田永海， 牛軍， 梁紅波， 曲栓， 孫丹紅

(中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

基于熱平衡試驗(yàn)和倒拖試驗(yàn)的柴油機(jī)有效能傳遞與節(jié)能潛力研究

田永海， 牛軍， 梁紅波， 曲栓， 孫丹紅

(中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

隨可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好要求的不斷提高，如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)能量的使用效率已被提升到重要位置。從內(nèi)燃機(jī)能量平衡來看[1-3]，動(dòng)力輸出功一般只占燃油燃燒總熱量的30%～45%(柴油機(jī))或20%～30%(汽油機(jī))，除了不到10%用于克服摩擦等功率損失之外，其余的余熱能沒有得到利用，主要通過冷卻回路的散熱以及排氣被排放到大氣中，因此，減少能量傳遞損失和余熱能回收再利用是提高總能效率、降低燃油消耗率的一種有效途徑。

1 測試設(shè)備

本研究采用的樣機(jī)為廢氣渦輪增壓柴油機(jī)，在試驗(yàn)中，采用奧地利AVLGH12D缸壓傳感器配合電荷放大器測量缸壓。試驗(yàn)燃料為-10號(hào)柴油，試驗(yàn)過程中用到的主要儀器設(shè)備見表1。

表1 主要試驗(yàn)儀器

續(xù)表

2 柴油機(jī)熱平衡和平衡分析基礎(chǔ)

2.1 柴油機(jī)熱平衡分析基礎(chǔ)

熱力學(xué)第一定律認(rèn)為熱能和機(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。車用柴油機(jī)燃料燃燒釋放的總能量一般分為四部分：轉(zhuǎn)化為有效功的熱量、傳遞到冷卻介質(zhì)中的熱量、排氣中的熱量和余項(xiàng)損失熱量。余項(xiàng)損失熱量包含了工質(zhì)流經(jīng)管路的熱損失和機(jī)體、油底殼等對(duì)外因輻射損失到周圍環(huán)境中的熱量，還有燃料未能充分燃燒而隨尾氣排出部分的熱量。燃料燃燒不充分的熱量可以通過燃燒效率ηu修正，燃燒效率可以依據(jù)尾氣中不完全燃燒產(chǎn)物CO和HC的質(zhì)量來計(jì)算。由此得到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡方程：

Qh=Qe+Qc+Qex+Qf。

式中：Qh為燃料完全燃燒放出的熱量；Qe為轉(zhuǎn)化為有效功的熱量；Qc為冷卻介質(zhì)帶走的熱量；Qex為排氣帶走的熱量；Qf為余項(xiàng)損失熱量。

由于無法利用汽化潛熱，所以燃料完全燃燒的熱量Qh用低熱值計(jì)算。

通過試驗(yàn)方法計(jì)算轉(zhuǎn)化為有效功的熱量Qe時(shí)，可從測功機(jī)讀取有效功率，按式(2)進(jìn)行計(jì)算：

式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

冷卻液帶走的熱量主要包括缸壁傳遞給冷卻液的熱量、機(jī)油冷卻器傳給冷卻液的熱量和中冷器傳遞給冷卻液的熱量等。根據(jù)冷卻系統(tǒng)的測試參數(shù)，冷卻液散熱量計(jì)算公式如下：

Qc=GcρcCc(Tcout-Tcin)。

式中：Gc為冷卻液體積流量；ρc為冷卻液密度；Cc為冷卻液平均比定壓熱容；Tcin為冷卻液進(jìn)口溫度；Tcout為冷卻液出口溫度。

進(jìn)氣比熱容依據(jù)空氣溫度插值得到。排氣比熱容依據(jù)排氣氣體組分百分比和單一組分氣體的平均比定壓熱容隨溫度的關(guān)系計(jì)算得到。排氣帶走的熱量Qex計(jì)算公式為

Qex=MexCex(Te-Ti)。

式中：Mex為排氣質(zhì)量；Cex為排氣的平均比定壓熱容；Te為渦輪后排氣溫度；Ti為進(jìn)氣溫度。

余項(xiàng)損失熱量為

Qf=Qh-Qe-Qc-Qex。

ex,h-ex,x=ωi+ex,c+ex,ex+i。

ex,h=ωf×Hu。

式中：ωf為燃料的化學(xué)成分CnHm的系數(shù)[16]，直噴式柴油機(jī)取ωf=1.033 8[17]。

ex,g=ηu×[(hD-hA)-T0(sD-sA)]。

式中：hA和hD分別為燃燒初始、終了狀態(tài)下的比焓；sA和sD分別為燃燒初始、終了狀態(tài)下的比熵。

ex,x=ex,h-ex,g。

ωi=qe。

式中：qe為單位質(zhì)量燃料轉(zhuǎn)化為有效功的熱量。

ex,ex=(hx,ex-h0)-T0(sx,ex-s0)。

式中：hx,ex為排氣狀態(tài)下的比焓；sx,ex為排氣狀態(tài)下的比熵。

i=ex,h-ex,x-(ωi+ex,c+ex,ex)。

3 柴油機(jī)熱平衡和平衡分析

3.1 熱平衡試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 外特性燃料放熱量、燃料總和燃?xì)庠黾拥牧?/p>

圖2 外特性冷卻水熱量和量

圖3 外特性排氣熱量和量

圖4 柴油機(jī)外特性的熱平衡分布

圖5 柴油機(jī)外特性的平衡分布

3.2 倒拖試驗(yàn)結(jié)果分析

為了使倒拖試驗(yàn)盡可能接近整機(jī)熱平衡試驗(yàn)時(shí)的條件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水和進(jìn)油(潤滑油)加熱到熱平衡試驗(yàn)工況的溫度。由于用倒拖法測試機(jī)械損失時(shí)，沒有考慮到缸內(nèi)燃燒壓力對(duì)pfme(平均機(jī)械損失壓力)的影響，所以需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中缸內(nèi)最高燃燒壓力對(duì)pfme進(jìn)行修正。本研究用Chen-Flynn模型對(duì)柴油機(jī)pfme進(jìn)行修正，公式如下：

pfme修正=pfme試驗(yàn)+ζ·(pmax-pc)。

式中：pfme修正為根據(jù)最高燃燒壓力修正后的pfme；pfme試驗(yàn)為倒拖試驗(yàn)測試(未考慮燃燒壓力影響)的pfme；ζ為缸內(nèi)壓力影響因子；pmax為最高燃燒壓力；pc為壓縮壓力。

圖6 倒拖試驗(yàn)修正前和修正后的pfme

柴油機(jī)外特性的熱平衡分布(見圖4)中由冷卻水帶走的熱量可分為三部分：摩擦和驅(qū)動(dòng)附件產(chǎn)生的熱量、缸壁傳遞的熱量和中冷器帶走的熱量，分別占燃料總熱量的4%～6%，10%～12%和7%～9%(見圖7)。其中，由于燃燒引起的缸壁傳遞的熱量近似等于熱平衡中冷卻水帶走的熱量減去中冷器帶走的熱量和倒拖試驗(yàn)修正后的摩擦功的熱量。

圖7 柴油機(jī)外特性的熱量分布

圖8 柴油機(jī)外特性的量分布

圖9 柴油機(jī)外特性的熱量分布

圖10 柴油機(jī)外特性的量分布

隨負(fù)荷的增加，熱平衡中有效功熱量占總熱量的比例變化很大，扭矩高于60%時(shí)趨于平緩；摩擦與驅(qū)動(dòng)附件的熱量和缸內(nèi)的熱量占總熱量的比例降低，當(dāng)最高扭矩由10%上升至100%時(shí)，摩擦與驅(qū)動(dòng)附件占總熱量的百分比從約20%降低至約10%，缸內(nèi)傳熱量占總熱量的百分比從17.5%降低至約9%；中冷熱量占總熱量的百分比從3%升高至約9.5%；排氣熱量占總熱量的百分比基本不變。

圖12 柴油機(jī)負(fù)荷特性的量分布

4 結(jié)束語

[1] Tsurushima T,Miyamoto T,Enomoto Y,et al.Estimation of heat loss from combustion chamber by heat balance method and its validation[J]．Transactions of the JSME,2002,68:2935-2942.

[2] Shimada K,Uchida N,Osada H,et al.Energy Balance Analysis in a Heavy-duty Diesel Engine[C]．JSAE Annual Congress,20135351,2013.

[3] 李曉田，王安麟，吳仁智.工程機(jī)械柴油機(jī)動(dòng)態(tài)工況冷卻系統(tǒng)熱平衡研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2009,30(4)：43-47.

[4] 徐生榮.工程熱力學(xué)[M]．長沙：東南大學(xué)出版社，2004.

[5] 金紅光，張國強(qiáng)，高林，等.總能系統(tǒng)理論研究進(jìn)展與展望[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(3)：39-48.

[6] Rosen M,Dincer I.A new perspective on dissel engine evaluation based on second law analysis[J]．Energy Conversion and Management,2003,44(17):2743-2761.

[7] Tsatsaronis G,Winhold M.Exergoeconomic analysis and evaluation of energy conversion plants.I. A new general methodology[J]．Energy,1985,10(1):69-80.

[8] Flynn P F,Hoag K L,Kanel M M,et al.A new perspective on dissel engine evaluation based on second law analysis[C]．SAE Paper 840032,1984.

[9] Bozza F,Nocera R,Senatore A,et al.Second law analysis of turbocharged engine operation[C]．SAE Paper 910418,1991.

[10] Shapiro H N,Gerpen J H V.Two zone combustion models for second law analysis of internal combustion engines[C]．SAE Paper 890823,1989.

[11] 呂峰，俞小莉，張宇，等.車用柴油機(jī)節(jié)能潛力的能質(zhì)分析方法與試驗(yàn)研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2012，33(1)：61-66.

[12] 趙長祿，岳玉嵩，周磊，等.6V150柴油機(jī)熱力循環(huán)的熱力學(xué)分析[J]．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(6)：500-503.

[13] Moran M J.Availability analysis:A guide to efficient energy use[M]．New Jersey:Prentice-Hall Inc,1982.

[15] Giakoumis E G.Cylinder wall insulation effects on the first and second law balances of a turbocharged diesel engine operating under transient load conditions[J]．Energy conversion and management Energy Conversion And Management,2007,48:2925-2933.

[16] Bozza F,Nocera R.Second law analysis of turbocharged engine operation[C]．SAE Paper 910418,1991.

[17] Primus R J,Hoag K L.An appraisal of advanced engine concepts using second law analysis techniques[C]．SAE Paper 841287,1984.

[18] Taniguchi H,Mouri K,Nakahara T,et al．Exergy analysis on combustion and energy conversion processes[J]．Energy,2005,30:111-117．

[19] Rajoo S,Martinez-Botas R.Improving Energy Extraction from Pulsating Exhaust Flow by Active Operation of a Turbocharger Turbine[C]．SAE Paper 2007-01-1557.

[20] Weerasinghe R,Stobart K,Hounsham M.Thermal efficiency improvement in high output diesel engines a comparison of a Rankine cycle with turbocompounding[J]．Applied Thermal Engineering,2010,30:2253-2256.

[21] 田永海，劉勝，殷玉恩，等.HC4132柴油機(jī)渦輪增壓系統(tǒng)有用能量流研究[J]．小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2015，44(5)：38-43.

[22] Ishii M,Kiyohiro S,Machida K,et al.A study on improving fuel consumption of heavy-duty diesel engine specifically designed for long-haul trucks on highway[C]．SAE Paper 2015-01-1256.

[23] Heiduk T,Dornhofer R.The new generation of the R4 TFSI engine from Audi[C]//Internationales Wiener Mo-torensymposium.[S.l.]:[s.n.],2011.

[編輯： 袁曉燕]

Effective Energy Transfer and Energy Saving Potential of Diesel Engine Based on Heat Balance and Motored Test

TIAN Yonghai, NIU Jun, LIANG Hongbo, QU Shuan, SUN Danhong

(China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

In order to quantitative study the available energy from each part of diesel engine, the heat balance test and motored engine test were carried out on a diesel engine and the mechanism of energy transfer and effective energy loss were analyzed. According to the first law of thermodynamics, there was still about 90% fuel combustion energy to be able to do any other work except for friction, driving accessories and remainder loss. Only 58% fuel energy could do work and the residual 22%-23% fuel energy would lose during the irreversible combustion process in accordance with the second law of thermodynamics. The heat amount of cooling water and exhaust gas was equivalent, but the quality of energy between them had a great difference. Finally, the energy saving potential for each part of system was clarified and the improvement direction was proposed.

diesel engine; heat balance; exergy balance; energy distribution; energy saving

2016-07-18；

2016-12-07

田永海(1983—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)匹配；tianyonghai0827@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.005

TK411.1

B

1001-2222(2016)06-0023-07