连续燃烧分缸工作型发动机理论热力循环分析_吴晗.pdf

第 卷第 期 年 月兵工学报 ：连续燃烧分缸工作型发动机理论热力循环分析吴晗，张泽宇，孙柏刚，李向荣（北京理工大学 机械与车辆学院，北京）摘要：连续燃烧分缸工作型发动机因其热效率及功率密度高，振动及噪声小，未来将在小型无人机及鱼雷上具有很好的应用前景。该型发动机将压缩、燃烧和膨胀过程分缸进行，同时使用进气掺水、不等缸径、回热器和连续外燃技术，被认为具有极高的热功转换潜力，但目前缺乏对其热力循环的研究，导致在发动机设计过程中缺乏理论指导。将发动机各工作阶段等效为定温压缩、定容加热、定熵膨胀、排气放热与回热共 个工作过程，构建出新型理论热力循环并推导出指示热效率公式。研究结果表明：指示热效率主要由工质热物性、压缩比、膨胀比和回热率决定，增大压缩比或降低膨胀比均可提升指示热效率；应用定温压缩后可扩大回热温差，提升指示热效率，同时还可保持较低的缸内温度和压力；该型发动机热效率及可靠性较传统汽油机、柴油机具有显著优势，发动机指示热效率可达 以上。关键词：连续燃烧分缸工作型发动机；理论热力循环；指示热效率；定温压缩 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，（，）：，：，：，；，；，；，；第 期连续燃烧分缸工作型发动机理论热力循环分析 ；：；引言目前，发动机正迅速向高功率密度与高热效率的趋势发展。虽然已经过了漫长的研究和改进，但是以传统热力循环工作的曲柄连杆式发动机仍无法突破热功转换形式和转化能力对发动机功率密度与热效率的限制，因此当前迫切地需要新型热功转化机构和热力循环实现突破。传统发动机中的曲柄连杆机构对整机的空间利用率很低，而新型的凸轮活塞发动机则改用凸轮转盘控制活塞运动并输出动力，更易于实现发动机的轻量化和小型化。此外，通过增加凸轮转盘型线上峰谷的数量还可以实现更高的做功频率，以此提升功率。由此使凸轮活塞发动机具有高功率密度的优势。同时回转机构的使用还使整机的振动及噪声大幅降低。这些优点使其在小型无人机和鱼雷上具有很好的应用前景。美国的 鱼雷就率先配备了凸轮活塞发动机，噪声低且动力强劲。凸轮活塞发动机虽然改进了传统的热功转化机构，但其热效率仍受到传统热力循环的限制。在传统的内燃机热力循环中，例如奥托循环、迪塞尔循环等均有约 左右的废热被损失，因而对燃烧加热量的利用率较低，导致热效率均较低。充分利用燃烧加热量可以提升热效率，例如阿特金森循环和米勒循环均是通过使膨胀比大于压缩比的方法提升了燃烧加热量的利用率。然而，实现阿特金森循环的连杆机构过于复杂，而利用进气正时实现的米勒循环则会导致升功率降低。此外，斯特林循环理论上可以实现 的回热率，但是，由于目前材料的热导率仍不足够高，因此尚不能实现斯特林循环中理论的定温过程。此前的发动机均未能完全且同时地突破传统热功转换形式和转化能力对功率密度和热效率的限制。但是，目前有一种仍处于概念设计阶段的连续燃烧分缸工作型发动机 不仅利用凸轮转盘直接驱动活塞并输出动力，实现了发动机的轻量化和小型化，还将压缩、燃烧和膨胀过程分缸进行，实现了一种新型的工作循环。通过向进气中掺混水雾，利用水的高汽化潜热实现近似定温压缩。利用固定容积的外燃室和快速开闭的燃气进气阀实现近似定容燃烧。通过调整膨胀缸缸径，改变膨胀工作容积，实现非对称压缩膨胀过程。利用回热器回收排气能量并用于对压缩空气的预热。通过分析其工作过程，认为其应具有一种新型的高效热力循环。由于此新型发动机目前仍处于概念设计阶段，尚未能对其热力循环及影响其热效率的因素有详细地认识，导致对该发动机压缩比、膨胀比及配气正时等参数的设计缺乏理论指导。本文为探究此型发动机的最高热功转换潜力，不考虑传热、燃烧及机械损失，构建出了一种新型的理论热力循环并推导出了指示热效率的公式，研究了压缩比与膨胀比对指示热效率的影响规律及原理，分析了定温压缩和回热过程对指示热效率、最高燃烧压力与温度的联合作用效果。本文的研究结果可以对研究、设计和优化此类发动机提供理论支持。发动机工作过程及热力循环分析连续燃烧分缸工作型发动机的工作过程如示意图 所示，图中?I2编号对应部件分别为：空气进气阀，进水阀，压缩空气排气阀，压缩缸，回热器，燃烧室，燃气进气阀，燃气进气阀凸轮盘，膨胀缸，废气排气阀，?I1活塞凸轮盘，?I2动力输出轴，该型发动机的理论热力循环如图 所示，图中 及 编号代表各热力过程节点，各节点编号与图 子标题中 及 各编号对应。该型发动机将压缩缸活塞与膨胀缸活塞连接在一起，使压缩与膨胀过程、空气进气与废气排气过程在各自缸内同时进行，而燃烧过程则在独立的外燃室内连续进行。如图（）所示，当压缩缸活塞上行时，关闭压缩空气排气阀，打开空气进气阀与进水阀，将新鲜空气与水雾同时吸入压缩缸内。如图（）所示，当压缩缸活塞下行时，关闭压缩缸的所有阀门，利用水雾蒸发时的高汽化潜热尽可能实现定温压缩。临近下止点时，打开压缩空气排气阀，使压缩空气流入传输管道，如图（）所示，在回热器中吸收排气废热，随后进入燃烧室内与喷射的燃油混合并燃烧。接着，如图（）所示，开启燃气进气阀并关闭废气排气阀使已燃气进入膨胀兵 工 学 报第 卷图 连续燃烧分缸工作型发动机工作过程示意图 图 连续燃烧分缸工作型发动机理论热力循环 图和 图 缸内，受燃气进气阀凸轮盘型线的控制燃气进气阀仅开启较短的时间便迅速关闭，以此尽可能实现定容加热。已燃气的膨胀促使膨胀缸活塞下行并压动活塞凸轮盘?I1旋转，膨胀功一部分通过与活塞凸轮盘?I1连接的动力输出轴?I2输出，另一部分直接带动压缩缸活塞压缩空气。如图（）所示，当膨胀缸活塞上行时，打开废气排气阀，将废气排出膨胀缸，随后废气进入回热器与压缩空气进行回热过程，完成一个工作循环。上述除燃气进气阀的开闭受相应凸轮盘型线控制外，其余所有配气阀的开闭均由电磁或压差装置控制。活塞凸轮盘型线上可设计为多个峰谷，每经过一个峰谷，发动机均可完成一个工作循环，这是该型发动机实现高功率密度的主要方式之一。该新型发动机按照新型热力循环工作，以下将结合图 所示的发动机各工作过程，详细分析图 中所对应的各热力过程，并根据各热力过程类型计算出各节点处的热力状态参数表达式。如图（）所示，压缩过程在位于底部的压缩缸内进行。当压缩缸活塞上行时，空气进气阀与进水阀同时打开，从空气进气口吸入新鲜空气，同时利用喷射器向进水口处喷射适量接近进气温度的水雾，使水雾与新鲜空气同时进入压缩缸内。当压缩缸活塞下行时，缸内接近进气温度的水雾逐渐蒸发，由于水蒸发时具有较高的汽化潜热，因此每一微小时段内几乎均可以将实现定温压缩所需放热量全部吸收用于水雾的蒸发，从而使缸内空气的温度近似维持进气温度不变，即图 中、两点（以下均用数字下标表示各热力过程节点）的温度满足，因此 压缩过程可以近似为定温压缩。定温压缩过程满足如下关系：（）（）式中：为各点压力（）；为各点比容（）；为压缩比。如图（）所示，燃烧过程在顶部的燃烧室内连续进行，由于燃烧室是独立的，压缩空气与燃油在此可以得到充分混合并持续燃烧，降低了油气室匹配难度，提升燃烧效率，为膨胀缸持续提供高温高压的燃烧产物。因为燃烧室的容积是一定的，如果将燃烧加热过程视为外部热源加热过程，则在燃烧室内经加热前后的空气密度将不会改变，即图 中、两点的比容近似满足 ，因此 加热过程可以近似为定容加热。同时，通过合理地设计燃气进 第 期连续燃烧分缸工作型发动机理论热力循环分析气阀凸轮盘的型线，可以保证燃气进气阀在膨胀缸活塞的上止点附近快速地关闭和开启，从而使外部燃烧室内的燃烧产物均集中在膨胀缸活塞上止点附近充满余隙内，由此可以消除大部分的定压加热过程，从而实现近似完全的定容加热过程。定容加热过程满足如下关系：（）（）式中：为各点温度（）；为压力升高比。如图（）所示，膨胀过程在位于燃烧室下方的膨胀缸内进行，由于膨胀缸活塞与压缩缸活塞是连接在一起的，膨胀与压缩过程是同时进行的。该发动机可通过适当选择膨胀缸直径改变膨胀工作容积，使膨胀终点与进气始点的比容不等，以此实现不等的膨胀比 与压缩比，实现了非对称压缩与膨胀过程。由于膨胀缸是近似绝热的，膨胀过程可以近似为定熵膨胀。定熵膨胀过程满足如下关系：()（）（）式中：为比热比；为膨胀比。如图（）所示，由于膨胀终点时工质的压力仍较高，在极短的时间内，膨胀缸容积的变化量很小，但大量废气就已可以排入废气排气道内，导致膨胀缸内的压力迅速降低至进气压力，放热过程可以近似为定容放热过程。之后，已接近进气压力的废气被活塞定压地推出缸内，也一同进入废气排气道内，因此 放热过程可以近似为定压放热过程。定压放热过程具有如下关系：（）（）进入废气排气道内的高温废气利用其与压缩空气的温差向回热器内放热，直至温度降低至进气温度，此热量用于对压缩空气进行预热，即 为定容回热过程。进气掺水实现定温压缩可行性分析为证明在进气中掺混入适量接近进气温度的水雾实现定温压缩的可行性，通过式（）和式（）计算出了不同压缩比时满足定温压缩所需的进气掺水质量比例（等于掺水质量与掺水和进气总质量之比）：（）（）式中：为定温压缩耗功的微分；为满足定温压缩所需的放热量微分（），其等于每一微小时段内被水雾蒸发所吸收的热量；为进气质量（），可由压缩缸排量与进气密度的乘积计算得出；设定压缩缸直径为 ，冲程为 ，设定进气压力为 ，则进气密度为.；为质量气体状态常数，其等于 （）；为每时刻缸内压力，为由于定温压缩所导致的压力升高值微分（）；为满足定温压缩所需的掺水总质量（）；为与每时刻缸内状态参数所对应的水汽化焓（），由于在整个定温压缩过程中水雾温度与缸内空气温度均始终保持在 ，每时刻水雾的汽化焓仅由缸内压力决定，根据 数据库获得的水汽化焓数据可建立线性插值计算函数；与 分别为积分的始点和终点，对应图 中的定温压缩始点与终点。不同压缩比下满足定温压缩所需的进气掺水质量比例计算结果如图 所示，掺水质量比例随压缩比增大而增大，这是因为压缩耗功增多，导致满足定温压缩所需的水雾蒸发吸热量增多造成的。掺水质量比例在选定压缩比范围内均低于，质量占比较小，当雾化水平较高时，水雾便可以在压缩过程中蒸发完全，实现定温压缩。图 不同压缩比下的进气掺水质量比例 进气掺水实现定温压缩的技术已被用于定温压缩空气储能设备 中，以现有技术水平，已可将压缩终点的温升幅度控制在 左右，相比温升幅度很高的定熵压缩，可被近似视为定温压缩了。兵 工 学 报第 卷 发动机指示热效率公式推导由于需要探究此新型发动机的热功转换潜力，不考虑传热、燃烧及机械损失，计算理论热力循环的指示热效率，可直接根据指示热效率的定义式 推导出其表达式，详细过程如下：净加热量 ，其仅为燃烧加热量，其中 为 空气与理论空燃比的燃料燃烧所释放的热量，本文所有与热量相关参数的单位均取，其可以用 计算得到，为燃料的质量热值（），为燃料的理论空燃比。总放热量 为定温压缩放热量与净排气能量之和，计算公式如式（）所示：|第项（）（）（）|第项（）式中：等号右侧第 项为定温压缩放热量；第 项为净排气能量，其等于总定容和定压排气能量与回热能量之差，为回热率，其等于回热能量与总定容和定压排气能量之比。将净加热量 和总放热量 的公式代入指示热效率的定义式中，可以得到式（）：（）（）（）（）式中：（），（），单位均为（）。再将第 节中各节点温度的公式代入式（）后便可以得到指示热效率的计算公式，如式（）所示：（）（）()()（）由于式（）中的压力升高比是由总加热量决定的，总加热量等于燃烧加热量和回热能量之和，据此推导出压力升高比的公式，可将式（）中的压力升高比参数替换，从而消除了在实际发动机运行过程中难以主动控制的未知量。推导过程如下：总加热量等于燃烧加热量和回热能量之和，计算公式如式（）所示：（）（）（）（）将各节点温度公式代入式（）后，再进行整理可以得到如式（）所示的压力升高比计算公式：()（）将式（）代入式（）中替换压力升高比参数，最终发现指示热效率主要由压缩比、膨胀比、回热率和工质热物性决定。发动机指示热效率影响规律分析根据已推导出的指示热效率公式，指示热效率的影响因素包括压缩比、膨胀比、回热率与工质热