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船舶推进和发电厂用天然气柴油双燃料涡轮增压 V18 发动机的热设计

Douvartzides 和KarmalisKoilaKozani,

希腊, 西马其学院机械工业工程系内燃机实验室。

摘要：提出了一种天然气-柴油双燃料内燃机热设计的详细方法。18缸四冲程涡轮增压发动机被认为是运行在最高时速为 500 rpm 的船舶和电厂应用。对热力学、传热和流体流动现象进行了数学分析, 提供了一个真实的循环分析, 以及一套完整的计算操作条件、功率特性和发动机效率。该方法可为类似发动机的实际性能提供与公布的数据紧密一致的结果。

1. 简介：

一个多世纪以来, 内燃机已经改变了人类的交通和习惯。火花和压缩点火引擎有横跨日常生活应用从汽车、卡车和小飞机到农业和制造设备、火车、船和发电厂。鉴于全球人口和能源需求的未来增长, 内燃机目前正在吸引新的研究兴趣, 其目的是提高热效率和降低燃料消耗量。天然气-柴油两用燃料发动机同时使用天然气和柴油两种燃料。按照天然气燃料的供给方式，天然气-柴油两用燃料发动机可分为天然气进气道供给和天然气缸内直接喷射两种。天然气经由进气道供给的两用燃料发动机较为常见，而采用缸内直接喷射方式则有很大的困难，因而实际应用很少。柴油发动机, 特别是, 被发现在高功率范围内发挥关键作用从0.5 到100Mu;W。这种发动机通常运行在 1000 rpm 以下, 有多达18缸线或 V 配置, 并发现应用在船舶推进, 机械和发电厂的驾驶 [1-3]。

ICE的热评估一直是发动机设计和性能的基本标准之一。理论和实验方法在这个领域通过岁月被记录了在许多书和报告 [3-7]。理论上, 热设计的准确性取决于应用假设的数量和强度。理想的空气循环分析通常采用快速和容易提供的最大热效率的发动机在给定的压力比。更精确但复杂的方法需要考虑实际气缸组成, 实际气门定时, 传热, 流体流动动力学, 真正的几何考虑和实际燃烧现象。这种真正的循环方法能够密切模拟实际性能, 并对初步建模、成本有效的发动机开发和能源管理改进有价值。在目前的工作中, 提出了一种大型涡轮增压压缩点火发动机热设计的详细方法。真正的周期分析是基于基础科学和经验关系完成的, 并发现能够准确地预测发动机的性能与实际数据记录为 51/60 df (双燃料) 引擎 [2, 8]。这项研究的目的是为未来内燃机模拟和排气热回收工作奠定基础。所采用的方法为柴油机发电厂的能源管理和效率改进提供了一套发动机运行条件。随着能源问题和环境问题的日益突出,节能减排成为发动机行业的趋势。替代燃料是其中一种技术路线,常见的替代燃料包括天然气、甲醇、乙醇和二甲醚等[1]。天然气具有热值高、抗爆性好、混合气着火极限高等特点[2-4],而且在国内部分地区天然气储量丰富,供应量也能够满足使用要求[5]。所以,基于柴油机的天然气单燃料发动机、柴油/天然气双燃料发动机已成为业界研究热点。柴油/天然气双燃料发动机既能使用传统柴油作为燃料,也可以使用天然气作为燃料,避免受到当地燃料供应形式和供应量的影响;原机柴油系统可以作为天然气系统的冗余,在天然气系统故障时,可以使用柴油系统,保持发动机继续工作,从而提高系统的安全性;同时,在双燃料模式下,以天然气为主燃料,通过喷射柴油的方法来引燃天然气,不需要额外加装天然气点火装置[6-7];另外,一般天然气单燃料发动机为了避免爆震需要减小原机的压缩比,而双燃料发动机则由于多点着火减小了爆震趋势.

2. 引擎和燃料特性：

51/60 df 引擎在6 被提供到18圆筒模型覆盖一个力量范围由18000千瓦在500转每分钟与刹车平均有效压力额定 1.9 Mpa [2]。作为一个实际的例子四冲程 V18 圆筒人 51/60 df 引擎被考虑了。发动机的横截面如图1所示。这是一个天然气柴油双燃料发动机配备了一个人 TCA77 (四冲程版本) 涡轮增压器。在表1和表2中分别总结了发动机和涡轮增压器的特性 [8、9]。当前一种顺序喷射、稀燃、全电控天然气 /柴油双燃料发动机已经被开发出来 ,电控喷气技术、微喷技术、稀薄燃烧技术乃是天然气 /柴油双燃料发动机关键技术问题。发动机转速设定在500rpm 的最大值, 并且在满载时操作被认为是稳定的。

图1。V18 人 51/60 df 引擎的横断面 [8]。

表 1. 18 缸人 51/60 df 引擎特性 [8]
参数		值
气缸数	18
气缸孔	510毫米
活塞行程	600毫米
每缸位移	122.5 它
压缩比	13。3
v 角	50o

表 2. 人 TCA77 (四冲程版本) 涡轮增压器特性 [9]
参数	值
涡轮式	轴流式水轮机
压力比	多达5。5
最大允许温度	650oC
最大允许发动机功率	20900千瓦
气流速率	约15-35 米3/秒

发动机可以使用柴油或天然气。在分析过程中考虑了两种操作方式, 一是重油的近似组成为 87 .%。碳和 13 .%。氢气, 一个天然气具有大约组成的95% 摩尔 CH₄, 4% 摩尔 c₂H₆和1% 摩尔 c₃H₈。较低的加热值 (LHV) 分别计算为40兆焦耳/千克和 49.8MJ/千克。燃烧通常发生与精益燃料混合物, 并进行分析假设 lambda lambda;比等于2。

3. 方法

在和中假定大气条件. 涡轮增压器压力比设定在最大值, 压缩机出口温度和压力计算为

其中, 是压缩期间空气的平均比热容比 (等于 1.39), 而是被占0.8 的压缩机的熵效率. 空气密度也可以被视为

其中是空气气体常量.

对于涡轮增压发动机, 以最高制动功率的名义速度, 气缸内残余气体的压力通常是的 75-98%. 假设一个平均百分比的 85%, 这是计算为

然后假定剩余气体的温度等于. 假定值将在必要时计算和更正。

在进入气缸之前, 涡轮增压器中的空气通常会在进气歧管内部发生温度变化。此值的顺序为-5 到 10 K, 并且考虑了Kappa;的平均值. 此外, 进气歧管中的压力损失可以根据

伯努利方程作为

这里的是流形内的速度递减系数, 是由于进气阀端口限制而引起的局部压力损失系数, 是阀门端口限制的平均空气速度. 的经验值在2.5 和5之间有所不同, 而通常在50和130米/秒之间有所不同. 在本研究中, 假设值分别为3和70米/秒。然后, 进气行程结束时的气压是

气缸内空气中残余气体的质量比为

其中, 是压缩比, 而被困总质量中的残余气体的分数是

进气行程结束时的气温大致由

根据表 3 [5、6] 中的关系计算压缩过程中气缸气体的组成。在此基础上, 反应物的比热可以通过文献 [5、6、10] 中的相关关系为温度函数。在压缩期间, 将考虑平均多方指数. 对于柴油发动机, 通常在-0.02 到 0.02 [7] 的范围内. 这考虑到反应物和圆筒壁在压缩期间的整体传热。负值值对应于从气体到气缸壁的传热, 而正值对应于相反方向的传热. 收敛后, 计算压缩行程结束时的温度, 并给出相同状态下的压力。

压缩后的燃料喷射, 燃烧, 并迅速增加的温度和压力。根据表 4 [4、5] 中的关系计算出燃烧后的气缸气体组成。鉴于反应物和产物的成分, 你可以计算摩尔乘法的系数作为

表3.反应物混合物中每摩尔O 2反应物的摩尔数对lambda;的组成。对于碳氢燃料来说是这样。 是燃料分子量。
反应物	反应物摩尔数/摩尔数O2
Fuel	lambda;
CO2	lambda;
H2O(g)	lambda;
CO	0
H2	0
O2	lambda;
N2	3.
Moles of reactant mixture:

3.1. 柴油机燃油模式分析

在柴油的运作方式, 燃烧产品的温度在燃烧过程的末端可能由热力学第一定律计算, 写作为

此处和和设置为摄氏摄氏度, 是热量利用率的系数, LHV 为焦/千克, 是 kmol/千克燃料中反应物的摩尔数, 是燃烧压力比。对于涡轮增压柴油机, 在全负荷操作是大约0.86 和 ? 大约 1.5 [7]。可以迭代地解决能量平衡, 以提供 ?₃ , 该循环的最大压力为

?₃ = ??₂

在展开描边期间, 平均多方指数?_? 被考虑。这是通过一个迭代收敛方案计算的, 根据关系产品混合物在平均温度下的比热?_?? 扩展过程,??假定等于-0.02。收敛后, 将计算 扩展描边的温度, 并且在同一状态下的压力, 气缸内残余气体的温度可以计算出来, 并与分析期间所假定的值进行比较。并且可以应用迭代计算, 直到收敛?_? 值.

3.2. 天然气燃料模式分析

在天然气模式下, 发动机根据稀薄燃烧的奥托燃烧循环运行。将少量的船用柴油先导燃料注入主燃烧空间, 点燃预混稀 gas–air 混合物。先导注射低于正常液体燃料数量的 1%, 可确保气体模式下的 NOx 排放非常低 [2]。

在奥多周期燃烧产品的温度在燃烧过程的

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