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《英文翻译》
在大口径发动机中分散燃油喷射和米勒循环
Matteo Imperato , Ossi Kaario, Teemu Sarjovaara, Martti Larmi
芬兰阿尔托大学
摘要
即将出台的由国际海事组织颁发的远洋船舶排放法规要求急剧减少一氧化氮。满足这些要求的一个众所周知的方法是通过使用所谓的米勒循环来降低燃烧之前的缸内温度。但是，那仅仅使用这种技术提出了由于长时间点火延迟而导致的实际限制，压缩温度非常低。因此，预混合燃烧迅速发展，增加燃烧室内的局部温度并有利于NOx的形成。分割燃料注入小型飞行员和主喷射可降低预混燃烧的大小和当地的缸内温度。这里介绍的工作分为两部分，由新颖的大口径发动机中第一个分流喷射与米勒循环相结合的系统研究。在其中第一阶段，广泛的研究注入与两个进气门关闭和三个时间的关闭主要注入进行分析。在第二阶段，两次喷射事件都在后期转移用固定注射停顿的中风。总体而言，驾驶员注射减少了点火延迟，但是降低了预混合燃烧的峰值仅与最先进的进气门关闭相关。这改进了燃料经济，但就排放而言没有任何优势。另外，在增加的同时喷射停留减少了氮氧化物排放量，同时也增加了燃料消耗。达到的最高NOx减少接近60％，燃油经济性有小缺陷.
强调
bull;先导喷射降低了高预混合的燃烧峰值.
bull;大口径发动机采用分流喷射可提高发动机效率.
bull;高米勒度的先导喷射可将氮氧化物减少至60%.
bull;在不降低发动机效率的情况下可以获得42%的NOx减少
缩略语：°CA，曲轴转角度; ATDC，上止点之后; BBDC，下止点之前; BDC，下止点; BMEP，平均有效制动压力; BTDC，在上止点之前; CI，压燃; CO，一氧化碳; HR，放热; HRR，放热率; IMEP指出平均有效压力; IVC，进气门关闭; LTO，低温氧化; MI，主要注射; NDIR，非分散红外;氮氧化物，氮氧化物; NTC，否定温度系数; PI，试点注入;SFC，具体的燃料消耗; SOMI，主喷射开始; SOPI，试点注入的开始;TDC，上止点。
关键词:大口径发动机，拆分注射，NOx减少，米勒循环，试点注射，柴油燃烧
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1.介绍
船舶柴油机的排放限值正在不断变化严格。 2016年，一项减少一氧化氮的新法规（NOx）的排放量比2001年的水平高出80％压缩点火（CI）发动机[1]生效。因此，开发新的解决方案和技术减排是强制性的，以履行严格立法的要求。但是，发动机的性能不应受到新通过的负面影响配置。当燃烧室内发生NOx形成时当地天然气温度高[2]。一个有效的方法来减少CI发动机的燃烧温度是所谓的米勒循环[3]。这可以通过在底部下止点之前关闭进气阀来实现（BBDC），所以有效压缩比较低比有效扩。因此，压缩齿轮温度和最终的燃烧温度减少。米勒循环已经在理论上被研究[4]，而且是广泛应用于汽车[5,6]，重型[7,8]和大口径发动机[9]。
米勒循环方法基于NOx形成与火焰温度之间的相关性。该方法指出，随着火焰温度降低，NOx排放量预计会降低[2,10]。如上所述，NOx形成动力学强烈依赖于温度。然而，最近的调查报告了几个案例，其中火焰温度相关性未能捕捉到柴油燃烧NOx排放趋势。一项研究表明，在低负荷下[11]，通过标准阀门正时，增加米勒速率可以使NOx接近参考值。此外，显示点火延迟随着米勒速度的提高而变得非常长，并且由此引起的缸内压力波动较大导致NOx值增加，尽管点火时缸内温度较低[12]。另外，由于较低的压缩温度，较高的米勒速率会增加点火延迟。Kyrtatos等人[13,14]在大口径中速发动机上测试了非常先进的米勒正时，并观察到由于缸内温度较低，较长的点火延迟允许更多的燃料在点火之前混合，从而导致更大的预混合。此外，长时间的点火延迟使喷雾进一步渗透，增强了空气夹带，并导致整体较低的预混燃烧，有利于NOx的形成。这也可能导致不稳定的燃烧和缸内压力周期与周期的高度变化，这可能会损害发动机的正常功能和性能[12]。
预混燃烧量可能与NOx的形成有关。通常，预混合燃烧的高峰导致高NOx结果。Musculus [15]在柴油机上实现了光学测量，发现了矛盾的趋势。据报道，降低进气温度，NOx最初减少，然后随着预混合燃烧单调增加。一致地发现，对于预混合比大的操作条件，喷射迟缓最终导致在达到最小值后NOx的增加。得出的结论是，预混合燃烧的大部分通常导致更快的燃烧，并且在发动机循环的早期气缸压力增加很大。因此，进入扩散火焰的反应物被压缩到更高的温度，导致更高的火焰温度（压缩加热）。
分流喷射已被广泛用于柴油发动机中，以减少NOx和烟尘[16-18]。使用先进的进气门关闭（IVC）喷射小的先导剂量可以在上止点（BTDC）之前更早触发燃烧，还可以减少主喷射的点火延迟。预计这会降低预混燃烧和NOx的放大率。布鲁克纳等人[19]研究了燃油先导喷射和米勒循环对1000rpm运行的重型柴油机的影响，并证明先导喷射降低了预混合燃烧的峰值，仅在非常低的条件下才进一步降低NOx环境温度。
在船用发动机中尚未广泛研究引燃注入。在一个二冲程船用发动机上，Andreadis等人[20]试验了中试注入，实现了15％的氮氧化物减排量，并在发动机经济性方面略有改善。然而，该研究并未调查米勒计时与分流注射相结合的影响。尽管如此，有关在大口径发动机中使用米勒循环和分流喷射的系统研究在文献中找不到。目前的研究是在单缸大口径四冲程中速研究机上进行的[21,22]。以前的成果包括在部分负荷下40％的NOx减排，采用米勒循环[23]。最近，第一次试图在1500巴的喷射压力和25％的先导喷射燃料分数的情况下在部分负荷下进行分流喷射和米勒循环[11]。在这些运行中，先导喷射正时与主喷射非常接近或非常远。因此，分流喷射对燃烧特性的影响尚未完全了解。这项研究的新颖之处包括测试分流式喷油器和米勒，以低燃油喷射压力运行，并对喷油器进行研究燃烧行为在常规注射停留步骤。 主要目的是减少以高米勒速度运行时的点火延迟，并研究喷射策略对燃烧过程和性能结果的影响，特别是NOx的影响。本研究分为两部分。在第一部分中，测试了不同的注入时间。然后，通过固定停留时间，喷射事件被减缓以减少NOx量，同时试图满足即将出台的法规要求。
2.材料和方法
2.1实验设置
本研究采用单缸大缸径CI中速发动机：其主要部件的设计可承受30 MPa的缸内压力和12 m / s的平均活塞速度[22,24]。发动机连接到电动机，这也允许在电动模式下运行。此外，换气阀由电液阀门执行器（EHVA）控制，而不是传统的机械凸轮轴，为气体交换阶段的气门正时[25]提供了高度的灵活性。而且，燃料系统允许改变喷射压力，持续时间和正时。外部增压空气供应装置和排气节流阀控制着边界条件：最大允许进气压力为10巴。注射，气门正时和辅助系统的参数可以自由设置和远程监控[21]。
发动机的原理图如图1所示。增压空气由压缩机（C）处理;然后在通过流量计之前将其冷却，干燥并加热。储气罐降低压力波动，并通过控制阀调节进气压力。发动机（E）连接到电动机（M）。排气压力由节气门控制，排气样本转向排放分析仪和度计（AVL 415）。
该发动机配备有连接到奇石乐电荷放大器5064的奇石乐缸内压力传感器6045AU20.使用艾默生Micromotion ELITE CMF100流量计进行增压空气测量，并使用艾默生Micromotion ELITE CMF025流量计测量燃料质量在发动机前流动。排放测量系统由每种气体的不同分析仪组成。使用ECO Physics CLD822Sh分析仪测量NOx排放。 AVL 415烟度计测定烟尘排放量作为过滤器烟雾数（FSN）。采用Sick的非分散红外（NDIR）吸收分析仪测量碳氧化物（CO）。发射探头位于离缸盖五米的排气管中出口，
表格1
主要尺寸和发动机配置
|
移位体积 |
（平方厘米） |
87968796 |
|
行程 |
（毫米） |
280 |
|
孔 |
（毫米） |
200 |
|
连杆长度 |
（毫米） |
614.2 |
|
压缩比 |
16.7：1 |
|
|
喷嘴头 |
（＃孔毫米） |
9 x 0.30 |
气体在加热管线（191°C）中运输以避免冷凝。
表1列出了发动机的主要尺寸。压缩比很高以减少燃料消耗量喷油嘴喷嘴孔合理地较小，以在不超过喷射持续时间的情况下获得良好的喷射性[2]。
2.2.计算方法
具体的燃料消耗（SFC）和NOx被正常化，相当于参考点的100％参考点以单次进运行，特别是具体的NOx结果接近IMO Tier II值900转。使用缸内压力和沿°CA的缸体积计算放热率（HRR）。采用下面的所示的HRR方程[2]： ⑴
其中Q.是释放的热量，p是缸内压力，V是缸内容积，是比热比。 变量取决于温度，并选择指数函数来确定其计算值[26]。 HRR计算开始于上止点（BTDC）前40°CA，并在动力冲程的50°CA ATDC处终止。
点火延迟可以从喷油开始（SOI）和HRR曲线从零开始的瞬间进行评估[2]。 然而，由于测量误差和一些设置的不稳定燃烧，点火延迟被确定为SOI与热释放（HR）达到0.5kj的值之间的时间，对应于12mg的能量含量 燃料（lt;总喷射燃料的2％）。 虽然结果可能被高估，但预计在这项研究中选择的不同策略的宝贵趋势。 在两次喷射情况下，考虑点火延迟以及引燃喷射。
采用模拟模型来获得注射开始时的入缸温度值。 温度是评估点火延迟的关键参数[2]，但不可能直接从测试结果中计算出来。 因此，使用由Gamma Technologies供电的GT-Power，一维流体动力学代码开发了一个仿真模型。 CT-Power已被广泛应用于柴油机研究[27,28]，并且已经将一个详细的模型应用于该发动机[23]。 特别是，Redlich-Kwong [2]真正的气体定律被用于燃烧室。 由于模拟用于评估燃烧前的内燃机温度只有电动的循环运行,所以将模型与从测试运行中获得的发动机入口和出口条件一起校准。
2.3.测试设置
该研究有两个部分，每一部分具有不同的气体交换阀定时。 在研究的第一阶段，通过修改注射之间的时间以及主注射的三次开始（SOMI）来测试注射停留时间。 在第二阶段，注射时间恒定，两次注射都被延迟。
本研究测试了四个气门正时，详情见图2.参考病例的IVC为30°CA BBDC，该参数提前至110°CA BBDC。当改变气门正时时，只修改了IVC，而排气门正时和进气门开度保持不变。如图2所示，随着IVC推进，最大气门升程减小。因此，为了避免最大升程值的过度降低，进气门相的配给斜率用Mil 100和Mil 110配置增加。
注射参数在图3中定义。必须指出的是注射持续时间是指注射器的电信号，因为注射阀没有被测量。尤其是，喷射停留时间旨在作为引燃喷射开始（SOPI）和SOMI之间的时间。由于燃油喷射阀的机械结构，最小的稳定喷射开启时间设定为0.93ms，相当于5°CA。因此，最小注射时间设定为7°CA，容差为2°CA，以保证注射系统良好稳定的运行。引燃喷射持续时间为总喷射时间的33％，并且该值应该是整体喷射量相对引燃燃料比的良好近似值。
由于该研究集中于气门正时和喷射时间，所以一些参数在每个测试点都是恒定的，并且在表2中报告。所有测试在部分负载下以900rpm运行时进行。在所有测试中，喷射的燃料质量流量和空燃比也是恒定的。
表2
恒定的发动机参数
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资料编号：[13185]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
|
发动机功率 |
发动机转速 |
（rpm） |
900 |
|
发动机负荷（BMEP） |
（bar） |
1plusmn;0.4 |
|
|
注射参数 |
总注射量 |
（mg / cyc） |
700plusmn;14 |
|
注射时间（单次） |
（° CA） |
15 |
|
|
试点持续时间 |
（°CA） |
5 |
|
|
注射压力 |
（bar） |
1200 |
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