燃机性能（共6篇）
燃机性能 篇1
一、引言
在国民经济快速增长的同时, 世界能源利用形势日益严峻, 由能源利用所引起的全球气温变暖, 资源匮乏等环境问题也日益凸显。发电系统、供热系统与制冷系统作为最主要的能源消耗系统, 直接影响能源利用的程度。而传统发电、供热、制冷系统在一定程度上存在着类似锅炉的高温热能用于低温做功的能量损失, 且由于电能存在的不易储存性使得扩大电力生产的同时, 会产生能源的不充分利用的问题。冷热电联供 (Combined Cooling Heat and Power—CCHP) 系统[1]是直接面向用户, 按用户需要直接生产并利用能源, 采用高品位的热能用于发电, 低品位的热能用于供热和制冷, 实现的能的分级利用从而大幅度提高系统的总能效率, 因其能够较好地解决能源的不充分利用问题, 已成为欧美多国实现经济与能源协调发展的一种有效手段。
二、国内外发展现状
美国是最早应用CCHP的国家, 现阶段在美国国内已经有超过800座分布式功能站, 预计到2020年达到50%的新建商业设施与大学设施采用CCHP[2]。欧亚地区各国政府, 如英国、丹麦、荷兰、德国、法国、日本、韩国等国积极采取政策加以支持, 使得国家GDP飞速发展的同时, 能源消耗并未增加, 污染物的排放反而大幅下降。
在20世纪的中后期, 随着我国经济的发展, 我国制定了符合当时国情的“能源和节能并行发展”的战略思想, 现阶段随着时代的变迁, 逐渐将“节能”放在能源开发的首位。同时在上海、北京开展试点工程, 北京中关村国际商贸城和奥运村将相继采用分布式能源系统。上海已在浦东国际机场、黄浦区中心医院、交大紫竹院等场所进行“爱能岛”试点, 取得了很好的社会和经济效益。
三、冷热电联供系统
冷热电联供系统, 是分布式供能系统中最具实用性和发展活力的技术, 对于实现天然气最高效益化利用发展来说有着非常重要的意义, 对于实现能源一体化发展总供能系统提供了技术支持。实现天然气高效利用的先进技术, 是一种建立在能源梯级利用基础上, 将制冷、供热和发电一体化的总供能系统。
(一) 分布式供能系统原理。
分布式供能系统具体工作流程如图1所示, 在流程图当中可以看到高温烟气在燃气机中温度和压力骤降, 当温度降低到400°C左右的时候, 再进入到余热锅炉完成给水之后使得内部的温度进一步下降, 然后再利用加热器进行加热, 最后形成低温烟气经过过滤环保处理之后才能够排放到大气当中。对于余热器中的热水一部分是用于生活供暖, 另一部分才是用于给水加热。
(二) MW级燃气轮机。
1. 工作原理。
操作流程具体如下:由四个物理过程组成, 分别为定熵压缩过程, 等熵升压过程, 等熵膨胀过程和定压放热过程。如图2, 压气机把外界空气吸入并进行增压后送入燃烧室, 该过程是气体工质在压气机中理想绝热 (等熵) 压缩过程[3]。与此同时, 燃料经加压后被燃烧器喷入燃烧室和高压空气混合燃烧, 该过程是气体在透平中等容加热过程。然后高温烟气进入燃气透平进行做功, 把高温烟气的内能转化为透平转子的动能, 转子的动能进一步通过发电机转化为电能或作为船舶等其它机械的驱动力, 该过程为气体在透平中的绝热膨胀过程 (等熵) 做功过程。透平排气可以进一步进行利用, 例如排气进入余热锅炉和冷水换热生产高温高压的过热蒸汽用来发电、采暖、或制冷。排气也可以直接进入溴化锂等吸收式制冷装置中制出冷媒水或进入热水加热器生产高温热水用来供热[4]。
2. 燃机组成。
燃气轮机内部具体构成主要可以分为三大部分, 即压气机、燃烧室和透平。除了主要的主机之外, 还有相应的配备的辅助系统。
压气机:从内部运转动力来划分, 可以分为轴流式和离心式。一般来说前者比较适合运转量比较大的情况。如果所需要的流量相对来说比较小的时候轴流式的效率水平是低于离心式。在实际的操作过程中, 一般是将两者结合起来, 在轴流式的末级增加一个离心式, 一方面来说能够保证压力机可以适用于所有流量下的适用, 另一个方面来说缩短了轴长度。
燃烧室和透平在运行工作当中, 所产生的温度比较高, 尤其是在系统发动或者停止运行的时候, 会因为剧烈的温差变化导致热冲击, 所以在实际操作当中损耗情况比较严重, 所以该零部件的使用寿命直接关系到系统的寿命。所以在制作的过程当中, 通常会采用抗高温的材料进行制作, 在运行的过程当中还需要空气进行降温冷却。小型燃机典型结构见图3。
3. 燃机特点。
小型燃机和其它同功率的能量输出机械相比具有以下的优势特征:一是结构设计简单, 体积小, 相同的功率下来说其体积只占到了柴油发电机的一半。二是可以适用于很多种材料, 消耗率低, 可以有效的节约成本, 倡导环保发展。三是使用寿命长, 无噪音, 成本维护低。四是结构简单, 零部件少。五是可远程操作, 可拆分诊断。六是可集成化发展。
四、燃机性能分析
目前在燃机当中所使用的都是最基本的Brayton循环, 主要是因为在此循环当中, 可以实现气流的流通, 可以减少对于循环的损耗。在内部当中使用排气系统进行散热设计, 通过空气去完成加热。所以由此可以见燃机受到外界干扰因素比较严重, 有着较大的影响。小型燃机热力循环如图4所示。
(一) 循环流程分析。
1. 压缩环节。
假定, 在经过压气机之前的温度为t1, 压力为p1。在压气机定熵压缩完成之后温度变为t2, 压力为p2。
压气机的效率为等熵压缩功与实际压缩功之比, 即:
取定比热容时:
实际压缩功为:
2. 回热过程。
回热的过程是在加热器当中完成的, 当空气从压气机当进行加热的过程可以称为回热, 不管是何种循环模式下, 循环对于平均热度的吸收是一致的, 对于平均的放热温度来说, 可以充分提高循环的效率水平, 充分利用回热技术, 可以提高相应的吸热温度, 采取有效的回热措施, 对燃机的运行发展起到了促进作用。
取定比热容时, 则:
适用于回热器的主要优势就在于:一是在循环的过程当中可以有效减少热量吸收, 但是做功的效率和所花费的成本是不变的, 所以综合的效益水平是有所提高的。二是可以有效帮助在循环的过程当中使得放热的速度加快, 工作操作效率水平提高, 尤其是在压力比较小的时候增效的水平更为明显。主要的原因就是随着空气压比的增加, 温度的增加, 尤其是当压气机和透平的温度一致的时候, 就可能会出现极限回热的情况。
3. 燃烧过程。
当大气的空气和原材料燃料完成混合之后, 再进入燃烧室燃烧之后使得温度达到了相应的水平之后, 所得出的燃烧效率有所提高。本文以甲烷为例的燃烧化学方程式为:
空气的主要成分是氮、氧, 比例大约是2:8左右, 氮气的比例约为氧气比例的3.5倍左右, 所以在上面的式子当中, 就可以看到空气就是最完美的甲烷燃烧量。
在实际的操作过程当中, 一般来说所需要的空气量会大于理论上所计算出来的空气量。对于超出部分的空气来说, 一旦超出的部分是占到了四分之一以上的比例的时候, 这个时候的式 (7) 可以转换为:
但是对于微燃机来说, 在实际的运行的过程当中必然需要一定的过量的空气, 否则就可能会出现气体温度高于机器本身的温度。
燃烧室内工质吸收热量可以表示为:
4. 膨胀过程。
从燃烧室出来的工质在透平内等熵膨胀做功, 做功后温度变为, 理想气体的公式可表示为:
在上面的式子当中, T5S为透平出口的温度, k1为膨胀过程当中的比热值, πt为相应膨胀比例。其中, ηt代表的是在透平下的绝热的效率水平和实际的效率水平之比, 即下式:
透平实际做功为:
珡W=珚m (h4-h5) (12)
(二) 小型燃机效率水平的影响因素。
结合以上性能参数分析, 可看到对于小型燃机而言, 其效率水平与以下因素相关。
1. 部分负荷运行对机组的影响。
当进气流量减少的时候, 相应的负荷力就会下降, 轴转速的降低, 会直接影响燃机运行效率的降低, Capstone C60部分负荷运转的情况下, 根据部分运转和效率水平之间的关系可以得出:
部分负荷出力与满负荷出力之间的关系为:
2. 大气温度所造成的影响。
众所周知, 大气温度变化是随时间的变化而变化的, 对于燃机效率运行也有着很大的影响。一般来说, 温度和效率是呈正相关的, 所以说, 当大气温度升高的时候, 效率水平也呈现上升的趋势;当大气温度降低的时候, 效率水平也呈现下降的趋势。这种变化趋势也同样适用于工况, 比容也是随着温度的变化而变化的, 同样比容和大气的温度也是正相关的关系。当大气温度升高, 比容也升高;当大气温度降低, 比容也是降低的。这说明了燃机的运行和大气的温度变化之间的关系非常紧密。
3. 大气压力和海拔高度的影响。
在物理学原理当中, 空气的比容受到大气压力和海拔高度的直接影响, 从而就影响到了燃机的运行效率。当大气压力增加的时候, 空气的比容是降低的;相反, 当大气压力下降的时候, 空气的比容是上升的。但是一般来说大气压力不会出现明显大幅度的变化, 所以燃机的影响作用并不明显。只有当压力达到一定程度的时候才会对燃机效率水平产生影响, 由于在实际生活当中不具备真实案例分析, 所以在此不作分析。
4. 小型燃机回热度对微燃机运行的影响。
回热度的变化在很大程度上影响着燃机的效率发展, 回热度和燃机的运行效率是呈正相关的。随着回热度的增加, 燃机内部的压比增加, 那么相应发电效率就提高, 但是与此同时虽然效率有了大幅度的提高, 但是对于原材料的消耗来说也是比较大的, 所以在实际运行当中还是必须要考虑到压比的合适度和平衡点。
五、结语
本文以MW级冷热电三联供分布式供能系统的热机性能为研究对象, 在系统了解了燃机系统的结构组成、工作原理的基础上, 分析了小型燃机运行过程中所涉及的流程函数, 并初步阐明了燃机效率与负荷出力情况、大气温度、大气压力与海拔及回热度之间的影响关系。本文所得性能参数分析对其它再建同类机组具有重要指导意义和参考价值。
参考文献
[1]汪海贵.采用天然气的小型斯特林冷热电三联供关键技术研究和应用分析[D].哈尔滨工程大学, 2004:1~13
[2]陈康民, 蔡小舒, 戴韧.“能源岛”-分布式热电冷三联供的进展与实践[J].上海理工大学学报, 2004, 5 (26) :385~387
[3]刘丽红, 袁益超等.分布式供能的现状与发展[J].热力发电, 2006, 7:4~7
[4]翁一武, 翁史烈, 苏明.以微型燃气轮机为核心的分布式供能系统[J].中国电力, 2003, 3 (36) :1~4
LNG电厂燃机综合性能评价模型 篇2
LNG电厂燃机的综合性能评估指标体系共有三个层次, 这里我们将其分为最高层、中间层和最低层。本文所采用的系统是一个由不同属性指标组成的多层次系统, 按照最高层 (目标层Q) 、中间层 (一级评估指标Mi) 和最低层 (二级评估指标Nij) 的形式排列起来的。这里用Q代表燃机机型综合效度的评估值, 主要由燃机的技术性能、经济性能及社会性能三大要素组成。M代表一级评估指标所组成的集合, 记为M={M1, M2, M3, }, 以Ni表示由二级评估指标Nij组成的集合, 则LNG电厂燃机的综合性能评价的具体步骤如下。
一、确定评估指标二级评估指标Nij的评分等级标准
二级评估指标Nij采用的是定量分析方法, 但由于Nij本身属于定性主观指标, 因而有必要根据评估体系的评分等级标准将其首先转化为定量指标。
例如, 在国内某LNG电厂单轴燃机的评价项目中, 将评估对象的评估等级指标N1j、N2j、N3j (j=1、2……6) 划分为4个等级, 并定义各等级的评分为4、3、2、1。而当指标等级介于两相邻等级之间时, 则相应评分为3.5、2.5、1.5分。
在该LNG电厂燃机的综合评价性能模型中, 评价方根据LNG燃机的综合技术性能的要求, 其技术性能可以划分为六个部分 (表1) :
二、确定各级评估指标的影响程度
由于指标Mi与Nij对总体评价目标Q的重要性有所不同, 因而在评估计算中对综合性能评估结果存在不同程度的影响, 即有不同的权重。采用层次分析法来确定各级评估指标的权重。
在该LNG电厂燃机评价项目中, 根据评价的特点及目的要求, 同时考虑简化计算量的需要, 我们将指标变量分成三层进行分析, 并近似地认为每层中所设定的因素同等重要, 即权重近似均等。所以, 利用层次分析法确定评估指标Mi的权重向量为A= (1/3, 1/3, 1/3) ;同理评估指标Nij的权重向量Ai= (1/6, 1/6, 1/6, 1/6, 1/6, 1/6) 。
三、组织评分形成样本分数矩阵
评分阶段需要组织相应系统方面的专家, 直接参与系统操作的用户按照LNG燃机的机型技术性能、经济性能及社会性能进行逐一细致的分析研究。然后对每个二级指标Nij赋予适当的评分等级, 并依次制定详细的评分表格。
对于有n位成员组成的评估小组, 在经过上文的评估环节后, 根据所制定的评分表格, 即根据第k个评估者对LNG燃机综合性能二级评估指标Nij给定相应的评分值Nijk求得评估样本矩阵d。
根据上述评估标准以及指标, 评估小组一共组织了5位专家, 各位专家都具有一定经济数学学科的专业知识并精通燃机技术。其评分结果见表2:
四、确定评估的计算模型
本文依据所取得的评分矩阵数据特点, 采用改进灰色模型进行数值分析。首先根据对实际评估问题的分析, 确定灰类等级数, 灰类的灰数及灰数的白化权函数。将灰类序号定义为e, 其中e=1, 2, 3……g, 定义g个灰类, 并根据对LNG电厂燃机评估的具体情况选取适合的白化权函数来对灰类进行描述。
本考察项目选取的灰类个数为g=4, 即e可取到1, 2, 3, 4共四个灰类, 我们分别将其与“优秀”、“良好”、“中等”、“较差”四个等级相对应, 其权函数如下:
第一灰类“优秀” (e=1) , 设定灰数, 白化权函数为的表达式为:
第二灰类“良好” (e=2) , 设定灰数, 白化权函数为的表达式为:
第三灰类“中等” (e=3) , 设定灰数, 白化权函数为的表达式为:
第四灰类“较差” (e=4) , 设定灰数, 白化权函数为的表达式为:
五、计算评估系数
对于评估指数Nij, 将属于第e个评估灰类的燃机组记作Nije, 即有:
对评估指标Nij, 评估对象所属的各个评估灰类的灰色评估数记作Xij, 即有:
根据上文所列出的五位专家的评分结果, 结合上式的分析, 可以建立对象LNG燃机的评估样本矩阵d (表3) 。
六、权向量及权矩阵的确定
评估小组各成员就评估指标Nij对评估对象LNG燃机效率主张第e个灰色的灰色评估权记作rije, 即有:
对于各个评估灰类, 被评对象的评估指标Nij对该灰色灰类的评估权向量为rij, 将一级评估指标Mi所属指标Nij对与各评估灰类的灰色评估权向量综合后, 得到效率的以及评估指标Mi所属指标Nij对各个评估灰类的灰色评估权数矩阵Ri:
七、对一级评估指标Mi的综合评估
用Bi表示评估对象的LNG系统综合评估结果, 用Ai表示其所属指标的权重向量, 则对评估指标Mi的评估结果可记作:
八、对一级评估指标集合M的综合计算
由式5中对评估指标Mi的评价公式, 则对归属与不同评估灰类的Mi灰色评估权重矩阵R记作:
由上式可知, 若将LNG燃机的综合性能评价结果记为B, 将一级指标的权重矩阵记作A, 其系统的综合性能评估的计算公式为:
对于上文所提到的对于LNG燃机的评估项目, 经由B1、B2和B3计算最终可以得到其总灰色评估权矩阵R为:
燃机的综合性能评估结果为B=A*R= (0.278, 0.357, 0.264, 0.10) 。九综合评估值的评估
九、综合评估值的评估
经过最后计算得出的发电厂LNG燃机的综合性能评估结果B是一个向量, 它描述的是被评对象状况分灰类程度的评价结果。若按照最大隶属原则确定B所提供的被评对象参数所属的灰类等级来进行判断, 往往会因为信息丢失严重而产生结果偏差。为弥补该方式所造成的偏差, 可将各灰类等级按其灰白程度进行调整赋值, 将归属与第i灰类的对象取为di, 规定, 建立LNG燃机的综合评估矩阵为:
因而, 借助综合评估矩阵就能方便地对燃机综合性能作出准确评估。
本文以国内某LNG电厂燃机为例, 详细阐述了燃机综合性能评价模型的构建及求解。本方法吸取了灰色理论与专家系统的优点, 将各定性指标定量化处理, 并赋予一定的灰色权重, 能够从总体上对燃机综合性能做出准确评估。经检验, 本方法要优于传统采用模糊综合评估的方法, 同时在一定程度上规避了逻辑推理的缺陷, 具有较强的实用性。
参考文献
[1]唐永伟.燃气电厂风险分析[J].中国电力, 2002 (, 4) .
[2]薛福培.我国工业燃气轮机现状与前景[A].中国电机工程学会燃机分会年会论文集[C].2002.
[3]顾安忠, 石玉美, 汪荣顺.中国液化天然气的发展[J].石油与天然气化工, 2002, 12 (3) .
[4]国家发改委经济研究所课题组.福建LNG项目价格机制研究报告[R].2004.
四缸五冲程内燃机的性能预测 篇3
内燃机是汽车的最主要动力机械, 发展内燃机节能减排技术是控制温室气体CO2排放的主要技术手段。但是, 如今内燃机的发展已经到了精雕细刻的阶段, 常规形式的内燃机很难大幅度提升其热效率。内燃机中大约三分之一的燃油能量被尾气带走, 研究表明, 将内燃机尾气中10%的能量转化为电能, 就可以提升20%内燃机燃油效率[1]。因此, 回收内燃机废气能量为提升内燃机整体工作效率提供了很大的发展空间。文献[2]基于朗肯循环的EER系统进行仿真和试验研究, 结果表明轻型内燃机在常用工作区域的能量转换效率可提升3%～8%。文献[3]将有机朗肯循环系统 (organic Rankine cycles) 安装在一辆1.8L自然吸气汽油机混合动力汽车上, 通过回收尾气能量可使燃油能量转换效率提升6.2%。尽管基于循环的能量回收系统具有较高的能量回收效率, 但是这种循环系统需要安装水泵、膨胀器、冷凝器和热交换器等复杂的机械装置, 提高了成本。
近几年陆续出现了很多基于工质移缸工作的内燃机, 这种内燃机一般通过两个以上的气缸完成一个工作循环, 工质通过连接管在不同的气缸中转移。Scuderi内燃机[4,5,6,7]就是一款典型的工质移缸内燃机, 它的一个缸负责“进气-压缩”, 另一个缸完成“燃烧-排气”, 通过工质移缸技术, Scuderi发动机可以大幅提升工作效率, 还可以实现膨胀比大于压缩比的工作循环[8,9], 从而提高内燃机的热效率。法国Ilmor公司设计发明了一种“五冲程内燃机”, 它的两个气缸的工质完成常规四个冲程后, 交替转移到中间一个大容腔气缸实现继续膨胀做功。五冲程内燃机比现有的机型提高效率5%～20%[10]。
本文提出了一种新型四缸五冲程内燃机, 通过工质移缸技术实现了内部回收燃气能量。利用内燃机一维仿真软件GT-Power对四缸五冲程内燃机建立仿真计算模型预测其性能, 并与传统四缸四冲程内燃机进行性能对照。
1 四缸五冲程内燃机工作原理
四缸五冲程内燃机由四个等容积的气缸组成, 其中两个燃烧缸, 两个膨胀缸, 如图1所示。1#缸和4#缸为燃烧缸, 与传统四冲程气缸工作方式完全相同;2#缸和3#缸为膨胀缸, 采用二冲程工作方式。燃烧缸的排气门通过稳压腔与膨胀缸的进气门连通。1#缸和4#缸点火相隔360°CA, 2#缸和3#缸的进气门和排气门同时打开和关闭, 1#缸和4#缸的燃烧废气交替进入2#缸和3#缸。燃烧缸排气时, 先将废气排入稳压腔, 然后同时进入2#缸和3#缸, 最后从2#缸和3#缸的排气门同时排出内燃机。新鲜空气从进入内燃机到排出, 共历经五个行程, 即“进气-压缩-燃烧-移缸膨胀-排气”。燃烧缸与膨胀缸的缸径相同, 燃烧做功后的高温废气同时进入2#缸和3#缸, 体积较之前相当于再膨胀了一倍。
根据四缸五冲程内燃机的结构特征, 它具有以下特点: (1) 四缸五冲程内燃机的缸体结构与市场上最为流行的四缸四冲程内燃机相同, 改造难度低, 易于工业化; (2) 稳压腔降低了燃烧缸受排气压的负面影响, 同时也降低了前后缸相位匹配的难度; (3) 两个膨胀缸同时进排气, 增大了进排气门的流通截面, 降低了泵气损失。
2 内燃机仿真计算模型
为了预测四缸五冲程内燃机性能, 利用仿真软件GT-Power建立计算模型。GT-Power利用一维气体动力学计算管道内的流体运动和传热, 同时还应用一些特殊的模型来计算内燃机其他主要部件[11]。
一般流体运动模型主要按以下方程求解。
连续性方程:
能量方程:
动量方程:
式中, m为控制体内质量;m·为边界流入控制体的质量流量, m·=ρAu, 其中ρ为密度, A为流体截面积, u为边界速度;e为质量的内能;p为压力;V为体积;H为总焓, 为传热系数;AS为热面积;Tfluid为流体温度;Twall为壁面温度;dp为作用在dx方向上的压差;Cf为表面摩擦系数;dx为流体微元在流动方向上的长度;D为当量直径;Cp为压力损失系数。
摩擦损失系数按式 (4) ～式 (6) 计算。
层流情况 (雷诺数Re≤2000) :
非层流情况 (Re>2000) , 光滑表面:
非光滑表面:
式中, hrough为粗糙度值, 模型中主要零部件材料所采用的数值如表1[12,13]所示。
压力损失系数按式 (7) 计算:
式中, p1为入口压力;p2为出口压力;ρ1为入口密度;V1为入口体积。
对于光滑表面, 传热系数可按式 (8) 计算:
式中, Ueff为边界层外有效速度;cp为比热容;Pr为普朗特数。
由于表面粗糙度对传热系数影响很大, 对于非光滑表面, 传热系数由式 (9) 计算:
缸内燃烧采用两区域燃烧模型 (two-zone combustion) [14], 该模型将缸内分为未燃区域和燃烧区域两个区域。起始时刻, 缸内全部区域为未燃区域, 之后每一时刻可燃混合气根据燃烧速率由未燃区域向燃烧区域转移。新进入燃烧区域的气体根据化学平衡方程和燃烧模型计算出燃烧产物和能量, 之后根据流体运动模型计算出两个区域的温度和缸内压力。燃烧速率通过Wiebo函数[15]计算, 具体计算方程如下。
式中, CBMC为燃烧中点常数;RBM为基准角度时燃油燃烧百分数 (默认50%) ;CBSC为燃烧起始常数;RBS为持续期开始时燃油燃烧百分数 (默认10%) ;CBEC为燃烧结束常数;RBE为持续期结束时燃油燃烧百分数 (默认90%) ;CWC为Wiebo常数;E为Wiebo指数 (默认2.0) ;θSOC为燃烧开始曲轴转角;θAA为基准角度;Da为持续角度;RC为燃烧速率;φCE为燃烧效率;θ为瞬时曲轴角度。
3 模型校验
为了校验仿真计算模型, 本文采用吉利公司的4G15四缸汽油机作为仿真模拟对象, 表2为该内燃机的结构参数。利用GT-Power对其建立仿真计算模型, 如图2所示。内燃机为进气道喷射汽油机, 使用“InjAF-RatioConn”喷油模型, 保持理论空燃比。
图3为内燃机在1500、1800、2200r/min时, 燃油消耗率的试验数据与仿真曲线对比图。从图3可看出, 在三个转速下, 试验数据与仿真曲线基本吻合, 模型可用于后文的研究。
将4G15内燃机GT-Power模型根据图1的工作过程改造成如图4所示的四缸五冲程内燃机仿真计算模型。为了便于对比分析, 只对进排气系统进行了修改, 其他参数与4G15内燃机模型保持一致。由于4G15内燃机的排量为1.5L, 所以仅有两个气缸点火的四缸五冲程内燃机的排量应为0.75L。
4 仿真计算结果与分析
4.1 指示指标分析
为了观察新型四缸五冲程内燃机的循环工作效率, 首先对其指示指标进行分析。图5为1500、4000、6500r/min三种转速下四缸五冲程内燃机和4G15四缸四冲程内燃机的指示效率的对比情况。从图5可看出, 四缸五冲程内燃机的指示效率在三种转速下都高于传统四缸四冲程内燃机, 但是随着转速的提高, 四缸五冲程内燃机的指示效率越来越接近传统四冲程内燃机。在低速时, 四缸五冲程内燃机的工作效率明显高于传统的四缸四冲程内燃机, 在1500r/min时, 各工况平均提高约3～4个百分点。在6500r/min时, 四缸五冲程内燃机的指示效率接近传统四冲程内燃机;但是, 随着负荷的升高, 四缸五冲程内燃机的指示效率越来越优于传统四冲程内燃机;因此, 在高转速时, 负荷越高, 四缸五冲程内燃机的高效率优势越明显。
图6为1500r/min和6500r/min、指示平均有效压力 (IMEP) 为760kPa时四缸五冲程内燃机膨胀缸缸内压力曲线对比。从图6可看出, 内燃机工作在1500r/min时, 进气冲程缸内压力明显高于排气冲程, 而内燃机工作在6500r/min时, 排气冲程的压力明显高于进气冲程。进气冲程气缸内处于膨胀阶段, 因此如果进气冲程缸内压力较高的话, 气缸可以向外输出正功;相反, 如果排气冲程缸内压力较高的话, 气缸则消耗功率。由此可见, 膨胀缸在低速情况下向外输出功率, 而高速情况下消耗功率, 因此四缸五冲程内燃机低速工作效率高于高速情况。
图7为内燃机转速6500r/min时, 平均有效压力分别为105kPa和140kPa下四缸五冲程内燃机膨胀缸缸内压力曲线对比。从图7可看出, 内燃机处于高负荷时, 由于燃烧缸的排气压力较高, 膨胀缸进气冲程的压力比低负荷时明显提高, 而排气冲程的压力并没有随之升高, 相比低负荷情况甚至还有所降低。因此, 高速情况下, 内燃机高负荷时的工作效率高于低负荷时。
图8为四缸五冲程内燃机指示效率分布图。由图8可见, 与传统四缸四冲程内燃机相比, 四缸五冲程内燃机的工作效率在低速和高速高负荷工况存在优势。内燃机的工作区域可分为高效区域和低效区域两部分, 其中高效区域为四缸五冲程比传统四缸四冲程的内燃机指示效率提升0.5个百分点以上的区域, 这一区域平均约提升内燃机指示效率2.5个百分点。等功率线为四缸五冲程内燃机与四缸四冲程内燃机指示效率相等的工况曲线。从分布图可以看出, 低效区域主要集中在高速低负荷的工况, 这些工况也是一般汽车较不常用的工作区域, 因此四缸五冲程内燃机在车用内燃机的常用工况下的经济性优于传统四缸四冲程内燃机。
4.2 有效指标分析
上述指示指标的分析证明了四缸五冲程内燃机的理论工作效率在车用内燃机常用工况下优于传统四缸四冲程内燃机, 但内燃机在实际工作过程中的机械损失也是不可忽略的, 因此需进一步分析四缸五冲程内燃机的有效指标。
四缸五冲程内燃机只有两个气缸点火做功, 因此输出功率较传统四缸四冲程内燃机有所下降, 但采用增压方案可以解决输出功率不足的问题。图9为在相同节气门开度下, 不同转速和进气压力下四缸五冲程与4G15四缸四冲程内燃机有效功率对比图。从图9可看出, 在不增压的情况下, 考虑机械损失, 四缸五冲程内燃机的有效功率不到传统四缸四冲程内燃机的一半;但是, 随着进气压力的提高, 四缸五冲程内燃机的功率大幅提高。当增压比达到1.7的时候, 四缸五冲程内燃机的有效功率就已经与传统四缸四冲程基本相同。当增压比为2的时候, 排量仅为0.75L的四缸五冲程内燃机的有效功率就已经超过了排量为1.5L的传统四缸四冲程内燃机。
图10为四缸五冲程内燃机与4G15四缸四冲程内燃机外特性扭矩对比情况。从图10可看出, 当进气增压比为2时, 四缸五冲程内燃机在转速低于5300r/min时扭矩大于四缸四冲程内燃机。四缸五冲程内燃机相比4G15内燃机, 中低速扭矩提高20%～30%, 最大扭矩从111N·m提高至133N·m。
图11为不同工况下五冲程内燃机相对四冲程内燃机节油率曲线。节油率的计算式如式 (16) 所示。
式中, Bi为i工况下的四缸五冲程内燃机的有效燃油消耗率;B4G15, i为4G15内燃机i工况下的有效燃油消耗率。
从图11可看出, 在无增压的情况下, 内燃机转速越低节油效果越明显, 在车用内燃机常用转速 (2500r/min以下) 可节油8%～18%。在增压比为2的情况下, 虽然拓展了内燃机的工作范围, 但是因为增压器消耗了更多功率, 所以内燃机节油率下降。
5 结论
(1) 四缸五冲程内燃机通过膨胀缸在内燃机缸体内部回收燃烧废气能量, 并直接将能量传递给内燃机曲轴, 具有很高的集成度。
(2) 四缸五冲程内燃机方案可用于对现有四冲程火花点火内燃机和压燃式内燃机的改造, 仅需更换凸轮轴和进排气歧管并装配可变压比的增压器, 易于工业化生产。
(3) 四缸五冲程内燃机有宽范围的高效工作区域, 覆盖车用内燃机的所有常用工况。
(4) 四缸五冲程内燃机通过增压可达到与四缸四冲程发动机相同的功率。
(5) 四缸五冲程内燃机转速越低燃油经济性能越好, 指示效率在低转速 (1500r/min) 时可提高3到5 个百分点, 转速在2500r/min以下时可节油8%～18%。
(6) 在进气增压比为2时, 中低速的扭矩提高20%～30%。
燃机性能 篇4
氢气作为一种能源的载体,其完全燃烧的产物是水,没有传统石油燃料所产生的CO,HC和碳烟等污染物,因此作为替代能源的一种利用形式,氢内燃机受到了国际上的广泛关注[1]。氢的可燃界限远比汽油宽广,其火焰传播速度也更快,当量燃空比为0.2～1.2的混合气都可以在气缸内稳定燃烧[2],这为氢内燃机的控制提供了很大的操作空间。
燃空比控制是影响氢发动机运转的关键参数[3],其直接影响氢发动机的动力性[4]、经济性[5]和排放性能[6]。氢内燃机的燃空比控制方式既可以向汽油机一样“量调节”,即固定燃空比,通过调整节气门开度改变进入气缸内的混合气总量,控制发动机的扭矩输出;也可以向柴油机一样“质调节”,即不采用节气门(节气门全开),通过改变气缸内的燃料量,控制发动机的扭矩输出。
目前稳定工况下,倾向于使用“质调节”方式调节氢内燃机的燃空比[4,5],因为没有节气门可以减少泵气损失从而提高发动机的循环效率。以节气门为主的“量调节”方式通常在两种情况下使用:一种是在小负荷时,此时发动机所需的燃料量很少,需要通过调整节气门开度来稳定燃空比以提高燃烧的稳定性,抑制失火现象的发生;另一种情况是在中高负荷下,此时发动机的燃空比较高,通过调整节气门开度将燃空比提高到略高于1.0,从而利用剩余的未燃氢气作为还原剂,通过三元催化器还原尾气中的氮氧化合物[7]。现有的研究主要针对稳定工况下燃空比对氢内燃机性能的影响,而针对氢内燃机起动工况的研究相对较少。BWM公司公布的资料显示,其氢气/汽油双燃料车是使用氢燃料进行起动,实现了超低排放,但其起动策略和控制参数未对外公布[5]。江苏大学在这方面进行了有益地探索,其对起动控制参数进行大量的调试试验,最终实现氢内燃机的顺利起动[8,9]。
本文对两种燃空比控制方式,即以循环喷氢量为主的“质调节”和以节气门开度为主的“量调节”分别进行起动试验,通过对比起动转速变化、NOx排放量以及缸内燃烧状况,探讨循环喷氢量和节气门开度对启动及排放性能的影响规律。
1 试验设备
1.1 试验样机
原型发动机为1台直列4缸、水冷、4冲程自燃吸气式汽油机。改造后的氢内燃机保持原机的基本结构参数不变,将原机的塑料进气管更换为铝合金进气管,并考虑充气效率和发动机舱布置重新设计了进气歧管长度。原机的点火系统为两缸同时点火(1,4缸一组,2,3缸一组)的富余点火系统。由于氢的可燃范围广和易燃的特点,在进气过程中点火会引发回火,因此将原有的富余点火系统改为每缸独立点火。氢内燃机采用进气道顺序喷射燃料供应系统。氢内燃机的基本参数为:缸径86mm,行程86mm,连杆长142.8mm,压缩比10:1,排量1 998mm3。
1.2 测试设备
使用自行开发的氢内燃机电子管理控制系统,实现传感器信号的采集以及对节气门开度、点火提前角、点火闭合角、喷氢提前角和喷氢持续期等执行参数的实时控制。试验中使用Kistler6117B型缸压传感器测量气缸内的燃烧压力;使用4个ZHP-118A型压阻式压力变送器对每缸的进气歧管压力进行监测,并且使用CMF010科氏流量计和热线式质量流量计分别测量发动机的空气流量和氢气流量;在排气管后,三元催化转换器之前,使用MEXA-720型的NOx分析仪测量NOx排放量,并使用Dewetron5000系列的燃烧分析仪对测试数据进行记录。试验台架的具体布置如图1所示。
1.氢气瓶 2.电磁截止阀 3.减压阀 4.氢气流量计 5.燃烧分析仪6.氢气轨 7.氢气喷嘴 8.进气歧管压力传感器 9.电子节气门10.空气流量计 11.火花塞 12.缸压传感器 13.NOx分析仪
2 试验结果和讨论
2.1 试验步骤
为了观测不同燃空比控制方式对氢内燃机起动性能的影响,这里对两个主要控制参数循环喷氢量和节气门开度进行交叉独立试验。首先固定节气门开度,观察不同循环喷氢量下氢内燃机的起动特性;然后固定循环喷氢量,观察不同节气门开度对氢内燃机起动特性的影响规律。
试验中,为了避免起动初期不稳定气流可能造成的回火,控制系统在发动机被启动电机拖拽到平均转速高于120r/min后开始才喷氢点火[8];起动状态脱离转速为1 000r/min,即发动机转速在120～1 000r/min之间时,控制系统按照设定的循环喷氢量,节气门开度和点火提前角工作;当转速超过1 000r/min后,发动机进入怠速控制状态,此时使用PID算法自动调节喷氢量以控制发动机转速。试验中固定点火提前角为压缩上止点前7°(CA),冷却水温为25°。
2.2 调节循环喷氢量
该试验以“质调节”方式调节燃空比,即固定节气门开度,改变循环喷氢量。试验中固定节气门开度为100%,分别设定循环喷氢量为0.011,0.018,0.024g进行启动试验。起动初期缸内混合气的当量燃空比分别约为0.20,0.40,0.60(随发动机转速的变化混合气浓度会发生变化)。
2.2.1 实验结果
图2为不同循环喷氢量下的发动机起动转速变化曲线。图2中显示在起动时间小于0.59s时,控制系统是不喷氢点火的;只有当发动机平均转速大于120r/min后,控制系统按照设定的循环喷氢量,节气门开度和点火提前角工作。同时,从图2中可以看出循环喷氢量越大,发动机转速上升越快,所用的起动时间越短。
表1为不同循环喷氢量下,发动机起动过程的NOx排放量,从中可以看出随着喷氢量的增大,NOx排放量呈现快速上升趋势。
2.2.2 分析与讨论
发动机起动转速变化主要与发动机的输出扭矩有关。当循环喷氢量增大时,发动机每循环燃烧燃料增多,输出扭矩会增大,因此发动机转速上升会加快。而循环喷氢量为0.011g时,发动机的输出扭矩不足,未能成功起动。
图3是发动机转速为120r/min时,不同循环喷氢量下,缸内首次燃烧时的燃烧压力曲线。从图3中可以看出,在当量比为0.20～0.60的混合气在缸内都可以稳定燃烧。随着循环喷氢量的增加,燃烧角(从火花跳火到最大燃烧压力时所走过的曲轴转角)在减小,说明火焰传播速率在增加,同时最高燃烧压力在增大,燃烧温度升高,从而促进了NOx的生成。因此,为了降低NOx排放,在保证顺利起动的前提下应尽量减小循环喷氢量。
2.3 调节节气门开度
该试验以“量调节”方式控制燃空比进行起动试验。由于负荷不变,这里固定循环喷氢量,通过改变节气门开度,观察起动转速以及排放状况。为了尽量降低NOx排放量,这里固定一个可以稳定起动的最小循环喷氢量0.015g,节气门开度分别为100%和5%进行对比试验。起动初期进入气缸内的混合气燃空比约为0.30。
2.3.1 实验结果
图4为节气门开度分别为100%和5%时,起动转速上升曲线。对比图中两条转速上升曲线可以看出,节气门全开时发动机转速上升的要更快一些,整体的起动时间分别为0.58s和0.65s。
表2为不同节气门开度下,氢内燃机起动过程NOx排放量的最大值和平均值。从表2中可以两种工况下的NOx排放量相差不大。与节气门开度5%相比,节气门全开时,NOx排放量的均值增加了5.6%。
2.3.2 分析与讨论
为了观察节气门开度对进气的影响,这里采集进气歧管内的压力值进行对比。图5为节气门开度分别为100%和5%时,进气压力变化曲线和转速上升曲线。进气歧管内的压力随气缸的进排气过程产生周期性波动,图5中显示为平均值。观察图5中的进气压力曲线可以看出,进气压力的均值随转速的上升而单调下降。对比两条进气压力均值曲线可以看出,与节气门开度5%相比,节气门全开工况下的进气压力均值下降速度要慢,而且随着转速的上升两者的差值不断增大。在发动机转速到达1 000r/min时,两者进气压力平均值之差达到0.12bar。
图6为不同节气门开度下,燃烧压力随起动时间的变化曲线。观察图6中首次点火燃烧时(时间为0.62s)的燃烧压力曲线可以看出,两个燃烧压力曲线基本重叠;这之后的两条燃烧压力曲线逐渐分离,这是由于节气门全开时,发动机转速提升较快,其燃烧压力的波峰也会响应提前。对比燃烧压力的峰值可以看出,当转速逐渐升高,节气门全开时的最大燃烧压力要高于节气门开度5%时的燃烧压力,而且这种压力差随转速的上升逐渐加大。燃烧压力的增大也表征了燃烧温度的升高,因此节气门全开时,NOx排放量会略高。相同的燃料供给量,节气门全开时燃烧压力大,表明缸内的燃烧更加充分,指示热效率高。
总结图5和图6可以看出,造成节气门全开时发动机起动转速上升快的原因有两方面:一方面增大节气门开度,减小了进气阻力,从而降低了泵气损失;另一方面增加进气量后,气缸的容积效率得到了提高,残余废气所占的比例降低,提高了缸内混合气中的氧浓度,从而使得燃烧更加充分。
3 结论
1)增加循环喷氢量,提高混合气浓度能够有效地增加氢发动机的输出扭矩,缩短起动时间,但与此同时NOx排放量会随之快速增加;因此在保证顺利起动的前提下,应尽量减小循环喷氢量以降低NOx排放。
2)循环喷氢量不变时,增加节气门开度可以使进排气更加充分,从而提高容积效率同时减小泵气损失,最终提高燃料经济性并缩短起动时间,此时NOx排放量也会有少量增加。
参考文献
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燃机性能 篇5
1 F级燃机汽轮机产品及性能的演变
F级燃机汽轮机型号的多样性, 能够满足不同使用者的需求, 其中, MS9000、MS7000以及MS9000的燃机系列中, 都生产有F级产品, 而且运行性能良好 (见表一) 。
MS6001FA、MS7001FA及MS9001FA的燃机汽轮机均设有3级燃气透平和18级压气机, 它们都是以轴向排气和冷端驱动为主要特征, 对联合循环的布置非常有利。F级的燃机汽轮机采用的是GE公司分管式的燃烧系统, 并具有传统性和可靠性, 而且F级燃机还可配置有双燃料的燃烧系统, 例如, 如果主燃料为天然气, 那么轻油就是其辅助燃料。
在主燃料天然气发生意外故障时, 轮机组就会自动的把主燃料变换成轻油, 以确保燃机不会因为燃料供应出现故障而终止运转, 这样就更加保证了机器运转的可用性和可靠性。同时机组也可以根据实际情况使用双燃料方式进行混合燃烧。除此之外, F级的燃机汽轮机也能够使用低热量的燃料, 这样就在很大程度上扩大了燃料供应的范围及灵活性。而且F级燃机汽轮机由IGCC电厂提供能源, 这也在燃煤过程中, 最大程度上降低了对自然环境的影响。
2 压气机
GE公司的F级燃机汽轮机中所使用的压气机, 运用E型燃机汽轮机的17级压气机, 用空气动力学进行模化的原理设计, 同时又加大了1个零级, 即:增加到18级。压缩比率大约为15。为了避免在机器启动时出现压气机喘振的现象, 在压气机内都会装有1~2个中间级别的出气口和进口转导叶, F级机组放气口一般置于第9和13级之后, 联合循环方式在运行的过程中, 进口可以转为导叶, 而且还能在一定的承载范围内保证在透平之前燃气的温度不会改变。
GE公司所生产的燃机汽轮机, 其压气机转子, 是采用的连接外围拉杆螺栓的盘鼓式结构类型, 盘鼓式转子就是将在与接近轮缘处各级轮盘的鼓环, 通过多条长且细的拉杆, 经过螺栓进行彼此压机, 最终连为一体, 所以压气机转子在轮缘连接处属于一个转鼓, 这样能保证转子具有非常好的刚性。
3 燃烧室
GE公司的F级燃机汽轮机都是才有传统逆流使得分管性燃烧室, 根据机组的容量不同, 燃烧室的数量也就不同。在GE公司中, 提供有两种燃烧室, 一种为低NOX干式燃烧室, 这种燃烧室采用的是稀释态的燃料混低NOX干式燃烧的技术, 这用技术能够用于轻质液体或者气体燃料, 在进行天然气燃烧时NOX的排放量要低于25mg/kg, 而在进行液体燃料燃烧室, 则需用注水的方式来减少NOX的排放。另一种为标准型, 这种类型可以使用气体以及其他各种液体燃料的燃烧, 一般情况下, 都会置有双燃料喷嘴, 双燃料喷嘴属于空气喷雾化式, 能够带有或者不带有能减少NOX的排放, 或者加大出力的注蒸汽或注水装置。
伴随着燃气在透平之前温度的提高, 必须对燃烧室的过渡段冷却进行加强, GE公司专门为F级的燃机汽轮机设计了具有冷却冲击效果的过渡段。这种过渡段属于双壳体形式, 用一个有很多小孔的外套对里过渡段进行包围, 在压气机中的空气穿过小孔时, 就会形成一种射流, 进而冷却冲击里过渡段。里过渡段由Nimonic263制作而成, 而且在里过渡段内部涂有耐热涂层。
4 透平
GE公司的F级燃机汽轮机, 其透平都是采用3级轴流式的透平, 这是用GE公司的航空技术设计而成的, 现代的科技中, 随着冷却技术及高温材料的迅猛发展, 燃气的温度由从前的1260摄氏度, 逐渐向FA型1327摄氏度及FB型1371摄氏度提高。第一和第二级的动叶片和整个三级的静叶片, 都是采用对高温化、高性能的空气冷却有很强的适应性。压气机的第十三级抽气, 是在透平第二和三级冷却之后, 在转子密封空气和冷却空气中使用。三级动叶片采用的都是具有很好的高温强度, 并且有航空使用经验的r相析出的硬化型的NI超合金GTD-111。同时也进行精密的铸造。透平气缸所用的是双层的结构, 而且有冷却的空气, 外部为气缸, 内部是由静叶片的护环和外援板等组成, 属于一种承热件和承压件相分开的结构类型。高温燃气和气缸相隔绝, 这种情况不仅能有效的对气缸工作温度进行降低, 以便于与较差材料的使用, 而且还能对气缸的热应力、热冲击力和热膨胀量起到减少的作用, 这种情况对透平动叶片向间隙运动时发生变化的控制非常有利。
F级燃机气轮机具有非常高的燃料适应能力, 可以燃用天然气和蒸馏油, 其中包括液化天然气、煤制气以及液化石油气, 而且在启动机组后, 燃料能够自动切换, 同时不会有性能损失的情况。排气能力高, 出力范围广, 而且模块式的组合设计能在IGCC系统和联合循环系统中, 能使F级的燃机汽轮机在适应各种各样用途中达到理想的效果, 其中包括单纯发电、热电联产以及地区供热等等。如:美国弗罗里达中的Tampa电力公司, 所使用Polk电站的容量是250MW机组, 这是以GE公司S107FA级的燃机汽轮机为基础的IGCC机组。
参考文献
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燃机性能 篇6
2015年4月20-29日,上汽集团商用车技术中心行业服务部科技信息科在计维斌总监、张妍经理的带领下,作为受邀媒体,参加在上海国家会展中心举办的2015年上海国际车展。本届上海国际车展共吸引18个国家和地区的约2000家中外汽车展商参展;展会总面积超过35万m2;展出整车1343辆,其中,全球首发车109辆,亚洲首发车44辆。期间,各大汽车制造商共召开104场新闻发布会,来自44个国家和地区的2150家中外媒体1万余名记者竞相报道了车展盛况,观展总数达到92.8万人次。
秉承本届车展“创新、升级”的理念,作为发动机行业唯一受邀媒体单位,上汽商用车技术中心行业服务部科技信息科向观众展示了包括《内燃机工程》、《国外内燃机》、《中国内燃机工业年鉴》、《中国内燃机规格参数汇编》在内的“两刊一书一手册”等各项创新工作,微信平台订阅号“车讯全知道”以及时准确发布车界信息而受到广大粉丝欢迎。车展期间,还与来自丰田汽车、马石油集团、FEV、广汽集团、福田汽车、江淮汽车等全球汽车行业人士进行面对面的交流,展台现场气氛热烈。本着服务于汽车行业的目的,编辑部工作人员向前来咨询的行业人士展示各出版物的内容变化和创新发展,同时也积极与其他汽车行业期刊同仁展开学习交流,相互探讨办刊经验。