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什么是新的

会议报告:ASME内燃机秋季会议(ICEF 2020)

2020年11月21日

2020 ASME内燃机秋季技术会议(ICEF) - 计划在丹佛举行,于11月4日至6日,2020年作为虚拟事件举行。该技术计划包括若干主题演讲和邀请的会谈,75篇技术论文分组在七轨覆盖(1)大孔发动机,(2)燃料,(3)先进的燃烧,(4)动力总成和排放系统,(5)燃油喷射并喷雾,(6)数值模拟,和(7)发动机设计和机械发展。

会议以美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的约翰·法雷尔博士的主题演讲拉开序幕,他讨论了交通系统脱碳的挑战。大多数公认的交通脱碳途径,包括NREL的设想,都依赖于生物燃料和可再生电力的混合,主要是风能和太阳能光伏。生物燃料的潜力仍然有限——它们目前只占美国运输燃料的9%(主要是乙醇混合汽油),这远远低于官方目标。另一种低碳能源“可再生电子”可以最有效地用于电动汽车(BEV)的动力。真正的挑战来自“难以电气化”的领域,包括重型卡车、海洋推进和航空。人们设想生物燃料将与NH一起在航空领域发挥作用3.,在海洋发动机。预计许多其他应用将由使用可再生电力称为电燃料或电子燃料制造的合成液体燃料(可能与现有发动机兼容)供电。然而,E-Fuels只是能源载体,而不是能源源,它们的生产是能源密集型的。根据一些估计,电子燃料的成本将比石油燃料高3-5倍。向电子燃料的运输过渡也是一种大规模的项目。例如,在德国条件下,对电子燃料的轻型和重型运输完全转换将需要安装额外的〜40,000 5兆瓦的风力涡轮机,并推动今天的电网容量。总体而言,运输部门脱碳的任务和经济一般是具有挑战性的高度挑战性,而预计的未来有限公司2排放轨迹——假设经济持续增长——并不过于乐观,见图1。

图1。美国能源相关的CO2能源部门的排放-历史和预测(美国能源部EIA AEO2020参考案例)

另一个由Ansys博士博士送达的次要注意事项,讨论了人工智能(AI)和机器学习(ML)在工程仿真和设计软件中越来越多的作用。提出了未来的工程设计愿景,其中AI / ML技术不仅用于学习和参加现有设计,而且还用于学习性能,并使用代理模型来快速评估设计变体。

燃烧

关于燃烧的论文涵盖了一系列概念,包括受控末端气体自动点火,汽油压缩点火和不同的方法点燃预混稀释混合物。

控制终端气体自燃。伍德沃德提供了一个关于他们的更新火焰触发自动点火为重型天然气发动机工作[4963]。在这种方法中,通过火花开始燃烧并作为火焰前进,直到超过50%的电荷消耗。然后剩余的充电然后自动点燃,在体积自动点火过程中非常迅速消耗。以这种方式,12-17 CAD的燃烧持续时间是可能的 - 显着短于传统火焰前燃烧的20-30 CAD。短燃烧持续时间提高了程度定容燃烧并有助于提高热力学效率。为其Gen III版本报告了44%的BMEP,图2.虽然去年报告了更高的BMEPS,但最大42%BTE较低。III族发动机使用15:1压缩比,21%EGR和化学计量混合物。这种效率水平与许多重型柴油发动机相提并论并带来潜力减少效益特化学计量的天然气发动机相对于柴油的最小甲烷排放量为约25%。这类似于HPDI发动机。对于目前的商业化学计量发动机,根据甲烷排放,温室气体益处〜11%以下。III引擎中使用的技术包括无源预腔火花塞,其在高EGR速率和定制活塞形状下提供快速稳定的燃烧,使得能够更完全燃烧和降低的传热损失。主动燃烧控制使用汽缸压力传感器,伍德沃德RT-CDC(实时燃烧诊断和控制)技术和燃烧控制算法,使FT-AI(火焰触发自动点火)能够。BOB体育APP此外,Woodward的Gen III-EGR模块提供了附近零抽水工作所需的冷却EGR水平。耦合到TWC的AFR控制系统使“近零”的甲烷排放和能力达到未来的加州NOx排放。

图2.。化学计量燃烧技术的效率和功率密度

控制端气体自燃的关键要求是能够准确地控制自动点燃的未燃烧混合物的量,同时避免显着的爆震燃烧。科罗拉多州和伍德沃德报告了一种可以使用的一种方法[4964]。该方法调整火花定时以控制称为燃烧强度度量(CIM)的参数。CIM是峰值气缸压力,燃烧持续时间,压力升高率,热释放率上升坡度和敲击强度的加权平均值。周期已解决的控制用于将具有高CIM的循环移动到平均周期,以缩小爆震余量,并允许充分高级的火花正时使最终气体自动点火能够在不经历重敲击的情况下实现最终气体自动点火。发现CIM与自动点火(F-EGAI)引起的分数热释放相比非常好,即自动点火后圆筒中可用的能量百分比。因此,将CIM控制到预定水平将保持F-EGAI恒定,并使发动机保持在传统爆震限制之外的稳定状态,以提高燃烧效率,降低燃烧持续时间,提高功率输出,提高总系统效率。对于本研究中使用的CFR发动机,最高效率在34.1%的F-EGAI和更高的值产生不稳定的燃烧事件,这些事件产生负面影响。在F-EGAI的34.1%水平下,基于0%至100%刻度,通过爆震纹纹方法测定的爆震强度为38.3%,表示光到中息强度的光。在康明斯X15发动机平台上测试这种方法的工作正在进行中。

控制端气体自动点火的另一个方面是需要适应不同的天然气质量。为了解决这个问题,CFD工作是由科罗拉多州立大学进行的,与康明斯一起研究,以研究导致终原气概的燃料发动机相互作用[4973]。据证明,在各种燃料再活化和发动机操作条件下,模型可以预测光,介质和重埃海的爆震发动曲柄角和压力上升速率。这些模型可能用于开发出于不同燃料反应性,发动机操作参数和EGR的Egai控制策略。

GCI。汽油压缩点火接受了相对大量的纸张的重大关注。Aramco和Cummins探讨了在使用GCI燃烧策略上使用GCI燃烧策略(RON为91.4-93.2)的GCI燃烧策略时探索了几何压缩比,可变阀驱动(VVA)和排放之间的关系。燃料康明斯ISX15重型柴油发动机,具有未修改的生产空气处理和燃料系统[4965]。以公路巡航工况为例进行了载荷和速度的测试。采用分段喷射策略实现了两阶段燃烧过程,即温和的部分预混燃烧阶段和主导的混合控制阶段。压缩比为15.7 ~ 18.9时,由于较高的摩擦和泵送损失,对BTE的影响较小,但显著增加了烟气,较低的压缩比促进了部分预混燃烧,从而减少了烟气。在压缩比不变的情况下,增加EGR速率可以减少氮氧化物的排放,但显著的燃料消耗损失和烟雾排放增加表明,进一步开发空气处理系统是有益的。通过模拟研究eevc的效果,发现eevc是延长点火延迟和促进部分预混燃烧的有效手段,结合适当的燃油喷射策略,估计ISFC提高了2.3%。

通过GCI操作的重大挑战是通过燃料喷射策略保持对燃烧过程的控制,使得发动机可以逐个循环地控制。在与轻占用发动机相关的负载下,部分燃料分层(PFS)在燃烧时的定时提供了很少的可控性,而重型燃料分层(HFS)提供过度燃烧正时的线性控制。然而,由于与NOx控制所需的高EGR速率相关联的空气处理负担,实现LTC操作是具有挑战性的。马赛特大学,橡树岭国家实验室和雪佛龙使用HFS策略调查了各种汽油燃料重新激励(辛烷值,从<40到87),以了解燃料效应如何影响GCI操作[4968]。在轻负载(4巴BMEP)中,使用具有<70 ron的汽油和高注射压力(1000 bar)的汽油以45-50%的EGR速率实现LTC。在中等负载(10巴BMEP)中,燃料反应性差异降低,所有燃料都需要非常相似的喷射时间来混合控制的控制燃烧操作。然而,预混热释放的幅度受到燃料反应性的显着影响,汽油燃料产生相对于柴油的烟油排放等于同等的NOx水平。

Argonne和Aramco调查了使用喷雾引导的焕发塞在使用CFD下在低温条件下辅助GCI燃烧[4966]。通过改善燃料蒸发的冷怠速条件下的GCI燃烧增强了GCI燃烧,该燃料蒸发导致靠近发光塞附近的富含混合物,增强燃烧效率。在0°C的环境温度和200 rpm冷启动条件下,发光塞也可以改善冷启动性能。

Argonne和Aramco使用来自先前的参数研究的发现,试图改善注射器设计,以抑制重型柴油喷射器的孔口内的空化,同时使用高挥发性汽油燃料操作[4967]。改进的设计能够防止1000和1500巴里的燃料蒸汽形成,并避免2500巴的超级空化。孔口形状可以对孔内的压力和燃料蒸汽体积分量分布产生强烈影响。

稀释混合物点火。激光点火器已经达到了其开发的一个点,其中它们的尺寸,功率要求和振动和温度抵抗可能允许其对发动机应用的实际用途。然而,将激光引入燃烧室的最终光学元件的污染仍然是导致相对较短的使用寿命的挑战。为了解决这一问题,Argonne国家实验室设计了一种污染污染策略,包括屏蔽,以减少污染气溶胶的冲击频率和改善的热传递,以降低最终光​​学表面的温度,以进一步阻止颗粒粘附[4959]。但是,在自己的这种策略上无法扩展激光点火器的服务间隔,以与标准火花塞(1500小时)相当。分析表明,源自润滑油,Zn3(PO4)2和Ca3(PO4)2的化合物仍然有助于污垢。当使用低灰发动机油时,在1500小时后,98%的透镜透射率仍然保持仍然保持,并且相关的透射率趋势表明激光点火器的使用寿命可以延伸到6000小时。

虽然预室火花塞产生长达点火式喷射(湍流喷射点火或TJI),但由于它们的快速消耗终端气体而导致爆震,检测爆震更具挑战性,因为主腔室内燃烧压力振荡在正常时发生除了基于压力振荡的爆震燃烧 - 常规爆震检测方法以及可能不可靠。Aramco在使用被动预腔火花塞中更详细地研究了这个问题,发现用于敲击循环,随着燃烧进行的,主腔压力振荡的幅度迅速增加[4960]。这种两级压力振荡行为对于TJI燃烧是独一无二的,可以为爆震控制方法构成基础。与Aramco使用模拟进行的被动预腔火花塞相关的其他工作,以研究使用侵蚀性阀门重叠的化学计量汽油发动机中的流量和燃烧特性以及预腔设计变体,以增加内部EGR[4961]

将三种低温等离子体(LTP)点火系统与桑迪亚国家实验室的更常规的电感火花点火系统进行比较,重点是它们能够扩展汽油燃烧的贫额限制[4962]。评估的系统是来自Tenneco的高级电晕点火系统(ACIS),该屏障放电点火器(BDI)也来自Tenneco和来自瞬态等离子体系统的纳秒重复脉冲放电(NRPD)。与电感火花(φ= 0.73)相比,对ACIS(φ= 0.68)和NRPD(φ= 0.65)点火系统延伸稀稳定性极限。对于ACIS系统,与NRPD系统较大的初始内核体积引起的火花点火相比,需要较少的火花延迟,因此认为将扩展能量添加到初始内核中的附加脉冲。这些因素导致这两种系统的初始火焰传播分别将其延伸到贫百分比的两个系统,并将其从32.5%增加到ACIS和NRPD的33.8%和34.5%。然而,在NRPD的有限测试窗口期间未达到贫稳定性极限,这表明可以进一步改进。BDI系统的性能非常接近电感火花系统的性能。

涡轮增压

2018年,WABTEC推出了一项倡议来调查和展示添加剂制造业(AM)技术如何使涡轮增压器受益[4969]。一个目标是识别和展示可通过添加性制造业的设计改进,这可以提供性能,开发时间和成本效益。基于先前的设计而不是迭代,涡轮增压器根据使用添加剂制造的可能性,从清洁片中设计。

激光粉床融合(L-PBF)添加剂制造制造技术与镍合金718(NA718)用于制造单件集成的涡轮机壳体,该壳体壳BOB体育APP体消除了将单独的涡轮机和轴承壳体一起螺栓的需要。该外壳具有内部格子结构,实现材料的22%,同时继续满足刚度要求。涡轮机围绕用于突发遏制的双壁结构消除了对否则将螺栓固定到涡轮机壳体的大量附加部件的需要。

对于涡轮轮,使用NA718的L-PBF也提供了一个具有成本竞争力的、提前时间短的选择,而不是使用五轴数控机床进行实体加工,没有相同的几何限制。为了最小化建筑高度和组件成本,一个过程被开发摩擦焊接4140钢轴NA718车轮。

采用电子束增材制造技术,以钛(Ti-6Al-4V)为原料,研制了压气机轮毂。BOB体育APP与L-PBF相比,电子束AM技术能BOB体育APP够以更极端的角度有效地打印无支撑表面,而且在成本和交货时间方面具有与低产量传统制造方法竞争的潜力。

还制造了使用L-PBF的青铜合金的单件倾斜垫轴承。传统上倾斜焊盘推力轴承是多件。该设计还包括一个特征,该特征将油供应到轴承垫面的前缘,促进液动力膜的开发,并且不能用传统的制造方法执行。

添加剂制造还使一种流体可变涡轮机(FVT)护罩提供,其提供了一种机械变量几何涡轮机的替代方案。利用FVT,通过使用空气喷射来改变涡轮机入口流动特性,以部分地阻挡入口流量而不是枢转叶片。相信与机械枢转叶片涡轮机的等效性能使用单件式设计,没有移动部件。如图3所示,槽位于叶片上,叶片将非常难以使用常规方法制造。

添加剂含量涡轮增压器经过50多小时,能够满足功能性和性能设计靶标,并且在测试期间没有遇到组件故障。整体效率在基线的2%范围内常规制造的涡轮增压器,预计可以通过优化实现额外的3-5%的效率提高。

图3.。射流可变涡轮叶冠

牛津大学(University of Oxford)在一台2.2 L原型柴油机上进行了仿真和实验,研究了内绝缘涡轮壳体对发动机预热、阶段负荷瞬态和WLTC循环过程中排气温度的影响[4970]。在稳定状态下,绝缘涡轮增压器根据发动机转速和负载条件,可以达到5 ~ 14k的涡轮出口温度。在发动机预热试验中,涡轮壳保温后涡轮进出口温度下降4K。通过阶跃加载瞬态试验,在涡轮增压器进出口边界条件相同的情况下,绝热涡轮壳的温度也提高了4 K,增压器转速也提高了2000 rpm。在WLTC循环中,涡轮增压器的平均转速提高了800 rpm,涡轮平均出口温度提高了1.7 K。

发动机效率

Kth皇家理工学院和Wärtsilä开展了一个BOB体育APP高级分析,识别大型钻孔的损失和改善潜力,具有两级涡轮增压的大型钻孔31df四冲程船用发动机系统[4957]。发动机不缩探的特征是:燃烧损失,散热损失和煤气交换损失。燃烧不可逆转占主导地位,占总出境破坏的2/3。由于燃烧不可逆转性损失的总燃料的比例从25%的载荷下降到25%的载荷,在双燃料模式中的载荷为25.3%,29.8%在柴油模式下100%负荷为26.7%。双燃料模式中的较低燃烧不缩义是由更快更均匀的燃烧产生的,这产生了更少的熵并导致了双燃料模式中的燃料转换效率更高。瞬时缸内的圆柱体余额显示,在燃烧阶段的后一部分中,燃料驱逐被摧毁,而不是转换成活塞工作。气体交换不可逆转性占通过主导地位的涡轮增压器损失的系统损失约15-25%。通过高压涡轮增压器的损失在负载范围内的相对恒定的40%的煤气交换损失,而通过低压涡轮增压器的损耗从约25%增加到45%,因为负荷分别从25%增加到100%负荷。通过压缩机的暴力破坏高于两个阶段的涡轮机。散热损失损失占总出境损失的约10%。 The charge coolers present an opportunity to recover about 9% (or 492 kW) of the brake power at full load.

多个注射器概念通过较低壁温度梯度降低压缩点火发动机的热损失,较小的壁区域暴露于热气体,并降低了近壁的速度和湍流。通过在活塞碗的边缘替换具有两个注射器的中央喷射器,在一些低旋涡条件下,可以在一些低旋涡条件下进行高达25%的热量减少。然而,在存在涡流的条件下,多个注射器的效果较小。为了回答这个问题,Abdullah King Endical Chinabiol Compisht Combust Research Center大学的研究人员BOB体育APP对重型柴油发动机的不同旋流比进行了数控CFD研究[4958]。他们发现,虽然旋流增加了热损失和降低的指示效率,但使用多个注射器的使用减少了效率。在给定的旋涡比上,两个喷射器瞄准旋转电荷的喷射器具有最低的热损失。然而,在相同的涡流比中,由于燃烧更快的燃烧,具有相同的喷射器的喷射器具有最高的指示效率。

排放量

来自牛津大学的研究人员和Cambustion.进行曲柄角分辨不,没有2以及由单缸高速灯具柴油发动机的HC测量,在各种发动机速度和带有egr的载荷条件下[4972]。使用快速响应分析仪,包括快速响应CLD对NO,一个新的激光诱导荧光(LIF)快速响应仪器对NO210-90= 2 ms),对未燃烧的hc进行快速FID。每个循环所排放的NOx被发现与该循环的汽缸压力峰值高度相关。NO的变体:NO2通过发动机的排气行程的比例也被观察到,表示NO和NO的气缸分层2。否:否之间的新链接2还报告了单个发动机循环的比例和HC排放 - 结果表明,在排气冲程(排污)的第一部分中有更高水平的未燃烧的HC排放,可能是由喷射器运球或从裂缝中释放的情况下比例的2从该循环中发出增加。观察到所有测试点和无egr的这种效果。

德国小功率级热电联产(<50 kWe)电厂的NOx排放限制更加严格,这提出了稀燃策略可能无法提供足够低的NOx排放的可能性。虽然三效催化剂的化学计量燃烧过程是一种选择,但卡尔斯鲁厄无人机系统(UAS Karlsruhe, TU Braunschweig)证明,稀燃烧结合直接向燃烧室注水是另一种选择[4971]。注水的主要缺点是较长的燃烧持续时间和更高的CO和HC排放。另外,较低的排气温度导致氧化催化剂中HC分子转化的劣化,并降低了CHP系统的热回收效率。

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2021年内燃机秋季会议(ICEF 2021)计划为10月13日至15日,2021年10月13日至15日的虚拟事件。

会议网站:event.asme.org/icef.