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不同米勒循环对沼气机燃烧性能影响及优化研究

苏展望 黄永仲 赵华 裴毅强 曾志龙 莫员 王家祥 祝传艮

苏展望, 黄永仲, 赵华, 裴毅强, 曾志龙, 莫员, 王家祥, 祝传艮. 不同米勒循环对沼气机燃烧性能影响及优化研究[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1583-1591. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220121
引用本文: 苏展望, 黄永仲, 赵华, 裴毅强, 曾志龙, 莫员, 王家祥, 祝传艮. 不同米勒循环对沼气机燃烧性能影响及优化研究[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1583-1591. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220121
SU Zhanwang, HUANG Yongzhong, ZHAO Hua, PEI Yiqiang, ZENG Zhilong, MO Yuan, WANG Jiaxiang, ZHU Chuanyin. Effects of Different Miller Cycles on Combustion and Performance of Biogas Engines[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1583-1591. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220121
Citation: SU Zhanwang, HUANG Yongzhong, ZHAO Hua, PEI Yiqiang, ZENG Zhilong, MO Yuan, WANG Jiaxiang, ZHU Chuanyin. Effects of Different Miller Cycles on Combustion and Performance of Biogas Engines[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1583-1591. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220121

不同米勒循环对沼气机燃烧性能影响及优化研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220121
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51376202

内燃机燃烧学国家重点实验室开放研究课题项目 K2017-10

详细信息
    作者简介:

    苏展望(1979-), 博士研究生, 研究方向为燃机性能技术研究及性能设计开发, 250287842@qq.com

    通讯作者:

    裴毅强, 教授, 博士生导师, peiyq@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TK421

Effects of Different Miller Cycles on Combustion and Performance of Biogas Engines

  • 摘要: 为了研究不同米勒循环对大功率沼气发动机在额定工况的燃烧和性能的影响, 基于一台1.15 MW增压型沼气发动机及其仿真模型, 通过变化进气门关闭正时, 将沼气发动机由奥托循环改为不同米勒循环。仿真研究结果表明: 在沼气发动机输出目标功率相同的情况下, 随着早米勒的提前和晚米勒的推后, 其缸内最大燃烧压力、最高燃烧温度、单缸排气温度、燃油消耗率及氮氧化物排放均降低明显, 这表明早米勒循环和晚米勒循环对沼气发动机的燃烧和性能提升有较好的效果; 随着早米勒的提前和晚米勒的推后, 为了保证输出相同的功率, 其增压压力需要提高, 但其充气效率明显下降; 随着晚米勒的加强, 进气门关闭时刻进气倒流现象明显, 容易出现进气回火现象, 早米勒在进气门关闭时刻未发生任何进气倒流现象; 相比晚米勒, 早米勒更好的适宜预混增压型沼气发动机进气混合需求; 所研究机型在ML-70时刻比原ML0时刻, 其优点是爆发压力、燃气消耗率、氮氧化物排放分别下降3.74 %、2.49 %、23.58 %, 达到了降低爆震、提高效率、减小排放的目标。
  • 图  1  进气门早关气门升程

    Figure  1.  Lift of early closing intake valve

    图  2  进气门晚关气门升程

    Figure  2.  Lift of late closing intake valve

    图  3  沼气发动机GT-POWER仿真模型

    Figure  3.  GT-POWER simulation model of biogas engine

    图  4  不同米勒循环下的缸内燃烧瞬态压力

    Figure  4.  Transient pressure of in-cylinder combustion under different Miller cycles

    图  5  不同米勒循环下的最大缸内压力变化趋势

    Figure  5.  Variation trend of maximum in-cylinder pressure under different Miller cycles

    图  6  不同米勒循环时刻缸内燃烧温度瞬态图

    Figure  6.  Diagram of transient combustion temperature in cylinder at different Miller cycle times

    图  7  不同米勒循环时刻最大燃烧温度变化趋势

    Figure  7.  Variation trend of maximum combustion temperature at different Miller cycles

    图  8  不同米勒循环时刻的累计放热率变化

    Figure  8.  Cumulative heat release rate changes at different Miller cycle times

    图  9  不同米勒循环进气质量流量瞬态图

    Figure  9.  Diagram of transient inlet mass flow with different Miller cycles

    图  10  不同米勒循环压缩终了温度变化趋势

    Figure  10.  Temperature change trend at the end of different Miller cycle compression

    图  11  不同米勒循环充气效率变化趋势

    Figure  11.  Variation trend of charging efficiency of different Miller cycles

    图  12  不同米勒循环增压压力变化趋势

    Figure  12.  Variation trend of booster pressure in different Miller cycles

    图  13  不同米勒循环燃气消耗率变化趋势

    Figure  13.  Variation trend of gas consumption rate in different Miller cycles

    图  14  不同米勒循环单缸排气温度变化趋势

    Figure  14.  Variation trend of single cylinder exhaust temperature in different Miller cycles

    图  15  不同米勒循环氮氧化物的排放变化趋势

    Figure  15.  Variation trend of nitrogen oxide emissions in different Miller cycles

    图  16  不同压缩比缸内燃烧瞬态压力

    Figure  16.  Transient pressure of combustion in cylinder at different compression ratios

    图  17  不同压缩比缸内燃烧瞬态温度

    Figure  17.  Transient combustion temperature in cylinder at different compression ratios

    图  18  不同压缩比单缸排温变化趋势

    Figure  18.  Variation trend of single cylinder exhaust temperature at different compression ratios

    图  19  不同压缩比氮氧化物变化趋势

    Figure  19.  Variation trend of nitrogen oxides at different compression ratios

    图  20  不同压缩比燃气消耗率变化趋势

    Figure  20.  Variation trend of gas consumption at different compression ratios

    表  1  实验数据与仿真结果误差率

    Table  1.   Error rate between experimental data and simulation results

    参数 实验数据与仿真结果误差率/%
    输出功率 0.51
    最大缸内压力 2.23
    最高燃烧温度 2.82
    压气机后压力 1.85
    压气机后温度 1.69
    单缸排温 1.36
    涡轮前总排温 2.17
    涡轮前废气压力 2.36
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    表  2  ML-70与原ML0米勒循环仿真结果对比

    Table  2.   Comparison of simulation results between ML-70 and original ML0 Miller cycles

    参数 ML0 ML-70 变化方向 变化率/%
    最大爆发压力/bar 117.5 113.1 下降 3.74
    最大燃烧温度/K 1954.0 1936.9 下降 0.87
    充气效率 0.95 0.83 下降 12.75
    增压压力/bar 2.65 2.92 增大 10.1
    压缩终了温度/K 412.2 395.3 下降 4.11
    燃气消耗率/[g·(kWh)-1] 172.9 168.6 下降 2.49
    排气温度/K 870.1 842.4 下降 3.18
    氮氧化物排放/ppm 267.8 204.7 下降 23.58
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    表  3  ML-70-RC12.5与原ML0米勒循环仿真结果对比

    Table  3.   Comparison of simulation results between ML-70-RC12.5 and original ML0 Miller cycles

    参数 ML0 ML-70-RC12.5 变化方向 变化率/%
    最大爆发压力/bar 117.5 121.6 上升 3.46
    最大燃烧温度/K 1 954 1 937.2 下降 0.86
    充气效率 0.95 0.82 下降 13.1
    增压压力/bar 2.65 2.90 增大 9.45
    压缩终了温度/K 412.3 396.3 下降 3.86
    燃气消耗率/[g·(kWh)-1] 172.9 166.8 下降 3.57
    排气温度/K 870.0 829.3 下降 4.69
    氮氧化物排放/ppm 267.82 234.14 下降 12.5
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  • 收稿日期:  2021-08-12
  • 刊出日期:  2023-10-25

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