外部结构(例如发动机缸体表面)的信息，可以防止模拟捕获未计数的能量，即排除燃油的热量加上通过发动机的外表面消散到环境中的对流和辐射。为了确保实验能量平衡分析遵循模拟提供的能量路径，选择以燃烧室为控制体积(CV)的热力学系统来开发能量平衡分析。图3描绘了该系统的能量流，(1)是提供有关输入能量配置信息的总能量平衡。对于这种控制体积，模拟和实验分析忽略了漏洞损耗和缝隙流动。

左边的术语表示输入燃料能量和空

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