二冲程隔热低速机的隔热特性及性能研究

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发动机所导致的温室气体和有害物排放以及化石燃料紧缺已成为全球性问题。减少污染物排放的同时进一步提高发动机热效率已成为研究人员追求的目标。其中,隔热技术能够大幅度降低发动机传热损失,进而提高发动机热效率和后处理系统效率,成为研究热点。目前的隔热研究主要集中在四冲程发动机上,而对于二冲程低速机隔热研究极少。二冲程低速机占化石燃料消耗的很大比重,通过隔热技术降低其油耗,具有重要意义。本文以某二冲程船用低速机为主要研究对象,采用模拟计算的方法,对二冲程隔热低速机的隔热特性和性能进行了探究,主要工作如下:(1)采用GT-Power和FLUENT软件模拟计算,探究了涂层参数(导热率、体积比热和涂层厚度)对二冲程低速机隔热特性(隔热率、负热通量比、进气加热量比和进气传热量比)的影响规律,以及各涂层参数调控下的隔热特性参数之间的变化关系。研究表明:隔热率与负热通量比、进气加热量比和进气传热量比之间均存在“回马枪”规律。以隔热率与负热通量比为例:其他参数一定时,随着体积比热的增加,隔热率不断降低,负热通量比先增加后降低;其他参数一定时,当体积比热低于某临界值时,随着涂层厚度的增加,隔热率不断增加,负热通量比先降低后增加。负热通量比和进气加热量比呈高度线性正相关关系。二冲程低速机100%负荷工况下的影响系数k=1.25,故用进气加热量比表征进气加热情况更加准确。高速高负荷工况决定涂层厚度最大值。建议二冲程低速机不超过300μm,四冲程高速机不超过150μm。(2)通过比较一维传热模型和三维发动机模型计算下的隔热特性参数,探究了一维传热模型和三维发动机模型的关系。两者的隔热率都随涂层厚度的增加而提高,进气加热量比随厚度的增加先降低后增加。可见,一维传热模型和三维发动机模型的隔热特性参数变化规律基本一致,两种模型具有较强的相关性,也一定程度上互相反映了模型的准确性。(3)采用CONVERGE软件,通过三维模拟计算分析了不同隔热方案(隔热部位、涂层材料和涂层厚度)对二冲程低速机性能的影响。研究表明,隔热可以提高二冲程低速机的指示热效率,降低Soot、HC等排放,也均会增加NOX排放。针对缸盖、活塞和气门组合隔热,在50-300μm的涂层厚度计算范围内,完全理想涂层使二冲程低速机的指示热效率相对提升1.25-3.02%;热摆涂层使二冲程低速机的指示热效率相对提升0.64-1.28%;传统涂层使二冲程低速机的指示热效率相对提升0.10-0.64%。因此,在二冲程低速机上应用隔热技术,需采用低导热率和低体积比热的涂层材料。(4)一维传热和三维发动机模拟结果都表明:无论是从提高隔热率和降低进气加热程度来改善发动机性能,还是从利用隔热降低基体温度来保护基体材料的角度上讲,均需开发低导热率和低体积比热的涂层材料。通过降低导热率和体积比热,可增加所采用的涂层厚度,并且获得更好的发动机性能提升效果。采用200μm的热摆涂层,可使二冲程低速机的指示热效率相对提升约1.28%,Soot降低80.0%,HC降低79.68%,CO降低98.77%,NOX增加11.0%。采用300μm的完全理想涂层,可使二冲程低速机的指示热效率相对提升约3.02%,Soot降低91.3%,HC降低61.8%,CO降低97.3%,,NOX增加13.9%。后续通过调整发动机配置,可以进一步发挥其潜力。由此可见,隔热技术在二冲程低速机上有较好的应用前景。
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