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        一種用于內(nèi)燃機(jī)排氣能量回收的新型布雷頓循環(huán)系統(tǒng)

        2019-08-13 03:18:04周峰付建勤劉敬平唐琦軍朱國(guó)輝
        關(guān)鍵詞:布雷頓噴油量旁通

        周峰,付建勤,2,劉敬平,唐琦軍,朱國(guó)輝

        (1.湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙,410082;2.重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044)

        排氣能量回收是提高內(nèi)燃機(jī)總能效率的重要途徑之一,也是近年來(lái)內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的重要研究方向[1-2],國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)此進(jìn)行了大量研究[3-7]。LAKEW 等[3]提出了一種利用低溫?zé)嵩刺岣叱R界二氧化碳朗肯循環(huán)性能的新方法;XIE 等[5]研究了朗肯循環(huán)在重載柴油機(jī)駕駛循環(huán)下余熱回收的動(dòng)態(tài)特性;DOLZ等[8]利用朗肯循環(huán)回收了8%~9%的排氣能量;WANG 等[9]通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在某些工況下回收內(nèi)燃機(jī)排氣能量可以實(shí)現(xiàn)34%的節(jié)能效果;CONKLIN等[10]采用缸內(nèi)噴水,實(shí)現(xiàn)6沖程循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)排氣能量;FU 等[11]提出了采用蒸汽動(dòng)力循環(huán)的方法回收內(nèi)燃機(jī)排氣能量;諸葛偉林等[12]提出了基于布雷頓循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收方法。這些方法普遍需要在內(nèi)燃機(jī)上附加一套較復(fù)雜的余熱回收系統(tǒng),增加了系統(tǒng)成本和控制難度。廢氣渦輪增壓器可以有效地回收排氣能量[13],但在增壓器與內(nèi)燃機(jī)匹配時(shí),更多的是關(guān)注內(nèi)燃機(jī)的工作性能,帶有旁通閥的增壓器對(duì)排氣能量的利用效率很低。劉敬平等[14]發(fā)現(xiàn),在外特性下渦輪僅回收6%~13%的排氣能量。為了改善傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器的性能,HOFBAUER 等[15-16]提出了一種新型渦輪增壓器即電動(dòng)輔助增壓器,然而,在增壓器匹配時(shí),還是以?xún)?nèi)燃機(jī)工作性能為主、以電動(dòng)輔助增壓器為輔。JIANG等[17-19]對(duì)布雷頓循環(huán)的基本理論進(jìn)行了深入研究,并在發(fā)電等領(lǐng)域?qū)Σ祭最D循環(huán)進(jìn)行了廣泛應(yīng)用,但目前將布雷頓循環(huán)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)余熱回收領(lǐng)域的報(bào)道較少。為此,本文作者從熱力循環(huán)的角度出發(fā),將渦輪增壓器—電機(jī)—內(nèi)燃機(jī)視為一個(gè)整體,組成1個(gè)新型布雷頓循環(huán)系統(tǒng),通過(guò)優(yōu)化整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的性能,同時(shí)兼顧內(nèi)燃機(jī)工作性能與余熱回收系統(tǒng)性能,以期最大程度地提高內(nèi)燃機(jī)總能效率。

        1 新型布雷頓循環(huán)原理與特點(diǎn)

        圖1 新型布雷頓循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)排氣能量的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of new Brayton cycle for IC engine exhaust energy recovery

        本文提出的新型布雷頓循環(huán)原理如圖1所示,該系統(tǒng)主要包括內(nèi)燃機(jī)、壓氣機(jī)、渦輪、電機(jī)等核心部件,將內(nèi)燃機(jī)視為布雷頓循環(huán)的燃燒器,通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)而改變布雷頓循環(huán)工作參數(shù)。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作在高速或大負(fù)荷工況時(shí),渦輪回收的排氣能量大于壓氣機(jī)的排氣能量,此時(shí),電機(jī)將作為增壓系統(tǒng)的負(fù)載,將渦輪的機(jī)械功轉(zhuǎn)換為電能,并儲(chǔ)存在電池中。在傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中,渦輪和壓氣機(jī)滿(mǎn)足能量平衡關(guān)系,增壓系統(tǒng)無(wú)額外能量輸出。在電動(dòng)輔助渦輪增壓中,雖然渦輪過(guò)多的能量可以被電機(jī)回收,但增壓系統(tǒng)仍是內(nèi)燃機(jī)的子系統(tǒng),其工作區(qū)域范圍極其有限,從而導(dǎo)致余熱回收效率較低。該系統(tǒng)與以往增壓內(nèi)燃機(jī)最大的區(qū)別是:內(nèi)燃機(jī)只是1個(gè)子模塊,可以獨(dú)立輸出功率,內(nèi)燃機(jī)排氣能量作為布雷頓循環(huán)的熱源,也可以輸出功率。從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看,內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)循環(huán)只是整個(gè)系統(tǒng)的1個(gè)子循環(huán),故命名為新型熱力循環(huán)。本文以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總能效率最佳為目標(biāo),從循環(huán)系統(tǒng)的角度對(duì)“內(nèi)燃機(jī)—壓氣機(jī)—渦輪”進(jìn)行重新匹配。

        圖2所示為新型布雷頓循環(huán)的工質(zhì)熱力過(guò)程P-V示意圖(其中P為壓力,V為體積)。在該循環(huán)中,內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)是整個(gè)系統(tǒng)大循環(huán)的1個(gè)子循環(huán),嵌套在系統(tǒng)大循環(huán)(布雷頓循環(huán))中。新鮮工質(zhì)在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)經(jīng)歷1 個(gè)工作循環(huán)后的結(jié)果為工質(zhì)氣體溫度上升(等效于傳統(tǒng)布雷頓循環(huán)的工質(zhì)加熱過(guò)程),同時(shí),壓力稍微升高(排氣壓力一般高于進(jìn)氣壓力)。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的能量輸入由定壓加熱和定容加熱2 個(gè)過(guò)程組成:

        能量輸出可以近似為1個(gè)定容放熱過(guò)程:

        對(duì)于布雷頓循環(huán),過(guò)程5-6(見(jiàn)圖2)代表等熵膨脹,在渦輪內(nèi)進(jìn)行,因此,渦輪輸出的功率可表示為

        圖2 新型布雷頓循環(huán)的熱力過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic of new Brayton cycle thermal process

        過(guò)程7-1代表等熵壓縮,這個(gè)過(guò)程在壓氣機(jī)內(nèi)進(jìn)行,因此,壓氣消耗的功率可表示為

        式中:Q2-3和Q3-4分別為定壓和定容過(guò)程輸入的能量;Qin和Qout分別為系統(tǒng)輸入和輸出能量;為質(zhì)量流量;和分別為進(jìn)、排氣質(zhì)量流量;Ptur和Pcom分別為渦輪和壓氣機(jī)功率;cV和cP分別為定壓和定容過(guò)程工質(zhì)比熱容;cP,in和cP,exh分別為進(jìn)、排氣定壓過(guò)程工質(zhì)比熱容;T1,T2,T3,T4,T5,T6和T7為各工況點(diǎn)的溫度。

        布雷頓循環(huán)通過(guò)電機(jī)輸出的功率為

        布雷頓循環(huán)的輸出功率也可以表示為

        式中:Pmot為布雷頓循環(huán)輸出功率;ntur為渦輪轉(zhuǎn)速,本文假定電機(jī)轉(zhuǎn)速與增壓器轉(zhuǎn)速相同[15-16],即可用渦輪轉(zhuǎn)速代替;Mmot為電機(jī)扭矩,即布雷頓循環(huán)的輸出扭矩;ηmot為電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率,據(jù)文獻(xiàn)[20],本文取0.85。

        內(nèi)燃機(jī)的排氣能量定義為

        內(nèi)燃機(jī)排氣能量利用率可表示為

        布雷頓循環(huán)效率定義為

        式中:Qexh為內(nèi)燃機(jī)排氣能量;cP,air為空氣比熱容;Texh為排氣溫度;Tair為空氣溫度;ηuti為布雷頓循環(huán)對(duì)排氣能量的利用率;ηbra為布雷頓循環(huán)熱效率。

        將耦合新型布雷頓循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)看成1 個(gè)系統(tǒng),則系統(tǒng)總的功率輸出為

        系統(tǒng)總熱效率定義為

        式中:Ptot為該布雷頓循環(huán)系統(tǒng)總的輸出功率;Peng為內(nèi)燃機(jī)功率;ηtot為布雷頓循環(huán)系統(tǒng)總熱效率,即考慮了余熱回收后的系統(tǒng)總能效率;ηeng為內(nèi)燃機(jī)總熱效率。

        2 模型搭建與標(biāo)定

        為了研究該新型布雷頓循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)排氣能量的潛力,選擇某高增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象。該樣機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示,最高轉(zhuǎn)速達(dá)3 600 r/min,最大扭矩覆蓋的轉(zhuǎn)速為2 000~3 200 r/min,渦前壓力最大值達(dá)3.5×105Pa。該布雷頓循環(huán)的工作參數(shù)范圍較廣,有利于研究其節(jié)能潛力。

        表1 柴油機(jī)基本參數(shù)Table 1 Specifications of diesel engine

        基于AVL 試驗(yàn)臺(tái)架,對(duì)該柴油機(jī)外特性下的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,獲得各種性能和狀態(tài)參數(shù)尤其是渦輪前壓力、溫度及流量。結(jié)合樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果建立并校核其GT-Power 仿真模型。選取5 個(gè)外特性的工況點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算,試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比如圖3所示。通過(guò)對(duì)渦輪前流量、比油耗的模擬值和試驗(yàn)值的比較可知:各參數(shù)的模擬值和試驗(yàn)值基本吻合,模擬結(jié)果的最大誤差約為1.4%,可見(jiàn)所建立的GT-Power仿真模型具有較高的精確度和可信度。

        圖3 樣機(jī)仿真模型標(biāo)定Fig.3 Calibration of engine simulation model

        以該模型為基準(zhǔn)建立布雷頓循環(huán)的仿真模型,研究?jī)?nèi)燃機(jī)排氣能量的回收潛力及影響因素。在模型增壓器軸上增加1個(gè)扭矩輸出模塊,用于模擬電機(jī);在原模型上增加進(jìn)氣壓力控制子模塊。為方便結(jié)果處理,將式(9)和式(11)寫(xiě)入模型中。通過(guò)這種方式,實(shí)現(xiàn)余熱回收底循環(huán)與內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的耦合。

        3 布雷頓循環(huán)模擬分析

        3.1 渦輪旁通閥開(kāi)度的影響

        3.1.1 渦輪旁通閥開(kāi)度對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響

        固定噴油量,利用GT-Power 的目標(biāo)優(yōu)化功能,以進(jìn)氣壓力原始值為控制目標(biāo),保證計(jì)算過(guò)程渦前氣體狀態(tài)參數(shù)一致。只改變旁通閥開(kāi)度,即改變通過(guò)渦輪的氣體質(zhì)量流量,逐漸減小渦輪旁通閥當(dāng)量直徑,增大電機(jī)輸出功率。按照這種方式對(duì)5種轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

        圖4 旁通閥關(guān)閉過(guò)程布雷頓循環(huán)性能參數(shù)Fig.4 Brayton cycle performances under by-pass closing process

        圖5 旁通閥關(guān)閉過(guò)程系統(tǒng)性能參數(shù)Fig.5 System performances under by-pass closing process

        從圖4(a)可見(jiàn):布雷頓循環(huán)輸出功率隨旁通閥當(dāng)量直徑減小而增大,但增大的趨勢(shì)逐漸降低;輸出功率隨轉(zhuǎn)速升高而增大,在3 400 r/min時(shí)可以獲得最大輸出功率約13.5 kW。布雷頓循環(huán)輸出功率的變化規(guī)律可以通過(guò)分析其工作參數(shù)的變化得出。由圖4可知:當(dāng)渦輪旁通閥當(dāng)量直徑減小時(shí),通過(guò)渦輪的流量、渦前壓力和溫度都隨之增大,但上升的趨勢(shì)變緩;當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí),渦輪流量和渦前壓力都上升,渦前溫度先波動(dòng)后持續(xù)上升,這正是布雷頓循環(huán)輸出功率出現(xiàn)圖4(a)所示變化規(guī)律的原因。也就是說(shuō),圖4(a)所示功率變化規(guī)律是圖4(b),(c)和(d)中各參數(shù)綜合影響的結(jié)果。

        3.1.2 從整個(gè)系統(tǒng)角度對(duì)布雷頓循環(huán)性能的分析

        從圖5(a)可見(jiàn):當(dāng)轉(zhuǎn)速介于2 600~3 400 r/min時(shí),排氣能量回收率幾乎相同,最大值約為23.5%。其主要原因是3 個(gè)高轉(zhuǎn)速的渦輪工作在高效率區(qū)域,且效率非常接近;另外2個(gè)低轉(zhuǎn)速的流量較低,導(dǎo)致渦輪的效率較低,從而使排氣能量回收效率受到影響。從圖5(b)可見(jiàn):隨旁通閥當(dāng)量直徑減小,循環(huán)效率增大,但增加趨勢(shì)變緩(與輸出功率變緩的規(guī)律一致),這是渦輪質(zhì)量流量、渦前壓力和溫度隨旁通閥當(dāng)量直徑減小而增加率逐漸變小的結(jié)果。從圖5(c)可見(jiàn):隨旁通閥當(dāng)量直徑減小,系統(tǒng)總熱效率逐漸增大,增大的幅度隨轉(zhuǎn)速增加而愈明顯;當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 400 r/min時(shí),系統(tǒng)總熱效率相對(duì)于原機(jī)最大可以提高2.04%,相對(duì)提升率為5.74%。

        圖6 泵氣損失與旁通閥當(dāng)量直徑的關(guān)系Fig.6 Relationship between pumping mean effective pressure(PMEP)and by-pass diameter

        雖然柴油機(jī)沒(méi)有節(jié)氣門(mén),但外特性上的泵氣損失仍不容忽視,尤其是在渦輪旁通閥關(guān)閉過(guò)程中排氣壓力迅速增大,從而導(dǎo)致泵氣損失急劇增加。泵氣損失與旁通閥當(dāng)量直徑的關(guān)系如圖6所示。從圖6可見(jiàn):泵氣損失隨渦輪旁通閥當(dāng)量直徑減小而增大,隨轉(zhuǎn)速升高而增大;由于泵氣損失增加,導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)有效熱效率減低;當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 400 r/min時(shí),布雷頓循環(huán)回收排氣能量對(duì)系統(tǒng)總熱效率的貢獻(xiàn)絕對(duì)值達(dá)4.39%,但由于泵氣損失增大,內(nèi)燃機(jī)有效熱效率較原來(lái)降低2.35%,最終使系統(tǒng)總熱效率的提升量減小(實(shí)際只提高2.04%)。

        3.2 進(jìn)氣壓力的影響

        據(jù)本文提出的新型布雷頓循環(huán),可以通過(guò)渦輪輸出功率,于是打破了壓氣機(jī)和渦輪的功率平衡關(guān)系。因此,控制渦輪輸出功率可調(diào)節(jié)壓氣機(jī)功率,進(jìn)而達(dá)到控制進(jìn)氣壓力的目的。布雷頓循環(huán)的這一功能將有利于拓展柴油機(jī)噴油控制策略。

        計(jì)算過(guò)程以旁通閥關(guān)閉工況為起點(diǎn),逐漸減小進(jìn)氣壓力,直到過(guò)量空氣系數(shù)為1時(shí)為止。隨進(jìn)氣壓力降低,壓氣機(jī)所需功率減??;隨新鮮空氣量減小,進(jìn)一步引起過(guò)量空氣系數(shù)減小等一系列變化,最終引起渦前參數(shù)發(fā)生變化,在此基礎(chǔ)上研究進(jìn)氣壓力對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響。

        進(jìn)氣壓力對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響如圖7所示。從圖7(a)可見(jiàn):轉(zhuǎn)速越高,布雷頓循環(huán)輸出功率越大;當(dāng)進(jìn)氣壓力減小時(shí),輸出功率先增大后減小。這種變化規(guī)律與渦前參數(shù)的變化是密不可分的,而渦前參數(shù)的變化主要受進(jìn)氣壓力的影響。當(dāng)進(jìn)氣壓力減小時(shí),一方面,渦輪流量和渦前壓力迅速減小(如圖7(b)和圖7(c)所示),這不利于循環(huán)功率輸出;但另一方面,由于進(jìn)氣壓力下降使過(guò)量空氣系數(shù)減小,進(jìn)而導(dǎo)致渦前溫度升高(如圖7(d)所示),這又有利于增大循環(huán)功率。由前面分析可知,這3個(gè)參數(shù)與布雷頓循環(huán)輸出功率呈正相關(guān)。

        進(jìn)氣壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn):在同一轉(zhuǎn)速下,排氣能量回收率隨進(jìn)氣壓力降低而減小,并且兩者呈明顯的線性關(guān)系;在相同壓力下,轉(zhuǎn)速越高,能量回收率越高。布雷頓循環(huán)熱效率的變化規(guī)律與功率的變化規(guī)律非常相似:隨進(jìn)氣壓力減小,循環(huán)熱效率先增大后減??;高轉(zhuǎn)速時(shí)的循環(huán)熱效率明顯比低轉(zhuǎn)速時(shí)的高。與布雷頓循環(huán)輸出功率以及熱效率不同,系統(tǒng)總熱效率隨進(jìn)氣壓力降低一直減小。這是因?yàn)殡S進(jìn)氣壓力降低,內(nèi)燃機(jī)熱效率降低(過(guò)量空氣系數(shù)減小導(dǎo)致柴油機(jī)熱效率下降)。由此可見(jiàn),進(jìn)氣壓力對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作性能的影響明顯大于對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響。

        圖7 進(jìn)氣壓力對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響Fig.7 Effects of intake pressure on Brayton cycle performances

        圖8 進(jìn)氣壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.8 Effects of intake pressure on system performances

        對(duì)比圖8(a)與圖8(b)可以發(fā)現(xiàn):排氣能量利用率隨進(jìn)氣壓力升高呈線性增加(見(jiàn)圖8(a)),而布雷頓循環(huán)熱效率隨進(jìn)氣壓力升高先增加后減小(見(jiàn)圖8(b))。這是因?yàn)殡S進(jìn)氣壓力增加,壓氣機(jī)需要的功率迅速增大,如圖9所示。為了維持較高的進(jìn)氣壓力需要消耗更多的渦輪膨脹功,因此,導(dǎo)致布雷頓循環(huán)輸出功率降低,從而使循環(huán)效率降低。

        圖9 壓氣機(jī)功率Fig.9 Consumption power of compressor

        3.3 循環(huán)噴油量的影響

        對(duì)于渦輪旁通閥全閉的工況點(diǎn),也可以采用增大循環(huán)噴油量來(lái)改變渦前參數(shù)尤其是渦前溫度,進(jìn)而研究循環(huán)噴油量對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響。為了拓展研究范圍,以原始循環(huán)噴油量為基準(zhǔn),當(dāng)循環(huán)噴油量增加比例達(dá)30%時(shí),在1 600 r/min時(shí)內(nèi)燃機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)為1,在3 400 r/min 時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速非常接近其最高轉(zhuǎn)速,因此,各轉(zhuǎn)速下最大噴油量增加上限為30%。循環(huán)噴油量對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響見(jiàn)圖10。從圖10可以看到布雷頓循環(huán)輸出功率隨循環(huán)噴油量增加而增大(見(jiàn)圖10(a))。這是因?yàn)樵谶M(jìn)氣壓力固定不變的前提下,增加噴油量,通過(guò)渦輪的工質(zhì)流量幾乎不變(見(jiàn)圖10(b)),渦前壓力略有升高(見(jiàn)圖10(c)),但渦前溫度大幅度增加,約升高175 K(見(jiàn)圖10(d))。因此,渦前溫度是最主要的變化參數(shù),布雷頓循環(huán)輸出功率增加主要是渦前溫度大幅度升高所致。

        圖10 循環(huán)噴油量對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響Fig.10 Effects of fuel injection quantity on Brayton cycle performances

        圖11所示為循環(huán)噴油量對(duì)布雷頓循環(huán)性能的影響。從圖10(a)可知:循環(huán)噴油量增加引起排氣能量增大,從而使布雷頓循環(huán)輸出功率上升,但排氣能量回收率隨噴油量增大略有減小,并且減小的幅度隨轉(zhuǎn)速升高而增大(見(jiàn)圖11(a)),這是渦輪效率下降所致。而渦輪效率的下降可通過(guò)分析圖10(b)和(c)得出。當(dāng)渦輪流量不變、膨脹比(渦前壓力)增大時(shí),渦輪工作點(diǎn)向外移動(dòng),從而導(dǎo)致其效率降低。從圖11(b)可以看出:布雷頓循環(huán)熱效率隨循環(huán)噴油量增加而增大,低轉(zhuǎn)速時(shí)增大的幅度更明顯。與循環(huán)效率不同的是,低轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)總熱效率隨循環(huán)噴油量增大而降低,隨轉(zhuǎn)速升高降低的趨勢(shì)減緩,直至高轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)總熱效率幾乎不受循環(huán)噴油量的影響(見(jiàn)圖11(c)),換句話說(shuō),高轉(zhuǎn)速時(shí)布雷頓循環(huán)回收的排氣能量剛好抵消由于循環(huán)噴油量增加、過(guò)量空氣系數(shù)減小導(dǎo)致的內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)熱效率降低。

        3.4 布雷頓循環(huán)節(jié)能潛力分析

        本文通過(guò)關(guān)閉渦輪旁通閥、改變進(jìn)氣壓力、調(diào)節(jié)循環(huán)噴油量,研究該布雷頓循環(huán)性能參數(shù)的變化規(guī)律。其中,采用關(guān)閉旁通閥提高渦輪流量是該新型布雷頓循環(huán)的出發(fā)點(diǎn),在整個(gè)過(guò)程中,布雷頓循環(huán)功率、熱效率、系統(tǒng)總熱效率均增大。通過(guò)降低進(jìn)氣壓力,可反映通過(guò)布雷頓循環(huán)控制進(jìn)氣壓力的功能,這可給柴油機(jī)噴油控制策略帶來(lái)全新改變;增大循環(huán)噴油量可以進(jìn)一步挖掘布雷頓循環(huán)的節(jié)能潛力。為了對(duì)比分析這3種方案對(duì)布雷頓循環(huán)及系統(tǒng)性能的改善潛力,從各方案中挑選出布雷頓循環(huán)最大輸出功率的工況點(diǎn),分別為旁通閥全閉、進(jìn)氣壓力中間值及最大噴油量工況。對(duì)比分析不同轉(zhuǎn)速下布雷頓循環(huán)排氣能量利用率、輸出功率、循環(huán)熱效率以及系統(tǒng)總熱效率相對(duì)于原機(jī)的提升率,如表2所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)各參數(shù)均隨轉(zhuǎn)速升高而增大,可見(jiàn)該新型布雷頓循環(huán)在高轉(zhuǎn)速下具有更大的節(jié)能潛力。需注意的是,在減小進(jìn)氣壓力和增加噴油量過(guò)程中,低轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)總效率的提升率為負(fù)值,說(shuō)明該布雷頓循環(huán)在低轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)總熱效率比原機(jī)的低。雖然增大噴油量可以使布雷頓循環(huán)輸出更多的功率并獲得更高的循環(huán)熱效率,但對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言,最為關(guān)注的是采用新型布雷頓循環(huán)后內(nèi)燃機(jī)相比原機(jī)的熱效率提高程度。從本文的計(jì)算分析來(lái)看,在轉(zhuǎn)速為3 400 r/min、旁通閥全閉時(shí),系統(tǒng)總熱效率相對(duì)于原機(jī)最大可以提高5.74%。

        圖11 循環(huán)噴油量對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.11 Effects of fuel injection quantity on system performances

        表2 布雷頓循環(huán)節(jié)能潛力分析Table 2 Energy-saving potential of Brayton cycle

        4 結(jié)論

        1) 提出一種新型布雷頓循環(huán)用于回收內(nèi)燃機(jī)排氣能量,實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)熱效率和排氣能量回收效率的協(xié)同優(yōu)化。該新型布雷頓循環(huán)系統(tǒng)可以有效回收內(nèi)燃機(jī)排氣能量,系統(tǒng)總熱效率隨內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而提高,但余熱回收效率受到內(nèi)燃機(jī)泵氣損失的限制,減少泵氣損失可以使布雷頓循環(huán)系統(tǒng)總熱效率進(jìn)一步得到提升。

        2) 采用旁通閥全閉的方法可以獲得最大的節(jié)能效果。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 400 r/min時(shí),旁通閥全閉,系統(tǒng)總熱效率相對(duì)于原機(jī)最大可以提高5.74%。

        3) 新型布雷頓循環(huán)打破了壓氣機(jī)和渦輪之間的功率平衡關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)控制進(jìn)氣壓力的功能,因此,可實(shí)現(xiàn)新型的柴油機(jī)噴油控制策略。

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