張強(qiáng)，馬朝臣，曲荀之

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京100081)

0 引言

近年來(lái)，隨著人們對(duì)未來(lái)車(chē)輛總體性能和功能多樣化需求的日益提高，利用最新技術(shù)開(kāi)發(fā)和研制出新型動(dòng)力系統(tǒng)成為世界各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)［1-2］。在軍事領(lǐng)域，主戰(zhàn)坦克、自行加榴炮、導(dǎo)彈運(yùn)輸車(chē)等軍用車(chē)輛，往往配置輔機(jī)電站對(duì)車(chē)內(nèi)的電網(wǎng)供應(yīng)直流電，確保自行火炮等壓制性武器裝備在主發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)能夠正常工作，以及主機(jī)較快地起動(dòng)并投入戰(zhàn)斗狀態(tài)。傳統(tǒng)做法是采用主機(jī)低速工作帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，對(duì)車(chē)內(nèi)設(shè)備和空調(diào)進(jìn)行供電，但由于主機(jī)運(yùn)行在工況十分惡劣的低負(fù)荷工況點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)造成主機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的磨損;同時(shí)由于車(chē)輛的噪聲和輻射發(fā)光，容易暴露目標(biāo)。因此，這種方法大大降低了主機(jī)的可靠性和使用壽命，也不符合戰(zhàn)術(shù)要求［3］。另外，在民用領(lǐng)域，如野外勘探和隧道工程中也需要小型移動(dòng)式輔機(jī)電站供給電源，因此發(fā)展輔機(jī)電站技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)車(chē)輛研制和發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。

車(chē)用集成式渦輪增壓-燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)作為一種新型動(dòng)力裝置，綜合了內(nèi)燃機(jī)廢氣渦輪增壓和微型燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)，在技術(shù)上將二者一體化［4］。一方面可以解決內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)和加速時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)性差以及高速、高負(fù)荷下渦輪增壓器會(huì)發(fā)生超速的缺點(diǎn);另一方面解決軍用車(chē)輛在主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行發(fā)電所帶來(lái)的組件磨損嚴(yán)重和壽命降低的問(wèn)題，這對(duì)于提高軍用車(chē)輛的戰(zhàn)技指標(biāo)將起到積極的作用。

本文基于廣泛使用的車(chē)用渦輪增壓器，設(shè)計(jì)了一種車(chē)用內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓-燃?xì)獍l(fā)電一體化方案。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電工作過(guò)程的熱力循環(huán)計(jì)算，分析了影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能的主要參數(shù)，并對(duì)系統(tǒng)樣機(jī)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，以期對(duì)樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 總體結(jié)構(gòu)方案

1.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)原則是首先保證渦輪增壓器能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)提供適量的增壓空氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況范圍均能夠正常地工作。在此基礎(chǔ)上，由增壓器、燃燒室和電機(jī)所組成的微型燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠發(fā)出額定的電功率。

圖1為系統(tǒng)工作原理圖。系統(tǒng)在工作時(shí)分為車(chē)用渦輪增壓器工況和微型燃?xì)廨啓C(jī)工況(圖中虛線(xiàn)區(qū)域)。在車(chē)用渦輪增壓器工況下，通過(guò)閥門(mén)的切換隔離燃燒室，系統(tǒng)工作過(guò)程與普通廢氣渦輪增壓器工作過(guò)程相同;在微型燃?xì)廨啓C(jī)工況，空氣經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)后進(jìn)入燃燒室，與燃料摻混后燃燒，增壓器的渦輪將燃料燃燒后產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，由轉(zhuǎn)軸輸出的凈功帶動(dòng)壓氣機(jī)和電機(jī)做功，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電的功能。根據(jù)車(chē)輛的使用情況，通過(guò)控制系統(tǒng)可在兩種工況間進(jìn)行切換。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Schematic sketch of integrated turbocharger and turbine generator system

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是使結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)考慮系統(tǒng)在分別作為渦輪增壓與燃?xì)獍l(fā)電用時(shí)，彼此之間互不影響。

系統(tǒng)主要由車(chē)用渦輪增壓器組件(包括壓氣機(jī)、渦輪、軸承及中間體)、燃燒室和電動(dòng)-發(fā)電機(jī)組成，結(jié)構(gòu)上采用單軸形式，一種可能的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車(chē)用渦輪增壓-燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 System layout of integrated turbocharger and turbine generator system

1)為減少工質(zhì)在系統(tǒng)部件的傳輸路徑，將增壓器的壓器機(jī)出口和渦輪的進(jìn)口截面布置在同一方向，這種結(jié)構(gòu)形式可大大縮短壓氣機(jī)出口到燃燒室進(jìn)口，以及燃燒室出口到渦輪進(jìn)口的管路長(zhǎng)度，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。

2)在壓氣機(jī)出口和渦輪進(jìn)口各安裝有三通，通過(guò)三通上布置的控制閥門(mén)可實(shí)現(xiàn)廢氣渦輪增壓工況與燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電工況的切換。

3)系統(tǒng)可采用高速永磁電機(jī)。以目前技術(shù)水平，電機(jī)轉(zhuǎn)速可與增壓器轉(zhuǎn)速相匹配，因此高速電機(jī)可布置在壓氣機(jī)一側(cè)，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的連接軸與渦輪增壓器轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接，可以有效地避免系統(tǒng)散熱對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響，但同時(shí)還需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原進(jìn)氣管路尺寸進(jìn)行再設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足進(jìn)氣要求。

4)燃燒室為單管逆流形式，空氣在燃燒室中的流動(dòng)經(jīng)過(guò)180°折返。為了兼顧加工和試驗(yàn)測(cè)量的需要，外筒分為兩段，采用法蘭連接，頭部設(shè)有噴油器安裝孔。燃燒室的空氣進(jìn)口和燃?xì)獬隹谂c增壓器的管道之間均采用法蘭連接形式。采用徑向葉片式旋流器使進(jìn)入燃燒室內(nèi)筒的空氣產(chǎn)生回流區(qū)來(lái)穩(wěn)定火焰。

2 系統(tǒng)熱力過(guò)程計(jì)算

2.1 熱力循環(huán)計(jì)算模型

合理地匹配渦輪增壓器、電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)、燃燒室之間的能量，將關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，這需要綜合考慮系統(tǒng)各部件能量之間的需求以及系統(tǒng)工作時(shí)所產(chǎn)生的各種損失。因此，對(duì)系統(tǒng)工作的熱力循環(huán)進(jìn)行分析，對(duì)于驗(yàn)證系統(tǒng)參數(shù)匹配的可行性，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能，確定各部件的匹配關(guān)系以及提出改善性能的措施具有重要意義。

在進(jìn)行微型燃?xì)廨啓C(jī)工作過(guò)程熱力循環(huán)分析時(shí)，主要作了如下假設(shè)［5］:1)壓氣機(jī)和渦輪工作時(shí)分別視為多變壓縮過(guò)程和多變膨脹過(guò)程;2)燃燒視為等壓吸熱過(guò)程;3)考慮系統(tǒng)主要部件的壓力損失;4)忽略系統(tǒng)各部件的氣體泄漏量。

根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理及分析假設(shè)，編寫(xiě)了相應(yīng)的熱力循環(huán)計(jì)算程序。程序按照工質(zhì)在燃?xì)廨啓C(jī)部件流動(dòng)的先后順序，可分別計(jì)算壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪的進(jìn)出口截面處的熱力參數(shù)和性能參數(shù)。由于計(jì)算過(guò)程中工質(zhì)比熱的處理方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度有很大影響，采用了計(jì)算精度更高的變比熱方法。燃燒產(chǎn)物的比熱是隨油氣比而變化的，而燃?xì)獾撵手凳菧囟群捅葻岬暮瘮?shù)，所以計(jì)算油氣比是個(gè)迭代的過(guò)程。程序中專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)了函數(shù)模塊用來(lái)計(jì)算工質(zhì)的焓、熵等參數(shù)，可以在熱力計(jì)算過(guò)程中由主程序調(diào)用。

由于系統(tǒng)增加了高速電機(jī)及其與增壓器的連接軸系，會(huì)使系統(tǒng)的機(jī)械效率相應(yīng)地降低。因此在進(jìn)行工作過(guò)程熱力循環(huán)參數(shù)計(jì)算時(shí)，需考慮這些因素對(duì)原增壓器性能指標(biāo)的影響。由目前車(chē)用渦輪增壓器和燃?xì)廨啓C(jī)的制造技術(shù)水平，確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)典型部件的效率和損失系數(shù)［6-8］。主要有:進(jìn)氣管總壓恢復(fù)系數(shù)為0.98、燃燒室效率為0.93、燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)為0.93、排氣管總壓損失系數(shù)為0.02、軸系的機(jī)械效率為0.96。在海平面通常狀況下(大氣壓力p0為101 325 Pa、溫度T0為288 K)，保持渦輪進(jìn)口溫度為973 K.

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

以某型車(chē)用渦輪增壓器為參考增壓器，其適配的某增壓中冷直列式六缸柴油機(jī)標(biāo)定點(diǎn)功率為266 kW，排量為9.8 L，渦輪增壓器壓氣機(jī)的特性如圖3所示。從特性圖上可以看出，壓氣機(jī)高效率區(qū)(大于0.75)所覆蓋的流量和壓比范圍較寬。在不同的流量和壓比組合，對(duì)發(fā)電工況的輸出功率和燃油消耗率影響是不同的。所以計(jì)算時(shí)選取了3 組壓比和效率的組合參數(shù)，以便考察系統(tǒng)在不同工況點(diǎn)下，利用現(xiàn)有車(chē)用渦輪增壓器進(jìn)行車(chē)用渦輪增壓-燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電方案的可行性。另外還確定了渦輪進(jìn)口最大溫度為1 023 K，燃燒室效率為0.99 時(shí)，燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電工況時(shí)的最大輸出功率工況點(diǎn)Ⅳ。熱力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖3 某型增壓器壓氣機(jī)特性圖Fig.3 Compressor map of the turbocharger

從表1中可以看出，工況點(diǎn)Ⅲ具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)燃機(jī)發(fā)出的功率為15.9 kW，燃油消耗率為1.480 kg/(kW·h)，這是由于該點(diǎn)壓氣機(jī)的壓比較高，同時(shí)壓氣機(jī)的流量較大。隨著壓比的降低，如在工況點(diǎn)Ⅱ，雖然壓氣機(jī)的效率最高，但由于此時(shí)的壓比較低，在相同的進(jìn)口溫度下，燃油消耗率升高;設(shè)計(jì)工況點(diǎn)I 的壓比最低，因此其燃油消耗率也最高。在工況點(diǎn)Ⅳ，由于提高了渦輪進(jìn)口溫度和燃燒室的效率，作為燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電工況時(shí)所能發(fā)出的最大輸出功率為22.3 kW，油耗率為1.199 kg/(kW·h)，與所匹配的柴油機(jī)標(biāo)定點(diǎn)功率之比約為1∶11.9.

表1 不同設(shè)計(jì)點(diǎn)的熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Summary of design thermodynamic parameters

由以上分析可以看出，對(duì)于燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電系統(tǒng)，可以在較大的壓比和流量范圍，不需對(duì)車(chē)用增壓器主要流通組件進(jìn)行改動(dòng)，就可使燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)(如工況點(diǎn)Ⅲ)工作在增壓器特性圖的較高效率區(qū)內(nèi)，這說(shuō)明利用車(chē)用渦輪增壓器組成燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電系統(tǒng)是可行的，也證明了燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓性能沒(méi)有影響。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)影響規(guī)律分析

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響分析

圖4為不同壓氣機(jī)壓比和渦輪進(jìn)口溫度時(shí)，系統(tǒng)的熱效率和輸出比功的情況。

系統(tǒng)的輸出比功隨著渦輪進(jìn)口溫度的提高而增大，提高渦輪前總溫是增大有效功的主要措施之一。在相同渦輪進(jìn)口溫度下，存在最佳壓比使輸出比功最大，如在渦輪進(jìn)口溫度為1 073 K 時(shí)，當(dāng)壓比為4.0 時(shí)系統(tǒng)的輸出比功達(dá)到最大值。不同渦輪進(jìn)口溫度下，增加壓比對(duì)系統(tǒng)比功增加的幅度不同，溫度越高，提高相同壓比所增加的比功也越大。因此，為了盡可能獲得最大輸出比功，應(yīng)在提高渦輪進(jìn)口溫度的同時(shí)，適當(dāng)提高壓比。

在同一壓比下，系統(tǒng)的熱效率隨著渦輪進(jìn)口溫度的增加而增加，但增加的趨勢(shì)越來(lái)越平緩，這是因?yàn)闇囟仍礁邉t加熱量越大，系統(tǒng)的熱損失占加熱量的比重減小，故熱效率高。在同一渦輪進(jìn)口溫度下，存在著最佳壓氣機(jī)的壓比值，使系統(tǒng)的熱效率最高，低于或高于該壓比，系統(tǒng)的熱效率均降低，如在渦輪進(jìn)口溫度為923 K 時(shí)，系統(tǒng)的熱效率先是隨著壓比的增加而增大，壓比增加到3.5 以后，系統(tǒng)的熱效率又逐漸降低。

由以上分析可以看出，對(duì)于車(chē)用集成式渦輪增壓-燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電系統(tǒng)，在滿(mǎn)足渦輪增壓器組件材料耐溫和強(qiáng)度等制造水平的限制條件下，增加渦輪進(jìn)口溫度和壓氣機(jī)的壓比可以提高系統(tǒng)的性能。

3.2 主要部件效率對(duì)性能的影響分析

選取渦輪增壓器組件中壓氣機(jī)、渦輪以及燃燒室效率為變量。在計(jì)算中，保持系統(tǒng)其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變，以表1中設(shè)計(jì)工況點(diǎn)Ⅲ中的部件效率為基點(diǎn)，分別將壓氣機(jī)、渦輪以及燃燒室的效率以0.01 的幅度上下變化5%，求得系統(tǒng)各主要性能參數(shù)的變化趨勢(shì)。各主要部件效率對(duì)系統(tǒng)熱效率和燃油消耗率的影響計(jì)算結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖4 系統(tǒng)性能與渦輪進(jìn)口溫度和壓比的關(guān)系Fig.4 Efficiency vs specific work varying pressure ratio and turbine inlet temperature

圖5 部件效率變化與系統(tǒng)熱效率的關(guān)系Fig.5 Thermal Efficiency vs variation of component efficiencies

圖6 部件效率變化與系統(tǒng)燃油消耗率的關(guān)系Fig.6 Fuel consumption rate vs variation of component efficiencies

從圖5可以看出，隨著主要部件效率的增加，系統(tǒng)的熱效率也隨之增加，接近線(xiàn)性變化關(guān)系。就單個(gè)部件而言，渦輪效率對(duì)系統(tǒng)熱效率影響最大，燃燒室效率影響最弱。保持其他部件效率參數(shù)不變，當(dāng)渦輪效率為78%時(shí)，系統(tǒng)的熱效率僅為5.72%，在渦輪效率增至83% 時(shí)，系統(tǒng)的熱效率可達(dá)到7.17%，可提高1.45 個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)闇u輪是直接將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件，燃?xì)饽芰吭跍u輪內(nèi)部的轉(zhuǎn)化程度對(duì)系統(tǒng)的熱效率影響最大。對(duì)于整個(gè)渦輪增壓器，當(dāng)壓氣機(jī)和渦輪的效率同時(shí)增加時(shí)，系統(tǒng)熱效率的增加幅度更大。

從圖6可以看出，隨著各主要部件效率的增加，系統(tǒng)的燃油消耗率下降。單個(gè)部件中，渦輪效率曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)最陡峭，燃燒室效率曲線(xiàn)最為平緩，均呈線(xiàn)性關(guān)系。同時(shí)改變壓氣機(jī)和渦輪的效率，系統(tǒng)的燃油消耗率變化最大。

從以上分析可以看出，渦輪效率對(duì)系統(tǒng)的性能參數(shù)影響最大，選擇高效率的車(chē)用渦輪增壓器組件，對(duì)于提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有很大影響。另外還需設(shè)計(jì)高性能的燃燒室，使其性能滿(mǎn)足系統(tǒng)匹配特性的要求。

4 結(jié)論

本文基于車(chē)用渦輪增壓器，進(jìn)行了一種車(chē)用內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓-燃?xì)獍l(fā)電一體化方案設(shè)計(jì)，通過(guò)燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電熱力循環(huán)過(guò)程的計(jì)算和分析，所得結(jié)論如下:

1)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體參數(shù)能夠適用現(xiàn)有車(chē)用渦輪增壓器性能水平，證明了方案具有可行性。在滿(mǎn)足渦輪增壓器組件材料耐溫和強(qiáng)度等制造水平的限制條件下，增加渦輪進(jìn)口溫度和壓氣機(jī)的壓比可以提高系統(tǒng)的性能。

2)車(chē)用內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓-燃?xì)獍l(fā)電一體化設(shè)計(jì)方案的柴油機(jī)標(biāo)定功率與燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電的最大功率之比為11.9∶1。

3)對(duì)于系統(tǒng)主要部件的匹配，單個(gè)組件中，渦輪的效率對(duì)系統(tǒng)的性能影響最大，燃燒室效率影響最弱。同時(shí)提高壓氣機(jī)和渦輪的效率，可以較大幅度提高系統(tǒng)的性能，應(yīng)選擇高效率的渦輪增壓器組件以使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

本文的研究工作可為系統(tǒng)樣機(jī)的設(shè)計(jì)和深入研究提供參考。

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