通过改善进气和充气效率，提高（RCCI）低温预混合燃烧发动机的效率外文翻译资料

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通过改善进气和充气效率，提高（RCCI）低温预混合燃烧发动机的效率

摘要：

本次实验的发动机效率主要研究探讨进气压力和温度、预混合效果、使用低温预混合燃烧的燃烧策略的全部当量比总热效率。实验是用重型单缸柴油机在8.45巴，发动机转速为1300转/分，0%的废气再循环，还有在0.5°CA的上止点后是燃烧50%累计放热量的曲轴转角的恒定净负荷。发动机喷油端口使用E85的低反应性燃料和3.5%2-硝酸异辛酯掺杂到91号抗爆指数汽油的高反应燃料直喷。结果反应增强的燃料相当于对应的约56的抗爆指数和一个约28的十六烷值。发动机控制在一个范围的进气压力和温度，从低到高的反应性燃料的比率调整到保持在一个速度相位负载的工况。这允许进气温度，进气压力和进气分层在其他热力学条件相同下几种组合的研究。结果显示发动机低效率来源于预混合气和全部当量比的相对关系。通过损失进气压力和温度的适当平衡达到最小化，使得全部当量比尽可能稀薄而避免增加分层充气的过于稀薄区域的不完全燃烧。这个研究的速度负载相位组合显示在大约2/3的燃料是完全预混合燃料的条件下损失最小。结果证明实现同时增加燃烧和燃料效率的一个途径是通过调节适当的燃料反应性和初始条件管理。

介绍：

现今在高效率的先进的燃烧概念表明，高的总热效率是可以实现的。例如现在来自Delphi的Sellnau等人和Manente等人的汽油压缩点火。来自Lund的已经表明汽油压缩点火可以优化以提供高的热效率。这些策略演示增加发动机效率的方法通过使用汽油燃料和类柴油机设计和科技。同样的，西南研究所已经表明传统的汽油机能表现出通过借鉴的只用于柴油机的技术如冷却外部废气再循环增加效率。这些简短的例子表明柴油机和汽油机在追求高效率的影响下进化得更加相似。低温预混合燃烧技术表明了发动机技术和设计的融合，因为它用缸内类柴油和类汽油混合物的自动点火操作。燃料的喷射速率和喷油时刻能够被调整以达到可确定燃料的反应性启动梯度和控制点火。这些能直接根据操作条件，有可能直接控制压力升高比，和允许燃烧在逐步接近理想的热力学条件下有很宽的转速和负荷。高达18个巴的平均有效制动压力和峰值小于12个巴的每度曲轴转角压力上升率。

最近有Curran等人的多气缸发动机已经证明低温预混合燃烧的制动热效率有竞争力的或者说高于传统柴油机的工作方式。虽然这些研究已经证实低温预混合燃烧可操作的灵活性和性能，但他们没有提供一个细节的探讨和关于工作参数之间关系对发动机效率的影响，例如增压，进气温度和充气分层。

可以用的第一和第二个方法途径是分析发动机效率。那就是，追踪能量或者（可利用的）放射本能流——㶲。首先，㶲的来源是燃料本身。燃料的㶲取决于化学组成，但大多数燃料大概等于燃料的热值，热值是一个广泛定义的近似值。因此。应该追踪燃料路径去监测发动机效率和损失源。一些内部点火发动机关于㶲的研究已经完成，Caton的显著成果说明㶲在燃烧和热传递中被破坏，以及Sexana等人表明曲柄的基本角度对此也有影响。在这些成果中，主要损失是不完全燃烧，热损失，排气损失和工作损失。剩余的损失来自比如流动，比起主要损失可以忽略不计。

这些成果最显著的一个是㶲的破坏（一个固有的不可回收的损失是由于熵的产生）产生在简单的燃烧温度和稀薄的当量比。这些会使得高的燃烧温度增加发动机效率；然而，燃烧温度的增加也会增加热传递的势能，以及传热也会破坏㶲。这就展现了一个悖论：优化发动机效率，最好的是降低还是增加燃烧温度？

一些研究人员Rakopoulos等人和Caton已经通过定量的传热损失研究这个关于效率的矛盾。他们的研究结果显示低温梯度在缸内冷却剂温度（通常为100-150℃）与参考标准（到25℃）间，导致㶲大约100%被破坏。因此，在低温燃烧中，降低燃烧及其产物的温度可减少热传递的驱动势。

例如，Hendricks等人测定出在动态横向相比中重载发动机使用低温预混合燃烧比传统的燃烧在宽范围的负荷和速度之下活塞平均表面传热减少25-50%。研究中一个有趣的发现是低温预混合燃烧比传统燃烧方式之中热传递的减少发生在匹配全部当量比（Phi;global），这表明局部影响例如充气分层是增加效率的重要因素。这些实验结果表明在低温预混合燃烧和传统方式，Kokjohn等人做出显示了在匹配全部当量比的模型中，模型证明低温预混合燃烧不仅比传统工作方式能得到更多均质混合气还增加每体积气体的温度，而且能使得整体传热更低。这个研究表明产生这种表面上关于气体温度和传热的矛盾是因为传统工作方式燃烧的高分层和湍流的性质导致了在或者接近活塞碗和燃烧室壁上燃烧近似火焰绝热温度，增加了热传递的驱动势。这些缸内热传递的方式和幅度表明在稀薄LTC燃烧中LTC热传递驱动势减少量可以抵消㶲的破坏的增加。

Edo和Foster指明了这种通过第二定律分析呈现了在稀薄条件下增加㶲的破坏，但别的损失例如热传递和排气损失减少的㶲的平衡，展现了增加净工作效率的潜力。更多近现代的一般LTC的概观和效率源的关系被Foster和Edwards提出。这些研究断定在稀薄混合气燃烧中被增加的㶲的破坏可通过热传递和体积功有被平衡甚至抵消的潜力。热力学的减少燃烧温度的优点被Lavoie等人指出，降低温度同时提高产物比热，增加多方膨胀系数，因此膨胀做功。

尽管操控LTC时，在中到高负载能够能减少传热损失，短的燃烧期和更高的㶲的释放能够导致爆震具有较强的缸内压力震荡。众所周知的是，避免爆震是控制热损失的关键。Syrimis等人表明，敲击区的热流往往是非敲击区的两倍。此外，Lu等人发现缸内热流压力震荡幅度线性增加，其实低至5巴。缸内诊断技术已经被用来更好的解释这些增加源，例如Grandin等人使用相干反斯托克斯拉曼光谱。他们的结果支持过往的研究者的发现和在爆震条件下，热力边界层变薄导致近壁温度的增加和降低热阻。因此，在中到高负荷运转非常稀薄的LTC时，热损失在爆震和稀释之间权衡。

基于这些发现，可以认为稀的，无爆震的燃烧温度的减少提供了进一步增加发动机效率的潜力，而不是较高的燃烧温度。然而，众所周知的是燃烧温度在1500K以下会产生不完全燃烧产物，主要有一氧化碳。这些在LTC中经常遇到，尤其是充气过程中分层过于稀薄的区域。因此温度和当量比减少与LTC必须不得阻止完全的燃料氧化。量化不完全燃烧一个通常的方法是以燃烧效率，一个以不完全燃烧产物能量对于投入燃料能量正规化定义的术语。要注意的是不完全燃烧产物被排除出易燃的排气种类，因此仍然是与投入的燃料对比化学上改变的燃料。因此，在LTC，燃油有㶲的使用（等，燃料能量）在热传递和燃烧效率之间折衷的潜力。这表明了优化发动机操作条件的优化对于损失源最小化的机会。

尽管这些研究已经表明稀薄升压条件能够增加发动机效率，Dec等人的研究现今已经表明油压在LTC升压的敏感性。这项工作显示进气压力被发现有一个可预估的影响在增加真正汽油的反应性，从而限制最大负荷或者CA50提前。这项研究还发现相似高辛烷值PRF燃料和乙醇不表现出这种强烈的依赖性。后来，Sjouml;berg和Dec的支持工作表明在匹配条件下，乙醇表现弱或者无压力敏感性。

Mehl等人的动力学仿真详细的结果支持这些实验发现。研究的一个关键的发现证明增加压力是有可能造成增加中间体的形成的原因。例如过氧氢自由基（HO₂），和降低温度，链支化过氧化氢进2OH的反应被降低，延长了点火延迟。如果使用足够低的温度，如果自由基氧化反应（R O₂）变成主导，导致负的温度系数特性。因此，通过研究和发动机辛烷测试（分别ASTM 2699 RON和2700 MON）燃料低反应性可确定，可能表现增加反应性如果暴露于增高低进气温度条件（LTC操作条件）。这些共同的发现表明如果稀薄高的升压条件要求高效率发动机运行，燃料特性可能变得更加重要，并且，对于一些LTC策略，包含乙醇的燃料减压的依赖性可能启用更苛刻的条件在更高负荷中。

在中高负荷的低温预混合燃烧的工况中，由Kokjohn等人和Splitter等人指出，高反应性燃料被小比例与低反应燃料混合运用，因此对热释放和增强点火比主要化学热释放源更有作用。因此高反应性燃料的化学组成在发动机操作条件限制房名比低反应性燃料有更小的影响，而且能够被修改比低反应性燃料减少对燃烧的影响。

对于高反应性燃料的一个有趣的方法是增加十六烷值（CN）是对低反应性燃料的改良剂，例如Dempsey等人指出的，两种常见的十六烷值改良剂是EHN和二叔丁基过氧化物(DTBP)。只有这两种化学剂之一的笑得百分比被用于实现十六烷值的显著增加。无论十六烷值增高剂使用，十六烷值增高剂在所有燃料的氧化的影响上已经被证明是作用不大的。Higgens等人证明小于1%（质量或者体积）的十六烷值增高剂的增加量对于柴油显著缩短燃料的点火延迟。然而他们的发现也指出基础燃料的燃烧特性仍然不改变点火延迟降低通过加入十六烷值增高剂。

十六烷值增高剂的影响在低温预混合燃烧中已经被Splitter等人和随后的Hanson等人探明。第一被引用的成果表明占体积3.5-0.75%的二叔丁基过氧化物十六烷值提高的汽油能够被用于作为一个可以接受的高反应燃料，以CA50和普通性能特性，这种汽油很好的在低温预混合燃烧中与#2过低硫汽油作为高反应性燃料。随后的研究表明EHN有类似的趋势，EHN更普遍因为炼油厂有时把EHN添加到商业超低硫柴油混合物。

被引用的著作说明，低效率发动机的能量源能够是Phi;global（稀释）的强大功能和低温预混合燃烧进程，但是要实现高负荷，燃料的特性可能变得越来越重要。燃料特性的影响在效率上被在分离器和赖茨的细节表明。现在的研究致力于建立在这些发现之上通过实验性的证明初始条件（IVC调节）如何影响中负荷的低温预混合总值圈¹发动机燃料效率和燃料能量损失源。一个进气压力和温度的参数分析被用于修正发动机转速，CA50，燃料喷射正时，和平均有效压力。对于保持CA50和平均有效压力，从低到高的燃料反应性比率被要求定制，因此也要改变燃料的反应性和局部当量比分配。这使得IVC压力，温度，和缸内混合的想混作用的具体的分析得以实现在常量发动机输出和循环热力学去比较。而且使得它辨别和优化得出最佳的最大化发动机燃料效率的操作条件。

实验步骤

实验室硬件和系统

单缸发动机实验在Caterpillar SCOTE上执行。发动机的几何形状是表1中给出，以及一张发动机实验室的图在图1.这个实验使用一个改良的活塞优化低温预混合燃烧。活塞设计的细节和优化措施列在[37].活塞的剖面图能在图2被看见，那里重新覆盖在活塞几何尺寸。几何尺寸具体的细节列于表2.

如表2所示，低温预混合活塞的表面区域与活塞相比被简化。对于这两个活塞，压缩比通过电脑固体模型线性匹配耦合到气缸压力-容积的模型被确定。

对于所有的测试，联动峰值气缸压力的损耗角被定义在上止点后-0.4°CA。已得到的气缸压力追踪被均分为500次循环，而且后处理使用一个零相位低通滤波器巴特沃斯滤波器的截止频率在各个发动机的第一谐振模式，如通过工程描述，PPRR从气缸计算压力总体均值。燃烧噪音以传递未过滤的个别循环的压力，该循环通过一个声学的过滤器调谐到人耳的响应频率，用关系描述就是，对应的燃烧噪声被以总体平均值报告。表面热释放率通过用第一命令Savitzky-Golay滤波器以及一个大小为九的移动窗口（0.5°CA靠近中点的窗口和0.1°CA编码器分辨率）区分总体平均值压力压力导数得到。表面热释放率也用非常熟伽马测定法，该法的测量常数压缩伽马被用于上止点之前和测量常数增大伽马被用于上止点后。CA50被描述为50%表明热释放的地方，这是通过积分表面热释放率确定的。

所有气态发动机排放用五气分析仪工作台分析，以及烟度的测量用一台AVL-415S烟度计。HC排放用Kar和成乙醇火焰离子化检测器响应相关性修正。

燃料和燃料运输

所用的燃料是现场混合飞溅。使用的低反应性燃料是E85，通过混合一个测量体积为85%的乙醇和一个单独测量体积为15%的汽油得到；这种混合物组成喷射燃料的端口。高反应性燃料是十六烷值提高的汽油，该汽油是以3.5%体积的EHN加入到汽油中。未掺燃料的性能列于表3,4,5。

燃料质量流速用一个科里奥利流量计从低反应性燃料直接测量以及微分pressure-based测量技术测量高反应性燃料。所有的燃料合计验证了反对燃料质量流速用排放法计算。高反应性燃料在一个相对低的压力下通过一个高压共轨操作，以及喷射器共轨压力和喷射正时列于表6。

低反应性燃料通过一个高流速标准峰值保持设计端口喷油器与尺寸和喷射正时在表7有描述。

E85被选定为低反应性燃料，由于其是一种代表市场可用的高辛烷值燃料。一种高辛烷值燃料被期望是因为它扩大了进气温度和压力的范围为当前的研究，以及乙醇具有简化燃料压力敏感性，扩大操作窗。

3.5%EHN掺杂进91抗爆汽油被选作高反应性燃料因为汽油的高挥发性增加气化过程中，最小化汽油与衬垫和汽油与活塞的碰撞势能，该势能对结果有不利的影响。近日，Dempsy等人用低温预混合操作相同的燃料。这个工作证明，3.5%EHN在相同的91抗爆汽油导致sim;65的抗爆性能，这根据以前的Kalghati的成果相当于一个sim;28的十六烷值数字。因此，因此，该掺杂汽油的反应明显少于#2超低硫柴油但比汽油高。

操作条件

对于所有的测试，发动机固定运行在一个转速为1300r/mi，平均有效压力为8.45巴，燃烧50%累计放热量的曲轴转角 0.5plusmn;.5，和整体的约65%的涡轮增压器效率。（注：转速和负荷选择的是发动机测试和CFD模型都有良好的特性。CA50从适配器的调查结果中选择，其中燃烧50%累计放热量的曲轴转角是扫过相同发动机在相同的速度-负荷条件与汽油/柴油的在Phi;global= 0.29的低温预混合。这些结果说明GTE在燃烧50%累计放热量的曲轴转

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