超低排放内燃兰金循环发动机燃烧技术研究

内燃兰金循环采用氧气代替空气作为助燃剂参与燃烧，其尾气仅为二氧化碳和水蒸气的混合气，可通过冷凝的方式以较低的成本将二者分离，随后对二氧化碳进行回收，可实现采用化石燃料的超低排放循环。此外，为控制缸内温度以及补充做功工质，在上止点附近向缸内喷入循环水。循环水在喷入缸内之前经热交换器由尾气以及发动机冷却液加热，将一部分废热能量带回到缸内，实现了废热的回收，增加循环的热效率。 本项目基于KIVA-3V软件搭建了ICRC发动机多维燃烧模型，并基于此模型对ICRC循环进行了优化研究，获得了ICRC发动机燃烧优化方案。在此基础上对一台单缸风冷四冲程摩托车发动机进行改造，研制搭建了ICRC发动机原理样机，实现ICRC原理样机的功能示范运行。 本项目分别利用GDI喷嘴以及柴油喷嘴作为喷水器，在ICRC原理样机上进行了试验研究。结果表明，通过在上止点附近向缸内喷入高温水可以控制燃烧相位及缸内温度，同时，水的汽化膨胀将使得缸内压力升高进而拓宽施工图上的有效面积，增加指示功输出，进而提高发动机的热效率。GDI喷嘴由于雾化特性较差，降低了循环水的汽化速度，限制了其做功潜力；而柴油喷嘴雾化特性较好，快速的汽化过程在降低了水对于火焰传播过程的负面影响，同时在上止点附近形成更多的水蒸气，将循环热效率进一步提高。 基于ICRC原理样机台架分别进行了发动机负荷、发动机点火时刻、喷水时刻、喷水温度、喷水量等因素对ICRC循环的影响。试验结果表明，喷水温度以及喷水时刻的缸内温度是控制ICRC循环的核心控制因素。较高的喷水温度代表更高的废热回收效率，同时加快液滴的汽化速率，从而降低喷水过程对火焰传播所造成的负面影响；而较高的缸内温度可以在加速液滴汽化速率的同时，增加蒸气的平均加热温度，从而增加水蒸气的做功能力。 基于前述试验结果，对前人关于ICRC循环热力学计算模型进行了改进。计算结果表明，ICRC循环热效率提升的主要原因在于喷水过程增加了缸内的做功工质，从而提高了缸内工质将燃料燃烧所放出的热量转换为有用功的效率。而由于水的不可压缩性，其作为工质以一定压力在上止点附近被喷入缸内所需的泵功小于传统循环的压缩负功。当喷水温度为160℃时，ICRC循环的理论热效率可以达到65%以上。 综上，项目研究结果对超低排放ICRC内燃机新燃烧技术具有重要的理论价值，对ICRC发动机的未来产业化应用具有重要的实际意义。 2100433B

在未来较长一段时间内，化石燃料还将得到广泛使用。在越来越严格的排放法规背景下，实现化石燃料在内燃机中的高效超低排放燃烧特别是减少温室气体二氧化碳排放是内燃机研究领域一个研究热点和巨大挑战。本项目提出了一种利用内燃兰金循环ICRC实现发动机超低排放的新燃烧技术，通过开展ICRC发动机燃料-氧气-再循环工质FOR燃烧实际循环优化研究，揭示燃烧实际循环的核心影响因素，获得ICRC发动机燃烧优化方案；研制搭建ICRC发动机原理样机，实现ICRC原理样机的功能示范运行，揭示关键运行参数对ICRC发动机性能影响的规律。项目所开展的面向产品发动机实现ICRC原理样机的研究工作是一次全新尝试。项目研究结果对超低排放ICRC内燃机新燃烧技术有重要的理论价值，对ICRC发动机的未来产业化应用具有重要的实际意义，在节能和降低排放尤其是温室气体减排方面具有重要的社会和经济效益。

通常根据内燃机所使用的燃料、混合气形成方式、缸内燃烧过程（加热方式）等特点，把火花点火发动机的实际循环简化为等容加热循环，把压燃式柴油机的实际循环简化为混合加热循环或等压加热循环，这些循环称为内燃机的理论循环。

根据不同的假设和研究目的，可以形成不同的理论循环，如图片1a、b和c所示为四冲程内燃机的理想气体理论循环的p-V示功图。为建立这些内燃机的理论循环，需对内燃机的实际循环中大量存在的湍流耗散、温度压力和成分的不均匀性以及摩擦、传热、燃烧、节流和工质泄漏等一系列不可逆损失作必要的简化和假设，归纳起来有：

（1）忽略发动机进排气过程，将实际的开口循环简化为闭口循环。

（2）将燃烧过程简化为等容、等压或混合加热过程，将排气过程简化为等容放热过程。

（3）把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵可逆过程，忽略工质与外界的热量交换及其泄漏等的影响。

（4）以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环牛工质物理及化学性质保持不变，比热容为常数。