小型发动机作为底循环蒸汽机内燃机

抽象的

内燃机的热恢复底层已经开辟了新的途径，用于研究小型蒸汽扩展器（Stobart和Weerasinghe，2006）。小型蒸汽扩展器的可靠数据将使我们将其作为底部循环发动机的适用性预测和通过将它们作为底部循环所实现的燃料经济性。本文基于小规模Wankel和双程往复式发动机的实验结果，作为空气扩展器和蒸汽扩展器。用于测量的Sussex的测试设施包括扭矩，功率和速度测量，阀的电子致动，同步数据采集的压力，以及用于蒸汽和内燃循环的发动机的温度和蒸汽的温度。结果是为四种发动机模式提供的，即循环蒸汽膨胀模式和空气膨胀模式和蒸汽膨胀模式的空气膨胀模式和旋转瓦克尔发动机的往复发动机。空中测试将为摩擦和驾驶效果提供基础数据，而蒸汽测试将讲述发动机在此模式中的有效性。功率，扭矩和对比图，确定从空气膨胀方式到蒸汽膨胀方式的性能变化。

1.介绍和动机

根据运行温度范围和预期效率，寻找一个合适的底部循环来回收从内燃机中回收的低等级热量。热电热回收提供了一种相对清洁、不复杂的选择，但效率非常低。另一方面，蒸汽已经被证明在热回收循环中具有良好的效率范围。托马斯·纽科门的大气发动机，今天被称为纽科门发动机，是第一个利用蒸汽动力进行机械工作的实用设备。詹姆斯瓦特进一步发展了它，蒸汽往复式发动机已经使用了200年[1］．在内燃机和电动机的出现时，使用蒸汽发动机的使用减少。然而，蒸汽机仍然用于各种工程应用中，特别是在发电行业中。小型蒸汽膨胀发动机有限使用[2];这通常是因为也需要蒸汽发生系统，这使得它们不经济。已经尝试使用蒸汽扩展器作为汽车的主要发电厂[3.];然而，目前的工作是基于小型蒸汽机作为底循环膨胀器。这方面的研究还不多。特别是，目前还没有关于这些发动机性能的数据。这项工作旨在为小型蒸汽机的发展提供一个平台，可用于底部循环的热膨胀器。有各种各样的选择作为蒸汽膨胀器，例如，叶片转子和微型涡轮机。然而，往复式膨胀机和汪克尔发动机作为小型发动机是很容易得到的，可以转换成蒸汽膨胀机。研究中发动机的范围受到了尺寸和功率的限制，这些尺寸和功率可以安装在测试设备上，即台式测功机。从本质上说，狂怒已经被限制到少于20cc的汽缸容量。表中列出了本研究中使用的两种发动机的主要参数1．

1.1。兰宁周期

蒸汽机一般按兰金热力学循环运行。兰金循环(4.已广泛用于素搬运工和底部循环扩展器。往复式的朗肯循环已用于机车，船舶和静止发动机。旋转扩板，主要是蒸汽轮机，用于发电。旋转发动机的使用受到最佳操作范围的限制，与往复式发动机提供的宽范围相比。本研究中使用的蒸汽扩展器的使用主要是作为直接耦合发动机，可与内燃机同步操作。往复发动机提​​供与IC发动机相似的扭矩功率特性。另一个主要优点是可以将小型发动机转换成蒸汽扩展器的可用性。

1.1.1。带往复膨胀器的朗金循环

往复朗金循环如图所示1是由以下步骤解释:（1-2）在蒸汽胸部压力下蒸汽入场。（2-3）蒸汽膨胀，直到排气口开放。（3-4'）吹蒸汽以冷凝压力。（4-5）蒸汽排气，直到排气口关闭。（5-1）压缩汽缸留在汽缸中。

循环的功和热可以通过求比焓得到， 在哪里指图中的步骤1．循环的理论工作是给出的提供的热量是．效率是由 与热量相比，泵工作忽略了。与热量相比，往复蒸汽扩展器是最常见的扩展器类型，以其高扭矩和操作简单而闻名。这些主要用作海洋和旧机车素推动器。大型蒸汽机可实现的速度有限。往复式扩展器可以进行uniflow和反流装置[1］．然而，阀门布置与反流装置变得更复杂[5.］．往复式发动机被认为更容易实现Wankel发动机[6.］．

1.1.2。旋转蒸汽发动机

蒸汽轮机是有效的设备，但操作范围是有限的，因此不太适合汽车应用。涡轮机循环的主要吸引力是操作的高总体效率。然而，操作的灵活性超过了效率因素，使往复朗肯循环更加实用。另外，迎合往复循环的波动扭矩和速度条件的能力使其成为汽车应用的优选装置。然而，如果在涡轮机中产生的能量被转换成电并用于驱动电动机，它会导致混合型车辆的实用解决方案[7.］．

中间溶液是Wankel旋转膨胀机[8.］．Wankel发动机提供涡轮机循环和往复式发动机的灵活性的一些优点[9.，10］．微wankel发动机可以用改进的制造技术制造[11］．人们曾尝试正确模拟汪克尔发动机的运行[12]，但目前的应用是使用蒸汽作为工作流体，没有内燃。数字2显示理论朗肯循环和朗肯循环的压力体积图。

1．2．废热回收

兰宁周期的主要吸引力[13]是它在废热回收系统中的应用[12］．在发电方面，朗肯涡轮由废热回收产生的蒸汽驱动。在废热回收系统中很少使用往复式发动机。另一方面，旋转蒸汽机在小规模应用中的使用并不常见。兰金循环在低等级热源(如蒸汽)上运行的能力使其有吸引力地应用于底部循环[14］．在朗肯循环中应用的膨胀器主要有两种类型:第一种是速度型，如轴流式和径向流式;另一种是容积式膨胀机，如涡旋膨胀机、螺杆膨胀机、活塞膨胀机、旋叶片膨胀机等。15］．这些扩展器从底部循环中提供蒸汽储存器，提供热量恢复[16，17］．

2.实验设置

实验装置由一个测力计、一个由LabVIEW软件控制的数据采集系统、一个蒸汽/空气供应装置和一个冷凝器组成。传感器输入通过多通道数据采集卡馈送到系统。数字3.显示系统的组件以及它们是如何链接的。

2.1。测力计

小型发动机的测试具有便携性、较少的仪器、低空间成本和灵活性等优点。然而，没有现成的测功装置来测试小型发动机。因此，如图所示的小型测功装置4.必须开发用于安装用于测试的小型发动机。测功机来自模型制造商的车床，并且在必要时修改驱动系以吸收电力和电动机。发动机输出轴与车床轴线安装。扭矩换能器布置连接发动机输出轴和车床轴。400 W DC电机驱动轴上也可以吸收功率的主轴。驱动轴的末端安装在脉冲编码器上，脉冲编码器产生三个脉冲流，即（i）每转（PPR）脉冲（PPR），（II）每转的脉冲-90°（方向指示器），和（III）脉冲曲柄角度（PCD）。

使用的发动机是OS(日本)生产的改良型业余发动机。以下是所使用引擎的数据。

作为蒸汽膨胀器使用时，必须对进排气口进行改造，以引入和排出蒸汽。发动机机头经过改装以适应蒸汽连接。

数字4.说明了蒸汽吸入和排气连接和阀门的配置原理图。图中显示了端口控制和蒸汽进出的配置。除了旋转发动机有两个进气门和两个排气门之外，其布置与旋转发动机相同。旋转发动机阀门的开启和关闭无需电子控制。

２.２.蒸汽扩展器

蒸汽膨胀机有往复式和旋转式两种形式。本文对单流往复式膨胀机和回转式汪克尔发动机进行了试验。

2.2.1。往复蒸汽机

已经改变了双行程内燃机以通过电动架空阀容纳蒸汽进入。为此目的进行了修改了汽车燃料喷射阀。蒸汽通过电动入口阀进入，通过BDC的端口排出。蒸汽入学的时间对于推进至关重要。将气门正时设定为3°BTDC，并为入口阀保持100°。在BDC之前，排气通过6毫米长的25 mm宽端口。

2.2.2。二冲程往复式发动机的气门布置

通过数据采集卡，每次旋转脉冲（PPR）和每个曲柄角度（PCD）从光学编码器使用两个脉冲流。PPR脉冲与活塞的顶部死点对齐。LabVIEW软件控制阀门的驱动并采样存储的数据使用PCD脉冲作为时钟滴度和PPR脉冲作为输出脉冲的触发器。阀致动的定时与PCD脉冲同步，并且是可变的。

2.2.3。Wankel蒸汽机

采用改进型小型内燃机汪克尔作为蒸汽膨胀机。通过汪克尔发动机的流动是单流的，连续产生的扭矩可与转子每循环三次膨胀。这文献中不可用Wankel Rankine循环图。但是，图9.示出了抵抗曲柄角的压力图，因为更适合于图表。一个5厘米^3.模型Wankel发动机已被修改为作为Wankel蒸汽扩展器运行。有两个入口和两个排气口。他们被改变以获得最佳性能。入口端口位于发动机的原始线20°，并且排气阀已更换为如图所示的侧面排气装置5.．

２.３.仪器和测量

当合适时，发动机供应空气或蒸汽，并且通过电子方式控制流体流速。测量以分别为7巴的两种压力和15巴的空气和蒸汽。压力，温度，扭矩，速度和脉冲信号通过国家仪器（NI）数据采集卡送入计算机。与尺度的通信通过RS232连接进行。所有数据采集和控制都使用LabVIEW软件执行。采样由光学编码器的每个曲柄角度（PCD）脉冲触发。

2.3.1。压力

通过压电压力传感器对发动机进气、发动机出口、气缸内部、再热器进气、再热器出口进行压力测量。

2.3.2。温度

采用发动机入口，发动机出口，发动机插座，再热进口和再热器出口的温度类型热电偶。

2.3.3。扭矩和速度

通过内联扭矩换能器获得扭矩和速度，从这些读取功率获得

2.3.4。质量流率

来自发动机的冷凝物在电子秤上的血管中收集。增量的重量与时间产生质量流量。

2.3.5。蒸汽质量

分析耗尽蒸汽的蒸汽质量所需的新设备设置。出发动机出来的蒸汽是潮湿的，因此，单独的压力和温度不会给出蒸汽条件。再热器部分安装在排气管上，使蒸汽带到一种过热的条件，其单独的压力和温度能够提供蒸汽状态。数字6.显示温度和压力出线点及图7.显示蒸汽质量分析仪。

压力和温度传感器被放置在SQA (ri)的输入点和SQA (re)的出口点。这些读数用于获得比焓在蒸汽桌上。然后，是（谁）给的 在哪里水的质量及时收集了吗T.．6为再热器段使用的记录电压和电流。该系统最重要的测量是进口、出口和发动机内部的压力和温度。这些测量可以用来确定蒸汽的进口和出口条件，从而形成能量平衡。

2.3.6。发动机效率

发动机的效率可以通过发动机的热输入值和发动机产生的功率来计算。

3.发动机测试结果

数据10和13显示发动机不同进气压力下的功率曲线。最佳供应压力在30巴左右，这已被之前的普拉萨德证实[7.］．压力超过这个范围将会有一个负面影响，这可以通过对水的莫里埃图的详细分析来解释。30巴以上压力下的饱和蒸汽比30巴压力下的蒸汽储存的焓要少。已经进行了峰值对峰值压力的测量，数据参照供应压力为零。在考虑了偏移量后，这些读数被绘制出来，反映出绝对值。

3.1。在Wankel发动机上的空气测试

空气测试数据采集rpm值为100、200、300、500、700、900、1100、1300、1500、1700、2000和2300。汪克尔发动机空气试验的压力-体积图如图所示9.7-bar空气。压力与曲柄角的关系如图所示8.．当供应压力低时，发生大量的电动机，并通过负压来说明图表。

空气测试数据分别为200、300、500、900、1300和1700 rpm值。

3.2。Wankel发动机上的蒸汽测试

蒸汽测试分别在10bar和15bar的供应压力下进行。15 bar的结果显示在这里，15 bar是数据记录时的最高压力，如图所示11和12．使用工业锅炉的压力调节蒸汽供应进行测试。蒸汽试验的压力特性的主要观察是膨胀的影响。

3.3。往复式发动机上的空气和蒸汽测试

测量了往复式发动机中蒸汽在10巴时的膨胀。数据仅在200转至800转时获得。这被认为是适当的，因为发动机预期运行的速度低于IC发动机。形状如图所示的理论图所示，图表显着符合如图所示14．具体的电源和扭矩特性如图所示1510点酒吧。

功率扭矩图也相当令人印象深刻，是预期的形状，除了读数在400转/分钟。然而，一般的行为是预期的。

桌子2总结了空气和蒸汽测试获得的结果。这里未显示空气测试图，因为它们仅用于验证目的。

3.4。结果分析

这呈现了旋转和悬浮往复式发动机的空气和蒸汽膨胀图。这汪克尔膨胀器的特性如图所示9.和12．用于WANKEL发动机的曲柄角图的压力显示出低速下蒸汽的透明膨胀。扩展效果具有更高的速度。这是由相同的扭矩曲线更好地解释的。开发的扭矩以较低的速度高。这种行为的明确原因是蒸汽扩展的时间[18］．蒸汽的膨胀比空气的膨胀高得多，能量的释放清晰可见。空气的最大功率曲线给出了最大在1000 rpm左右，而这对于蒸汽是在400 rpm左右。这说明空气膨胀率较高。从发动机出来的蒸汽是湿的，这意味着在膨胀过程中会发生相变。相变过程比空气的直接膨胀要慢。然而，当这些被用作底部循环时，需要有一个约10:1的减速比来与内燃机并行运行。这是因为蒸汽膨胀机的最佳运行转速在100 ~ 250转之间，而IC发动机的最佳运行转速在2000转左右。

蒸汽的缓慢运行并没有使它成为底部循环膨胀介质的不利选择。它允许蒸汽的积累，并以较慢的速度消耗。一旦适当的齿轮，这应该提供足够的推动扭矩通过传动系统。

除了从测试中获得的结果，在测试期间突出了某些问题。蒸汽的质量对于发动机的长时间操作至关重要[19］．因此，闭环系统优先于开放循环。蒸汽入口阀设计在将蒸汽注入汽缸中至关重要。至少对于与蒸汽接触的部件，机械装置可能更鲁棒。小发动机可能遭受它们的较小，使得发动机的耐力低。预计将获得从那些发动机获得更好的耐力。

当所有模拟和测试数据都适用于发动机时，可以进行适当的缩放。

4.结论和未来的工作

已经进行了性能测量，以预测小型发动机作为蒸汽膨胀机的适用性。发动机已改装以适应蒸汽膨胀。蒸汽的工作转速范围比内燃机低得多。这阻止了我们进行直接比较。空气试验为膨胀机提供了一组比较的数据。比较两种发动机的最大功率和扭矩数据，可以明显地看出，汪克尔发动机作为扩张器提供了更好的设备。

本工作的主要目的是测量兰金蒸汽循环作为热回收底循环的适用性，并比较往复式发动机和汪克尔发动机两种发动机的性能。小型发动机显示的功率和扭矩特性使它们非常适合用于目的。该工作包括开发完整的兰金底化周期，包括控制。这包括热回收系统和热控制的内燃机和蒸汽循环。为了检验蒸汽机的寿命，需要对蒸汽机进行耐久性试验[3.，20.］．目前正在进行单独的工作以发展控制战略和技术。

为测量发动机性能而研制的缩尺测功机为缩尺模型试验提供了一种非常有用的工具。获得的扭矩和功率曲线可以为全尺寸发动机放大。

二冲程发动机配气正时是影响发动机性能的一个敏感因素。小引擎不允许我们有很大的灵活性来改变这一点。只有时间可以改变与电子触发。在全尺寸发动机中，可以采用更大的气门，并有空间进行更精细的调整。

测试揭示了一些改进的领域。发动机的可靠性可能是一个主要问题。使用闭合循环可以使用提高可靠性的蒸汽油。在开放循环中，这成为一个排放问题，因为它将被释放到大气中。

利用小型发动机确定发动机特性，为中型蒸汽机的设计提供了依据。一旦有了一套完整的数据，这个发现就可以通过模拟得到支持。作者打算做进一步的测试在一个更大的发动机与热回收系统连接到一个内燃机。

4.1。发动机模拟

结果可与一维发动机模拟结果进行比较。可以得到空气膨胀的值和最佳工作点。目前没有模拟结果。不过，这里没有介绍的初步比较表明，这些测量结果可以通过模拟得到支持。这些结果表明，蒸汽膨胀器，即使在小规模，是热回收底部循环的合适设备。如上所述的一套完整的模拟可以用于扩大商业引擎应用的调查结果。在小型发动机中，发动机的驱动效果和摩擦的百分比是很高的。然而，它们提供了证明有效统计的概念。

的利益冲突

提交人声明有关本文的出版物没有利益冲突。

致谢

作者想对EPSRC资助这项工作表示感谢[批准号:no。GR/T19810/01]， R. K. Stobart教授，首席研究员，英国苏塞克斯大学的Ian Wallis和Barry Jackson，以及英国Spirax Sarco有限公司提供的蒸汽设备和支持。

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