柴油機(jī)復(fù)合渦輪系統(tǒng)全工況性能研究

馮子浩，簡(jiǎn)曉春，吳勝利

（重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400041）

0 引言

內(nèi)燃機(jī)排氣中蘊(yùn)含著可觀的能量，但因其能量密度低、品質(zhì)不高，高效回收利用技術(shù)難度大，使其研究進(jìn)展緩慢。近年來(lái)，研究發(fā)動(dòng)機(jī)余能回收的技術(shù)主要包括有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC），復(fù)合渦輪和熱電轉(zhuǎn)換。其中，有機(jī)朗肯循環(huán)雖然有較高的回收效率，并能同時(shí)回收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣與冷卻系統(tǒng)中的熱能，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而且在有限的車內(nèi)空間中布置困難，想要在汽車上得到廣泛應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的路要走[1-2]。至于熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，因其轉(zhuǎn)換材料不合適和目前來(lái)看較低的轉(zhuǎn)換效率，在實(shí)際應(yīng)用之前還需要進(jìn)一步的研究[3-4]。

與前兩種主流回收技術(shù)相比，復(fù)合渦輪技術(shù)的配置簡(jiǎn)單、成本較低、技術(shù)簡(jiǎn)單，在重型柴油機(jī)中的應(yīng)用較為成功[5-7]。

本文建立由增壓渦輪與動(dòng)力渦輪組成的串聯(lián)式復(fù)合渦輪系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)分析不同工況下，復(fù)合渦輪性能變化，對(duì)比原發(fā)動(dòng)機(jī)，研究復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)。

1 復(fù)合渦輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)模型

1.1 基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中。工質(zhì)首先進(jìn)入壓氣機(jī)提升進(jìn)氣壓力，之后在中冷器中冷卻降溫，最后再排入氣缸中與燃料混合并燃燒。氣缸排出的廢氣首先通過(guò)增壓渦輪膨脹做功用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。之后再通過(guò)與增壓渦輪串聯(lián)的動(dòng)力渦輪中進(jìn)一步膨脹做工以驅(qū)動(dòng)高速勵(lì)磁發(fā)電機(jī)工作。其中，增壓渦輪與動(dòng)力渦輪均為徑流式渦輪，因其結(jié)構(gòu)緊湊、便于排氣管道的布置等優(yōu)點(diǎn)，更加適合緊湊的車內(nèi)空間。

圖1 復(fù)合渦輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

其復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的仿真模型中需要考慮渦輪膨脹比、排氣溫度、排氣背壓等參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油率、泵氣損失等參數(shù)的影響。因此，其熱力學(xué)模型如下：

式中，π表示壓氣機(jī)或渦輪的壓縮比或膨脹比；角標(biāo)c，hp，lp分別表示壓氣機(jī)、增壓渦輪、動(dòng)力渦輪。柴油機(jī)進(jìn)氣量、充氣系數(shù)與壓氣機(jī)壓縮比之間的關(guān)系如下：

式中，n表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；min表示氣缸的進(jìn)氣量；ηc表示充氣效率；R表示氣體常數(shù)，一般取287。增壓渦輪、壓氣機(jī)、動(dòng)力渦輪的功率與各自流通工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系可以表示為：

式中，ηhp表示增壓渦輪的效率；mex表示發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的質(zhì)量流量；表示排氣的比熱容；k表示氣體比熱比；表示渦輪增壓系統(tǒng)的傳遞效率；ηlp表示動(dòng)力渦輪的效率。知道了復(fù)合渦輪各部件的膨脹比與功率就能得出發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣功率與比油耗。

式中，Vs表示氣缸容積；Pe表示發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率。Pt表示復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率；

2 試驗(yàn)系統(tǒng)建立與驗(yàn)證

試驗(yàn)機(jī)參考一款單級(jí)增壓式柴油機(jī)，并基于GTpower建立了包含柴油機(jī)、增壓渦輪、動(dòng)力渦輪發(fā)電機(jī)在內(nèi)的仿真模型。其發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。按照該發(fā)動(dòng)機(jī)的布置形式，簡(jiǎn)化處理了部分管道。仿真模型的進(jìn)出口邊界設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的大氣環(huán)境。缸內(nèi)燃燒模型采用雙韋伯放熱規(guī)律，使用Woschni傳熱關(guān)系式。壓氣機(jī)采用軟件自帶的MAP圖模型。渦輪則采用渦輪流通模型代替MAP圖模型。其中增壓渦輪選擇發(fā)動(dòng)機(jī)原廠配套的增壓渦輪。動(dòng)力渦輪的匹配方法及流通模型可參考文獻(xiàn)［8］。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

其中，發(fā)動(dòng)機(jī)模型選取的轉(zhuǎn)速范圍在800rpm到2200rpm之間。外特性下發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（如圖2所示）基本吻合，最大誤差在4%左右。該仿真模型具有一定的精度和可信度，滿足計(jì)算要求。

圖2 計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比（功率）

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 復(fù)合渦輪全工況運(yùn)行分析

從圖4（a）可以看出，增壓渦輪與動(dòng)力渦輪的膨脹比均隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高。其中增壓渦輪的膨脹比在低轉(zhuǎn)速時(shí)增長(zhǎng)迅速，動(dòng)力渦輪的膨脹比相比增壓渦輪延時(shí)性大。這是因?yàn)殡S著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，排氣質(zhì)量流量增加，但排氣首先進(jìn)入增壓渦輪膨脹做功，之后流向動(dòng)力渦輪的排氣壓力較低輪，因此膨脹比較低。

圖3 計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比（扭矩）

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)復(fù)合渦輪影響

從圖（4）b中可以看出，兩級(jí)渦輪的速度比均隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升而升高，然而，動(dòng)力渦輪的速比上升幅度幾乎是增壓渦輪上升幅度的50%。由于速度比是衡量動(dòng)力渦輪內(nèi)部能量分配，影響渦輪等熵效率的一個(gè)重要因素，偏離最優(yōu)速比將導(dǎo)致渦輪等熵效率的顯著下降。因此在低轉(zhuǎn)速下合理設(shè)計(jì)動(dòng)力渦輪使至關(guān)重要的。

從圖（4）c中可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增高，排氣流量增加，復(fù)合渦輪轉(zhuǎn)速加快，尤其在高轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，增壓渦輪轉(zhuǎn)速大幅上升。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量需求增加，需要更大的進(jìn)氣壓力，導(dǎo)致增壓渦輪轉(zhuǎn)速迅速上升。縱坐標(biāo)使用折合轉(zhuǎn)速就為了能更加清楚的表達(dá)渦輪轉(zhuǎn)速走向，單位為 。而動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速因?yàn)檫M(jìn)口排氣參數(shù)變化相對(duì)穩(wěn)定，因此轉(zhuǎn)速?zèng)]有大幅度變化。

從圖（4）d中可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，兩級(jí)渦輪的效率的相對(duì)趨勢(shì)都在上升，由于增壓渦輪速比變化較小，其效率的變化幅度也很小，而動(dòng)力渦輪速度比變化較大，在排氣能量較多的高轉(zhuǎn)速區(qū)也能有與增壓渦輪相近的效率。

3.2 復(fù)合渦輪系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

將復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)與單增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，能更好的分析復(fù)合渦輪系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響，分析復(fù)合渦輪系統(tǒng)的節(jié)油潛力。其中的增壓渦輪都選用發(fā)動(dòng)機(jī)原廠匹配的增壓渦輪。保證對(duì)比試驗(yàn)的一致性。

復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)排氣背壓的對(duì)比如圖5所示。在中低轉(zhuǎn)速下，單增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓相對(duì)較低，而對(duì)復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣能量需要驅(qū)動(dòng)兩個(gè)渦輪一起開始轉(zhuǎn)動(dòng)才能使排氣通暢。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)初期，復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓較高。在中高轉(zhuǎn)速下，動(dòng)力渦輪能更好的利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣性幫助增壓渦輪排氣，因此復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓較低。

圖5 不同渦輪系統(tǒng)對(duì)排氣背壓影響

復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)泵氣功率的對(duì)比如圖5所示。兩種渦輪系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣功率的影響相差不大。都從低轉(zhuǎn)速下的負(fù)功開始隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。但在高轉(zhuǎn)速時(shí)，泵氣功率趨近于線性增長(zhǎng)，這是因?yàn)槎鴦?dòng)機(jī)的空氣流量正比于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（在高轉(zhuǎn)速充量系數(shù)和增壓比變化不大的情況下），同時(shí)由于動(dòng)力渦輪的輸出功率與排氣流量成正比，因此動(dòng)力渦輪的回收功率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在簡(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系。

圖6 不同渦輪系統(tǒng)對(duì)泵氣功率的影響

復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)節(jié)油率的對(duì)比如圖7所示。復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)油率對(duì)比原機(jī)有所提升。從低轉(zhuǎn)速下的1.68%到高轉(zhuǎn)速下最高時(shí)的7.85%。復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在中高轉(zhuǎn)速下開始發(fā)揮作用，要實(shí)現(xiàn)渦輪復(fù)合的最大節(jié)油率，增壓渦輪膨脹比和動(dòng)力渦輪膨脹比的設(shè)計(jì)均需要根據(jù)具體參數(shù)的變化而變化。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)某一運(yùn)行工況，發(fā)動(dòng)機(jī)背壓、排氣溫度等因素很大程度上由內(nèi)燃機(jī)本身特性所限制，提高潛力有限。因此渦輪復(fù)合系統(tǒng)節(jié)油潛力的提高一方面要通過(guò)合理調(diào)整兩級(jí)渦輪的膨脹比分配，使其根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的變化工作于最優(yōu)膨脹比；另一方面，需要提高兩級(jí)渦輪的效率。

圖7 復(fù)合渦輪對(duì)比原機(jī)節(jié)油率的影響

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)全工況下的性能做了分析，包括不同工況下的渦輪轉(zhuǎn)速、效率、速度比、膨脹比的影響。同時(shí)分析了復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比但增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)，結(jié)果如下。

發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)復(fù)合渦輪轉(zhuǎn)速、膨脹比在全工況下都有較大影響。速度比與效率受匹配設(shè)計(jì)影響，變化不大。復(fù)合渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下的節(jié)油率不高且排氣背壓比單增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更高，但在高轉(zhuǎn)速時(shí)的節(jié)油率能達(dá)到8%左右，節(jié)油效果明顯。泵氣損失與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相差不大。