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米勒循环发动机开发及关键技术研究

米勒循环发动机开发及关键技术研究

作者：刘子鸣吉林大学

学位级别：硕士

在环境污染、全球变暖、能源危机的压力下,发展高效、清洁、节能的内燃机新技术是迫切需要的,越来越多的新技术应用到发动机开发中,以提高发动机热效率、动力性和经济性,降低排放。其中米勒循环是一种非常有潜力的技术,通过调节发动机... 详细信息

在环境污染、全球变暖、能源危机的压力下,发展高效、清洁、节能的内燃机新技术是迫切需要的,越来越多的新技术应用到发动机开发中,以提高发动机热效率、动力性和经济性,降低排放。其中米勒循环是一种非常有潜力的技术,通过调节发动机进、排气门的关闭时刻控制发动机实际进气量,以降低缸内压缩后的气体压力和温度,能够提高发动机几何压缩比,降低发动机泵气损失,提高发动机热效率,增强发动机低速扭矩,提升发动机燃油经济性,但是同时也会带来低速大负荷爆震倾向严重等一些影响,需要特别关注。本文分析了目前汽油发动机的发展趋势及国内外先进汽油机技术发展现状,并以作者所在公司某款发动机为研究对象,详细介绍了发动机开发目标、燃烧系统设计方案、试验控制条件及排放控制策略。通过发动机性能开发试验和台架标定试验,对影响发动机性能与排放的相关零部件,例如喷油器、增压器、凸轮轴等样件方案进行试验对比,分析不同方案样件对于发动机性能和排放的影响,最终确定了满足发动机开发目标要求的最优方案。并以最终方案配置为基础样机,使用INCA,CAMEO等标定工具对该机型进行标定研究,对进、排气VVT参数进行详细优化并分析在不同转速和负荷下VVT重叠角对发动机动力性、经济性和排放的影响,以及不同喷油控制策略对发动机的油耗、排放和早燃等的影响,最终通过标定试验确定发动机最优控制参数。最后文章分析了发动机在极限试验条件下的一系列性能表现,并通过试验优化了发动机在高温下抑制早燃发生的控制参数和在极寒温度下冷启动暖机过程的控制参数,分析配气正时对于发动机模型精度的影响,可用于指导生产样机的装机,以达到更好的发动机性能目标。

关键词：增压直喷汽油机米勒循环早燃多次喷射

米勒循环对船用低速柴油机性能影响的仿真研究

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船舶工程 2014年第4期36卷 29-33页

作者：王筱蓉刘辰朋尹子峰尹升奇江苏科技大学机械工程学院江苏镇江212003 沪东重机有限公司上海200129

针对节能减排对船舶行业所具有的重要意义,对应用米勒循环技术的某型船用低速柴油机进行了模型验证与仿真计算,分析了米勒循环强弱对柴油机性能的影响,给出了米勒循环强弱对柴油机缸内压力、温度、放热率及NOX排放的影响规律,并对船用... 详细信息

针对节能减排对船舶行业所具有的重要意义,对应用米勒循环技术的某型船用低速柴油机进行了模型验证与仿真计算,分析了米勒循环强弱对柴油机性能的影响,给出了米勒循环强弱对柴油机缸内压力、温度、放热率及NOX排放的影响规律,并对船用低速柴油机的综合性能进行了评估。研究结果表明：米勒循环强弱对柴油机缸内温度及放热率具有较大影响,控制米勒循环强弱能够显著降低NOX的排放,排气阀每晚关10oCA,NOX生成量降低6%~7%,当米勒循环增加到一定程度时,继续加强米勒循环将在降低NOX排放的同时,导致燃油经济性降低且需高压比的增压器匹配,使得配机成本增加,这些结论将为船用低速柴油机的进一步开发提供参考。

关键词：米勒循环船用低速柴油机性能分析仿真计算

米勒循环柴油机多参数耦合的工作过程和性能仿真研究

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米勒循环柴油机多参数耦合的工作过程和性能仿真研究

作者：陈露腾江苏大学

学位级别：硕士

随着环境问题的日益突出和人们对生活品质需求的提高,针对发动机的排放法规也越来越严格,国家提出了“碳达峰”和“碳中和”目标;发展新能源汽车是满足排放法规和实现“双碳”目标的有效途径。新能源汽车分为纯电动汽车和混合动力汽车,... 详细信息

随着环境问题的日益突出和人们对生活品质需求的提高,针对发动机的排放法规也越来越严格,国家提出了“碳达峰”和“碳中和”目标;发展新能源汽车是满足排放法规和实现“双碳”目标的有效途径。新能源汽车分为纯电动汽车和混合动力汽车,其中混合动力汽车相比纯电动汽车更安全并具有更长的续航,是目前较好的选择。混合动力系统对专用发动机提出了新的设计优化要求,混合动力乘用车汽油机的研究比较成熟,而混合动力商用车专用的柴油机研究还处于起步阶段。米勒循环作为一种先进高效的发动机技术常被用于混合动力发动机上,将米勒循环与多种减排技术耦合能够应对越来越严格的排放法规。本文将混合动力发动机常用的米勒循环技术与EGR和后喷等多参数相互耦合,研究混合动力专用柴油机性能的变化。研究对象为一台四缸高压共轨柴油机,利用GT-Power软件建立了该柴油机的一维仿真模型,并用实验数据对该模型进行了校核,验证了模型的准确性。然后通过重新设计进气门升程曲线,通过进气门提前关闭(EIVC),建立了米勒循环柴油机模型,利用该模型研究了米勒度、EGR、后喷等参数及多参数耦合对混合动力专用柴油机工作过程与性能的影响规律。仿真计算结果显示:采用米勒循环后,进气门提前关闭,进气流量和空燃比下降,柴油机的泵气损失减少;随着米勒度的增加,柴油机的有效压缩比和进气流量降低,滞燃期延长;压缩温度和缸内平均压力下降,但是由于滞燃期的延长,增加了预混燃烧阶段可燃混合气的数量,使得缸内峰值温度提高并且出现的时刻滞后;由于有效压缩比的降低,米勒循环使得柴油机的动力性和经济性有所降低;采用米勒循环后燃烧区域温度降低,破坏了NOx生成的环境,使得75%和50%负荷的NOx排放最多降低61.4%和48.1%,但缺氧区域增多导致Soot排放上升。米勒循环与EGR耦合后,能够进一步降低柴油机的NOx排放,75%和50%负荷下10°CA米勒度与15%EGR结合NOx排放能够降低87.8%和76.1%;随着EGR率的增加,缸内温度降低,燃烧质量下降,有效功率降低,油耗增加,Soot排放上升。将后喷与米勒循环和EGR耦合能够降低Soot排放,在75%负荷下能够降低8.8～10.1%的Soot排放。最后利用多目标优化软件mode FRONTIER与GT-Power联合仿真对米勒循环柴油机多参数耦合的性能进行了优化,根据经济性和排放性需求设计了两种优化方案:在经济模式下,以提高经济性和尽可能降低排放为目标,优化后柴油机油耗降低0.4～0.8%,NOx排放降低16.4～23.1%,Soot排放维持在低水平;在排放模式下,以降低排放为目标,并限制了油耗恶化程度不超过10%,优化后NOx排放降低36.5～38.1%,Soot排放降低62.9～71.6%。米勒循环与EGR、喷油策略、压缩比、进气压力等多参数耦合在降低混合动力专用柴油机排放方面有着巨大的潜力,本文给出了侧重于降低排放和改善油耗的多参数优化方案,可以为相关研究提供一定的参考。

关键词：柴油机米勒循环废气再循环喷油策略多目标优化

米勒循环技术在16V190燃气发动机上的理论分析

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米勒循环技术在16V190燃气发动机上的理论分析

作者：祝传艮山东大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国节能减排战略的逐步实施和能源结构调整,燃气发动机作为一种清洁高效的能源利用设备,逐步推广到各个领域,比如煤矿瓦斯治理与利用、垃圾填埋气发电、炼化尾气发电等。目前市场上的国产燃气发动机,特别是大缸径燃气发动机... 详细信息

近年来,随着我国节能减排战略的逐步实施和能源结构调整,燃气发动机作为一种清洁高效的能源利用设备,逐步推广到各个领域,比如煤矿瓦斯治理与利用、垃圾填埋气发电、炼化尾气发电等。目前市场上的国产燃气发动机,特别是大缸径燃气发动机,在整体性能方面与国外先进产品存在很大差距。因此,深入研究燃气发动机,提高其整体性能,有非常重要的现实意义。本文针对国产16V190燃气发动机因燃烧组织、爆震控制、空燃比控制、增压匹配以及米勒循环应用等方面不足,导致发动机热效率低,热负荷高等问题,基于米勒循环原理和优势,制定了改进技术方案。通过GT-Power—维仿真软件对16V190燃气发动机应用米勒循环技术进行计算和分析,获得了最佳设计参数。课题主要工作内容如下:首先搭建基于GT-Power软件的16V190燃气发动机一维仿真模型。按照台架试验测试数据,完成模型的验证。利用此一维仿真模型,对一款成熟应用米勒循环的燃气发动机进行计算,验证了该模型用于米勒循环技术分析的有效性。然后在16V190米勒循环燃气发动机一维仿真模型上,通过研究米勒正时和压缩比等参数对燃气发动机性能的影响,以及增压器和中冷器的匹配要求,得出最优的设计参数。最后利用GT-Vtrain专业软件,按照最优米勒循环参数完成米勒凸轮型线设计,并对其在原配气机构下的运动学和动力学性能进行评估,确保改进后的配气机构工作正常。通过本课题的理论分析表明:16V190燃气发动机采用早米勒方式,在进气阀关闭角为下止点前20°CA时,发动机热效率提高1.9%,排温降低37℃;设计的米勒凸轮型线可以用于后续试验。

关键词：燃气发动机增压器米勒循环

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米勒循环对生物柴油发动机排放的控制与优化

米勒循环对生物柴油发动机排放的控制与优化

作者：南婧雯西南交通大学

学位级别：硕士

能源危机和环境污染两大问题日益显著,生物柴油作为一种可再生、环境友好型燃料成为各国研究的热门课题。同时,近年来地沟油重返餐桌的现象屡见不鲜,对人体健康带来极大的危害。发展地沟油生物柴油产业不仅是保证国家能源安全、减少排... 详细信息

能源危机和环境污染两大问题日益显著,生物柴油作为一种可再生、环境友好型燃料成为各国研究的热门课题。同时,近年来地沟油重返餐桌的现象屡见不鲜,对人体健康带来极大的危害。发展地沟油生物柴油产业不仅是保证国家能源安全、减少排放污染的有效手段,更是将地沟油变废为宝的有效途径。本文以4JB1型柴油机为研究对象,分析不同体积比的地沟油生物柴油和纯柴油掺烧对柴油机动力性、经济性和排放性的影响。研究发现,燃用混合燃料出现扭矩恶化、NO排放大幅增加的问题,为保证扭矩不受影响,本文选用体积比为30%的混合燃料(简称B30)进行研究,选择提前关闭进气门实现米勒循环,在扭矩基本不变的情况下对生物柴油发动机排放进行控制和优化。首先,将变气门重叠角和变凸轮型线两种米勒循环实现方式对原机带来的影响进行对比分析,选择变凸轮型线米勒循环方式与地沟油生物柴油相结合。经过计算分析得到高、中转速,不同负荷下燃用B30时NO和Soot排放与纯柴油排放相当时所对应的进气门提前关闭角度。由于低转速下控制效果不理想,故将可变涡轮截面增压器(VGT)与米勒循环相结合,利用DOE试验设计与遗传算法实现多目标优化。研究表明:(1)在不对柴油机结构进行调整的前提下,建议燃用体积比在40%以内的混合燃料,发动机燃用B40时最大扭矩点扭矩降低6.2%,NO排放浓度增加27.7%,Soot排放浓度降低40%,燃油消耗率在25%负荷下增长率最高达到12.7%。(2)原机最大扭矩工况点下,两种米勒循环随进气门提前关闭角的增加,性能变化趋势基本一致,相比之下变气门重叠角米勒循环变化速率更加明显。在进气门提前关闭角度为60°CA时,变气门重叠角米勒循环扭矩开始恶化,此时变气门重叠角米勒循环和变凸轮型线米勒循环NO浓度降低分别降低83.7%和51.2%。(3)在不影响扭矩的前提下,得到在中、高转速下燃用B30混合燃料NO排放和Soot排放与燃用纯柴油排放相当的时所对应的进气门提前关闭角度。(4)在低速100%和50%负荷时燃用B30,进气门提前关闭角分别为98°CA和85°CA,VGT阀门开度分别为0.25和0.16时,多目标优化目标函数值最优,此时NO分别比优化前降低23.17%和8.2%。虽然Soot排放有所上升,但与燃用纯柴油的Soot排放相当。

关键词：生物柴油排放米勒循环 VGT DOE优化

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米勒循环在传统汽油机上的应用研究

米勒循环在传统汽油机上的应用研究

作者：周仁杰天津大学

学位级别：硕士

日益严苛的油耗法规对传统内燃机的发展提出巨大挑战。米勒循环通过进气门早关或晚关,将发动机的膨胀比与压缩比解耦,使其在保持原有压缩比的基础上增大膨胀比,达到提高发动机热效率,改善燃油经济性的目的。近年来,米勒循环相关研究在... 详细信息

日益严苛的油耗法规对传统内燃机的发展提出巨大挑战。米勒循环通过进气门早关或晚关,将发动机的膨胀比与压缩比解耦,使其在保持原有压缩比的基础上增大膨胀比,达到提高发动机热效率,改善燃油经济性的目的。近年来,米勒循环相关研究在汽车行业受到越来越广泛的关注,但相比国外车企,我国汽车企业在此方面仍处于起步阶段。基于此背景,本文对米勒循环在发动机上的应用进行了仿真和试验研究,揭示了米勒循环对发动机性能的影响规律,并为米勒循环应用到现有发动机平台提供了理论及试验数据支持,降低了米勒循环发动机开发的风险和成本。首先,基于一维和三维发动机循环仿真,分别研究了进气门早关(EIVC)和进气门晚关(LIVC)两种米勒循环形式对发动机油耗、爆震及燃烧特性的影响。结果表明:两种米勒循环形式均能有效降低全工况范围内的燃油消耗率,平均降幅约为7%。低负荷时,采用EIVC控制策略的发动机具有更大的节气门开度和进气压力,泵气损失较小,具有更好的燃油经济性。高负荷时,采用EIVC控制策略的发动机缸内滚流和压缩终了时的湍动能显著降低,燃烧变慢,CA50较LIVC滞后1.8°曲轴转角,燃油经济性和爆震抑制作用都比采用LIVC控制策略的发动机差。然后,在模拟研究的基础上对LIVC控制策略进行米勒循环发动机的改造工作以及相关性能参数和结构的确定。性能参数包括最大气门升程、气门开启持续期以及压缩比,涉及到的主要结构有进气凸轮轴、活塞以及排气管。最后,对米勒循环发动机进行了台架试验。试验结果表明:在外特性工况下发动机为了兼顾动力性,采用了近似奥托循环的循环方式,牺牲了经济性。但在结合高压缩比的情况下,外特性的扭矩输出并不比原机差;在部分负荷工况,采用米勒循环可以使发动机燃油消耗下降约7%。综上所述,本文对米勒循环发动机开发流程的研究工作为米勒循环应用到现有发动机平台提供了理论以及试验数据支持,降低了米勒循环发动机开发的风险和成本,具有重要的工程实际意义。

关键词：汽油机米勒循环油耗爆震仿真试验

米勒循环对电热塞辅助压燃式甲醇发动机性能的影响研究

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米勒循环对电热塞辅助压燃式甲醇发动机性能的影响研究

作者：杨涛太原理工大学

学位级别：硕士

甲醇燃料是一种清洁代用燃料,在发动机中使用甲醇燃料,能够调整我国目前“多煤、少油、缺气”的能源结构,在一定程度上缓解我国目前的能源危机,同时也有助于实现“双碳目标”。甲醇发动机着火方式分为压燃式与点燃式两类,由于甲醇燃料... 详细信息

甲醇燃料是一种清洁代用燃料,在发动机中使用甲醇燃料,能够调整我国目前“多煤、少油、缺气”的能源结构,在一定程度上缓解我国目前的能源危机,同时也有助于实现“双碳目标”。甲醇发动机着火方式分为压燃式与点燃式两类,由于甲醇燃料的蒸发潜热高,需要外界能量的激励才能燃烧。相比于点燃式甲醇发动机,压燃式甲醇发动机具有压缩比高、热效率高的优点,但是压燃式甲醇发动机工作较为粗暴,并且NO的排放较高。在压燃式甲醇发动机上应用米勒循环技术,能够进一步提升压燃式甲醇发动机的热效率,减轻其工作粗暴程度,同时也能够降低甲醇发动机的缸内热负荷与NO排放。本课题以一台三缸柴油机改造成的电热塞辅助压燃式自然吸气甲醇发动机为研究对象,通过实验与仿真的方法研究其性能。本文建立了电热塞助燃式甲醇发动机的一、三维仿真模型,设计了进气门早关(EIVC)与进气门晚关(LIVC)的进气凸轮实现米勒循环,在1200r/min大负荷的工况下,研究米勒循环对电热塞助燃式甲醇发动机燃烧性能、经济性能、排放性能等的影响。具体研究结论如下:随着进气门关闭时刻的提前与推迟,甲醇发动机缸内平均温度、压力升高率降低,减小了甲醇发动机的热负荷与工作粗暴程度,但是LIVC方式对于缓解甲醇发动机的燃烧粗暴程度不明显,在进气门早关60℃A时,甲醇发动机缸内温度峰值降低了308K,最大压力升高率降低了0.03MPa/℃A。由于没有增压系统,EIVC方式下甲醇发动机的进气性能较差,进气充量降低,泵气损失与燃油消耗率增大,缸内最大爆发压力降低,而LIVC方式与此相反,LIVC方式下甲醇发动机的燃油消耗率降低了13.672g/k W·h,缸内最大爆发压力升高了0.27MPa,LIVC方式甲醇发动机的动力性与经济性优于EIVC。随着进气门关闭时刻的提前与推迟,EIVC与LIVC方式都能够降低甲醇发动机的NO排放,EIVC对于NO排放量的降低效果劣于LIVC,在进气门晚关60℃A时,NO排放降低了0.466mg;同样受到了进气充量的影响,EIVC增加了甲醇发动机的soot与HC排放,LIVC降低了68.88%的soot排放量与9.41%的HC排放量。

关键词：甲醇发动机电热塞辅助压燃米勒循环燃烧特性排放特性

不同米勒循环对沼气机燃烧性能影响及优化研究

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机械科学与技术 2023年第10期42卷 1583-1591页

作者：苏展望黄永仲赵华裴毅强曾志龙莫员王家祥祝传艮天津大学机械工程学院天津300072 广西玉柴机器股份有限公司广西玉林537005 中国北方发动机研究所天津300400

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... 详细信息

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。

关键词：沼气发动机米勒循环燃烧性能排放

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米勒循环在天然气发动机上的性能开发研究

米勒循环在天然气发动机上的性能开发研究

作者：赵涛湖南大学

学位级别：硕士

天然气汽车作为新能源汽车近年来发展十分迅速,但是天然气发动机目前存在燃烧爆震、热效率低等问题,迫切需要研究更加高效的天然气发动机。米勒循环方式的天然气发动机技术,不仅可以在抑制爆震的前提下提高发动机的压缩比,提高了发动机... 详细信息

天然气汽车作为新能源汽车近年来发展十分迅速,但是天然气发动机目前存在燃烧爆震、热效率低等问题,迫切需要研究更加高效的天然气发动机。米勒循环方式的天然气发动机技术,不仅可以在抑制爆震的前提下提高发动机的压缩比,提高了发动机的热效率,而且能大幅降低了NOx排放,可以满足日益严格的排放法规。本文针对目前国内重型然气发动机的研究现状,采用模拟仿真技术对米勒循环天然气发动机的工作过程进行了研究,并通过试验进行验证。本文做了如下工作:(1)针对目标天然气发动机利用GT-Power软件建立一维仿真模型,并将对比分析在不同转速下的发动机性能和热力学参数、不同气缸的缸压和放热率,结果表明本模型能够与实验很好的吻合。(2)通过对天然气发动机几何压缩比和进气相位的仿真研究,得出这两个参数对天然气发动机性能影响的规律;在保证有效压缩比不变的前提下研究膨胀比对发动机热效率、燃气消耗率等性能影响的规律,并找出实现米勒循环的最佳膨胀比。(3)针对米勒循环动力性下降的问题,研究了进气系统及不同EGR率对发动机性能的影响规律,并优化出合理的米勒循环天然气发动机的基本参数;针对进气门早关和进气门晚关两种米勒循环方案,对比其设计、动力学表现及性能差异;同时通过台架试验验证米勒循环,并对比其与奥托循环的性能差异。(4)通过米勒循环天然气发动机的一维模型模拟分析及样机试验验证,研究发现米勒循环耦合EGR,能有效拓宽爆震边界,提高发动机在中低速下的热效率1-2%,能够明显降低整机热负荷,并且能有效降低NOx排放。米勒循环地应用对提高天然气发动机的整机经济性、可靠性和降低排放都有重大意义。

关键词：天然气发动机米勒循环 GT-Power 压缩比进气相位 EGR率