对置活塞式二冲程柴油机

对置活塞式二冲程柴油机的工作原理与二冲程发动机的相似，都是在曲轴旋转一周的时间内完成一个工作循环，下面简要说明一下对置活塞式二冲程柴油机中左缸的工作原理。

对置活塞式二冲程柴油机第一行程

外活塞从上止点移至下止点，内活塞从下止点移至上止点。第一行程开始时，扫气口和排气口都已经完全打开。经过增压的空气从进气道和进气口进入气缸，扫除废气。废气经过另一侧的排气口排出。随着外活塞的向内移动进气口先关闭，换气过程进入过后排气阶段，之后内活塞向外移动使排气口也关闭，换气过程结束。气缸的空气开始被压缩。内活塞到达上止点，外活塞到达下止点，压缩过程结束。

对置活塞式二冲程柴油机第二行程

内活塞从上止点移至下止点，外活塞从下止点移至上止点。压缩终了时，布置在气缸套上的喷油器向由内外活塞组成的燃烧室内喷油，并自行着火燃烧。高温高压的燃烧

气体膨胀做功，推动活塞运动。内活塞向内移动控制排气口开启，燃烧完的废气经过排气口排出缸外，此过程为自由排气过程。外活塞也向外移动，进气口开启，新鲜空气经过进气口进入气缸进行扫气。扫气过程一直持续到外活塞向内移动时将进气口关闭为止。

对置活塞式二冲程柴油机换气过程

在膨胀行程后期，排气口打开，对置活塞式二冲程柴油机的换气过程开始，此时缸内已燃气体开始排出。随着曲轴转角的增大，扫气口开启，经过增压的新鲜空气从进气道经扫气口流入气缸，将废气推出，进行充量更换。最后排气口和进气口关闭依次换气过程结束。换气过程中有一阶段进气口和排气口同时打开，此阶段废气的排出和鲜充量的进入是重叠在一起进行的，这一复合换气过程称为扫气过程。根据进排气口开启和关闭时刻，把二冲程发动机的换气过程分为自由排气、扫气和过后充气三个阶段。

(1)自由排气阶段（112°CA-137°CA）自由排气阶段是从排气口开启到扫气口开启，缸内压力高于排气背压，大量的废气自由的流出缸外，大约占70%-80%，所以它是换气过程的一个主要阶段。

(2)扫气阶段（137°CA-254°CA）从扫气口打开到排气口关闭为扫气阶段。这一阶段时进行扫气和排气。经过了自由排气阶段，缸内压力迅速下降，并形成较大的扫气压差，此时扫气口也已打开，流通面积增加，新鲜空气进入气缸将废气扫出缸外。

(3)过后充气阶段（254°CA-269°CA）为了获得额外的新鲜充量，扫气口会在排气口之后关闭。该阶段气缸容积变小，缸内气体受到压缩而压力提高，不利于新鲜充量进入气缸。因此，要达到过后充气的目的，就必须对进气压力进行增压。

1）进排气结构参数优化匹配技术进排气结构参数优化主要是选择合理的进排气口位置、高度，对置活塞式二冲程柴油机主要是通过活塞的运动来控制发动机进排气相位和扫气过程，其结构与传统的发动机不同，没有配气机构。所以进排气口的位置、高度影响着发动机的进排气相位，是影响发动机性能的关键因素。进排气口高度对发动机性能的影响拥有各自的特点，所以需要通过进排气口高度与活塞运动规律匹配研究优化发动机性能。

2）直、涡流分层进气及缸内气流组织技术

对置活塞式二冲程柴油机的进气口环形布置在气缸套上，分为直流排和涡流排，因此其进气方式为直、涡流分层进气。涡流层沿着气缸圆周切线方向，且与气缸轴线成一倾斜角度，其作用是在缸内产生一定的气流轴向运动，促使燃油混合，而直流层有利于增加进气量，提高扫气效率。所以直、涡流分层进气过程直接影响燃烧工作过程的好坏，从而影响发动机的整体性能，因此需要对直、涡流分层进气以及它对缸内扫气过程的影响进行研究。

与传统柴油机不同

对置气缸对置活塞(OPOC)二冲程柴油机，图2为OPOC发动机单个模块的基本结构图。OPOC发动机的每个模块都有一对对置的气缸，每个气缸有两个对置活塞。两个活塞通过一长一短两个连杆与曲轴相连,两个气缸分置曲轴两侧,这样大大缩小了发动机的长度和体积。双对置柴油机的这种结构形式决定了其燃烧组织形式不同于传统柴油机。

1）不同于传统柴油机，OPOC柴油机一个气缸内有内、外两个活塞，其缸内容积变化规律由内、外活塞运动共同作用

2）不同于传统柴油机，OPOC柴油机的喷油器在气缸套侧壁上。

3）OPOC发动机的燃烧室是由内外两个活塞共同组成的，其形状对气缸内流动状态和对冲的喷油方式有很大影响。

4）与传统柴油机相比，该发动机没有气缸盖，使发动机结构大大简化，重量减轻，紧凑而高效。

5）没有配气机构，进排气口布置在气缸套两端。OPOC发动机没有配气机构，它是通过活塞控制这些气口的开闭来实现换气。对置活塞式二冲程柴油机最重要的特征之一就是其不对称的单向流动扫气过程。为了达到不对称换气正时，排气活塞开闭排气口总比进气活塞开闭进气口早22度的曲轴转角。为了达到这种不对称的换气相位，使用了错拐曲轴，这样在进排气活塞曲柄之间就有一个22度相位角。

对置活塞式二冲程柴油机主要有以下优点：

1）整体结构较简单，总体重量轻，比较紧凑；

2）功率密度高。二冲程发动机在相同的转速下的功率输出是四冲程的 2 倍。采用双对置结构的发动机可以使活塞的相对线速度提高一倍，因此在相同的转速下，OPOC 发动机有四冲程发动机 4 倍的功率输出。

3）直流扫气。其进、排气口环形分布在气缸两端，由活塞控制进、排气口的启闭。增压后的新鲜空气从环形布置的扫气口进入气缸，就会绕气缸轴线旋转形成一个气活塞，这有利于扫除废气，避免新鲜充量与废气掺混。同时，扫气口沿整个气缸环形布置增大了气口流通面积，这样为了减少冲程损失，就可以缩短气口的高度。

4）不对称的进排气相位。控制进排气口启闭的内外活塞的曲柄有 22°的夹角，保证排气口在进气口之前开、闭，实现了不对称的进排气相位，有利于换气过程。

5）良好的自平衡特性。由于它的结构对称布置，内外活塞、长短连杆的独特结构把内外活塞爆发压力、惯性力等都作用于同一根曲轴上，因而具有较好的自平衡特性。

6）动力单元模块化组合。

对置式压缩机 6aclc-to-back tylx }amapressnr一种活塞 具有j匕用连杆和框架f宇头 的对置式压缩巩示意图 式压缩机。气缸中心线与地面 平行，气缸置于机身V}J侧，相对 两列的曲柄错角不等于1}00}即 相对列的活塞部件并不对称运 动。在多列时能取得良好的动 力平衡性能，但总不及对称平衡 型，故使用很少。其中具有共用连杆和框架十字头的型式多 为超高压压缩机采用。

在气流床气化炉中, 属于多喷嘴对撞喷入式的炉型主要有E - Gas, Shell, Prenflo, TPR I和多喷嘴对置式气化炉, 其中Prenflo, Shell和TPR I采用干煤粉进料。

Prenflo炉与Shell炉均是K - T炉的加压气化形式, 工艺流程中的磨煤与干燥、粉煤加压与进料、气化与煤气冷却、除渣、干法除尘、湿法洗涤等系统基本相同, 均为废锅流程, 采用大量的冷煤气对高温煤气进行急冷, 气化炉和煤气冷却器均采用水冷壁和螺旋盘管换热器的结构, 二者的气化炉反应区基本相同, 其区别主要表现在: ① Prenflo炉采用横向布置的盘管式水冷壁, 而Shell炉采用纵向布置的膜式水冷壁; ② 二者的煤气冷却器结构不同, 煤气冷却流动路线不同, 在废锅设置上,Shell炉在经过导气管后的侧面设置废锅, 而Prenflo炉气化工艺中废锅设置在顶部。

对于TPR I炉, 与其他下置多喷嘴对撞喷入式气化炉不同的是, 其采用两段式炉膛结构, 下炉膛是第一反应区, 为一个两端窄中间宽的腔体, 其侧壁上对称布置2个或4个用于输入煤粉、水和氧气的喷嘴, 喷入煤粉质量分数80% ～85%的混合物;上炉膛是第二反应区, 高度较长, 侧壁上布置对称的2个煤粉和水的喷嘴, 喷入煤粉质量分数15%～20%的混合物。

以下采用Shell炉为例说明下置多喷嘴对撞喷入式气化炉的炉内流场与物料的温度特性。Shell炉应用撞击流原理, 将干煤粉与氧气通过同一水平面上4只对称布置的烧嘴喷入炉内, 两股等量的气固两相流同轴相向射流撞击, 形成具有高度湍动的撞击区和高度湍动区, 在惯性力作用下, 固相颗粒穿过撞击面渗入反向流, 使干煤粉与氧气在气化炉内实现混合并进行部分氧化反应, 生成的粗合成气和熔渣一起向下进入气化炉激冷室激冷和分离。

采用激光多普勒动态粒子分析仪研究了冷态下受限容器中多喷嘴对置射流的流动特征, 将Shell炉内的流动过程分为5个区域, 即射流区、撞击区、撞击扩展流区、回流区和管流区。气固两相流从喷嘴高速喷出后将周围流体卷吸带向下游流动形成射流区; 当4个对置的喷嘴射流交汇后, 在交汇中心区域形成相向射流的剧烈撞击区。该区域流体间的剪切作用力大, 速度脉冲强, 湍流强度大; 经过撞击混合后具有较高静压的流体迅速改变流动方向, 沿着气化炉的轴线方向运动, 形成向上和向下的两股撞击扩展流区。由于这两股流体相对速度较高, 具有射流性质, 对周边流体仍有卷吸作用, 使得该区域的宽度沿径向逐渐扩展, 轴向速度沿径向逐渐减小, 沿轴向达到一个最大值后也逐渐衰减; 四股射流与两股撞击流股周边均出现回流区, 回流是受限射流产生流体间相互混合的流动特征之一, 起到强化混合的作用; 在气化室上部, 流体的轴向速度沿径向分布基本保持不变的区域称为管流区。

与GSP炉相类似, Shell炉内流场也可按反应特征分为射流燃烧区、管流气化区和回流燃烧气化共存区。射流燃烧区包括射流区、撞击区及撞击扩展流区的一部分, 在该区域进行的是挥发分析出和燃烧以及焦炭燃烧, 并伴有射流卷吸的CO 和H2的燃烧反应, 这些放热反应导致该区域为炉内高温区; 管流气化区包括管流区和撞击扩展区的一部分, 进行的是C和CH4等气化反应和逆变换反应,这类吸热反应导致该区域温度相对稍低; 在回流共存区, 射流卷吸作用和湍流扩散使回流区、射流区和撞击流扩展区发生质量交换, 其中以卷吸为主,但因湍流的随机性, 也将有个别氧气微团经湍流扩散作用而进入回流区中。因此在回流区中既有燃烧反应, 亦有气化反应, 但以气化反应为主。

气固两相在Shell炉内的温度变化趋势与GSP炉内不同, 在射流区内, 喷入炉内的气相(水蒸气和氧气) 在挥发分的燃烧和生成烟气的稀释加热作用下, 温度急剧直线上升, 到达撞击区时,由于焦炭的燃烧放热反应使得其温度进一步提升,并达到最高温度, 也使得该区域为炉内最高温度区; 随后进入撞击扩展流区、回流区和管流区发生气化吸热反应, 并与焦炭- 灰渣发生热交换, 炉顶出口煤气温度降低, 减少了后续冷却单元; 由于煤粉颗粒表面热阻较大, 温升较慢, 在煤粉颗粒- 焦炭- 灰渣的转换过程中, 温度稳步上升, 在随气相上升至炉内最高轨迹点时, 温度达到最高, 在随后的下降过程中, 其温度基本维持不变, 直至下段的出渣口。

然而, 下置多喷嘴对撞喷入式气化炉也存在一些不足之处: ①在细长形的圆筒内采用径向喷嘴直接对冲, 从各喷嘴喷出的物料还未能充分发展即相互碰撞, 并发生激烈的燃烧放热反应, 使得炉内高温区集中在这一水平面上, 炉内温度梯度较大。②射流直接碰撞产生了向下和向上两股撞击流股, 向下的撞击流股沿径向的迅速扩张阻碍了喷嘴射流对周围高温烟气的卷吸作用, 回流区过小,延迟了射流区内煤粉着火燃烧的进程。③喷嘴的直接对冲并不能保证所有煤粉颗粒都在撞击区内相互碰撞而衰减, 必有一部分直接冲向对侧喷嘴, 对喷嘴周围水冷壁的使用寿命造成极大的威胁, 如果气化炉温度稍低, 就可能在喷嘴周围乃至喷嘴上结渣, 从而影响喷嘴的使用寿命和性能。④向下的撞击流股有部分直接冲向气化炉底部出口, 形成“短路”现象。⑤受撞击作用的影响, 单个喷嘴的容量不能太大, 否则撞击效果减弱, 这样单台气化炉的负荷受到限制, 不可能达到太大。⑥负荷对气化效果的影响明显, 气化炉对负荷调节的适应性相对较差。⑦ Shell炉和Prenflo炉均为一段式干煤粉进料的气化装置, 为了保证液态排渣顺利进行,炉底温度必须在其灰熔点以上。为了让高温煤气中的熔融态灰渣凝固以免使煤气冷却器堵塞, 不得不采用大量的冷煤气对高温煤气进行急冷, 方可使其由1 400 ℃冷却到900 ℃, 其热量损失较大, 气化炉的碳转化率、冷煤气效率和总热效率等指标也比较低, 并且由于煤气流量较大, 造成煤气冷却器、除尘和水洗涤装置的尺寸过大 。