谷 操， 李源浩， 張 敏

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

坦克裝甲車輛的動(dòng)力及電力能源都來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)，目前，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒岙?dāng)量占燃料燃燒發(fā)熱量(輸入熱量)的30%～40%，排氣帶走的熱量也要占30%～40%[1].如何實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫尾氣余熱的利用以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，一直是各國(guó)都在努力研究的一個(gè)課題，特別是對(duì)于混合動(dòng)力車輛，對(duì)于該方面的研究需求尤為迫切.目前對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱發(fā)電技術(shù)的研究，主要集中在應(yīng)用熱電材料進(jìn)行發(fā)電[2]和傳統(tǒng)的內(nèi)能—?jiǎng)幽堋娔艿臒犭娹D(zhuǎn)換模式等方面，并取得了一定的進(jìn)展.筆者也在利用有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱發(fā)電方面進(jìn)行了一定的研究，通過研究發(fā)現(xiàn)存在一系列問題不好解決，這些問題直接制約了在車輛上的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在：系統(tǒng)中壓縮機(jī)、冷凝器均需要耗能，直接影響了能量回收效率，系統(tǒng)部件多、占用的空間大，工質(zhì)側(cè)是封閉式循環(huán)，其工作壓力高、對(duì)流動(dòng)阻力匹配的要求苛刻等方面.結(jié)合對(duì)坦克裝甲車輛實(shí)際情況的分析，并在前期研究的基礎(chǔ)上，提出了利用布雷頓循環(huán)[3]在坦克裝甲車輛上實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱發(fā)電的技術(shù)方案.

1 布雷頓循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣發(fā)電系統(tǒng)原理

布雷頓循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣發(fā)電系統(tǒng)原理如圖1所示.由壓氣機(jī)壓縮空氣達(dá)到一定的溫度、壓力并驅(qū)動(dòng)空氣單向流動(dòng)，壓縮空氣經(jīng)過熱交換器，通過吸收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的熱能進(jìn)一步提高空氣的溫度和體積流速，高溫高速壓縮空氣驅(qū)動(dòng)渦(氣)輪發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電.

圖1 布雷頓循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣發(fā)電系統(tǒng)原理圖

2 循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)分析

如圖2所示，空氣在壓氣機(jī)壓縮是絕熱壓縮(定熵壓縮)過程(1→2)，在此過程中空氣的溫度壓力升高，體積流速增加，需要消耗外界的輸入功；通過換熱器吸收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱量是定壓加熱過程(2→3)，在此過程空氣的溫度升高，體積流速增大；高溫高速空氣驅(qū)動(dòng)渦(氣)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的過程是定熵膨脹過程(3→4)，空氣的溫度、壓力均下降，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電對(duì)外做功；空氣排到大氣中的過程是定壓放熱過程(4→1).

圖2 循環(huán)過程熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)圖

按照理想循環(huán)[3-5]進(jìn)行分析(設(shè)定空氣流量為1 kg/s)，定熵壓縮過程(1→2)方程如式(1)式(2)所示，定壓加熱過程(2→3)方程如式(3)所示，定熵膨脹過程(3→4)方程如式(4)所示，定壓放熱過程(4→1)方程如式(5)所示。

dQ=0，dS=0;Wc=Cp(T2-T1)；

(1)

(2)

Q=Cp(T3-T2)，

(3)

dQ=0，dS=0；WT=Cp(T3-T4)；

(4)

Q=-Cp(T4-T1).

(5)

式中：Q為熱量；S為熵；WC為壓氣機(jī)內(nèi)消耗功；WT為輸出功；CP為氣體比熱；T1、T2、T3、T4為溫度；P1、P2為壓力；k為換熱系數(shù).

由式(1)～式(5)可得：

(6)

當(dāng)且僅當(dāng)式(6)的結(jié)果大于零時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行是有效的，即對(duì)外輸出功大于系統(tǒng)消耗功.

3 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響分析

換熱器串聯(lián)在發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪的出口管路中.排氣經(jīng)過換熱器將部分熱量傳遞給壓縮空氣，是定容放熱過程.排氣經(jīng)過換熱器后排放到大氣中，溫度、壓力均降低，另一方面排氣進(jìn)入換熱器時(shí)會(huì)有擴(kuò)壓過程以及流過換熱器時(shí)會(huì)增加流動(dòng)阻力，而定容放熱過程引起的壓力降低可以起到一定抵消擴(kuò)壓和流動(dòng)阻力所帶來(lái)的影響，因此只要在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)合理考慮好二者的平衡關(guān)系，就可以保證不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能帶來(lái)不利的影響.同時(shí)，排氣的溫度、壓力降低，會(huì)有效減小排氣噪聲的能量，有益于降低排放噪音，可以起到消音器的作用，如原設(shè)計(jì)考慮安裝有消音器，此時(shí)則可以取消消音器.

4 在坦克裝甲車輛上實(shí)施的可行性分析

利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的余熱進(jìn)行發(fā)電，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料能量利用率進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及整車的性能，并且會(huì)起到降低排氣噪音、降低排氣溫度的效果，也有利于提高坦克裝甲車輛的降噪、降低紅外特性等性能.

分析評(píng)估該技術(shù)能否在坦克裝甲車輛上應(yīng)用，關(guān)鍵就在于其效能和安裝空間是否合適.下面基于某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行評(píng)估分析.

發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)：額定功率400 kW的增壓中冷柴油機(jī)，額定工況下的進(jìn)氣量0.6 kg/s，渦輪增壓后排氣溫度550 ℃.

發(fā)電系統(tǒng)按照壓氣機(jī)流量0.2 kg/s、壓比2.5、經(jīng)過換熱器后溫度升高到500 ℃.環(huán)境按標(biāo)準(zhǔn)工況核算.

此時(shí)溫度比

τ=2.59.

按照式(6)計(jì)算可得，WT=17.8 kW.

考慮系統(tǒng)的綜合效率為0.6，則實(shí)際收益為10.68 kW.即發(fā)電系統(tǒng)可以獲得10 kW左右的效能收益.

該系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，只有壓氣機(jī)、渦輪發(fā)電機(jī)、換熱器和少量連接管路，其中體積較大的是換熱器部分，因此本研究?jī)H就換熱器的體積進(jìn)行分析評(píng)估.

將0.2 kg/s的空氣由環(huán)境溫度升高到500 ℃時(shí)需要吸收的熱量：

Q=mCpΔt.

經(jīng)計(jì)算，Q=0.2×1.005×(500-25)=95 kW

在壓氣機(jī)中空氣被壓縮時(shí)也要升溫，故實(shí)際的換熱能力不需要95 kW.按此指標(biāo)設(shè)計(jì)換熱器可以保證足夠的換熱能力.

采用板翅式換熱器，空-空換熱系數(shù)按照60 W/m2算，采用對(duì)數(shù)平均溫差法計(jì)算需要換熱面積10 m2.

板翅式換熱器基于冷側(cè)換熱面積的緊湊系數(shù)按照500 m2/m3估算，需要的換熱器芯體體積為0.02 m3，這與卡車的消音器相當(dāng).因此該體積需求在坦克裝甲車輛上是可以接受的，而壓氣機(jī)、渦輪發(fā)電機(jī)的體積不會(huì)大于同樣出力的輔機(jī)的體積.

綜上分析該系統(tǒng)用在坦克裝甲車輛上是可行的.

5 結(jié) 論

提出一種利用布雷頓循環(huán)的坦克裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)排氣發(fā)電技術(shù)方案.該方案涉及的部件少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單占用空間小.通過對(duì)循環(huán)過程進(jìn)行熱力學(xué)分析，并基于某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了具體的效能評(píng)估分析計(jì)算，分析研究表明該技術(shù)方案可以用于坦克裝甲車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣發(fā)電，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料能量利用率進(jìn)而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及整車的性能.系統(tǒng)還可以發(fā)揮降低排氣噪音、降低排氣溫度的效果，有利于提高坦克裝甲車輛的降噪、降低紅外特性等性能.