一种适用于增压氢内燃机的压气机选型方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于增压氢内燃机的压气机选型方法，通过给定的目标值和发动机的基本参数，考虑到常规发动机进入气缸的燃料为液态，不产生分压，而氢内燃机以氢气为燃料，进入气缸之后，气体燃料会产生分压，考虑气体燃料产生的分压对压气机压比计算的影响，由此，本发明计算氢气和空气在气缸中的分压，作为气缸中的总压，进而计算压气机的压比；另外，根据压气机出口处的温度的经验值，在合理范围内选定若干压气机出口温度，得到压比后，再通过热力学方程得到压气机出口温度的理论值，将压气机出口温度选定的经验值近似等于理论值时得到的压比作为最后结果，如此实现对增压之后温度的修正，得到更加精确的结果。
【专利说明】
-种适用于増压氨内燃机的压气机选型方法
技术领域
[0001] 本发明属于增压氨内燃机技术领域，具体设及一种增压氨内燃机的压气机的选型 方法。
【背景技术】
[0002] 排放法规的日益严苛和溫室效应的恶劣影响，使得清洁的、可持续再生的替代燃 料越来越受到关注。尤其，随着化石燃料的日趋减少，能源问题更是被广泛的关注。氨气作 为21世纪的清洁能源，其完全燃烧的产物是水，没有传统石油燃料所产生的C0、HC和碳烟等 污染物，其唯一的排放物为燃烧高溫下氧气和氮气所产生的氮氧化物。运使得作为结合新 能源W及传统内燃机技术优势的氨内燃机，正在受到越来越多人的关注。
[0003] 氨内燃机的燃料供给采用的是气态燃料，进入缸内燃烧的是氨气和空气的混合 气，运就使得氨内燃机的进气量降低，进而输出的有效功率要比同排量的汽油机低。同时， 氨气和空气混合气的燃烧溫度要远高于汽油机，运就使得氨内燃机的氮氧化物排放要远高 于汽油机。为了解决运个矛盾，氨内燃机的研究工作向两个方向发展:直喷和增压。直喷式 的氨内燃机其成本和复杂性，使得其应用受到的限制。运就使得进气道式的增压氨内燃机 的研究变得更加迫切和重要。
[0004] 对于增压汽油机的增压器选型，只需要根据目标功率和给定的排量等条件就可W 估算出压气机所需要的流量和压比，进而通过选型得到适合的增压器型号，或者根据流量 和压比，设计所需要的压气机和满轮。但是，对于增压氨内燃机来说，由于进入气缸的混合 气包含气态的氨气，运就使得进入到气缸的空气量减少。所W，对于增压氨内燃机来说，相 同工况下，其压气机的流量要小于同排量、同工况下汽油机的压气机流量。所W，对于增压 氨内燃机的增压器要重新进行选型或者设计。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种增压氨气发动机的压气机的选型方法，通过 计算增压氨内燃机缸内的氨气和空气分压，结合设定的目标功率，得出压气机的压比和流 量，实现为增压氨内燃机精确的选型压气机。
[0006] -种增压氨内燃机的压气机的选型方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1、利用氨燃料内燃机的相关技术参数，计算增压氨内燃机所需压气机的氨气 流量Mh:
[000引
[1-
[0009] 式中，祀为氨气的热值;Tlet为有效热效率;Pe为目标功率；
[0010] 步骤2、根据给定的浓度A，计算得到所需的空气流量Mc:
[0011]
巧]
[0012] 式中，Lo为每千克氨气完全燃烧时，理论上所需的空气量;A为达到目标功率时的 混合气浓度；
[0013] 步骤3、利用气体状态方程和质量方程计算出氨气在气缸中的分压PH，由公式[3] 和公式[4]得：
[3]
[0014]
[0015] [4-
[0016] 巧甲，T刃沖巧糸数;Iiv为充气系数;Vh为气缸的容积;n为发动机的额定转速;PH、 PH、Th,姑分别为氨气在气缸中的密度、分压、溫度和氨气气体常数；
[0017] 同理，由公式[引计算出气缸中空气的分压PC:
[0018]
[5-
[0019] 式中，Rc和PC分别为气缸中的空气气体常数和分压;Tc为压气机出口处的溫度；
[0020] 步骤4、计算出气缸中的总压P总：
[0021] P总=pH+pc [6]
[0022] 步骤5、根据气缸中的总压和沿程损失计算出压气机出口的压力PCI:
[0023] PCi = P总+A P [7]
[0024] 式中，Ap为气体经过压气机出口到进入气缸过程中的沿程损失；
[0025] 步骤6、利用压气机的定义，计算出压气机的压比化：
[0026] Pa = Pi- A Pi [8]
[0027] 巧-
[002引 Pa户」班縱M器后压气机进口处的空气压力；[0029] 击驢7 -巧/A井n !否Iirsi仲入/A井rcn由-聰巧俱m.
[0030] [10-
[0031] 简化得到公式[11]:
[0032] jic = K2Tc+Ki [U]
[0033] 利用热力学方程，计算压气机出口溫度的理论值To:
[0034] To = JTc(K-I)Zk [12]
[0035] 式中，K为压气机的平均多变指数；
[0036] 步骤8、根据经验，在压气机出口处的溫度Tc的合理取值范围内任意选取一个溫度 Tc值，代入到公式[11]中，得到压比后，再代入到公式[12]中，得到压气机出口处的溫度的 理论值To,比较压气机出口处的溫度的计算值Tc与To,当两者之差在允许误差范围内时，此 时的溫度Tc即为选定的压气机出口处的溫度，代入公式[11]中得到的压比为最终选定的压 气机的压比，实现压气机选型。
[0037] 本发明具有如下有益效果：
[0038] 本发明的目的是要提出一种适用于增压氨内燃机的压气机选型方法，通过给定的 目标值和发动机的基本参数，考虑到常规发动机进入气缸的燃料为液态，不产生分压，而氨 内燃机W氨气为燃料，进入气缸之后，气体燃料会产生分压，考虑气体燃料产生的分压对压 气机压比计算的影响，由此，本发明计算氨气和空气在气缸中的分压，作为气缸中的总压， 进而计算压气机的压比；另外，根据压气机出口处的溫度的经验值，在合理范围内选定若干 压气机出口溫度，得到压比后，再通过热力学方程得到压气机出口溫度的理论值，将压气机 出口溫度选定的经验值近似等于理论值时得到的压比作为最后结果，如此实现对增压之后 溫度的修正，得到更加精确的结果。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明的增压氨内燃机的压气机选型流程图。
[0040] 图2为本发明在不同目标功率下，假定的增压之后的进气溫度Tc和计算得到的压 气机出口溫度To关系图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0042] 压气机的选型，最重要的两个指标就是压气机的流量和压比。对于增压氨内燃机 来说，燃料和空气都是W气体的状态存在于气缸内，在计算压气机的空气流量时，要考虑氨 气在气缸中的分压影响。同时，要考虑增压之后的空气溫度对于进气流量的影响，W及对气 缸内压力的影响，运就需要引进修正方法。所W，在为增压氨内燃机选型的时候，一方面要 考虑氨气的分压影响，同时要引进有足够精度的修正方法，保证得到的压气机的流量和压 比尽可能的准确。
[0043] 本发明种适用于增压氨内燃机的压气机选型方法，如图1所示，其主要的步骤包 括：（1)计算增压氨内燃机所需压气机的空气流量Me和氨气流量Mh; (2)根据氨气及空气的流 量和假定的一系列增压之后的进气溫度Tc,计算氨气和空气在气缸中的分压，分别为PH和 PC; (3)根据气缸中的总压计算压气机的压比化；（4)根据得到的压比，反推在空气在经过压 气机压缩之后的溫度To，当运个溫度和进入气缸的空气溫度Tc相同时，得到的压比即匹配压 比，具体包括如下步骤：
[0044] 步骤1、计算增压氨内燃机所需压气机的氨气流量Mh,利用氨燃料内燃机的相关技 术参数，由公式[1]计算：
[0045]
[1-
[0046] 式中，Mh为氨气流量，kg/s;血为氨气的热值，J/kg;Tiet为有效热效率;Pe为目标功 率。
[0047] 步骤2、根据给定的浓度A，可W通过公式[2]计算得到所需的空气流量Mc:
[004引
[2_
[0049]式中，Mc为空气流量，kg/s;Lo为每千克氨气完全燃烧时，理论上所需的空气量;入为 达到目标功率时的混合气浓度。
[0050] 步骤3、利用气体状态方程和质量方程可W计算出氨气在气缸中的分压PH，由公式
[3]和公式「41得： 巧]
[0051]
[00 对 [4_
[0053] 式中，T为冲程系数，对于四冲程发动机，T = 2;riv为充气系数;化为气缸的容积，Mn 为发动机的额定转速，r/min; ph、ph、Th ,Rh分别为氨气在气缸中的密度、分压、溫度和氨气气 体常数，单位分别为kg/m3、化、K和J/化g ? K)。
[0054] 同理，可W由[引计算出气缸中空气的分压PC:
[0055]
[日-
[00?] 式中，Rc和PC分别为气缸中的空气气体常数和分压，kg/m3、jAkg ? K)和化;Tc为压 气机出口处的溫度，K。
[0057]步骤4、由公式[6]可W计算出气缸中的总压P总：
[0化引 P总=pH+pc [6]
[0059] 式中，P总为气缸中的氨气与空气压力之和，Pa。
[0060] 步骤5、根据气缸中的总压和沿程损失可W计算出压气机出口的压力PCI,由公式 [7]计算得：
[0061] PQ = P总+A P [7]
[0062] 式中，PCi为压气机的出口压力，Pa; Ap为气体经过压气机出口到进入气缸过程中 的沿程损失，Pa。
[0063] 步骤6、利用压气机的定义，可W由公式[引和[9]计算出压气机的压比化：
[0064] Pa = Pi- A Pi [8]
[0065]
构-
[0066] JIG为压气机的压比；Pa为经滤清器后，压气机进口处的空气压力，它与环境压力Pi 有Api的差别，表征的是从空气滤清器到压气机进口处的沿程损失。
[0067] 步骤7、把公式[1巧Ij[引带入公式[9]中，整理得出：
[006引 [10-
[0069] 可W简化得到公式[11]:
[0070] jtc = K2Tc+Ki [11]
[0071] 利用热力学方程，计算压气机出口溫度的理论值，由公式[12]计算得：
[007^ To = JTc(K-I)Zk [12]
[0073 ]式中，K为压气机的平均多变指数;To为压气机出口溫度理论值，K。
[0074] 步骤8、根据经验，在压气机出口处的溫度Tc的合理取值范围内任意选取一个溫度 Tc值，代入到公式[11]中，得到压比后，再代入到公式[12]中，得到压气机出口处的溫度的 理论值To,比较压气机出口处的溫度的计算值Tc与To,当两者之差在允许误差范围内时，此 时的溫度Tc即为选定的压气机出口处的溫度，代入公式[11]中得到的压比为最终选定的压 气机的压比，实现压气机选型。如图2所示，实线Pel至Pe4为不同目标功率下的压气机出口处 的溫度Tc,虚线为得到的压气机出口处的溫度理论值To,实线与虚线交点处即为溫度Tc即为 选定的压气机出口处的溫度。
[0075] 综上所述，W上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种增压氢内燃机的压气机的选型方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1、利用氢燃料内燃机的相关技术参数，计算增压氢内燃机所需压气机的氢气流量 Μη：[1] 式中，Ημ为氢气的热值;为有效热效率;Pe为目标功率； 步骤2、根据给定的浓度λ，计算得到所需的空气流量Me:[2] 式中，为每千克氢气完全燃烧时，理论上所需的空气量;λ为达到目标功率时的混合气 浓度； 步骤3、利用气体状态方程和质量方程计算出氢气在气缸中的分压ρη，由公式[3]和公式 [4]得：式中，τ为冲程系数;ην为充气系数;Vh为气缸的容积;η为发动机的额定转速;ΡΗ、ρΗ、ΤΗ， Rh分别为氢气在气缸中的密度、分压、温度和氢气气体常数； 同理，由公式[5]计算出气缸中空气的分压pc:[51 式中，Re和pc甘別Trnm〒的:体常数和分压;Tc为压气机出口处的温度； 步骤4、计算出气缸中的总压p总： P总=PH+pc [6] 步骤5、根据气缸中的总压和沿程损失计算出压气机出口的压力pcl: pci = p 总+Ap [7] 式中，△ P为气体经过压气机出口到进入气缸过程中的沿程损失； 步骤6、利用压气机的定义，计算出压气机的压比3IC: Pa = Pl- A pi [8] pa为经滤清器后压气机进口处的空气压力； 步骤7、把公式[1]到[8]代入公式[9]中，整理得出： [101 [9] A简化得到公式[11]: 3Ic = K2Tc+Ki [11] 利用热力学方程，计算压气机出口温度的理论值To: T〇 = 3ic(K-1)/K [12] 式中，κ为压气机的平均多变指数； 步骤8、根据经验，在压气机出口处的温度Tc的合理取值范围内任意选取一个温度Tc值， 代入到公式[11]中，得到压比后，再代入到公式[12]中，得到压气机出口处的温度的理论值 To,比较压气机出口处的温度的计算值Tc与To,当两者之差在允许误差范围内时，此时的温 度Tc即为选定的压气机出口处的温度，代入公式[11]中得到的压比为最终选定的压气机的 压比，实现压气机选型。
【文档编号】G06F17/11GK105955926SQ201610304991
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】孙柏刚, 罗庆贺, 谢诚, 徐丹, 刘福水
【申请人】北京理工大学