增压柴油机米勒循环热力学分析.pdf

第3期(总第19 1期)2023年8 月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.3(serial No.191)Aug.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.03.004增压柴油机米勒循环热力学分析彭海勇1，武涛,张海波，汪齐富?（1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海2 0 16 2 0；2.上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海2 0 0 2 40）摘要：通过建立涡轮增压柴油机米勒循环热力学分析模型,分析研究了有效压缩比对发动机性能的影响规律。米勒循环的热力学计算结果表明，随着米勒循环程度的减小，即进气门关闭角越接近下止点时，米勒循环效率越高；而在提前关闭角由大变小的过程中,循环效率逐步提高,但是提高的幅度逐渐减小直到关闭角接近下止点时，循环效率最大并停止提高。对增压柴油机所采用的增压米勒循环进行分析,结果表明,循环净功、最高燃烧温度和最大爆发压力随着有效压缩比的增大而线性增加，而循环效率则随有效压缩比的增大呈先增大后减小的趋势。因此,在增压米勒循环优化设计中,应根据实际使用工况对米勒循环有效压缩比进行选择,应考虑最高燃烧温度、爆发压力以及循环效率三者的综合效果。关键词：柴油机；增压；米勒循环；热力学分析中图分类号：TK421Thermodynamic Analysis of Miller Cycle for Turbocharged Diesel Engine(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2.Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education,Shanghai Jiao Tong University,ShanghaiAbstract:The influence of ffective compression ratio on performance of turbocharged diesel engine with Miller cycle was analyzed byestablishing the thermodynamic analysis model.The thermodynamic calculation results of Miller cycle show that with the decrease ofMiller degree,the efficiency of Miller cycle is higher.In the process of the advance closing angle of the inlet valve from large to small,the eficiency gradually increases.However,when the closing angle approaches the bottom dead point,the improvement degree gradu-ally decreases,and the efficiency reaches the maximum value and stops improving.For turbocharged diesel engines,when the effectivecompression ratio increases,the cycle efficiency will firstly increase and then decrease,and the cycle network will increase linearlywith the increase of the effective compression ratio,but the maximum combustion temperature and explosion pressure will also increaselinearly.Therefore,in the Miller cycle,the effective compression ratio is generally determined according to the actual operation,and therelationship of the maximum combustion temperature,the explosion pressure and the efficiency should be considered compromisely.Key words:diesel engine;turbocharging;Miller cycle;thermodynamic analysis文献标志码：APENG Haiyong,WU Tao,ZHANG Haibo,WANG Qifu?文章编号：16 7 1-5446(2 0 2 3)0 3-0 0 130 6200240,China)引言柴油机因其热效率高、功率范围宽广等优点而广泛应用于船舶、汽车、工程机械等各个领域。随着环境问题日益严峻，各个国家和地区对发动机排放的要求也越来越严格，排放成为了柴油机技术发展面临的一个关键问题。柴油机排放物中最主要的有害气体为NOx。在众多降低柴油机NO，排放的方法中,米勒循环系统是近十几年来研究较多的一种有效措施。柴油机采用米勒循环后,可以有效降低缸内燃烧过程的温度，从而降低 NO，排放。但与此同时,柴油机采用米勒循环后将会导致进气量减少，从而影响柴油机的输出功率,特别在低负荷工况下柴油机的性能会出现*收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 1作者简介：彭海勇（19 7 7 一），男，广西宾阳人，博士，高级工程师，主要研究方向为发动机性能与控制。14恶化 1,严重时甚至会影响柴油机缸内的正常燃烧。因此,柴油机采用米勒循环后,通常须采用增压技术来有效增加柴油机的进气量 2-5米勒循环系统是米勒于19 47 年提出 6 ,其初衷是降低有效压缩比使其小于几何压缩比，以减少增压柴油机热负荷和机械负荷，从而使柴油机获得较高的比功率输出和较低的油耗。研究表明，柴油机使用增压中冷技术,并结合米勒循环,可以有效降低缸内起始气体温度，从而达到降低燃烧温度的目的 7 ,并可以有效降低冷却损耗 8 。而较低的燃烧温度,也可以有效降低柴油机的排气温度和排放。由于米勒循环主要通过提前或推迟关闭进气门来达到降低有效压缩比的目的,若无增压系统配合工作，柴油机的功率会因进气量的减小而显著降低。尤其对于低温工况条件,若缸内温度出现较多的下降时，将导致缸内燃烧恶化，同时由于进气量的减少也将会造成柴油机的碳烟排放显著增高。随着柴油机的发展,很多研究表明,米勒循环结合二级涡轮增压技术可以有效改善柴油机的性能及排放。Wartsila和MAN公司分别在船用柴油机上采用二级增压并结合强米勒循环,在特定工况下取得了较低的NO，排放,同时油耗也有所改善 9-10 其研究也表明，由于进气流量的限制使得部分负荷性能变差，特别是负荷过小时，不宜采用米勒循环。国内相关研究人员也通过试验和仿真计算相结合的方法,对比了传统热力循环与米勒循环低速柴油机的工作性能 1-2 。结果表明,应用米勒循环使该柴油机NO排放明显降低。这主要是由于米勒循环能够降低压缩上止点气缸内气体温度及最高燃烧平均温度，燃烧放热率峰值和压力升高率降低，从而使得NO，排放下降。尽管米勒循环结合二级增压在降低排放以及改善油耗方面有较大的潜力，但高增压柴油机在部分转速工况下存在增压压力不足、排温高、冒黑烟等缺陷,且其标定工况增压压力越高，部分转速工况下出现增压压力不足的问题就越突出 13。与此同时,采用米勒循环后,由于缸内初始温度较低,将出现较长的着火延迟，使得预混合燃烧比例大幅上升，燃烧温度和排气温度将急剧增加,将导致较高的NO，排放和较大的废气能量损失 14。由此可知,只有对米勒循环进行合理设计才有可能实现对柴油机性能的优化,而且采用的米勒程度较深时,通常还须与二级涡轮增压系统结合使用。由于影响柴油机工作性能的因素很多,若想单现代车用动力纯依靠采用米勒循环来实现提高柴油机的某方面性能是比较困难的，但米勒循环对柴油机的缸内过程有着非常重要的影响,所以有必要对其进行单独研究,并通过对其他参数进行优化，从而使柴油机达到最优的性能指标。因此,本文将建立涡轮增压柴油机米勒循环热力学分析模型，并分析研究有效压缩比对柴油机性能的影响规律。1米勒循环原理柴油机所采用的米勒循环本质上是通过改变进气门关闭角对柴油机的有效压缩比进行调控,有效降低缸内压缩始点的初始温度，降低热损失和最高燃烧温度，从而有效提高燃油经济性并降低热负荷，以获得较高的比功率输出和较低的油耗。米勒循环主要是通过提前或延迟关闭进气门的方式来实现。在本文中，主要研究通过提前关闭进气门来实现的米勒循环。图1为柴油机米勒循环的工作过程示功图。在进气冲程中，当活塞运动到下止点前一定角度时，关闭进气门以终止进气。如图所示，在米勒循环进气冲程中,柴油机在点2 处关闭进气门后,缸内空气将沿曲线2-1自由膨胀到点1;在进人压缩冲程后,缸内气体沿路线1-2 由点1压缩至点2 后，将按照柴油机循环沿曲线2-3进行压缩至点3；之后在膨胀行程中，由于排气门开启角度并未改变，缸内工质将沿5-6 膨胀到点6。P43Po8图1柴油机米勒循环工作过程示功图假设整个缸内过程为理想状态，由于进气门在点2 提前关闭,在点2 之后,随着活塞继续下行,缸内气体将进行绝热膨胀，使得缸内气体温度下降。而进入压缩行程后,缸内气体由点1压缩至点2 时的气体状态将恢复为大气状态。因此,实际的压缩过程只有点2 到点3这一过程,相当于减小了柴油2023年第3期5672V2023年第3期机的实际压缩比。这就使得实际的压缩冲程变小而膨胀冲程没有改变,也就是减小了柴油机的实际压缩比，但膨胀比并未变化，从而实现了缸内压缩终点温度的降低，有利于降低缸内燃烧温度和排气温度。2米勒循环的热力学计算在对米勒循环进行计算时，主要从工程热力学角度进行推导和计算 15。在对米勒循环过程中的各工作点进行热力学分析计算时，做了一定的假设。首先，假定循环气体为理想气体，循环工作过程中，气体的绝热指数保持不变；其次,各循环工作过程为可逆循环过程，忽略散热、摩擦等不可逆损失；此外，进气压力和排气压力都为大气压力，忽略充气效率、扫气系数等的影响。V设8 M=2为米勒循环有效压缩比，当其值为1时,便是标准柴油机循环。此外,在以下计算中,k为气体绝热指数；入=些为定容压升比；8=VV为膨P33V胀比;p=为定压预膨胀比；T,P；，V 为点i处的温度、压力、体积。根据图1所示的示功图，米勒循环各过程的参数状态计算如下。(1)进气行程8-2-1进气温度为T,进气压力为P2,2-1为绝热膨胀-1Ti,P2=Pil.=T(8M(2)压缩行程1-2-3压缩终点温度为T3，压力为P3，由绝热可逆压缩得出V(3)吸热过程3-4-5对定容吸热、定压吸热有T=T,P=T,ek-1P3V(4)膨胀做功过程5-6对绝热定熵过程有6=TV6彭海勇，等：增压柴油机米勒循环热力学分析则循环净功Wnet=Qi-Q2-W2172=Q-cy(T。-T,)-C,(T,-T,)(10)所以米勒循环效率为WiCv(T-T,)+c,(T,-T,)Q1cv(T4-T,)+c,(Ts-T4)+PCv(ch-1-8h-1)+c,(pAst-1-sh-1)8=PiV,8M(1)-1=&k-1T15(5)放热过程6-7定容放热过程中,终点7 的压力等于大气压力，此时有(6)P1Pi然后，根据工程热力学中的相关计算公式对米勒循环柴油机的工作效率进行计算。柴油机循环可看作是混合加热可逆的理想循环,即萨巴德循环,其工作效率计算如下。(1)吸热量为Q=Q34+Q4s=c(T4-T,)+c,(T,-T4)(7)式中：Q34为点3到点4的吸热量；Q4s为点4到点5的吸热量；c为定容比热容；c，为定压比热容。(2)在循环中，排气终点为点1,此时,放热量为Q2=Q6-1=Cv(T。-T,)(8)式中：Q6-为萨巴德循环放热量。(3)在计算循环净功时,米勒循环存在泵气损失,其大小为面积2-1-7-2 所示的做功量，记为W2172=c,(T,-T,)-Cv(T,-T,)现仅考虑米勒循环压缩比8 m对循环效率的影响，其他参数均为定值,这时&8k-1m=+k8M8M式中:a=,为常数;b 为常数;k=c,/cv,k1。Q1(2)如果用=8m/来表示米勒循环的程度，00,01时,上述一阶导数恒大于0,所以效率随着取值的增大而逐渐提高,且该效率的提高程度逐渐减小,在(5)=1 时,n取最大值。&M+68M(14)(9)(11)(12)(13)16由此可见，在假设循环可逆、不计热损失和摩擦损失、其他参数不变的前提下,米勒循环中进气门提前关闭角度越大,理论上的效率越低,所以应该尽量使关闭角接近下止点。而在实际的柴油机上，由于米勒循环使得燃烧的整体温度下降，可以有效减少热损失,这有利于提高效率,如果热损失在柴油机的运转中占的比例较大，米勒循环的效率有可能比标准循环的大。3增压柴油机米勒循环的热力学定物性分析3.1计算模型通常柴油机采用米勒循环时，须配合使用增压方式来提高进气量，否则进气门提前关闭将导致进气量不足,从而降低柴油机功率。而采用米勒循环时,进气门关闭提前角的时间的改变,将会对涡轮增压系统产生较大影响,且由于进排气压力的不同,增压柴油机的工作过程将有可能出现多种不同的p-V示功图。由于不同示功图的计算方法和结论均相似,本文仅选取了一种最常见的示功图来进行分析。所选取的典型的柴油机增压米勒循环示功图如3所示。43PP图3典型的柴油机增压米勒循环示功图图3所示循环中各个工作过程如下：增压压力现代车用动力为p。的空气在进气门打开时开始进入气缸，当活塞运行到点2 时，进气门提前关闭，之后缸内空气沿2-1绝热膨胀到点1；随后活塞开始上行，缸内气体从点1绝热压缩至点3；之后柴油和空气进行混合燃烧，经过3-4的等容燃烧和4-5的定压燃烧2 个过程1后,缸内工质绝热膨胀到点6;在点6 进行定容放1热，到达点8，最后以压力p进人涡轮排入大气。以上各个过程都是在理想状态下实现的，忽略1图2 米勒循环效率随变化56278912023年第3期散热、摩擦等不可逆损失。在计算过程中，点2 处的气体压力为增压压力P，气体温度为中冷后的温度，在本文中取为T，=V300K;膨胀比为8=米勒循环的有效压缩比为VVseM=长;定压预膨胀比为p=在增压米勒循环的3计算中，增加了定容压升比入=些，涡轮增压器总效率为nrc,增压比为 Tc;此外,在增压米勒循环的计算中,外界大气压力设为po,排气压力为p;由于是定物性分析,空气和废气的绝热指数在整个过程均保持为1.4不变,设为k。各过程的参数状态计算如下。从点2 到点1为绝热膨胀过程，点1到点3为绝热压缩过程，点3到点4为定容吸热过程,点4到点5为定压吸热过程，点5到点6 为绝热膨胀过程，计算式如式(1)式(5)所示,各主要参数计算如下。(1)进气量为m.ma+f=R.T式中：ma为纯空气的进气量，近似等于废气质量ma+r;R.为气体常数;V等于气缸总容积；燃油质量ma为 m=(14.3+1)4.30,T,气系数。(2)吸热量为Q=macv(T4-T,)+mac,(T,-T)=Cym(ek-1A-sk-1)T,+c,m.(pAek-1-s*-1A)T,(16)(3)放热量为Q2=m.cv(T。-T,)=c y ma(A p b-1)T,(4)泵气功为W,=(p.-p.)(Vi-Vg)+W2172=)(Tr-Te)(1-)V+Wan=PTc8MP3PiVPiV这里，为过量空(17)(15)2023年第3期m.R,T,Tc8MW2172=c,m.(T,-T,)-Cym.(T,-T,)=Cvma对于入和p，二者是由燃烧吸热的过程来决定的。这里假设定容吸热量为Q,；定压吸热量为Qa；且定义Rpa=Qp/（Q a+Q p）,则各自关系如下。由工程热力学分析过程中热量关系有：Q,=cym,T,eh-I(入-1)Qa=C,m,T,et-I(p-1)由燃油热值计算有：W=Q-Q2-W,m=Q1m.R.T8Cym.入pTi+彭海勇，等：增压柴油机米勒循环热力学分析(T-Tc)(1+W2172-3.5nTcT/T,(）+1)-18&M8MTc8MTCym,(et-t-1)T,+c,m,(pAsk-1A-sh-1A)T,17(18)QQa+Q,c,(p-1)入+cy(入-1)Q,+Q=m H,=4.39R,T,HH式中：H.为燃油的热值。由此得到C入0l0cv7,ek-1+1,H.(1-Rpa)P=式中:l。为常数。(19)综上计算，各个参数和过程中各点的状态均已(20)算出，最终循环效率表达式为：Q2+Wcyma(T。-T,)+W,=1Q1Q1c(入-1)PiVH,RpdCyma(T4-T,)+c,ma(T,-T)一+CVT一M8M=RT8M(21)(22)(23)一k-1入p+Tc(8M1一由上面几个表达式可以看出，最终的循环效率主要由(s,m,Tc,nTc,Rpa)这6 个参数确定，下文将对这6 个参数对循环效率的影响进行深入分析。3.2影响规律分析由以上的计算模型和最终循环效率表达式，可以对影响循环效率的各个参数分别进行计算分析。在分析过程中，主要运用MATLAB进行优化计算。在米勒循环有效压缩比既定的情况下,8,Tc，nTc,Ra这5个参数存在一定的关系,使得最终的循环效率达到最高值。这里主要分析有效压缩比以及过量空气系数对循环效率等性能参数的影响规律。在计算过程中,米勒循环的有效压缩比取值范围为8 m=1015。其他参数选取如下：8=15,Tc=5.5,nrc=0.7,9=2.2,Rd=0.03。图4 图7 分别为计算得到的循环效率、循环净功、最大爆发压力Pmax、最高燃烧温度Tmax随米勒循环有效压缩比变化的关系曲线。由图可以看出,柴油机的循环净功、最大爆发压力和最高燃烧温度与米勒循环的有效压缩比之间，均呈现出一种正比的线性关系。循环净功、温度、压力出现的这种线性增加，主要是因为柴油机在进气压力和过量空气系数条件不变的情况下，米勒循环8(TT一k-1)8&Ms-入-1+k入(p-1)的有效压缩比的增加,使得柴油机的进气量增加,从而喷油量也会出现相应的增大,这就导致了柴油机的循环净功、最大爆发压力和最高燃烧温度出现了线性增大的趋势。此外，随着米勒循环有效压缩比的增加,进气门关闭提前角将减小,压缩始点的温度将会出现增大,这也是导致柴油机的最大爆发压力和最高燃烧温度出现增大的一个原因。由图4中还可以看到，当增压米勒循环的有效压缩比逐渐增加时，循环效率出现了先增大后减小的趋势,这主要是由增压米勒循环的特点导致的。在米勒循环有效压缩比较小时,随着有效压缩比的增大,柴油机的进气量和喷油量也会增大,缸内燃烧0.6240.623F0.6220.6210.62010图4循环效率随有效压缩比变化图-kM工11112米勒循环有效压缩比(24)1314150.35518图6 最大爆发压力pmax随有效压缩比变化图202020001960F19201900410图7 最高燃烧温度Tm随有效压缩比变化图得到一定的改善,循环效率增大;但当有效压缩比逐渐增加,接近膨胀比时,泵气正功将逐步减小,循环效率将随有效压缩比增加逐渐出现下降趋势。此外,图8 所示的W/Q和Q2/Q与有效压缩比关系可以更好地说明了循环效率与有效压缩比之间的这种变化趋势。由图8 可以看出,随着有效压缩比的增大，由于吸热量与放热量差值逐渐增大，循环效率也出现了增大趋势；但当米勒循环的有效压缩比增加到一定程度后，由于泵气正功出现减小,循环效率也逐渐减小。由此可知,米勒循环的循环效率与有效压缩比之间的变化关系比较复杂。在一定程度上，减小米现代车用动力1170.035100.0340.033920.0320.0318F0.030F0.02%g工1011米勒循环有效压缩比图5循环净功随有效压缩比变化图242118F152023年第3期0.3400.3450.350-0-WJQ1-Q,/0,10有效压缩比12131工1112米勒循环有效压缩比1112米勒循环有效压缩比0.3601416141513141314图8 W,/Q，和Q2/Q，随有效压缩比的变化勒循环的有效压缩比,能够有效降低燃烧温度,但循环放热量与总的吸热量比值并不会随有效压缩比的减小，出现单调地升高或者降低。综合考虑循环放热量与吸热量的比值和循环泵气正功的影响,最佳有效压缩比取值可以使得增压米勒循环的循环效率达到最高。因此,在进行增压米勒循环设计优化时，最优的有效压缩比选取应进行综合考虑，不应过大，15也不应过小。4结束语本文建立了涡轮增压柴油机米勒循环热力学分析模型,并研究了有效压缩比对柴油机性能的影响规律，主要得到了以下结论：a.由米勒循环的热力学计算结果可知,随着米勒循环程度的减小，即进气门关闭角越接近下止点时,循环效率越高；在提前关闭角由大变小的过程中,循环效率逐步提高,但是提高的幅度逐渐减小直到关闭角接近下止点时，循环效率最大并停止增加。15b.在柴油机增压米勒循环分析中,循环净功、最大爆发压力和最高燃烧温度随着有效压缩比的增大而线性增加,而循环效率则随有效压缩比的增大呈先增大后减小的趋势。因此，在增压米勒循环优化设计中,应根据实际使用工况对米勒循环有效压缩比进行选择,应考虑循环效率、最大爆发压力以及最高燃烧温度三者的综合效果。参考文献：1杨世友,顾宏中,郭中朝.柴油机涡轮增压系统研究现状与进展 J.柴油机,2 0 0 1(4):1-5.2 STONE R.Introduction to internal combustion engines M.Warrendale:Warrendale,PA Society of Automotive 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