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HC4132柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)有用能量流研究

田永海劉勝殷玉恩丁技峰孫丹紅
（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所天津300400）

摘要：基于HC4132柴油機(jī)試驗(yàn)，對(duì)柴油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)有用能量流分布規(guī)律進(jìn)行了研究。通過研究柴油機(jī)排氣能量在渦輪-壓氣機(jī)-中冷器中的傳遞過程，得出渦輪回收排氣能量的潛力和增壓系統(tǒng)的能量流特性。廢氣渦輪增壓系統(tǒng)回收的能量主要是排氣的熱力學(xué)能和壓力能；外特性中高轉(zhuǎn)速回收的余熱能約為余壓能的3倍，動(dòng)能可以忽略，渦輪能回收大約25%的排氣最大可用能量，而這部分能量大部分被中冷器帶走，余下1.5%～6%的排氣最大可用能量轉(zhuǎn)換為進(jìn)氣壓力能和熱力學(xué)能。研究結(jié)果為提高柴油機(jī)熱效率、節(jié)能和采用復(fù)合渦輪增壓回收排氣能量提供了依據(jù)，同時(shí)可用作各種柴油機(jī)排氣能量回收方式橫向比較的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：油機(jī)廢氣渦輪增壓能量流

引言

由柴油機(jī)熱平衡分析可知，燃料通過燃燒所釋放出的總熱量中25%以上被排氣帶走，而其中的可用能量約占排氣總能量的60%，如何有效回收這部分能量是提高柴油機(jī)熱效率的關(guān)鍵問題。目前，國(guó)際上已經(jīng)提出了多種回收柴油機(jī)排氣能量的方法，其中采用柴油機(jī)排氣二次膨脹的廢氣渦輪增壓方式應(yīng)用十分廣泛。相關(guān)研究表明，廢氣渦輪增壓能有效回收部分排氣能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣的增壓，提高進(jìn)氣密度，并且能有效提高柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊性和功率密度，改善柴油機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。本文針對(duì)HC4132增壓柴油機(jī)，研究了渦輪增壓系統(tǒng)能量流以及回收排氣能量的潛力，為柴油機(jī)各種排氣能量回收方式進(jìn)行橫向比較提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　廢氣渦輪增壓的能量轉(zhuǎn)換理論基礎(chǔ)

1.1廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程

圖1為渦輪增壓的工作原理圖。柴油機(jī)排氣門打開后，氣缸中燃?xì)夂械哪芰坎豢赡芡耆脕碜龉?，而?shí)際上只有當(dāng)排氣等熵膨脹到環(huán)境壓力時(shí)，所釋放出來的能量才有可能轉(zhuǎn)換為有用功。如圖2所示，排氣中由排氣等熵膨脹至終點(diǎn)4（實(shí)際膨脹終點(diǎn)4ˊ）的這部分能量被稱為排氣最大可用能量，即物理意義上渦輪有可能從排氣中取得并用來做功的最大能量，它約占排氣總能量的60%。排氣最大可用能量效率公式如下：

式中：ηT為排氣最大可用能量效率；h3為渦輪入口焓，J；h4為等熵膨脹終點(diǎn)焓，J。

圖1　廢氣渦輪增壓系統(tǒng)能量流示意圖

圖2　排氣的可逆和不可逆過程

渦輪和壓氣機(jī)安裝在同一根軸上，構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的部件。由于渦輪增壓回收了一部分廢氣能量，因此，增壓后柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性明顯提高。通常，采用廢氣能量回收可使經(jīng)濟(jì)性提高3%～4%，此外，由于機(jī)械損失與散熱損失相對(duì)減小使得柴油機(jī)的機(jī)械效率和熱效率提高，所以，采用渦輪增壓后柴油機(jī)的燃油消耗率降低5%～10%。

利用柴油機(jī)排出廢氣的能量驅(qū)動(dòng)渦輪，再由渦輪帶動(dòng)離心式壓氣機(jī)的方案稱為廢氣渦輪增壓或簡(jiǎn)稱渦輪增壓。柴油機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)由渦輪、壓氣機(jī)和中冷器組成，整個(gè)系統(tǒng)的能量流見圖1。柴油機(jī)排出的廢氣流入渦輪，在渦輪中膨脹并推動(dòng)其高速旋轉(zhuǎn)，由此實(shí)現(xiàn)廢氣的壓力能、熱力學(xué)能向渦輪動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)換成渦輪軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。旋轉(zhuǎn)的渦輪軸帶動(dòng)同軸相連的壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)并壓縮進(jìn)氣，由此實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)械能向進(jìn)氣壓力能和熱力學(xué)能的轉(zhuǎn)換。然而，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣充量，必須對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，于是一部分進(jìn)氣能量又被中冷器帶走。

1.2廢氣渦輪增壓系統(tǒng)能量流的研究方法

柴油機(jī)與廢氣渦輪增壓器只有氣動(dòng)連接而無機(jī)械連接，但二者相互影響、相互制約：壓氣機(jī)提高進(jìn)氣壓力，增加了進(jìn)氣密度，但同時(shí)渦輪進(jìn)口增大了排氣壓力。此外，壓氣機(jī)與中冷器相連，二者進(jìn)行能量和

渦輪和壓氣機(jī)由傳動(dòng)軸連接，二者轉(zhuǎn)速相等，穩(wěn)定工況下流經(jīng)渦輪增壓系統(tǒng)的質(zhì)量流量連續(xù)，即當(dāng)管道無泄漏時(shí)通過渦輪的燃?xì)赓|(zhì)量流量應(yīng)等于壓氣機(jī)流量與燃料流量之和。

式中：AT為通過渦輪的燃?xì)赓|(zhì)量流量，kg/s；Aa為通過壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量，kg/s；Af為燃料質(zhì)量流量，kg/s。

增壓器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪輸出功率應(yīng)等于壓氣機(jī)消耗功率與增壓器機(jī)械損失功率之和，即

式中：PT為渦輪的輸出功率，kW；Pa為壓氣機(jī)消耗的功率，kW；Pm為增壓器機(jī)械損失功率，kW。

本文將渦輪、壓氣機(jī)和中冷器分開考慮，分別研究其流入和流出的能量。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱能和機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換，并在轉(zhuǎn)換的總效果上存在確定的數(shù)量關(guān)系，建立的穩(wěn)定流動(dòng)能量方程如下：

式中：q為系統(tǒng)與外界的熱交換量，J；Δu為系統(tǒng)的熱力學(xué)能變化量，J；p為進(jìn)出口壓力，Pa；υ為單位工質(zhì)質(zhì)量進(jìn)出口體積，m3；Δcf為進(jìn)出口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；Δz為系統(tǒng)進(jìn)出口高度差，m；ws為系統(tǒng)對(duì)外輸出的軸功，J。

此等式右邊四項(xiàng)全屬機(jī)械能，左邊兩項(xiàng)都是和熱能有關(guān)的能量，且通過體積變化可轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。工質(zhì)穩(wěn)定流經(jīng)開口熱力系統(tǒng)時(shí)，由熱能轉(zhuǎn)變而成的體積功一分為四，一部分為消耗于工質(zhì)流進(jìn)流出（用于克服前方阻擋力）的壓力能的差額，一部分用于增加工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和宏觀位能，其余部分為熱工設(shè)備機(jī)軸上輸出的軸功。工質(zhì)流過渦輪和壓氣機(jī)時(shí)，外界并未給工質(zhì)加熱，工質(zhì)對(duì)外散熱也很小，氣體的密度和各系統(tǒng)進(jìn)出口高度差都很小，即q和gΔz可忽略不計(jì)。因此上式可寫成：

為進(jìn)一步提高進(jìn)入柴油機(jī)氣缸的進(jìn)氣密度，廢氣渦輪增壓柴油機(jī)通常利用中冷器對(duì)增壓后的氣體進(jìn)行冷卻。于是，壓氣機(jī)后氣體的一部分能量被中冷器帶走，從而使其產(chǎn)生溫降。進(jìn)氣經(jīng)中冷器后焓降可以由下式計(jì)算：

式中：Δh為中冷器的進(jìn)出口焓降，J；T2′和T2″分別為中冷器進(jìn)口和出口氣體溫度，K；cpm為進(jìn)氣定壓比熱容，J/（kg·K）。

2　樣機(jī)參數(shù)及工況選取

本研究樣機(jī)為HC4132廢氣渦輪增壓柴油機(jī)，其參數(shù)見表1。為了探討柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)渦輪回收排氣能量的潛力和增壓系統(tǒng)能量流特性，選取柴油機(jī)外特性進(jìn)行研究分析。

表1　HC4132柴油機(jī)參數(shù)表

3　HC4132柴油機(jī)能量流研究結(jié)果分析

根據(jù)HC4132柴油機(jī)外特性試驗(yàn)，對(duì)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)能量平衡進(jìn)行計(jì)算，得出增壓系統(tǒng)能量流以及渦輪回收的能量。

進(jìn)氣比熱根據(jù)空氣溫度插值得到；排氣比熱根據(jù)氣體組分百分比和溫度插值得到，其中排氣組分假定柴油完全燃燒，并根據(jù)化學(xué)反應(yīng)只生成CO2和H2O。

3.1渦輪的能量流

圖3所示為渦輪進(jìn)出口溫度隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速渦輪進(jìn)口溫度隨轉(zhuǎn)速增加而降低，高轉(zhuǎn)速時(shí)渦輪進(jìn)口溫度基本一致，渦輪出口溫度隨轉(zhuǎn)速增加而降低，并隨轉(zhuǎn)速增加溫度降低趨勢(shì)減緩。

圖3　渦輪進(jìn)出口溫度隨轉(zhuǎn)速的變化

圖4為渦輪進(jìn)出口壓力隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。渦輪進(jìn)口壓力在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有明顯變化，基本呈線性增長(zhǎng)。渦輪出口壓力在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)比較平穩(wěn)，同環(huán)境壓力接近。

圖4　渦輪進(jìn)出口壓力隨轉(zhuǎn)速的變化

由能量方程計(jì)算得出的渦輪回收能量如圖5所示。渦輪可回收的排氣能量可以分解為熱力學(xué)能、壓力能和動(dòng)能，排氣通過在渦輪中膨脹，分別將以上各種形式能量傳遞給渦輪。由圖可知，渦輪回收的能量主要是熱力學(xué)能和壓力能，中高速時(shí)熱力學(xué)能是壓力能的3倍左右。相比熱力學(xué)能和壓力能，低速時(shí)（1200 r/min和1300 r/min）回收的動(dòng)能很少（只占回收能量的0.85%和0.45%），其余轉(zhuǎn)速動(dòng)能為負(fù)值（渦后動(dòng)能高于渦前動(dòng)能），并且隨轉(zhuǎn)速增加動(dòng)能絕對(duì)值增大，即隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加動(dòng)能損耗掉的能量增加，2100 r/min時(shí)動(dòng)能消耗渦輪回收能量的2.4%。

圖5　渦輪回收的能量隨轉(zhuǎn)速的變化

3.2壓氣機(jī)的能量流

壓氣機(jī)進(jìn)出口溫度變化見圖6。轉(zhuǎn)速增加，壓氣機(jī)進(jìn)口溫度基本不變，出口溫度升高，但升高的比例不同，低速時(shí)溫度曲線升高斜率大，中高速時(shí)曲線升高斜率降低。在渦輪–壓氣機(jī)–中冷器系統(tǒng)中，壓氣機(jī)起到能量傳遞與轉(zhuǎn)換的作用。在理想情況下，渦輪輸出的能量全部用于帶動(dòng)壓氣機(jī)做功，于是渦輪的能量全部流向壓氣機(jī)，壓氣機(jī)又將能量傳給進(jìn)氣，使進(jìn)氣壓力和溫度升高。

圖6　壓氣機(jī)進(jìn)出口溫度隨轉(zhuǎn)速的變化

壓氣機(jī)的進(jìn)出口壓力見圖7，變化趨勢(shì)與溫度變化基本相同，壓氣機(jī)出口壓力隨轉(zhuǎn)速增加壓力的升高幅度降低。

圖7　壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力隨轉(zhuǎn)速的變化

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換的能量隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化關(guān)系見圖8。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換的能量主要也是熱力學(xué)能和壓力能，熱力學(xué)能和壓力能隨轉(zhuǎn)速增加基本呈線性增長(zhǎng)。在中高速時(shí)熱力學(xué)能是壓力能的2.5倍左右。相比熱力學(xué)能和壓力能，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換的動(dòng)能很少，隨轉(zhuǎn)速增加壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換的動(dòng)能增加，2100 r/min時(shí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換動(dòng)能占總能量的0.18%。

圖8　壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換的能量隨轉(zhuǎn)速的變化

3.3中冷器的能量流

由圖9可知，壓氣機(jī)后高溫進(jìn)氣經(jīng)過中冷器冷卻后溫度控制在較低溫度。由圖9和圖10可知，進(jìn)氣經(jīng)中冷器后經(jīng)歷的是近似等壓放熱過程；這樣，通過增壓、中冷，使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力提高并使溫度維持在較低水平。

如圖11所示為中冷器帶走的能量隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，中冷器帶走的能量絕大部分是熱力學(xué)能和壓力能；隨轉(zhuǎn)速增加中冷器帶走的動(dòng)能增加，2100 r/min時(shí)中冷器帶走的動(dòng)能占總能量的0.26%，氣體流經(jīng)中冷器降低的動(dòng)能包括兩部分：即分別由中冷器阻力增加和進(jìn)氣溫度降低引起單位質(zhì)量的體積流量降低導(dǎo)致的。

圖9　中冷器進(jìn)出口溫度隨轉(zhuǎn)速的變化

圖10　中冷器進(jìn)出口壓力隨轉(zhuǎn)速的變化

圖11　中冷器回收的能量隨轉(zhuǎn)速的變化

3.4增壓系統(tǒng)回收的排氣能量

綜合以上數(shù)據(jù)和結(jié)果，可以得出增壓系統(tǒng)各部分能量流變化情況。如圖12所示為柴油機(jī)增壓系統(tǒng)各部分能量流分布隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。增壓器僅回收了少部分排氣最大可用能量，這是因?yàn)閺U氣在渦輪中膨脹不夠充分，廢氣溫度下降得不夠多，以至于大部分熱力學(xué)能沒有釋放出來而由排氣帶走。中冷器帶走了增壓器回收的大部分能量。

增壓器回收13%～26%的排氣能量，而增壓器回收的能量大部分被中冷器帶走，氣體經(jīng)過增壓器和中冷器后，只回收了排氣最大可用能量的1.2%～6%的能量，其中這部分能量轉(zhuǎn)換為進(jìn)氣的壓力能和熱能。其中，2100 r/min時(shí)增壓器回收排氣約26%的能量，凈回收排氣最大可用能量6%；1200 r/min時(shí)增壓器回收排氣約13%的能量，凈回收排氣最大可用能量1.2%。

圖12　增壓系統(tǒng)能量流分布隨轉(zhuǎn)速的變化

4　結(jié)論

1）通過柴油機(jī)試驗(yàn)可以比較精確而詳細(xì)地得出柴油機(jī)增壓系統(tǒng)的能量流分布規(guī)律。

2）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)回收的能量主要是排氣的熱力學(xué)能和壓力能；在外特性下、中高轉(zhuǎn)速時(shí)回收的余熱能約為余壓能的3倍，動(dòng)能可以忽略。

3）增壓器回收13%～26%的排氣能量，而增壓器回收的能量大部分被中冷器帶走，氣體經(jīng)過增壓器和中冷器后，只回收了排氣最大可用能量的1.5%～6%。

4）從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，廢氣渦輪增壓系統(tǒng)并沒有很好地利用排氣能量，這不僅受增壓器與柴油機(jī)匹配及運(yùn)行工況的影響，還受進(jìn)氣增壓壓力和溫度的制約。

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中圖分類號(hào)：TK421+.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）05-0038-06

收稿日期：（2015-06-20）

作者簡(jiǎn)介：田永海（1983-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)與系統(tǒng)匹配。

Study on Useful Energy Flow for Turbocharging System of HC4132Diesel Engine

Tian Yonghai,Liu Sheng,Yin Yuen,Ding Jifeng,Sun Danhong
China North Engine Research Institute(Tianjin,300400,China)

Abstract：The distribution law ofuseful energy flow for turbocharging system of diesel engine was studied based on HC4132 diesel engine test.Potentials for turbine recovering ability of exhaustenergy and energy flow characteristicsof turbocharging system were achieved by studying the transfer processof diesel exhaust energy in turbine-compressor-intercooler system.The energy recovered by exhaust driven turbocharging system ismainly composed of internal energy and pressure energy of the exhaust.The remaining internal energy is three timesmuch of the remaining pressureenergy atmedium and high speed.Kinetic energy can be ignored.The turbine can recover 25%maximum available energy of the exhaust,mostofwhich dissipates through intercooler.The remaining 1.5%~6%maximum available energy converts to intake pressureenergy and internal energy.The results provide reference for thermal efficiency increase of diesel engine,energy saving and exhaust energy recovering by compound turbocharging.Meanwhile,the results can be used as fundamental data for comparison between recoveringmethodsofexhaustenergy.

Keywords：Dieselengine,Exhaustgas,Turbocharging,Energy flow