分享
分享赚钱 收藏 举报 版权申诉 / 6

类型李凯的论文翻译.doc

  • 上传人:gnk289057
  • 文档编号:6207394
  • 上传时间:2019-04-02
  • 格式:DOC
  • 页数:6
  • 大小:204.50KB
  • 配套讲稿:

    如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。

    特殊限制:

    部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。

    关 键  词:
    李凯的论文翻译.doc
    资源描述:

    1、小型工业机车上天然气发动机和柴油机的对比摘要本文论述了将 VM Motori公司生产的排量为 2.8L的四缸涡轮增压柴油机改造为以压缩天然气为燃料的发动机的过程。改造的主要目标是保证发动机最佳动力性能,将工程成本降至最低。试验和一维循环模拟促进了这种新型发动机的发展。第一个发动机模型已经建成并在动态试验台架上进行了精密的测试。发动机的仿真模拟作为一种优化工具得到应用,而以上的测试数据证实了发动机仿真模拟的可靠性,并指明发动机进一步发展的方向。引言一些工业机车(如道路清扫车、叉车等)是由配备了机械燃油喷射系统的小排量的涡轮增压直喷柴油机提供动力的。这些柴油机在减小自身总体积,保持较低燃油消耗率的

    2、情况下,转速在 2500-3000(转/分钟)时一般能提供最大为 40-70kw 的制动功率。然而,现在的技术很难使这种类型的柴油机达到未来尾气排放的要求,将要用到的高压燃油喷射系统、冷却 EGR 技术、催化剂、微粒捕捉器等又会使发动机的生产成本增加。因此,天然气作为柴油替代品的研究成了令人瞩目方向,这种替代品可以限制发动机的生产成本。与传统的柴油机相比,压缩天然气发动机的最大优势是污染物的低排放。由于混合气中合理的碳氢比例及主要燃烧产物(CO 2和 H2O)的后处理,排放物中几乎没有微粒,含有少量NOx。CO 2的排放也得到降低。所以,如果不考虑未燃HC中甲烷的存在,潜在的温室气体可以降低到

    3、25%。然而,测得甲烷的全球储量要比石油丰富的多。将一台柴油机改造成天然气发动机所必需的条件可以总结如下: 配备与柴油机不同的燃油计量系统; 增加点火系统; 增加一个三元催化转换器和一个空燃比控制系统(有 ECU 和氧传感器的闭环电路) ; 降低压缩比。最新的文献资料指出有必要为天然气发动机设计一种新型的燃烧室。无需对气缸盖(一般较平)做改动,只在活塞顶上设置一个浅盘式凹坑并增加气流挤压高度可以使对燃烧室的改动达到最小并且能获得理想的压缩比。这种方案的缺点是燃烧室不够紧凑,即体面比比较大。另外,如果不对进气口进行改造,像稀薄燃烧等一些先进的燃烧技术将不能在这种发动机上得到应用。活塞的重量一般会

    4、减轻,因此曲轴不再平衡,所以要对发动机底部部件的设计进行修改。当发动机的转速提高,例如从3000(转/分钟)提高到 4500(转/ 分钟)时,这种修改有着特别重要的意义。在此次对发动机的改造中,气门机构的配件也需要改进。如今,增压柴油机得到普遍的应用,因此,我们可以选择使用自然吸气式柴油机或者涡轮增压式柴油机。在一份最新的报告中Umierski和Hchtebrok 证实了排量为 1.9L的四缸涡轮增压直喷式高速柴油机在保留原来的可变喷嘴增压器的基础上可以改造成压缩天然气发动机。改造后的发动机可以达到与高速直喷发动机同样大的转矩和燃油消耗率,却有着较低的NOx和CO 2的排放。这得益于采用了快速

    5、燃烧技术:改进燃烧室和进气口形状以加强气流扰动,再加上高压缩比(14.5)和高的进气压力,使得燃烧较稀的混合气(相对空燃比为1.35/1.65 )成为可能。本文作者已经在VM实验室对一台排量为2.8L的涡轮增压的四缸直喷柴油机做过一些实验。此类型柴油机的特性将在下面的章节中进行介绍。使用原来的涡轮增压器,保持进气口几何形状不变,为柴油机加入压缩天然气,无论如何调节进气压力和点火提前角,发动机均出现点火失败等问题,当相对空燃比低于1.3时还会出现敲缸现象。文献【8】中的几种结论的矛盾基本上源于以下两个问题:气缸孔太大;进气口形状对于稀薄燃烧没有得到优化。因此,发动机只能以合适的化学计量比的混合物

    6、为燃料,并使增压大幅降低。在这样的条件下,相比传统柴油机,排气温度会由于更高的绝对空燃比和更低的加热热量而变得很高。所以,排气管必须要冷却。从以上的实验结论我们得知,采用涡轮增压的压缩天然气发动机为小型工业机车提供动力似乎不是很合适,因为性价比和可靠性是评价这类机车的重要指标。所以,我们要考虑自然吸气式结构。值得注意的是,尽管除去了涡轮增压器使发动机的性能更加难以达到理想的状况,但有很多问题却得到简化:省去了内部冷却装置和排气管冷却系统;热负荷和机械负荷得到降低;活塞和曲轴重量得到减轻。这样,发动机变得更加的紧凑。而考虑到甲烷存储箱的体积和重量比柴油机的油箱要大,能否将其装入小型工程机械的底盘

    7、主要取决于发动机的紧凑程度。甲烷的抗爆性较好,可以将压缩比和点火提前角调大,所以相比涡轮增压的压缩天然气发动机方案,此方案可以提高燃料利用率。为了达到预想的性能,自然吸气式发动机应该有着比柴油机更高的转速,并且为了减小低转矩发动机的负面影响,应该设计合适的齿轮齿数比。但是较为实际的途径只有减小摩擦损失,优化进排气系统来适应提高的转速。本文对VM Motori公司生产的排量为2.8L的四缸涡轮增压柴油机向自然吸气式压缩天然气发动机的改造进行了研究。在测功机试验台上进行的试验为建立和验证一维仿真模型提供了全面的信息。最后通过计算对进排气系统的几何形状进行优化。天然气发动机原型的试验柴油机作为天然气

    8、发动机开发的原型,其特性列于表 1。制造商 VM Motori - Italy发动机类型 直喷柴油机缸数 四缸直列总排量 2.776L冲程直径比 1.064压缩比 18:1气门数 2进气门座直径 35.9mm排气门座直径 31.5mm气门最大升程 10.74mm进气门提前角 24(CA)进气门迟闭角 48(CA)排气门提前角 48(CA)排气门迟闭角 24(CA)空气计量 涡轮增压器燃油计量 直列柱塞泵最高进气压力 1.9bar表 1除了空气和燃料计量供给系统及压缩比(12.5) ,自然吸气式天然气发动机的其他特性参数与柴油机相同。对天然气发动机进排气系统的改动最小。在与发动机集气室相连的长为

    9、360mm(外界至集气室) ,平均直径为41mm 的空气管内有一个片状阀门,四个燃气喷射器安装于集气室与缸盖之间的进气管内。原来的排气歧管只需连接一根直径为 55mm 尾管即可。在稳态测功机台架上对满负荷运行柴油机和天然气发动机进行试验。根据柴油机的转速,其空燃比设为 18-26,而天然气发动机在空气和燃料的理论配比条件下运转。试验台上没有安装消声器和催化装置。排气背压由安装于排气尾管末端的节气阀控制。对于天然气发动机,当制动扭矩最大时需要设定点火提前角。图 1 显示了的试验结果对比。柴油机在中低速时表现出较好的动力性能,然而在高速时动力性能变差。它们的最大功率值很接近,即便此时天然气发动机转

    10、速达到 3400(转/分钟) 而非2600(转/分钟) 。天然气发动机的比燃料消耗率要比柴油机的低:在最大扭矩转速,前者所消耗的燃料比后者少 15%。这种现象可以理解,因为天然气的低热值较高;并且天然气发动机的往复质量较小,机械效率也就更高。例如,柴油机在 2300(转/分钟)是其摩擦平均有效压力为 2.75bar,而天然气发动机在同样转速下为 1.8bar。天然气发动机在运转过程中有另外一个优点,就是由于燃烧过程比较柔和,其在任意转速下的噪音都有所降低。天然气发动机的一维模拟现在,发动机工作循环的一维模拟软件是研发新一代发动机 1317的标准成型工具。由Gamma Technologies

    11、(Westmont, IL)编写的软件GT-Power 18已经得到应用。显然,在模拟的结果用于设计之前数值模型的可靠性要经过评估。转矩(D) 转矩( CNG) 燃油消耗率(D ) 燃油消耗率(CNG)功率(D ) 功率( CNG)发动机转速rpm图示 1:柴油机(用 D 表示)和压缩天然气发动机(用 CNG 表示)的实验对比理论值 试验值发动机转速rpm发动机转速rpm制动燃油消耗率kg/kw.h发动机转速rpm发动机转速rpm图示 2:天然气发动机的试验结果与模拟结果的对比。装置运行环境:节气门全开,相对空燃比为 1。转矩Nm 燃油消耗率g/kwh功率kw容积效率制动平均有效压力bar排气

    12、温度K鉴于天然气发动机完全是由柴油机发展来的,而柴油机的相关技术比较成熟,所以天然气发动机仿真模型的建立没有太大困难。天然气发动机原型试验提供了用于画散热量曲线和计算燃烧平均有效压力的全负荷下气缸内的压力值。气门的流量系数可以在稳流试验台上进行测定。将仿真模型在全负荷下模拟的性能参数与试验台上测定的进行了比较。如图示2 显示了容积效率,制动平均有效压力,制动燃油消耗率和排气温度随发动机转速的变化情况。图示 2 中所列模拟值与试验值的最大误差小于 3%,从而反映出仿真模型较高的可靠性。天然气发动机的发展点燃式发动机的最高转速不受混合气燃烧状况的限制,可以通过提高最高转速来增大发动机的功率输出。所

    13、以设定转速值为 4500rpm。这个变化意味着首先要对发动机所有的运动零件进行严密的修正。限于篇幅,本文只介绍对曲轴的修正情况。另外,为保证气门组工作的可靠性,计算得进气门和排气门的开启时间均需要增加 10%。建立的一维模型显示出这个改动比减小气门的最大升程更合理,因为后者会降低发动机高速时的容积效率。为使扭矩在整个转速范围内具有平坦的分布曲线以及在 2000rpm 时有着接近200N.m 的峰值,需对进排气系统进行优化。为了降低工业成本,优化过程必须在不对气门口和气门导管改动的前提下完成。进气导管是螺旋形的,其通气性(平均进气门有效面积)较进气导管是直管的传统点燃式发动机差,但强烈的涡流促进

    14、了燃烧过程。此外,天然气发动机的总体积必须保持不变或减小,这样的条件限制了进排气管的长度。位于汽缸盖与进气集气室之间的进气管轴心线必须短于 200mm,而排气管最长可以达到 600mm。转矩( E) 转矩(B ) 燃油消耗率(E) 燃油消耗率(B)功率(E) 功率(B)转矩N.m 燃油消耗率g/kw.h 功率kw发动机转速rpm图示 3:原始的(B )与优化的(E)天然气发动机的对比如果将气门升程曲线考虑在内,则必须对角加速度的最大值和圆周速度加以限制,但对配气相位不存在这个问题。如果在上述限制范围内运转,根据一维模型的分析结论,建议做以下改动。 修改空气滤清器与集气室之间的进气管(平均直径

    15、50mm,长 360mm) 改动集气室(将改善进气在各缸分配的均匀性而做的小改动考虑在内,则容积设置为 1L) 新排气系统有四根弯曲、两两相连的初级排气管(直径 36mm,平均长度350mm) ,两根与初级排气管接口相连次级排气管(直径 40mm,平均长度150mm)和一根尾端直管(直径55mm)组成 应用新的进气门驱动规律:进气提前角 44度,进气门迟闭角 53度,气门最大升程 10.7mm 应用新的排气门驱动规律:排气提前角 68 度,排气门迟闭角 29 度,气门最大升程 10.7mm由 GT-Power 软件模拟的发动机的制动扭矩,功率和特定转速下的燃油消耗的曲线图见图示 3。字母“E”

    16、所代表的优化的发动机和“B ”代表的原始的天然气发动机进行了比较。从根本上说,对发动机的基准构型的优化即改变发动机的高速范围。这样,发动机的通气性得到改善,高速运转时获得了更高的容积效率,降低了泵气损失。这种结构使发动机得到转速最高达 4500rpm的正坡功率曲线以及当转速升高时燃油消耗的少量增加。虽然转矩在低速范围内有略微损失,但其最大值在相同的转速时(2000rpm)保持不变。另外,转矩曲线在整个转速范围内的分布很平坦,最大值与最小值之间相差不到 20%。最大制动功率令人满意,即使与柴油机相比也是如此:优化的天然气发动机功率增加了至少 10KW。尽管有着更高的制动力输出,排出的废气在排气歧

    17、管内的温度低于 1100K。这个温度值不会造成材料的浪费。最后,必须认识到发动机的优化还有很大空间,其中燃烧室的形状可以改善,摩擦损失也可以降得更低。在模型中考虑外界与集气室之间进气管长度对发动机的影响时得到一条有意思的信息。这个参数可以被设计者自由设置,从而改变图示 4 所示的容积效率曲线的形状。长的进气管(800mm)会在低转速范围(1200-2400rpm)产生很好的容积效率的分布。当采用较短的进气歧管(500 和360mm)时,在 2000-2200rpm 内,容积效率的峰值会增大。在中速和高速时,容积效率平均值更高一些 ,而在低速时容积效率曲线位于最长导气管对应曲线的下方。对于短导气

    18、管(200mm) ,容积效率峰值降低并在横坐标方向略微移动。与其他配置相比,换气性能在高速略有增强,而在低速大大减弱。 图示 4:进气管长度的影响(一维仿真的结论)容 积 效 率图示 5 显示了柴油机和优化的天然气发动机的试验对比。标示于图上的柴油机的相关数值由试验测定,天然气发动机的则由仿真模拟得到(截止写这篇文章时,还未进行试验) 。图示 5:基础柴油机和优化天然气发动机在车辆参数方面的对比一般认为两种发动机的齿轮齿数比理想设置是发动机在最高转速(对于柴油机为3000rpm,对于天然气发动机为 4500rpm)时能获得相同的最高车辆速度。对任意给定的车辆速度,飞轮产生的转矩是发动机转矩与传

    19、动比之积(忽略机械损失) 。所以,在给定车辆速度情况下,曲轴转速越快,飞轮的转矩就越大。应该将与车辆速度有关的车轮性能参数和上面讨论的因素考虑在内对柴油机和天然气发动机做一个合理的对比。根据无量纲车轮速度(注.当前速度除以最大速度)而作出的无量纲转矩(注.车轮转矩除以天然气发动机的最大转矩) 、制动功率和特定工况燃油消耗量曲线见图示 5。为简便起见假设传动效率为 1。图示 5 清楚的显示出由天然气发动机提供动力的车辆其性能和燃油消耗方面的表现都要优于安装柴油机的车辆。结论在叉车和扫路车等小型工业机车领域,压缩天然气发动机相比直喷涡轮增压柴油机更引人关注。一台柴油机在有限的成本下可以经过改造而以

    20、天然气为燃料。天然气发动机在尾气排放、噪音和特定工况燃油消耗量方面表现出明显的优势。由VM Motori公司所做的一些试验显示,当用于某些特定情况时,天然气发动机最合理的结构是经过化学计量的自然吸气式。然而,省去了增压器以后,低速制动扭矩相比柴油机大大降低,所以天然气发动机必须经过改造才能在高速下运转。本文论述了由VM Motori公司生产的2.8升四缸涡轮增压柴油机向自然吸气式天然气发动机的改造过程。建成一个天然气发动机的初级模型并在测功机试验台上进行了测试。试验提供了建立和验证天然气发动机一维仿真模型的全部信息,并使天然气发动机与柴油机进行了初步比较。通过发动机工作循环的模拟,对天然气发动机的进排气系统进行了优化。发动机的通气性已经得到改善以实现在高速(最高发动机转速设为4500rpm,而非3000rpm)下高的气缸容积效率和低的泵气损失。在车辆性能方面,通过对柴油机和天然气发动机的理论对比,后者表现出明显的优势。

    展开阅读全文
    提示  道客多多所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
    关于本文
    本文标题:李凯的论文翻译.doc
    链接地址:https://www.docduoduo.com/p-6207394.html
    关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服 - 联系我们

    道客多多用户QQ群:832276834  微博官方号:道客多多官方   知乎号:道客多多

    Copyright© 2025 道客多多 docduoduo.com 网站版权所有世界地图

    经营许可证编号:粤ICP备2021046453号    营业执照商标

    1.png 2.png 3.png 4.png 5.png 6.png 7.png 8.png 9.png 10.png



    收起
    展开