徐煥祥,俞小莉,王　雷,樊之鵬,竇文博,魏　巍,李道飛

(浙江大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所,浙江 杭州 310027)

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壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力排氣能量回收利用

徐煥祥,俞小莉,王雷,樊之鵬,竇文博,魏巍,李道飛

(浙江大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所,浙江 杭州 310027)

摘要:提出基于工質(zhì)混合的壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力,利用文丘里管混合內(nèi)燃機(jī)排氣和壓縮空氣,回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量.建立混合動(dòng)力熱力學(xué)模型,分析壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮空氣壓力和質(zhì)量流量以及內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)混合動(dòng)力有效效率的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明：壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低,混合動(dòng)力有效效率越高；內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)混合動(dòng)力有效效率的影響規(guī)律與原內(nèi)燃機(jī)的變化趨勢(shì)一致；內(nèi)燃機(jī)排氣提前角存在一個(gè)最佳值,最佳排氣提前角受內(nèi)燃機(jī)排氣壓力和壓縮空氣壓力的共同影響,內(nèi)燃機(jī)排氣壓力升高,最佳排氣提前角減小；壓縮空氣壓力升高,最佳排氣提前角增大.

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力；排氣能量回收；文丘里管；熱力學(xué)模型

內(nèi)燃機(jī)熱平衡試驗(yàn)表明,動(dòng)力輸出只占燃料燃燒釋放總熱量的30%～45%(柴油機(jī))或20%～30%(汽油機(jī)),約30%的能量被內(nèi)燃機(jī)排氣帶走[1].若能夠有效地回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量,對(duì)于提高內(nèi)燃機(jī)能量利用效率,降低污染排放具有重大的戰(zhàn)略意義.

壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)是利用壓縮空氣直接膨脹做功的綠色發(fā)動(dòng)機(jī)[2].已有研究表明,將壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)結(jié)合形成混合動(dòng)力,可以回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量,提高整機(jī)能量利用效率.Huang等[3-4]提出 “串聯(lián)式”混合動(dòng)力,利用Y型管混合內(nèi)燃機(jī)排氣和壓縮空氣,混合氣推動(dòng)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)做功,同時(shí)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行于高效區(qū)域.該混合動(dòng)力能量轉(zhuǎn)化效率最高可達(dá)40%.Scuderi公司[5]研制了“分離式”混合動(dòng)力,在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之間增加儲(chǔ)氣罐.儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣作為內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣,與少量燃料混合燃燒,充分吸收燃料釋放熱量.Heat2Power公司[6]研制了采用冷熱回路回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量的混合動(dòng)力.氣體在熱回路中通過內(nèi)燃機(jī)排氣加熱膨脹,在冷回路中冷卻收縮以產(chǎn)生推力.該混合動(dòng)力在NEDC駕駛循環(huán)燃油消耗率可以降低12%.Ibrahim等[7]利用壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)輔助增壓器,實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)“小型化”.為了提高壓縮空氣做功能力,采用熱交換器將內(nèi)燃機(jī)排氣能量傳遞給壓縮空氣.胡軍強(qiáng)等[8-9]利用熱交換器將內(nèi)燃機(jī)排氣能量傳遞給壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣,可以使總能轉(zhuǎn)化效率體提升0.55%～2.56%.徐煥祥等[10-11]將內(nèi)燃機(jī)排氣和壓縮空氣在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合膨脹做功.與單獨(dú)工作的內(nèi)燃機(jī)相比,該混合動(dòng)力總能轉(zhuǎn)化效率提升3%～6%,但該混合動(dòng)力控制策略復(fù)雜,難以推廣.

綜上所述,壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力排氣能量回收主要通過熱交換方式將內(nèi)燃機(jī)排氣能量傳遞給壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣.內(nèi)燃機(jī)排氣與壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣之間的溫差較大,熱交換器換熱損失嚴(yán)重；受限于熱交換器尺寸,排氣余熱回收效果有限；此外,采用熱交換方式不能回收內(nèi)燃機(jī)排氣中蘊(yùn)含的壓力能.

本文提出基于工質(zhì)混合的混合動(dòng)力.利用文丘里管混合內(nèi)燃機(jī)排氣和壓縮空氣,將混合氣引入壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹做功,回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量,建立混合動(dòng)力模型并進(jìn)行仿真分析.

1混合動(dòng)力原理

混合動(dòng)力壓縮空氣進(jìn)氣壓力高于內(nèi)燃機(jī)排氣壓力,可以通過提高內(nèi)燃機(jī)排氣壓力或者降低壓縮空氣壓力,實(shí)現(xiàn)兩股氣體順利混合.提高內(nèi)燃機(jī)排氣壓力至壓縮空氣壓力水平,會(huì)極大地增加內(nèi)燃機(jī)排氣背壓.在壓縮空氣進(jìn)氣管路中加裝文丘里管,可以降低喉部位置的壓力,有利于壓縮空氣和內(nèi)燃機(jī)排氣混合.

1.1文丘里管工作原理

文丘里管可以分成3段,分別為收縮段、混合段(喉部)和擴(kuò)壓段,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.文丘里管工作原理如下所述：氣體在收縮段內(nèi)膨脹,在混合段內(nèi)形成低壓區(qū)；被引射氣流順利地以較低壓力從引射孔進(jìn)入混合段；隨后,混合氣在擴(kuò)壓段內(nèi)被壓縮,壓力和溫度上升.

圖1　文丘里管示意圖Fig.1　Sketch of venturi pipe

1.2混合動(dòng)力原理

如圖2所示為混合動(dòng)力原理簡(jiǎn)圖.儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣經(jīng)過管路進(jìn)入文丘里管,并在喉部形成低壓區(qū)；內(nèi)燃機(jī)高溫排氣以較低壓力被引射進(jìn)入喉部；兩股氣體形成混合氣,并經(jīng)過擴(kuò)壓段擴(kuò)壓后進(jìn)入壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸,推動(dòng)活塞做功；最后,混合氣排入大氣.混合動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)分別對(duì)外輸出功.

圖2　混合動(dòng)力原理簡(jiǎn)圖Fig.2　Sketch of compressed-air hybrid engine

圖3　混合動(dòng)力循環(huán)p-V圖Fig.3　p-V diagram of hybrid engine cycle

1.3混合動(dòng)力熱力循環(huán)

如圖3所示為簡(jiǎn)單的混合動(dòng)力工作過程熱力循環(huán)p-V圖.圖中,p為缸內(nèi)瞬時(shí)壓力,V為氣缸瞬時(shí)容積,penv為環(huán)境壓力.點(diǎn)2-3-4-5-6-2過程和點(diǎn)11-12-13-15-11過程分別表示單獨(dú)工作內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)過程p-V圖和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)過程p-V圖；點(diǎn)1-2-3-4-5-6-1過程和點(diǎn)11-12-14-15-11過程分別表示混合動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)過程p-V圖和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)過程p-V圖.混合動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)排氣管直接連通文丘里管,排氣過程背壓升高,從點(diǎn)6-2過程變成點(diǎn)6-1-2過程.內(nèi)燃機(jī)排氣與壓縮空氣的混合氣進(jìn)入壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī),進(jìn)氣過程從點(diǎn)11-12-13過程變?yōu)辄c(diǎn)11-12-13-14過程.從圖3可見,混合動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)輸出功量減少Wsub,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功量增加Wadd.需要采用合適的控制策略使Wadd大于Wsub.

2文丘里管熱力學(xué)模型

為了研究混合動(dòng)力性能,分別建立內(nèi)燃機(jī)、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)和文丘里管熱力學(xué)模型.胡軍強(qiáng)[12]詳細(xì)地闡述了內(nèi)燃機(jī)和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程的建模過程,本文不再贅述.本文根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)理論,忽略文丘里管壓力損失,建立文丘里管等熵模型.

2. 1收縮段內(nèi)膨脹過程

在文丘里管收縮段,壓縮空氣蘊(yùn)含的焓轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得

qm1=qm2=qmca.

(1)

式中：qm1為截面1處的氣體質(zhì)量流量,qm2為截面2處的氣體質(zhì)量流量,qmca為壓縮空氣質(zhì)量流量.

根據(jù)能量守恒定律可得

(2)

式中：h1為截面1處的氣體比焓,h2為截面2處的氣體比焓,v1為截面1處的氣體速度,v2為截面2處的氣體速度.

將式(2)整理,獲得文丘里管收縮段出口速度：

(3)

式中：T1為截面1處的氣體溫度,T2為截面2處的氣體溫度,cp為氣體比定壓熱容.

壓縮空氣流經(jīng)文丘里管收縮段為等熵膨脹過程,可得

(4)

式中：p1為截面1處氣體壓力,p2為截面2處氣體壓力,γ為比熱比.

2.2喉部?jī)?nèi)混合過程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律,可得

qm4=qm2+qm3.

(5)

式中：qm3為截面3處的氣體質(zhì)量流量,qm4為截面4處的氣體質(zhì)量流量.

根據(jù)動(dòng)量守恒定律,可得

qm4v4-qm2v2-qm3v3=p2A2+

(6)

式中：v3為截面3處的氣體速度,v4為截面4處的氣體速度,p3為截面3處的氣體壓力,p4為截面4處的氣體壓力,A2為截面2處的截面積,A3為截面3處的截面積,A4為截面4處的截面積,p為混合段氣體壓力,A為混合段截面積.

假設(shè)文丘里管混合段壁面上的靜壓保持不變,即

p2=p3=p4.

(7)

將式(7)代入式(6)并整理,可得

(8)

根據(jù)能量守恒定律,可得

(9)

2.3擴(kuò)壓段內(nèi)壓縮過程

混合氣在擴(kuò)壓段內(nèi)將攜帶的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為焓.根據(jù)質(zhì)量守恒定律,可得

qm5=qm4.

(10)

式中：qm5為截面5處的氣體質(zhì)量流量.

根據(jù)能量守恒方程,可得

(11)

式中：h5為截面5處的氣體比焓,v5為截面5處的氣體速度.

擴(kuò)壓段內(nèi)的氣體壓縮過程為等熵過程,可得

(12)

式中：p5為截面5處的氣體壓力.

聯(lián)立式(1)～(12),求解文丘里管內(nèi)各截面處的氣體質(zhì)量流量、溫度、壓力和速度.根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)理論可知,文丘里管喉部壓力和進(jìn)口壓力比值最低可達(dá)0.528.此時(shí),文丘里管喉部將達(dá)到聲速,壓縮空氣壓力降至最低,內(nèi)燃機(jī)排氣背壓最低,工作過程所受的影響最小.

3混合動(dòng)力性能計(jì)算及分析

3.1混合動(dòng)力性能指標(biāo)

混合動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性采用有效效率ηh來表示,定義為混合動(dòng)力總輸出功Wh與所消耗的燃油能量和壓縮空氣能量總和的比值,計(jì)算式為

(13)

式中：Wa為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功；Wd為內(nèi)燃機(jī)輸出功；Eh為混合動(dòng)力總消耗能量,包括壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的壓縮空氣能量Eca和內(nèi)燃機(jī)消耗的燃油能量Ed.

所消耗的壓縮空氣能量的計(jì)算式為

(14)

式中：mca為壓縮空氣質(zhì)量,pca為壓縮空氣壓力,Tca為壓縮空氣溫度,penv為環(huán)境壓力,Tenv為環(huán)境溫度.

內(nèi)燃機(jī)消耗的燃油能量計(jì)算式為

Ed=mbqLHV.

(15)

式中：mb為燃油質(zhì)量,qLHV為燃油低熱值.

3.2混合動(dòng)力性能計(jì)算及分析

采用某S195單缸內(nèi)燃機(jī)和浙江大學(xué)自行研發(fā)的壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為原型機(jī),主要參數(shù)見表1.聯(lián)立內(nèi)燃機(jī)模型、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模型以及文丘里管模型,建立完整的混合動(dòng)力模型,計(jì)算壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮空氣質(zhì)量流量和壓力、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等參數(shù)對(duì)混合動(dòng)力性能的影響.

表1　混合動(dòng)力主要參數(shù)

3.2.1壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響以內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速nd=750r/min,滿負(fù)荷工況為例,研究混合動(dòng)力性能隨壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系.此時(shí),內(nèi)燃機(jī)排氣質(zhì)量流量qme=0.005kg/s,排氣平均溫度Te=850K.假設(shè)壓縮空氣壓力pca=0.6MPa,溫度Tca=300K,質(zhì)量流量qmca=0.01kg/s.

如圖4所示為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率ηa隨壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速na的變化關(guān)系.可見,隨著轉(zhuǎn)速的升高,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率降低.轉(zhuǎn)速升高,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程對(duì)應(yīng)的時(shí)間縮短,每循環(huán)進(jìn)氣質(zhì)量減少,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最高壓力減低,進(jìn)氣過程上、下游壓差逐漸增大,進(jìn)氣損失逐漸增加.同時(shí),壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間減少,缸內(nèi)氣體難以及時(shí)排出,排氣損失增大,使壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率逐漸降低.

定義采用文丘里管回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量的混合動(dòng)力為方案A,未采用排氣能量回收的混合動(dòng)力為方案B,單獨(dú)工作的內(nèi)燃機(jī)為方案C.

如圖5所示為3種方案有效效率ηh隨na變化關(guān)系的對(duì)比圖.可以看出,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí),方案A和方案B的有效效率均高于方案C；壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí),方案A和方案B的有效效率均低于方案C.這主要是由于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí),有效效率高于內(nèi)燃機(jī)；壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),有效效率低于內(nèi)燃機(jī).當(dāng)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速na=300r/min時(shí),方案A有效效率比方案C高約5.5%,方案B比方案C高約3.5%.

從圖5可以看出,在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況下,方案A采用文丘里管混合壓縮空氣和內(nèi)燃機(jī)排氣,可以回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量,一定程度上提高混合動(dòng)力的能量轉(zhuǎn)化效率,從而使方案A的有效效率高于方案B,增幅約為2%.

圖4　壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.4　Braking efficiency of compressed-air engine under different speed

圖5　3種方案有效效率隨壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化關(guān)系的對(duì)比Fig.5　Braking efficiency of compressed-air engine under different speed in three schemes

3.2.2壓縮空氣質(zhì)量流量和壓力的影響調(diào)節(jié)文丘里管進(jìn)口壓縮空氣質(zhì)量流量或者壓力可以改變文丘里管出口混合氣狀態(tài),進(jìn)而改變混合動(dòng)力運(yùn)行工況.假設(shè)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速nd=750r/min、滿負(fù)荷運(yùn)行,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速na=300r/min.

如圖6所示為3種方案ηh隨壓縮空氣/內(nèi)燃機(jī)排氣質(zhì)量流量比α(簡(jiǎn)稱為“質(zhì)量流量比”)的變化關(guān)系.可見,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的有效效率高于內(nèi)燃機(jī),因此,隨著質(zhì)量流量比的增加,方案A和方案B的有效效率均逐漸增大,且均高于方案C.對(duì)比方案A和B可知,方案A采用文丘里管回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量來提高壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度,有效效率高于方案B.

圖6　3種方案有效效率隨質(zhì)量流量比的變化關(guān)系Fig.6　Braking efficiency under different mass flow ratio in three schemes

如圖7所示為內(nèi)燃機(jī)有效效率ηd和最佳排氣提前角φd隨壓縮空氣壓力pca的變化關(guān)系.可見,隨著壓縮空氣壓力的升高,內(nèi)燃機(jī)有效效率快速下降,最佳排氣提前角逐漸增大.壓縮空氣壓力升高,內(nèi)燃機(jī)排氣背壓逐漸增大,內(nèi)燃機(jī)輸出功量減少,有效效率快速下降.由于內(nèi)燃機(jī)排氣背壓逐漸增大,過小的排氣提前角將會(huì)使內(nèi)燃機(jī)排氣過程泵氣損失過大,影響有效效率.內(nèi)燃機(jī)最佳排氣提前角隨壓縮空氣壓力的升高而逐漸增大.

圖7　內(nèi)燃機(jī)有效效率和最佳排氣提前角隨壓縮空氣壓力的變化關(guān)系Fig.7　Braking efficiency and optimal exhaust advanced angle of internal combustion engine under different compressed-air pressure

圖8　3種方案有效效率隨壓縮空氣壓力的變化關(guān)系Fig.8　Braking efficiency under different compressed-air pressure in three schemes

如圖8所示為3種方案ηh隨壓縮空氣壓力pca的變化關(guān)系.可見,隨著壓縮空氣壓力的升高,方案A的有效效率先增大后減小,方案B的有效效率逐漸增大.當(dāng)壓縮空氣壓力過低時(shí),例如0.3MPa,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率較低,導(dǎo)致方案A有效效率處于較低值.隨著壓縮空氣壓力的升高,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率增大,使得方案A的有效效率逐漸升高并達(dá)到最高值.當(dāng)壓縮空氣壓力超過一定值時(shí),由于背壓過高,內(nèi)燃機(jī)輸出功量大幅減少,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功的增量難以彌補(bǔ)前者降幅,方案A的混合動(dòng)力有效效率逐漸下降.在方案B中,隨著壓縮空氣壓力的升高,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率逐漸升高,使方案B的有效效率逐漸增大.

對(duì)比方案A和B可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)壓縮空氣超過0.9MPa時(shí),方案A的有效效率甚至低于方案B.這意味著若壓縮空氣壓力高于0.9MPa,應(yīng)采用方案B運(yùn)行；若壓縮空氣壓力低于0.9MPa,應(yīng)采用方案A運(yùn)行,以獲得較好的能量轉(zhuǎn)化效率.

3.2.3內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷的影響內(nèi)燃機(jī)和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為nd=750r/min和na=300r/min,壓縮空氣壓力pca=0.6MPa,溫度Tca=300K,質(zhì)量流量qmca=0.01kg/s.

圖9　內(nèi)燃機(jī)最佳排氣提前角隨負(fù)荷率的變化關(guān)系Fig.9　Optimal exhaust advanced angle of internal combustion engine under different load rate

如圖9所示為φd隨負(fù)荷率β的變化關(guān)系.可見,隨著內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷的增大,內(nèi)燃機(jī)最佳排氣提前角快速減小.當(dāng)內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷增加時(shí),循環(huán)噴油量增多,缸內(nèi)壓力升高.內(nèi)燃機(jī)排氣背壓保持不變,若內(nèi)燃機(jī)排氣提前角過大,則內(nèi)燃機(jī)膨脹損失快速升高,內(nèi)燃機(jī)輸出功量減少,混合動(dòng)力有效效率減低.隨著內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷的增加,最佳排氣提前角減小.

如圖10所示為3種方案ηh隨β的變化關(guān)系.可見,隨著內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷的增大,3種方案的系統(tǒng)有效效率均逐漸升高.當(dāng)內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷較低時(shí),噴油量較少,平均指示壓力較低.當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí),摩擦損失變化不大.內(nèi)燃機(jī)低負(fù)荷時(shí),有效效率較低,使混合動(dòng)力有效效率較低.當(dāng)內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷增大時(shí),平均指示壓力快速上升,使得混合動(dòng)力有效效率逐漸增大.內(nèi)燃機(jī)有效效率的變化趨勢(shì)主導(dǎo)了混合動(dòng)力有效效率的變化趨勢(shì).從圖10可以看出,不同內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷下,由于方案A采用文丘里管回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量,方案A的有效效率均高于方案B.

圖10　3種方案有效效率隨內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷率的變化關(guān)系Fig.10　Braking efficiency under different internal combustion engine load rate in three schemes

圖11　內(nèi)燃機(jī)最佳排氣提前角隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.11　optimal exhaust advanced angle of internal combustion engine under different speed

3.2.4內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的影響壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速na=300r/min,壓縮空氣壓力pca=0.6MPa,溫度Tca=300K,質(zhì)量流量mca=0.01kg/s.

如圖11所示為φd隨轉(zhuǎn)速nd的變化關(guān)系.可見,隨著內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,最佳排氣提前角呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì).內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速升高,缸內(nèi)壓力逐漸增大,內(nèi)燃機(jī)排氣背壓保持不變,過大的排氣提前角將會(huì)使內(nèi)燃機(jī)膨脹功損失快速增加；因此,內(nèi)燃機(jī)最佳排氣提前角逐漸減小.

如圖12所示為3種方案ηh隨nd的變化關(guān)系.可見,隨著內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷率的增大,方案A和方案B有效效率的變化趨勢(shì)和方案C一致,3種方案的有效效率均先增大后減小.隨著內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速升高,3種方案的內(nèi)燃機(jī)有效功率均增加,內(nèi)燃機(jī)有效功率占整機(jī)有效功率的比重快速增大,因此,內(nèi)燃機(jī)的有效效率變化趨勢(shì)主導(dǎo)了整機(jī)有效效率的變化趨勢(shì).從圖12可以看出,不同內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速下,方案A采用文丘里管回收利用內(nèi)燃機(jī)排氣能量,使方案A的有效效率高于方案B.

圖12　3種方案有效效率隨內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.12　Braking efficiency under different internal combustion engine speed in three schemes

3.3假設(shè)條件計(jì)算誤差探討

在仿真計(jì)算過程中,采用以下2個(gè)重要假設(shè).

1)假設(shè)文丘里管工作過程為等熵過程.實(shí)際上,文丘里管工作過程管壁存在摩擦,導(dǎo)致氣體壓力損失.孫淮清等[13]給出文丘里管壓力損失經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,內(nèi)壁光滑處理的文丘里管壓力損失約為5%,這將使壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率的理論計(jì)算值降低1.5%以內(nèi),混合動(dòng)力有效效率理論計(jì)算值降低0.5%以內(nèi).

2)假設(shè)文丘里管和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)介質(zhì)均為空氣,比定壓熱容參照空氣取值.實(shí)際上,內(nèi)燃機(jī)排氣比定壓熱容與空氣不同.進(jìn)一步的研究結(jié)果表明,相比于比定壓熱容取值為1 004J/(kg·K)(常溫空氣),取值為1 200J/(kg·K)(高溫內(nèi)燃機(jī)排氣)會(huì)使壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率降低0.5%～1%,混合動(dòng)力有效效率降低0.2%～0.4%,意味著對(duì)混合動(dòng)力有效效率的影響相對(duì)有限.

4混合動(dòng)力原理性試驗(yàn)驗(yàn)證

混合動(dòng)力由柴油機(jī)、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)和文丘里管組合而成.因?yàn)榛旌蟿?dòng)力正在試制中,分別對(duì)混合動(dòng)力柴油機(jī)、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)和文丘里管進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.

如圖13所示為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速nd=750r/min、滿負(fù)荷工況下,仿真模型和臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)測(cè)缸內(nèi)壓力曲線的對(duì)比.如圖14所示為當(dāng)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力pin=0.9MPa,溫度Tin=300K,轉(zhuǎn)速na=750r/min時(shí),仿真模型和臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)測(cè)缸內(nèi)壓力pcyl的對(duì)比關(guān)系.從圖13、14可見,無論是柴油機(jī)還是壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī),仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致.這表明建立的柴油機(jī)和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型具有較高的精確性.

圖13　柴油機(jī)缸內(nèi)壓力仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.13　Comparison between simulation and experiment data of diesel engine in-cylinder pressure

圖14　壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.14　Comparison between simulation and experiment data of compressed-air engine in-cylinder pressure

初步設(shè)計(jì)相應(yīng)的文丘里管,并對(duì)文丘里管進(jìn)行試驗(yàn)研究.如圖15所示為仿真模型和臺(tái)架試驗(yàn)中文丘里管被引射氣流壓力p隨引射氣流質(zhì)量流量qm變化的對(duì)比關(guān)系,其中設(shè)定引射氣流壓力為0.4MPa.從圖15可見,隨著引射氣流質(zhì)量流量的增大,文丘里管的引射效果逐漸增強(qiáng),仿真模型和臺(tái)架試驗(yàn)中被引射氣流壓力逐漸降低,兩者的變化趨勢(shì)保持一致.這一定程度上驗(yàn)證了文丘里管模型的準(zhǔn)確性.

圖15　文丘里管引射效果仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.15　Comparison between simulation and experiment data of venturi pipe ejecting effect

5結(jié)論

(1)混合動(dòng)力采用文丘里管混合壓縮空氣和內(nèi)燃機(jī)排氣,提高內(nèi)燃機(jī)排氣背壓,降低輸出功,但壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)吸收內(nèi)燃機(jī)排氣能量,提高輸出功,在部分工況下可以提高混合動(dòng)力的有效效率.

(2)降低壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,有助于提高混合動(dòng)力有效效率.當(dāng)壓縮空氣壓力超過一定值時(shí),混合動(dòng)力有效效率降低.

(3)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)混合動(dòng)力有效效率的影響規(guī)律與原內(nèi)燃機(jī)有效效率的變化趨勢(shì)一致.

(4)內(nèi)燃機(jī)存在最佳排氣提前角,使混合動(dòng)力獲得最高有效效率.該最佳排氣提前角受內(nèi)燃機(jī)排氣壓力和壓縮空氣壓力的共同影響.內(nèi)燃機(jī)排氣壓力升高,最佳排氣提前角減??；壓縮空氣壓力升高,最佳排氣提前角增大.

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收稿日期：2015-04-05.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項(xiàng)目：國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目(2011CB707205)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476143).

作者簡(jiǎn)介：徐煥祥(1988-)，男，博士生，從事內(nèi)燃機(jī)余能利用的研究.ORCID： 0000-0003-4281-5382. E-mail: xuhuanxiang@zju.edu.cn 通信聯(lián)系人：李道飛，男，副教授. ORCID：0000-0002-0909-3851. E-mail: dfli@zju.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.07.018

中圖分類號(hào)：TK 115

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-973X(2016)07-1353-07

Compressed-airhybridengineforexhaustenergyrecoverybasedonmediummixing

XUHuan-xiang,YUXiao-li,WANGLei,FANZhi-peng,DOUWen-bo,WEIWei,LIDao-fei

(Institute of Power Machinery and Vehicular Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract:A compressed air hybrid engine concept based on the medium mixing was proposed in order to recover the exhaust energy. A venturi pipe was utilized to mix the exhaust gas and compressed air. Then the thermodynamic model of hybrid engine was conducted. The impact of some technical parameters on the economic performance of hybrid engine was analyzed. The effect of some assumptions on the performance of hybrid engine was discussed. Results showed that the braking efficiency of hybrid engine increased as the compressed air engine speed decreased. The influence of internal combustion engine speed and load to the braking efficiency of hybrid engine was same to the conventional internal combustion engine. There was an optimal exhaust valve open timing of internal combustion engine to achieve a highest braking efficiency of hybrid engine. The optimal exhaust valve open timing was influenced by internal combustion engine exhaust pressure and compressed air pressure. The increase of the internal combustion engine exhaust pressure or the decrease of the compressed air pressure both leaded to a decrease of the optimal exhaust valve open timing．

Key words:internal combustion engine; compressed air hybrid engine; exhaust energy recovery; venturi pipe; thermodynamic model