文 | 咸鱼永不放盐
编辑 | 咸鱼永不放盐
«——【·前言·】——»
为了减少环境影响同时满足不断增长的能源需求的明显途径是开发一种新的、更高效的发动机。传统IC发动机可以通过一种称为奥托循环的过程建模，该过程指出热力学规定的理想指示效率约为46％。
«——【·阿特金森循环和Miller循环的区别·】——»
阿特金森循环和Miller循环都旨在通过增加膨胀比与压缩比的比率来提高发动机效率。在这两种情况下，其实是通过进气和排气阀门定时实现的。
两种循环之间的区别在于米勒循环利用了强制进气，而与阿特金森循环不同，米勒循环没有完全将排气扩展到大气压力以下。
基于理想的热力学循环分析，低负载下具有固定捕获压缩比的米勒循环在理论上可以实现高达73％的效率，远高于奥拓循环。
在两冲程发动机中，利用旋转阀和过度膨胀可以显示出7.7％的发动机效率改进，在最大功率密度下，即功率输出归一化后除以工作流体质量定义的条件下，阿特金森循环的效率总是高于最大功率下的效率。
阿特金森循环的类似旋转式发动机概念，其具有两个柱塞在环形燃烧/膨胀体积中，发现与传统发动机相比，可以产生更高的有效制动压力。
标准往复式IC发动机和旋转式发动机之间的一个主要区别是，旋转式发动机不是具有将循环在短体积内压缩和膨胀的线性运动鼓，而是具有旋转鼓，该鼓能够实现更高级别的膨胀。
此次研究了一种新型旋转发动机的热力学过程，称概念发动机。在概念发动机中，与传统IC发动机一样，具有往复运动的气缸不是完全存在，而是具有绕中心点旋转的矩形环形体的一部分。
通过两种方法对概念发动机进行建模，使用MATLAB创建了一个一维热力学模型来模拟发动机的整个操作周期。
此模型用于描述单独的压缩过程，使用KIVA3创建了一个三维CFD模型来模拟缸内过程，包括燃料喷射、燃料雾化、蒸发、燃烧和排放形成。
由于该模型简化为仅考虑缸内过程，因此不对由单独压缩机执行的压缩进行建模。假定进气完全完成于3-D CFD模型的开始。此研究的范围不包括活塞/缸体的相互作用，如摩擦效应。
«——【·引擎概念和设计·】——»
概念引擎可以分为四个简单的步骤，第一步涉及将空气外部压缩; 然后将空气注入燃烧室，与燃料一起形成一种预压缩的非预混合空燃混合物。第二步涉及在喷射后立即点燃空燃混合物，其中燃烧室的“顶部”采取可移动翻板的形状。
第三步开始膨胀，在压力推动下，环面围绕旋转，直到达到完全膨胀。第四步是当环面再次到达可移动翻板时，翻板打开到环面内部的缝隙，将热气排出。当环面旋转到初始位置时，该过程再次发生。
概念引擎利用汽油直接喷射将燃料注入燃烧室，转换到GDI后，燃料经济性提高了25％以上，这是由于减少泵送损失和更高的压缩比。 GDI喷射还显示出较小的气缸对气缸变化的空气燃料比例，由于更好的燃料喷射控制。与使用PFI时的120微米相比，GDI的雾化燃料平均液滴尺寸降至16微米，改善了空燃混合，蒸发，点火和火焰传播。
概念旋转发动机的设计优势在于其简单性和大的膨胀容积在传统往复式内燃机中，转子必须不断改变方向，停止活塞动量并降低系统的效率。
当转子达到最大膨胀并接近翼片时，移动的翼片向上滑动并平放在壳体封套的内表面上。由于动能，转子继续旋转并返回其初始位置。
在测试运行中，点火位置被放置在燃烧室顶部，这会导致所有的燃料被燃烧，但排放增加，并且热效率较低，约为10%。然后将点火点从中心向喷油点偏离1厘米的地方以0.1厘米的增量移动，并保持在室顶。
随着点火点向外移动，燃料效率增加，最佳点被发现在1厘米处。点火时机保持不变。这种修改将热效率提高到约30％，将排放物降低约1000％，但在室内留下少量约为5％的未燃燃料。
找到点火点后，将向室内的喷射角度在90°（垂直于室壁）和45°之间变化。最佳结果显示在50°左右，表明与活塞顶端的交互增加了燃料湍流和鼓励燃料雾化。
与其他旋转式发动机设计一样，这里介绍的发动机的发动机速度比往复式发动机高得多，因为避免了由往复运动引起的高应力情况。
«——【·燃油喷射特性·】——»
燃油喷射器设计包括喷油嘴和可变出口阀，例如针，通常燃油喷射器在喷嘴上游建立压力，在通过障碍后，针阀或球阀移动并释放特定量的燃料，然后喷嘴关闭并重复该过程。一些燃油喷射器使用单孔喷嘴，而其他则有多个孔。
为了实现燃料的充分燃烧，必须将适当质量的空气注入到燃烧室中，MATLAB代码使用的压缩比考虑了外部压缩机和燃烧室之间的容积。
对不同的压缩比和喷油器尺寸进行了研究，并对大气压下的流体性质进行了研究，中显示了代码中使用的各种属性，例如压缩比、室内容积和喷油器直径。
模拟中所使用的注射器几何形状和喷射流体特性见于表中。再次说明，代码中使用的喷嘴为单孔注射器，长度/半径比约为5.7，在2-7的平均范围内。
图中展示了不同初始注射速度范围内的重力系数变化，范围在10至50 m/s之间。每条线表示不同的初始速度，可以看出随着注射速度的增加，初始重力系数降低。拖力的两个主要贡献者是流体的惯性和粘度。
随着注射速度的增加，雷诺数也随之增加。雷诺数的增加导致纳维-斯托克斯方程中粘度项的贡献减少。对于适度速度的液滴，由于与体分离并在下游脱落的不稳定下游涡旋，而导致拖力增加。
随着液滴速度进一步增加，通过流动变成湍流尾迹，同时仍然保持着液滴边界层上的层流。尾迹的崩塌使尾迹比适度流量时更窄，并减小了拖力。
在燃料喷射过程中，燃料液滴分散到环境空气中，并迅速分解成更小的液滴，这一过程称为雾化。为了使燃料在燃烧过程中快速均匀地点燃，燃料需要分解成非常小的液滴，以增加液体燃料可能蒸发的表面积。
随着液滴进入燃烧室的旅程，液滴由于蒸发而失去质量，而且当液滴进一步进入燃烧室时，失重速率会增加。最终注入锥可以在图中看到。注入形状设置为30度角，并且其穿透到室内距离约为45毫米，这意味着注入将不会与室壁直接相互作用，并且存在可能的燃料-壁粘附风险。
«——【·热力学分析模拟结果·】——»
较高的压缩比使发动机能够从喷射的空气燃料混合物中提取更多的能量，从而增加系统的总体效率。随着高压缩比带来的益处，也存在着在转子到达其预期位置之前点火燃料的风险。
预先点火在使用低辛烷值燃料的发动机中更为常见，其中辛烷值用于使燃料对热和压力的点燃更具抵抗力，选择高压缩比时必须小心，以避免对发动机造成损害。
从MATLAB模拟中，可以看出在不同压缩比下，压缩、燃烧和膨胀过程中的温度和压力变化如图中所示，烧温度达到平均温度2,800 K，这与通常运行在2,000-3,000 K左右的传统往复式内燃发动机相当。
图中是以不同压缩比下的热效率为横轴绘制，压缩比证明指示热效率为35。通过增加膨胀行程，观察到进一步提高热效率。虽然将热效率增加到最大是理想的，但增加压缩比可能会导致预先点火并损坏发动机。
知道了净功以后，现在需要找出系统的总热效率。通过计算废气和燃烧之间内能的差异以及压缩过程的效率，可以找到阿特金森循环的总效率。
在研究中发现模拟的压缩机需要1200瓦的功率，并且具有76%的效率，这是通过该功率范围内可用的压缩机效率估算得出的。
这种简化的估计在将压缩过程与燃烧/膨胀过程完全分离的情况下有效，从而允许单独的压缩机连续以恒定功率运行以供应中间储存容量。
使用强大的外部压缩机增加发动机的功率输出，同时采用相对贫燃的方法以避免预先点火和爆震是理想的选择。
空气压缩机的电流从10安培到20安培不等，并且如果连接到120V的电源，需要高达2400瓦的功率。
如果已知上游缸压力以及燃油喷嘴的几何尺寸，则可以计算燃油的质量流率。假定通过每个喷嘴的流动是准定常、不可压缩且一维的。
在燃油喷射过程中，燃油雾化喷出后通常会形成锥形状，也称为雾化破裂区域。 喷雾在注入过程中形成的角度可以决定燃料在空气中被雾化的效果。 从图中角可以看出该夹角是燃料液体和气体密度比的函数，而不是燃料注入速度的函数。
如果在形成NO之前燃料完全被使用，那么Zeldovich机理中的过程就变得解耦。 这时N2、O2、O和OH浓度被认为已经达到平衡值，而N达到稳态。
在燃烧温度为3000K时，氧的寿命比2500K时更快地燃烧掉了。根据概念发动机的转速，氧化剂使用速度可能是一个因素，控制进入燃烧室的燃料和空气量对于燃料效率和燃烧速率都有益处。
Φ=0.7时分子氧O2随时间变化
为了确定在燃烧和膨胀过程中的燃油消耗量，比较了初始和最终燃料水平，膨胀行程记录了气体燃料的数量数据。
燃料被喷入燃烧室，由于高温梯度立即开始蒸发，这种蒸发过程中，室内气态燃料的数量增加并与周围空气雾化。
旋转40°后，冲程长度在15到30厘米之间的发动机总体浓度开始下降，降至初始水平左右或略低，而35厘米的冲程长度则倾向于燃油浓度上升。
所有仿真均在3000 RPM负载下运行，这意味着15厘米的行程长度将比35厘米的行程长度慢。
内燃机的燃料转化通过单步全局化学动力学机理进行建模，在每个发动机循环结束时控制污染物形成水平。
在燃烧过程中，分子的分解占主导地位，以热能的形式释放能量，而膨胀过程涉及到碳氢化合物的氧化和氮氧化物等排放的形成，由于短暂的停留时间和化学失衡。
所有这些要素主要受到压缩、点火和膨胀热气体的方法的控制，但污染物形成的另一个主要贡献者是燃料。
注入到每个汽缸中的燃料量由压缩到室内的空气量所控制，维持空气与燃料之间的化学计量比为14.7部分空气和1部分燃料。
实际在GDI发动机中保持空燃比较低，管局部当量比可能很高，但全局当量比显著低于化学计量条件。
«——【·结论·】——»
本文提出了一种新型概念发动机的两种数学模型，实现了创新设计，比较了五种不同的概念引擎配置，这些配置是基于一个改进的轮式发动机，其室呈圆环形，活塞长度不同。对燃烧室内的空气燃料比进行了详细研究，以及燃油速度和压力以改变形状。
由于任何燃烧发动机中影响燃烧质量的重要参数都是混合质量，因此更加关注如何注入燃料和蒸发速率的方法。
根据数据得出来在10:1以上的压缩比下，使用20-25厘米的行程长度加上初始1厘米的室高，可以产生最有效的燃烧，并使气体扩张到足够的程度以提取最大能量。这两种型号的燃料效率在32%至35%之间，比平均燃料效率14%至30%有所提高。
本文关键词：阿特金森、阿特金森20L发动机。这就是关于《阿特金森, 阿特金森20L发动机(阿特金森和Miller这两种发动机)》的所有内容，希望对您能有所帮助。
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