JC 《燃烧 2090 - 1976 2090 - 1968 Hindawi 10.1155 / 2017/1742138 1742138 研究文章 小型发动机作为内燃机的触底循环蒸汽扩展器 http://orcid.org/0000 - 0002 - 6385 - 448 x Weerasinghe Rohitha 1 Hounsham 桑德拉 1 的命运 保罗 工程部门 设计和数学 英格兰的西部大学 Coldharbour巷 布里斯托尔BS16 1 qy 英国 uwe.ac.uk 2017年 31日 5 2017年 2017年 16 01 2017年 04 04 2017年 20. 04 2017年 31日 5 2017年 2017年 版权©2017 Rohitha Weerasinghe和桑德拉Hounsham。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

热回收周期触底的内燃机研究开辟了新的途径成小蒸汽扩展器(斯托巴特和Weerasinghe, 2006)。可靠的数据为小型蒸汽扩展器将使我们能够预测他们的适用性触底循环发动机和燃油经济性通过使用周期触底。本文是基于实验的结果进行小规模汪克尔和二冲程往复发动机空气扩展器和蒸汽扩展器。在苏塞克斯测试设备开发用于测量由一个力矩,力量和速度测量,电子驱动的阀门、同步数据采集的压力和温度的蒸汽,蒸汽和内燃发动机的内部循环。结果提出了四个引擎模式,即往复式发动机在单向流蒸汽扩张模式和空气扩张模式和旋转汪克尔发动机在蒸汽扩张模式和空气扩张模式。空气摩擦测试将提供基础数据和汽车的影响而蒸汽测试会告诉如何在这种模式下有效的发动机。结果对权力、转矩和 p - - - - - - V 图进行比较,以确定性能的变化从空气扩张模式蒸汽扩张模式。

 EPSRC GR / T19810/01 1。介绍和动机

找到一个合适的触底复苏周期的低品位热能回收内燃机是基于操作温度范围和预期的效率。热电热回收提供了一个相对清洁的那么复杂的选择,但效率很低。蒸汽另一方面已被证明在热回收周期和一个像样的工作效率。托马斯·纽科门的大气引擎,今天被称为纽科门引擎,是第一个实用的装置,利用蒸汽的力量产生机械功。詹姆斯·瓦特进一步发达,蒸汽往复式发动机已经应用了过去200年( 1]。蒸汽机的使用已经减少了在内燃机的出现和电动马达。然而,蒸汽机仍被用于各种工程应用,尤其是在发电行业。小型蒸汽膨胀引擎在有限使用 2];这通常是由于蒸汽发电系统还需要使他们不合算。有尝试使用蒸汽扩展器作为汽车的主要电厂( 3];然而目前的工作是根据蒸汽小引擎触底循环扩展器。没有在这方面的研究。尤其是,没有数据可用这些引擎的性能。这项工作的目的是提供一个平台发展的小型蒸汽引擎,可以用作触底循环热扩展器。蒸汽扩展器有各种选项,例如,叶片转子和微型涡轮。然而,往复式扩展器和汪克尔引擎是现成的小引擎,可以转化成蒸汽扩展器。引擎的研究范围是有限的大小和力量,可以安装在试验装置,一个桌面测力计。从本质上讲,愤怒已经限制为少于20 cc汽缸容积。的两个引擎的主要参数在表列出研究中使用 1。

发动机数据。

引擎 四冲程往复式发动机 转子活塞发动机
模型 操作系统32 SX OS 49π
生(毫米) 19.5 N /一个
中风(毫米) 17.5 N /一个
容量(cc) 5.23 4.97
压缩比 10:1 7:1(约)
1.1。兰金循环

蒸汽机通常倾向于兰金热力循环。兰金循环( 4)已经广泛应用于原动力和触底循环扩展器。往复式兰金循环已经被用于机车、船舶、和静止的引擎。汽轮机,扶轮扩展器,主要用于发电。旋转发动机的使用限制了最优的操作范围相比,它提供了广泛的往复式发动机。使用蒸汽的膨胀机用于本研究目的主要是直接耦合的引擎,可以同步内燃机。往复式发动机提供类似的IC引擎扭矩能力特征。另一个主要优点是小引擎的可用性,可以转化成蒸汽扩展器。

1.1.1。郎肯循环往复扩张器

往复式兰金循环如图 1用下面的步骤:

(1 - 2)承认蒸汽在蒸汽室的压力。

(2 - 3)扩大蒸汽直到排气口打开。

(3 - 4′)吹扫蒸汽冷凝器的压力。

(4 - 5)排气蒸汽直到排气口关闭。

(5 - 1)压缩缸的蒸汽离开。

郎肯循环往复扩张器 P - - - - - - V 图。

可以找到的功和热循环通过获取特定的焓变 h n ,在那里 n 指的是在图的步骤 1。的周期的理论工作 h 2 - - - - - - h 3 热是由提供 h 2 - - - - - - h 1 。的效率 (1) η = h 2 - - - - - - h 3 h 2 - - - - - - h 1 。 泵的工作被忽视,因为它的热量相比很小。往复式蒸汽扩展器是最常见的一种扩展器,以转矩高,操作简单。这些大多是用作海洋和旧机车原动力。速度可实现从大型蒸汽机是有限的。与往复式扩展器(单流式和反向安排是可能的 1]。然而,阀门与余温安排(安排变得更复杂 5]。往复式发动机被认为是更容易实现比汪克尔发动机( 6]。

 1.1.2。扶轮蒸汽机

汽轮机是有效的设备,但操作的范围是有限的,因此不太适合汽车应用。汽轮机循环的主要吸引力是整体经营效率高。然而操作超过效率因素的灵活性,使往复兰金循环更实用。此外,能够迎合往复周期的脉动转矩和速度条件使其成为汽车应用程序的首选设备。然而,如果发电机转换成电能能源开发和用于驱动电动汽车混合动力汽车(它导致一个实际的解决方案 7]。

一个中间的解决方案是转子活塞膨胀机( 8]。汪克尔发动机涡轮的提供了一些优势周期和往复式发动机的灵活性( 9, 10]。Micro-Wankel引擎可以用改进制造工艺制作的 11]。尝试了正确模仿汪克尔发动机的操作( 12),但当前应用程序没有内燃机使用蒸汽作为工作流体。图 2显示了理论兰金循环和压力体积兰金循环图。

一个简单的兰金循环和汪克尔兰金扩张器 P - - - - - - V 图。

 1.2。废热回收

郎肯循环的主要景点( 13)今天是其适用性在废热回收系统( 12]。在发电、兰金涡轮机通过废热回收是由蒸汽驱动的生成。使用往复式发动机废热回收系统很少。另一方面,在小规模的应用程序中使用扶轮蒸汽机并不常见。郎肯循环的操作能力等低品位热源蒸汽使其吸引力采用触底循环( 14]。有两种主要的类型的扩展器应用于郎肯循环的应用程序有两种类型:第一种是速度型,如轴涡轮机和径流涡轮;另一种是容积式类型,如滚动扩展器,螺旋扩展器,活塞扩展器,旋转叶片扩展器( 15]。这些扩展器满足蒸汽热源的热回收在触底循环 16, 17]。

 2。实验装置

实验装置由一个测力计,数据采集系统由虚拟仪器控制软件、蒸汽/空气供给,和一个电容器单元。传感器输入是美联储通过多通道数据采集卡系统。图 3显示系统的组件和它们是如何联系在一起。

实验设置。

 2.1。在测功器

小规模的测试引擎提供便携性的优势,更少的仪表,空间成本低、灵活性。但是没有现成的小型发动机测功器设置用于测试。因此,小规模的测功器设备在图 4必须开发山小引擎进行测试。测功器是源自一个模型制造商的车床传动系是吸收功率和电机在必要时修改。发动机输出轴安装车床轴内联。转矩传感器布置连接发动机输出轴和车床轴。400 W的直流电机驱动主轴,还可以吸收力量。结束的驱动轴是安装在一个脉冲编码器生成三个脉冲流,即每革命(i)脉冲(ppr),(2)脉冲/革命−90°(定向指标),和(3)脉冲曲柄角度(pcd)。

气缸排列的示意图。

所使用的引擎被修改模型爱好引擎制造的操作系统(日本)。以下数据是可用的引擎使用。

使用蒸汽扩展器,水湾和尾气要修改的引进和排汽。引擎被修改以适应蒸汽连接。

图 4显示了一个示意图的蒸汽感应和排气阀门连接和配置。这张照片显示的配置端口控制和蒸汽。旋转发动机的安排是一样的除了一个事实,即旋转引擎有两个入口阀和两个排气阀。旋转发动机阀门的开启和关闭没有电子控制。

 2.2。蒸汽扩展器

蒸汽可用扩展器往复的形式扩展器和扶轮扩展器。在现在的环境下单流式活塞膨胀机和旋转汪克尔发动机测试。

2.2.1。往复式蒸汽机

二冲程内燃机已经被修改,以适应进汽阀通过一个电动开销。汽车燃油喷射阀已被修改为目的。通过一个电动蒸汽进入进气阀和尾气通过端口下死点。进汽的时机对推进至关重要。气门正时是设置为3°BTDC进气阀和保存100°。排气发生之前通过一个6毫米长25毫米宽的端口下死点。

 2.2.2。二冲程往复发动机阀安排

利用两个脉冲流的光学编码器的数据采集卡,每革命(ppr)的脉冲,脉冲每曲柄角度(pcd)。ppr的脉冲与活塞的上死点。虚拟仪器软件控制阀门的驱动和样本的数据存储使用pcd脉冲的时钟滴答作响,ppr脉冲触发输出脉冲。阀门的时机与纤毛运动同步脉冲,是可变的。

 2.2.3。汪克尔蒸汽机

修改后的小型内燃机汪克尔发动机作为蒸汽膨胀机。流过汪克尔引擎是单向流动的,连续的一代的扭矩是可用的和三个扩张/转子的循环。的 P - - - - - - v 图的汪克尔兰金循环不可用。然而,图 9显示了一个压力情节吸引对曲柄角,比一个更合适的 P - - - - - - v 图。一个5厘米3模型汪克尔引擎被修改作为汪克尔蒸汽膨胀机运行。有两个入口端口和两个排气端口。他们改变了获得最优性能。进气口在20°到原始的发动机和排气阀门已经改为侧排气装置如图 5。

与往复式发动机测功器安装; P =压力传感器; T =热电偶。

 2.3。仪器和测量

提供的发动机空气或蒸汽和液体流量是电子控制的。在两组测量压力空气和蒸汽的7条和15条,分别。压力、温度、扭矩、速度和脉冲信号是美联储通过国家仪器(NI)的数据采集卡的计算机。与尺度发生通过RS232通信连接。所有的数据采集和控制执行使用虚拟仪器软件。引发的抽样脉冲每曲柄角度(pcd)光学编码器的脉冲。

2.3.1。压力

发动机进气压力测量获得,发动机出口,汽缸,再热器入口,再热器出口通过压电式压力传感器。

 2.3.2。温度

在发动机进气温度、发动机出口、内部引擎,再热器入口,再热器出口获得使用 K 类型热电偶。

 2.3.3。转矩和速度

转矩和速度得到了通过内联转矩传感器,从这些数据是由力量 (2) P = 2 π N T 。

2.3.4。质量流率

引擎的冷凝液收集在一艘电子天平。体重增量与时间给出了质量流率。

 2.3.5。蒸汽质量

精疲力竭的蒸汽的蒸汽质量的分析需要一个新设备的设置。蒸汽的引擎是湿的,因此,不会给蒸汽的压力和温度条件。再热器部分是安装在排气管,使过热的蒸汽压力和温度的条件仅能够给蒸汽的状态。图 6显示分接点的温度和压力和图 7显示了蒸汽质量分析器。

汪克尔发动机; P =压力传感器; T =热电偶。

蒸汽质量分析仪(SQA)。

压力和温度传感器放置在SQA的输入(ri)和SQA的出口点(re)。阅读是用来获得比焓 h r e 在从蒸汽表。然后, h r 我 是由 (3) h r e - - - - - - h r 我 = V 我 t 米 , 在哪里 米 是水的质量及时收集吗 t。 六世是使用的电压和电流记录再热器部分。最重要的测量系统的压力和温度是进口,出口,里面的引擎。这些测量可用于确定蒸汽的进口和出口条件,因此开发一个能量平衡。

 2.3.6。引擎效率

发动机的效率与热输入值可以计算电力开发的引擎。

 3所示。发动机测试结果

数据 10和 13显示的功率曲线为不同入口压力引擎。最佳供应压力是约30条已经证实了先前的普拉萨德( 7]。压力高于这个范围会产生消极的影响由魔草的仔细分析解释图。饱和蒸汽压力超过30条商店不如蒸汽焓30条。峰间的测量压力和数据被称为针对供应压力为零。阅读后绘制考虑偏移量和反映的绝对价值。

3.1。空气在汪克尔发动机测试

空气测试数据收购rpm值100,200,300,500,700,900,1100,1300,1500,1700,2000,2300。压力容积图汪克尔发动机空气测试图 97-bar空气。pressure-crank角关系如图 8。当供应压力很低,大量的汽车发生和负面压力所示 P - - - - - - v 图。

汪克尔发动机7-bar空气测试,曲柄角与压力。

汪克尔发动机7-bar空气测试, p - - - - - - V 图。

汪克尔发动机功率和扭矩7-bar空气。

空气测试数据收购rpm值200,300,500,900,1300,1700。

 3.2。蒸汽在汪克尔发动机测试

蒸汽测试是在条10供应压力和15-bar供应压力。15-bar结果显示在这里15条数据记录的最高压力数据 11和 12。测试是用一个压力调节蒸汽供应工业锅炉。主要观察蒸汽的压力特性测试的预期是扩张的影响。

汪克尔发动机15-bar蒸汽测试,曲柄角与压力。

汪克尔发动机15-bar蒸汽测试, p - - - - - - V 图。

条10汪克尔发动机功率和扭矩和15-bar蒸汽。

 3.3。在往复式空气和蒸汽测试引擎

在测量蒸汽的扩张在10条往复式发动机。获得的数据只在200转到800转。这被认为是适当的引擎将运行在一个较低的速度比内燃发动机。的形状 P - - - - - - v 图明显符合理论图如图 14。具体的功率和扭矩特性如图 1510点酒吧。

P - - - - - - v 图,往复式发动机,条10蒸汽,电磁入口阀。

具体的功率和扭矩,往复式发动机,条10蒸汽。

功率扭矩图也是相当令人印象深刻的和预期的形状除了400 rpm的读数。然而,一般按预期行为。

表 2总结了空气和蒸汽的测试结果。空气测试图所示是他们做的不仅仅是用于验证。

发动机的性能比较。

汪克尔发动机 往复式发动机
最大功率(空气) 1400 W /公斤 2800 W /公斤
最大扭矩(空气) 0.80纳米 0.38纳米
最大功率(蒸汽) 5550 W /公斤 2600 W /公斤
最大扭矩(蒸汽) 11.65纳米 0.45纳米
3.4。分析的结果

的 P - - - - - - V 图对空气和蒸汽在扶轮的扩张和单流式往复式发动机。的 p - - - - - - V 转子活塞膨胀机的特征数据所示 9和 12。汪克尔发动机的压力对曲柄角图显示了蒸汽在低速的明显扩张。扩张的效果和更高的速度减少。这是更好地解释为转矩曲线相同。开发的转矩高速度低。明确原因行为是由蒸汽的时间扩大( 18]。蒸汽的扩张远远高于空气和能量释放是清晰可见。空气的最大功率曲线给出了最大在1000转左右,而这对蒸汽在400 rpm。这表明空气膨胀率就越高。蒸汽引擎被湿的意味着有一个扩张过程中的相变。相变过程是慢于空气的直接膨胀。然而,当这些被用作触底周期必须减速比约10:1运行与一个内燃机。这是由于这样的事实:最佳操作rpm愤怒的蒸汽扩展器位于100年至250年,而IC引擎运行最优约2000 rpm。

缓慢操作蒸汽并不意味着这是一个相对冷门的候选人作为触底循环扩张中。它允许蒸汽建立了以较慢的速度。一旦正确的应该提供足够的提高传动系的扭矩。

除了测试的结果,某些问题在测试过程中十分突出。蒸汽的质量是至关重要的长期运行引擎[ 19]。一个封闭的循环系统是因此更倾向于一个开放的循环。进汽阀的设计是至关重要的在注入蒸汽进入汽缸。机械设备可能更健壮,至少在部分接触蒸汽。小引擎可能遭受他们太小,所以发动机的耐力很低。预计获得更好的耐力与引擎。

可以做适当扩展当所有的模拟和测试数据可用于发动机。

 4所示。结论和未来的工作

性能测量的适用性进行了预测小引擎蒸汽扩展器。蒸汽引擎被修改以适合扩张。蒸汽的运转速度范围远低于内燃机。这样可以防止我们直接比较。空气测试提供了一个扩展器比较多组数据。比较两个发动机的最大功率和扭矩数据很明显,汪克尔引擎提供了更好的设备作为一个扩张器。

这项工作的主要目的是测量的适用性兰金循环蒸汽作为热回收周期触底并比较两种发动机的性能,往复式发动机和汪克尔引擎。小型发动机的功率和扭矩特性显示使它们非常适合目的。工作包括完成兰金触底循环包括控制的发展。这包括IC的热回收系统和热控制引擎和蒸汽循环。耐力测试需要做蒸汽发动机开发检查长寿( 3, 20.]。单独的工作正在做开发的控制策略和技术。

开发的按比例缩小测力计测量发动机的性能提供了一个按比例缩小的模型测试的非常有用的工具。获得的扭矩和功率曲线,可以扩大为全尺寸发动机。

二冲程发动机的气门正时的发动机的性能是一个敏感的因素。小型发动机不允许大量的灵活性来改变这一切。只有时间可以改变电子触发。在一个全尺寸发动机,可以使用更大的阀门,将会有更好的空间调整。

测试发现了一些需要改进的方面。发动机的可靠性可能是一个主要问题。使用蒸汽油改善可靠性是可能的一个封闭的循环。在一个开放的循环这成为一个排放的问题,因为它将被释放到大气中。

使用小型引擎来确定发动机特性提供了一个中等规模的蒸汽引擎设计的基础。这一发现可以通过模拟一次完整备份的数据是可用的。作者打算做进一步的测试在一个更大的发动机热回收系统连接到一个内燃机。

4.1。发动机模拟

结果可以比较结果从1 d发动机仿真结果。值可以获得空气膨胀和一个可获得最优操作点。没有给出了仿真结果。然而,没有给出初始比较表明,测量可以由模拟。这些结果表明,蒸汽扩展器,即使是小规模的,是适合热回收周期触底的设备。全套模拟如上所述的研究结果可以用于扩大商业引擎的应用程序。汽车效应和摩擦是后面高的小型发动机作为一个百分比。然而,它们提供了概念证明有效的统计数据。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

作者想扩展他们的感激EPSRC的资助(批准号工作GR / T19810/01], r·k·斯托巴特教授,首席研究员,苏塞克斯大学的伊恩•沃利斯和巴里·杰克逊的支持进行研究,和Spirax石棺有限公司,英国提供蒸汽设备和支持。

 西蒙 p·w·B。 金翅雀 a·J。 蒸汽机车如何真的有效吗 2000年 牛津大学出版社 费拉拉 G。 Manfrida G。 Pescioni 一个。 国内的小型蒸汽引擎模型对可再生CHP(热电联产)系统 能源 2013年 58 78年 85年 2 - s2.0 - 84881087346 10.1016 / j.energy.2013.03.035 Jakuba 年代。 McGeehan j . A。 组件开发汽车往复式蒸汽扩展器 SAE Prepr 1975年 SAE技术论文 朱 年代。 邓 K。 曲 年代。 能量和火用分析触底郎肯循环的发动机排气热回收 能源 2013年 58 448年 457年 2 - s2.0 - 84881101213 10.1016 / j.energy.2013.06.031 Badami M。 不均匀 M。 初步设计和控制策略的一个小规模的木材废料兰金循环(RC)往复式蒸汽机(SE) 能源 2009年 34 9 1315年 1324年 2 - s2.0 - 68349144711 10.1016 / j.energy.2009.04.031 Bidini G。 Manuali 一个。 给我们温暖 年代。 电厂由woodwaste往复式蒸汽机 国际能源研究杂志》上 1998年 22 3 237年 248年 2 - s2.0 - 0032029184 10.1002 / (SICI) 1099 - 114 x (19980310) 22:3 < 237:: AID-ER384 > 3.0.CO; 2 r 普拉萨德 美国B。 蒸汽机的特征和理论性能 能量转换和管理 1993年 34 12 1323年 1333年 10.1016 / 0196 - 8904 (93)90129 - x 2 - s2.0 - 0027782717 布朗 g。 Bowlus d . A。 旋转活塞式膨胀机引擎 第11届ICECEC学报》上 1976年 1187年 1191年 德尔 O。 奈克 年代。 奥卡拉汉 p W。 不分伯仲 s D。 膨胀机低功率输出蒸汽兰金循环发动机 应用能源 1991年 39 2 93年 116年 10.1016 / 0306 - 2619 (91)90024 - r 2 - s2.0 - 0025898322 韦德 j . D。 汤普金斯 r·M。 布朗 g。 Silvestri g . J。 扶轮扩展器引擎测试和分析 进行的18 IECEC 1983年 636年 641年 李 c . H。 江 k . C。 金 P。 普里 p D。 使用MEMS微汪克尔发动机的设计和制造技术 微电子工程 2004年 73 - 74 529年 534年 2 - s2.0 - 2542447654 10.1016 / j.mee.2004.03.030 10.1016 / s0167 - 9317 (04) 00206 - 0 对此 l Baibikov V。 古特曼 M。 Veinblat M。 赖夫 J。 模拟汪克尔发动机活塞式发动机的性能使用商业软件 SAE技术论文 2012年 4 10.4271 / 2012-32-0098 2 - s2.0 - 84881196754 傅 B。 李 Y。 谢长廷 J。 实验调查的250千瓦汽轮机为低品位废热回收有机郎肯循环系统 国际绿色能源杂志》上 2016年 13 14 1442年 1450年 10.1080 / 15435075.2016.1212353 斯托巴特 R。 Weerasinghe R。 热回收和触底周期SI和CI迅速发展的视角 SAE技术论文 2006年 0662年 10.4271 / 2006-01-0662 2 - s2.0 - 84877176816 邱 G。 刘 H。 Riffat 年代。 扩展器micro-CHP系统和有机郎肯循环 应用热工程 2011年 31日 16 3301年 3307年 2 - s2.0 - 80052024032 10.1016 / j.applthermaleng.2011.06.008 贝利 f·J。 储能饱和贮液器的混合动力汽车 诉讼IMechE汽车部门的南部中心会议总汽车技术挑战现有的思考 2001年9月 斯托巴特 R。 Hounsham 年代。 Weerasinghe R。 可控性的蒸汽热回收系统的车辆 SAE国际,世界大会 2007年 0270年 10.4271 / 2007-01-0270 2 - s2.0 - 84877396203 Weerasinghe w·m . s . R。 斯托巴特 r·K。 Hounsham s M。 热效率高输出改善柴油发动机与turbo-compounding郎肯循环的比较 应用热工程 2010年 30. 14日至15日 2253年 2256年 2 - s2.0 - 77955468124 10.1016 / j.applthermaleng.2010.04.028 Dolz V。 中篇小说 R。 加西亚 一个。 桑切斯 J。 高清柴油机配备了触底兰金循环废热回收系统。第1部分:研究和分析热能的浪费 应用热工程 2012年 36 1 269年 278年 10.1016 / j.applthermaleng.2011.10.025 2 - s2.0 - 84856286392 Nuvolari 一个。 Verspagen B。 冯Tunzelmann N。 在英国早期蒸汽机的扩散,1700 - 1800:重新评价 Cliometrica 2011年 5 3 291年 321年 10.1007 / s11698 - 011 - 0063 - 6 2 - s2.0 - 80052032590