對內(nèi)燃機熱能動力優(yōu)化與節(jié)能改造的思考

蘇來友

摘要：在現(xiàn)代社會持續(xù)發(fā)展的背景下，內(nèi)燃機熱能動力系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色，其性能將直接對人們的生產(chǎn)生活造成較大影響。隨著如今社會發(fā)展理念越來越科學(xué)，關(guān)于節(jié)能降耗的技術(shù)研究備受重視。文章基于對內(nèi)燃機熱能動力優(yōu)化及節(jié)能改造的分析，研究了比較先進的廢水系統(tǒng)改造、冷卻系統(tǒng)改造及余熱回收技術(shù)，并對這類技術(shù)的研究和應(yīng)用前景進行展望，希望能為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機;熱能;動力優(yōu)化;節(jié)能改造

中圖分類號：N941.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0217-02

0? 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，為了滿足越來越大的社會生產(chǎn)需求，關(guān)于內(nèi)燃機的技術(shù)研究備受重視。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機技術(shù)研究，更多的是考慮熱能動力優(yōu)化，提高設(shè)備性能。而近年來社會各界越來越關(guān)注生態(tài)環(huán)境保護工作，因此在優(yōu)化內(nèi)燃機熱能動力的同時，關(guān)于節(jié)能改造的研究越來越重要。在大量的研究總結(jié)下，內(nèi)燃機熱能動力優(yōu)化和節(jié)能改造的主要思路在于提高熱效率，降低熱損失?；谠摾砟睿枰⒆阌趯嶋H應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合各方面影響因素進行深入分析。

1? 影響內(nèi)燃機熱動力及節(jié)能性的主要因素

內(nèi)燃機主要是通過利用燃料燃燒產(chǎn)生的能量，驅(qū)動相關(guān)裝置運轉(zhuǎn)的設(shè)備。從內(nèi)燃機本身的角度來講，影響其熱動力和節(jié)能性的主要因素包括以下幾個方面：其一，燃料燃燒程度。在內(nèi)燃機燃燒室內(nèi)，燃料燃燒是否充分，將直接影響第一時間產(chǎn)生的能量。因內(nèi)燃機本身構(gòu)造設(shè)計、工藝水平的影響，都可能影響燃料燃燒程度[1]。其二，熱損失。內(nèi)燃機運行時，要對燃料燃燒產(chǎn)生的能量進行轉(zhuǎn)化，使之成為驅(qū)動相關(guān)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的動力。如圖1所示，內(nèi)燃機在熱能產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化過程會出現(xiàn)能量損失，一般表現(xiàn)為熱損失。常規(guī)內(nèi)燃機系統(tǒng)燃料燃燒產(chǎn)生的能量僅有37%左右可以轉(zhuǎn)化為有功輸出，而其中又有7%左右在活塞、水泵等裝置運行時產(chǎn)生的摩擦力中被損耗。需要強調(diào)的是，多數(shù)內(nèi)燃機系統(tǒng)中分別有28%以及32%的熱能被冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)消耗。目前，雖然內(nèi)燃機技術(shù)和工藝在不斷進步，燃料燃燒率達到了一個趨于當(dāng)前技術(shù)條件下較難取得進一步突破的水平。因此，關(guān)于內(nèi)燃機熱動力及節(jié)能性改造的研究，主要在于降低熱損耗、實現(xiàn)熱能回收利用等方面。

2? 內(nèi)燃機熱能動力優(yōu)化及節(jié)能改造策略分析

2.1 廢水改造

在內(nèi)燃機運行系統(tǒng)中，廢水處理是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在一些生產(chǎn)行業(yè)的內(nèi)燃機系統(tǒng)運行過程中，由于水的比熱容較大，因此處理廢水環(huán)節(jié)消耗了大量熱量。所以，對廢水系統(tǒng)的改造，是內(nèi)燃機熱能優(yōu)化及節(jié)能改造的主要思路之一。針對廢水系統(tǒng)的改造，首先配置廢水回收再利用系統(tǒng)，對廢水進行回收，實現(xiàn)對其熱能的回收、轉(zhuǎn)化和再次利用[2]。其關(guān)鍵在于要減少廢水管網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時改良廢水管網(wǎng)的材質(zhì)，降低廢水在系統(tǒng)內(nèi)流動過程產(chǎn)生過多熱量損失。

2.2 冷卻系統(tǒng)改造

常規(guī)內(nèi)燃機一般是通過水冷卻的方式進行冷卻，以保證系統(tǒng)處于安全溫度范圍。在內(nèi)燃機處于溫度為80℃左右的工況時，其運行效率更高，而此時冷卻系統(tǒng)進口水溫一般也設(shè)定為80℃。內(nèi)燃機系統(tǒng)的運行，溫度控制很重要，一般如果溫度小于40℃，需要通過預(yù)熱系統(tǒng)進行加熱，在高溫水從內(nèi)燃機系統(tǒng)流出之后，先進入1號溫控閥，待水溫小于70℃后，1號溫控福閥門打開，讓高溫水進入水泵，再回到內(nèi)燃機系統(tǒng)。如果內(nèi)燃機系統(tǒng)溫度超過80℃，開啟2號溫控閥，讓高溫水流入換熱器，通過風(fēng)冷系統(tǒng)進行冷卻，再回流至2號溫控閥?？傮w來講，該優(yōu)化方案的核心理念在于，通過冷卻水在水泵和換熱器之間的交換流動，結(jié)合風(fēng)冷裝置，可以在滿足冷卻功能的基礎(chǔ)上，減少熱損耗。（圖2）

2.3 余熱回收技術(shù)的應(yīng)用

余熱是指內(nèi)燃機系統(tǒng)運行中釋放出來的未被轉(zhuǎn)化利用的熱能，這部分熱能主要來自于增壓空氣、冷卻水及潤滑油。顯然，當(dāng)代內(nèi)燃機熱能動力優(yōu)化和節(jié)能改造中，關(guān)于余熱回收技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。目前比較主流的技術(shù)主要有以下幾種：其一，采暖供熱。在汽車、船舶等系統(tǒng)中，通常有采暖需求，而將內(nèi)燃機系統(tǒng)余熱回收，應(yīng)用于采暖供熱系統(tǒng)，是一種有效的方式。例如，在氣溫較低的時候，通過散熱器對內(nèi)燃機系統(tǒng)冷卻水進行利用，在沒有增加內(nèi)燃機燃油消耗的基礎(chǔ)上，滿足采暖需求，達到節(jié)能目的[3]。其二，余熱制冷。利用內(nèi)燃機余熱來給空調(diào)、冷藏保險系統(tǒng)的運行提供能量，目前比較主流的余熱制冷方式包括吸附式制冷及吸收式制冷兩種。其中吸附式制冷適用于汽車內(nèi)燃機系統(tǒng)中，即利用一些特殊材料，對內(nèi)燃機余熱進行吸收，在空調(diào)開啟時，釋放熱量，降低車內(nèi)溫度。

3? 內(nèi)燃機熱能動力優(yōu)化及節(jié)能改造實踐分析

基于內(nèi)燃機工作原理以及節(jié)能改造的基本思路，業(yè)界對內(nèi)燃機余熱回收利用技術(shù)的研究取得了一定的成果。例如，某公司開發(fā)出一種以有機工質(zhì)為循環(huán)載體的封閉循環(huán)渦輪系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)由渦輪發(fā)電機、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)及冷凝器等部件構(gòu)成，可以將內(nèi)燃機運行排放的熱能倒入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)內(nèi)部的液態(tài)有機工質(zhì)，其受熱蒸發(fā)后，高溫蒸汽進入渦輪系統(tǒng)，驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動，再驅(qū)動電機產(chǎn)生電能。因此而產(chǎn)生的電能可以提供給汽車電子系統(tǒng)、工廠照明系統(tǒng)等，真正實現(xiàn)內(nèi)燃機的節(jié)能增效[4]。

具體來講，為了更好的對內(nèi)燃機排放熱量的回收，讓其持續(xù)對液態(tài)有機工質(zhì)進行加熱，要在蒸汽發(fā)生器的腔體內(nèi)植入金屬管道，保證金屬管道內(nèi)壁和外壁分隔開。管道兩端使用法蘭接口，分別連接內(nèi)燃機排氣門和改造后的排氣尾端管道。在內(nèi)燃機運行過程中，高溫氣體將先進入封閉渦輪發(fā)電系統(tǒng)，金屬管道將熱量導(dǎo)向有機工質(zhì)，產(chǎn)生的高溫蒸汽進入渦輪膨脹做工，再通過同軸發(fā)電機產(chǎn)生交流電。待熱能被吸收和轉(zhuǎn)化到一定程度時，蒸汽狀態(tài)的有機工質(zhì)將回歸液體狀態(tài)，經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)回到蒸汽發(fā)生器中，而多余的氣體則通過消音器排入大氣。如此，整個系統(tǒng)形成了一套內(nèi)燃機余熱回收發(fā)電循環(huán)體系。在該系統(tǒng)中，一般是使用戊烷這類化學(xué)材料，該材料沸點為36.1℃，而像常見的汽車系統(tǒng)中，發(fā)動機產(chǎn)生的尾氣溫度一般高于60℃，可以很好的刺激戊烷材料由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。而該材料蒸汽密度為空氣的2.5倍有余，利用小尺寸渦輪便可進行動能轉(zhuǎn)化。值得一提的是，戊烷臨界溫度為196℃，意味著選用常規(guī)的小體積冷凝器可以快速實現(xiàn)對氣體的冷凝，進而保證循環(huán)[5]。另外，戊烷凝固點低至-73℃，意味著其在多數(shù)地區(qū)的冬季都可以持續(xù)工作，無需配置防凍裝置，并且對發(fā)電機系統(tǒng)也不會造成不良影響。

可見，這種新型內(nèi)燃機熱能動力優(yōu)化節(jié)能裝置可以在多種內(nèi)燃機動力機械系統(tǒng)中得到應(yīng)用。例如，在內(nèi)燃機列車中使用，可以將轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的電力應(yīng)用于列車內(nèi)部的照明系統(tǒng)中。值得一提的是，在以內(nèi)燃機為主要動力源的汽車中，該裝置的應(yīng)用，不僅可以優(yōu)化汽車電子系統(tǒng)的電能結(jié)構(gòu)，更可以利用回收能量產(chǎn)生的電能來為汽車動力裝置提供輔助動力。目前，已經(jīng)有大量的汽車制造商將該裝置作為混合動力汽車動力系統(tǒng)的重要組成部分，并取得了實際性研究應(yīng)用進展。

4? 結(jié)束語

綜上所述，內(nèi)燃機作為現(xiàn)代工業(yè)社會中十分重要的動力設(shè)備，其能量轉(zhuǎn)化率和利用率依然處于一個比較低的水準(zhǔn)。在不斷提高的產(chǎn)業(yè)要求以及環(huán)境保護理念下，關(guān)于內(nèi)燃機熱能動力優(yōu)化以及節(jié)能性技術(shù)的研究尤為重要。目前的技術(shù)條件下，關(guān)鍵在于要降低內(nèi)燃機運行過程中的熱量損失，對原本通過廢水、冷卻系統(tǒng)、廢氣排出的熱量進行回收和再次利用。這不僅能促進內(nèi)燃機系統(tǒng)熱動力的優(yōu)化，還能很好的提高能源利用率，達到節(jié)能降耗、環(huán)境保護的目的。

參考文獻：

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