0 引　言

超高压进气二冲程内燃机（Ultra High Pressure Intake Two Stroke Engine, UHPIE）是一种没有压缩冲程的新型二冲程热机，参与循环的压缩空气由外部设备提供，压缩空气主要是提供燃烧所必须的空气，同时还可提供一部分能量。UHPIE的主要工作原理和大气压力式内燃机相似，大气压力式内燃机是最早的往复式内燃机，由Lenoir在1859年发明，工作原理为在活塞下行的上半个行程内通入常压混合油气，在下半个行程燃烧做功，由于膨胀比较小故热效率只有5%左右。UHPIE进气为高压空气，相比大气压力式内燃机可以实现较高的膨胀比，热效率也得到很大提高。

UHPIE性能和排放的研究对于发动机领域的又一次技术突破具有重要意义。Dortch^[1]在2014年首次提出UHPIE的概念，对高压进气、排气、燃油等系统的布置给出了详细的解决方案；曹辉等^[2]将纯氧燃烧运用在UHIPE上，并通过喷水来控制燃烧速度，具有热效率高和无氮氧化物排放的优点。除此之外很少有类似于UHPIE的研究文献。

UHPIE由于其工作原理的先进性，其性能和排放具有巨大的潜力。为此首先对UHPIE的工作原理和优点进行介绍，然后运用控制变量法，对不同进气持续角、进气温度和进气压力下UHPIE的性能和排放进行研究分析，从而揭示3个变量对发动机的影响，为UHPIE的实际研发和生产提供参考。

1 超高压进气二冲程内燃机介绍 1.1 工作原理

超高压进气二冲程内燃机（UHPIE）主要特征为没有压缩冲程，工作流程如图1所示。进气在上止点后一定曲轴转角内通入高压空气作为助燃剂，同时喷入燃料，也可以是直接通入预混合好的油气，燃料可以是柴油、甲烷、氢气^[3]等；然后点火爆炸，发火冲程从点火开始到下止点结束；排气冲程从下止点开始到上止点结束，至此一个工作循环结束，活塞在2个行程内完成一个工作循环。由于UHPIE的进气温度较低，燃烧开始时温度也较低，所以需要高功率的点火装置，点火方式可以为火花塞点火、激光点火^[4]或是微波点火^[5]。

UHPIE适用于大型十字头式、冲程缸径比较大的低速机型。UHPIE没有扫气口，进气口和排气口都设置在气缸盖上，对于缸内直喷的供油方式气缸盖上设置燃料喷射器，气缸盖上还设置点火装置、安全阀等附件。活塞下部空间直接通大气，防止活塞在下行时压气，在上行时吸真空，这2种情况都会使内燃机的功率降低。

图2为UHPIE高压空气和排气的一种布置方式，新鲜空气先进入废气涡轮增压器进行预增压，然后依次进入高压空气压缩机、空气冷却器、高压储气瓶，最后进入气缸参与燃烧，排气主要作用为推动废气涡轮转动。可以看出，UHPIE较适合作为船舶的主动力装置。因为船舶机舱有足够的空间容纳支持UHPIE工作的各种设备，同时三大洋表面平均水温为20℃左右，可作为稳定的冷源冷却压缩空气。除此之外，远洋船舶螺旋桨转速较低且大部分时间处于定速航行，更适合于UHPIE高压空气直喷的工作模式。空气压缩机的能量来源可以是UHPIE本身轴带，也可是电机带动。高压空气储气瓶除了供气的作用外，也起到储能的作用，可对船舶上一些不稳定不持续的能量进行回收^[6]。

1.2 UHPIE的优点

传统发动机工作过程中只有发火冲程是对外做功的，排气、进气、压缩冲程都不同程度地耗功，UHPIE没有做负功的压缩冲程，每缸所做的功都转为输出轴的扭矩，相比传统机型有180°曲轴转角的做功冲程，所以有更高的功率密度。因为没有压缩冲程，所以也就没有最低启动转速的限制，无需安装启动空气阀，可使用较小的飞轮。进排气系统和四冲程机类似，废气可大部分排出，不会在气缸内残留，所以有和四冲程机一样好的换气效果。进气量和喷油量都可以精确控制，易于实现稀薄燃烧^[7]，也容易实现膨胀比大于压缩比。因为做功冲程全部在活塞下行的时候进行，也就不会出现由于活塞还在上行时提前发火的爆震问题^[8]。

传统发动机的压缩冲程可看作是绝热压缩，压缩终温较高，机外压缩可以实现低温压缩。直接通入温度较低的压缩空气，燃烧开始时温度较低，整个循环的温度都较低，可以减少氮氧化物的生成，同时低温可以改善气缸的润滑状况。空气的比热比随着温度的升高而降低，进气温度较低时比热比较高，比热比越高的工质做功能力就越强，所以热效率也会相应提高。

2 计算模型的建立与验证 2.1 柴油机主要技术参数和模型的建立

仿真计算以1台大型二冲程增压中冷低速船用柴油机为原型，排放满足IMO TierⅡ法规要求。其主要参数如表1所示。

研究使用AVL-boost仿真软件，搭建模型如图3所示。燃烧模型采用Vibe 2-Zone，传热模型采用Woschni 1978，氮氧化物排放模型为Extend Zeldovich Mechanism，Soot排放模型为Kinetic，单缸每循环喷油量为135 g，燃料是低热值为42800 kJ/kg的轻柴油。仿真计算中，发动机的转速为120 r/min。为使计算结果收敛更快和提高计算精度，需对模型的初始条件和边界条件进行合理设置，设初始温度为298 K，初始压力为0.098 MPa，气缸壁表面温度为500 K，缸盖表面温度为550 K，活塞表面温度为600 K。

2.2 计算模型合理性验证

图4为模型在转速120 r/min、100%负荷下1号缸的缸内压力、瞬时放热率、NO_x和Soot排放试验值和计算值曲线。图4(a)中缸内峰值压力试验值为13.08 MPa，计算值为13.22 MPa，计算值相比试验值高1.1%，计算值相位提前0.019°CA。图4(b)中瞬时放热率试验值和计算值吻合良好。图4(c)中NO_x排放的试验值为4.11 g/(kW·h)，计算值为4.03 g/(kW·h)，计算值比试验值低2%；Soot排放的试验值为0.0204 g/(kW·h)，计算值为0.0196 g/(kW·h)，计算值比试验值低4%。所选参数计算值和试验值之间存在良好的一致性，可使用该模型进行数值模拟。

2.3 模拟计算方案

主要研究UHPIE缸内燃烧过程，所以取消掉扫气室、涡轮增压器和空冷器，修改后的模型如图5所示。进气方式由扫气口进气变为进气阀进气，进气阀设置和排气阀一致，阀盘直径为400 mm，阀门最大升程为123 mm。排气阀设置为180°开，360°关闭；进气阀设置为0°开，关闭角根据进气持续角确定。燃烧起始角和进气关闭角一致。

在以进气持续角为变量进行研究时，模型的进气压力是根据传统工作模型在上止点前压缩冲程的压力确定的，这样能确保进气量大致相同。例如，传统工作模型上止点前10°时缸内压力为9.11316 MPa，则UHPIE进气持续角为10°时进气压力也为9.11316 MPa，不同进气持续角下的进气压力根据表2确定。因为船舶实际运营中空气经空冷器后温度会被冷却到40℃左右，所以仿真中进气温度都设为40℃。

以进气压力和进气温度为变量进行研究时，选用进气持续角为20°，分别设置相应的温度与压力，其余设置都不变。由于软件计算指示热效率时会包括压缩空气做的功，需减去这部分功，所以UHPIE指示热效率η_i的计算公式为：

$ {\eta _i} = \frac{{{P_1} - {P_2}}}{Q}。$

(1)

式中：P₁为喷油时的指示功率；P₂为不喷油工作时的指示功率；Q为所消耗燃油的热值。

3 仿真结果和分析 3.1 不同进气持续角下UHPIE的性能和排放情况

图6(a)为传统工作模型和不同进气持续角下UHPIE的p-v图。可看出压缩空气刚进入气缸时，压力会有波动，符合高压气体进入密闭空间时会产生瞬时压力波动的实际情况，且压力越大波动越强。随着进气持续角的增大，UHPIE的缸内整体压力逐渐变低，p-v图变的较扁平，做功能力下降。进气持续角为10°时，爆炸最高压力为9.24MPa，相比传统工作模式的最高工作压力13.22MPa减少了30%。但由于UHPIE没有压缩冲程，最终输出轴的扭矩大大增加，不同进气持续角下UHPIE和传统工作模式的瞬时扭矩如图6(e)所示。随着进气持续角的增大，UHPIE的扭矩逐渐变小。

图6(b)为不同进气持续角下UHPIE的指示热效率变化曲线。随着进气持续角的增大，UHPIE的指示热效率逐渐减小，且在进气持续角较小时下降较快，进气持续角较大时下降较慢。在进气持续角为10°时，指示热效率为51.46%，相比传统工作模型的46.18%，提升了5.28%。但进气持续角大于10°的其他情况均小于传统工作模型，在进气持续角为100°时，指示热效率只有4.94%，说明进气持续角越小对于UHPIE热效率的提升越有利。但实现过小的进气持续角较为困难，因为进气阀较难在极短的时间段内完成启闭，进气效果也会变差。

图6(c)为传统工作模式和不同进气持续角下UHPIE的缸内瞬时温度。在通入压缩空气阶段，由于压缩空气为40℃，会对缸内产生冷却效果，所以缸内温度降低，燃烧开始后缸内温度上升。可以看到在进气持续角较小时，缸内的温度整体较低。传统工作模型的峰值温度为1744 K，而在进气持续角为10°时，UHPIE缸内峰值温度为877 K，只是传统工作模型的一半。

进气持续角较大时，燃烧相位推后，做功冲程变短，意味着排气阀开启时缸内压力仍很大。同时进气持续角较大时，缸内温度较高，空气的比热比较低，爆炸所产生的能量转化为工质的热力学能部分较大，高温也加强了散热，所以随着进气持续角的增大，UHPIE的有效功率、扭矩和指示热效率都急剧下降。

图6(d)为进气持续角对NO_x和Soot排放的影响。NO_x排放在进气持续角10°时为0.021 g/(kW·h)，在60°后开始大幅增长，在100°时为0.84 g/(kW·h)，但相比传统工作模型的6.39 g/(kW·h)，UHPIE的NO_x排放量极小，完全满足IMO Tier Ⅲ低速机要求的3.4 g/(kW·h)^[9]。NO_x的排放主要和温度有关^[10]，在进气持续角较小时缸内温度较低，所以NO_x排放较少。当进气持续角从10°增大到100°时，Soot排放从最小0.00005 g/(kW·h)增大到0.172 g/(kW·h)，在进气持续角大于40°后，Soot的排放开始大幅增加。Soot排放主要受到高温和缺氧影响，在进气持续角较大时，缸内整体温度较高，同时燃烧开始时空间较大容易造成局部缺氧，所以Soot排放较多。

3.2 不同进气温度下UHPIE的性能和排放情况

图7(a)为不同进气温度下缸内压力的变化情况。随着进气温度的提高，缸内压力整体下降，当进气温度从40℃增加到280℃时，缸内最高燃烧压力降低了0.29 MPa，与此同时如图7(d)为缸内最高温度增加了545.2 K。图7(b)中随着进气温度的增加，指示热效率下降明显，到320℃时仅为38.45%。这主要是因为较高的进气温度使缸内空气的比热比降低，工质的做功能力下降，同时高温时散热较多。而进气温度较低时，低温的进气过程可回收部分气缸盖和缸壁的热量，也使得进气温度较低时有较高的热效率。图7(d)中NO_x的排放随着进气温度的提高而显著提高，且温度越高增长量越大，到进气温度为440℃时排放量为2.83 g/(kW·h)，相比40℃时增加了176倍。Soot的排放随着进气温度的升高先增加后减少，在280℃时达到峰值0.04 g/(kW·h)，280℃之后开始降低，且下降幅度不断变小，到440℃时为0.023 g/(kW·h)。这是因为碳烟生成后还会重新氧化，进气温度较高时，重新氧化的碳烟增多，使Soot生成有所下降。在进气温度较低时不管是指示热效率还是NO_x和Soot的排放都有较好的表现，但要实现过低的温度，需有稳定的冷源，所以从这方面考虑UHPIE适合作为船舶的主机，以海水来进行冷却可获得较好的冷却效果。但过低的进气温度，会导致点火困难，需要配备功率更高的点火装置。

3.3 不同进气压力下UHPIE的性能和排放情况

图8(a)为进气压力对缸内压力的影响。随着进气压力的增加，缸内整体压力也相应增加。当进气压力由4.6 MPa增加到5.8 MPa时，缸内最高燃烧压力升高了0.63 MPa。图8(b)为进气压力对UHPIE指示热效率的影响，指示热效率基本上随着进气压力的增大而线性增加。这主要是由于在相同温度下空气的比热比随着压力的增大而增大，同时如图8(c)所示进气压力较高时缸内温度较低，高压低温的条件使空气的比热比更高，这就使得燃油的能量转为活塞运动的功更多，而转化为空气的热力学能较少。较低的缸内温度和环境温度温差较小，意味着被冷却水带走的热量更少。当进气压力由4.6 MPa增加到5.8 MPa时，指示热效率增大了0.72%。图8(d)中随着进气压力的提高，NO_x和Soot排放都不断减小，这得益于较低的缸内温度。进气压力较高时指示热效率、NO_x和Soot的排放都表现良好，但过高的进气压力可能使排气阀开启时缸内的压力仍很高，造成能量的浪费。所以具体的进气压力应根据进气持续角、余隙容积和喷油量等参数共同确定。

4 结　语

从仿真计算中可看出，进气持续角越小、进气温度越低、进气压力越高对于UHPIE提升热效率和降低NO_x和Soot越有利，其中进气持续角对热效率的影响最大，要实现较高的热效率，进气持续角必须较小。UHPIE相比传统发动机热效率可以大幅提高，同时排放水平极低，满足现阶段各国的环保法规要求。UHPIE为船舶动力领域的节能减排开辟出一条新的技术路线，有望成为新一代船舶动力装置。