周峰，付建勤,2，劉敬平，唐琦軍，朱國輝

(1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南長沙，410082；2.重慶大學低品位能源利用技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶，400044)

排氣能量回收是提高內(nèi)燃機總能效率的重要途徑之一，也是近年來內(nèi)燃機領域的重要研究方向[1-2]，國內(nèi)外許多研究者對此進行了大量研究[3-7]。LAKEW 等[3]提出了一種利用低溫熱源提高超臨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)在重載柴油機駕駛循環(huán)下余熱回收的動態(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]通過臺架實驗發(fā)現(xiàn)在某些工況下回收內(nèi)燃機排氣能量可以實現(xiàn)34%的節(jié)能效果；CONKLIN等[10]采用缸內(nèi)噴水，實現(xiàn)6沖程循環(huán)回收內(nèi)燃機排氣能量；FU 等[11]提出了采用蒸汽動力循環(huán)的方法回收內(nèi)燃機排氣能量；諸葛偉林等[12]提出了基于布雷頓循環(huán)的發(fā)動機余熱回收方法。這些方法普遍需要在內(nèi)燃機上附加一套較復雜的余熱回收系統(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)燃機匹配時，更多的是關注內(nèi)燃機的工作性能，帶有旁通閥的增壓器對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輔助增壓器，然而，在增壓器匹配時，還是以內(nèi)燃機工作性能為主、以電動輔助增壓器為輔。JIANG等[17-19]對布雷頓循環(huán)的基本理論進行了深入研究，并在發(fā)電等領域?qū)Σ祭最D循環(huán)進行了廣泛應用，但目前將布雷頓循環(huán)應用于內(nèi)燃機余熱回收領域的報道較少。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—內(nèi)燃機視為一個整體，組成1個新型布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，通過優(yōu)化整個循環(huán)系統(tǒng)的性能，同時兼顧內(nèi)燃機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)燃機總能效率。

1 新型布雷頓循環(huán)原理與特點

圖1 新型布雷頓循環(huán)回收內(nèi)燃機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、壓氣機、渦輪、電機等核心部件，將內(nèi)燃機視為布雷頓循環(huán)的燃燒器，通過調(diào)節(jié)內(nèi)燃機運行參數(shù)進而改變布雷頓循環(huán)工作參數(shù)。當內(nèi)燃機工作在高速或大負荷工況時，渦輪回收的排氣能量大于壓氣機的排氣能量，此時，電機將作為增壓系統(tǒng)的負載，將渦輪的機械功轉換為電能，并儲存在電池中。在傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓發(fā)動機中，渦輪和壓氣機滿足能量平衡關系，增壓系統(tǒng)無額外能量輸出。在電動輔助渦輪增壓中，雖然渦輪過多的能量可以被電機回收，但增壓系統(tǒng)仍是內(nèi)燃機的子系統(tǒng)，其工作區(qū)域范圍極其有限，從而導致余熱回收效率較低。該系統(tǒng)與以往增壓內(nèi)燃機最大的區(qū)別是：內(nèi)燃機只是1個子模塊，可以獨立輸出功率，內(nèi)燃機排氣能量作為布雷頓循環(huán)的熱源，也可以輸出功率。從整個系統(tǒng)來看，內(nèi)燃機缸內(nèi)循環(huán)只是整個系統(tǒng)的1個子循環(huán)，故命名為新型熱力循環(huán)。本文以實現(xiàn)系統(tǒng)總能效率最佳為目標，從循環(huán)系統(tǒng)的角度對“內(nèi)燃機—壓氣機—渦輪”進行重新匹配。

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)燃機工作循環(huán)是整個系統(tǒng)大循環(huán)的1個子循環(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)燃機缸內(nèi)經(jīng)歷1 個工作循環(huán)后的結果為工質(zhì)氣體溫度上升(等效于傳統(tǒng)布雷頓循環(huán)的工質(zhì)加熱過程)，同時，壓力稍微升高(排氣壓力一般高于進氣壓力)。傳統(tǒng)內(nèi)燃機循環(huán)的能量輸入由定壓加熱和定容加熱2 個過程組成：

能量輸出可以近似為1個定容放熱過程：

對于布雷頓循環(huán)，過程5-6(見圖2)代表等熵膨脹，在渦輪內(nèi)進行，因此，渦輪輸出的功率可表示為

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

過程7-1代表等熵壓縮，這個過程在壓氣機內(nèi)進行，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、排氣質(zhì)量流量；Ptur和Pcom分別為渦輪和壓氣機功率；cV和cP分別為定壓和定容過程工質(zhì)比熱容；cP,in和cP,exh分別為進、排氣定壓過程工質(zhì)比熱容；T1，T2，T3，T4，T5，T6和T7為各工況點的溫度。

布雷頓循環(huán)通過電機輸出的功率為

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為渦輪轉速，本文假定電機轉速與增壓器轉速相同[15-16]，即可用渦輪轉速代替；Mmot為電機扭矩，即布雷頓循環(huán)的輸出扭矩；ηmot為電機能量轉換效率，據(jù)文獻[20]，本文取0.85。

內(nèi)燃機的排氣能量定義為

內(nèi)燃機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)燃機看成1 個系統(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)燃機總熱效率。

2 模型搭建與標定

為了研究該新型布雷頓循環(huán)回收內(nèi)燃機排氣能量的潛力，選擇某高增壓柴油機為研究對象。該樣機的基礎參數(shù)如表1所示，最高轉速達3 600 r/min，最大扭矩覆蓋的轉速為2 000～3 200 r/min，渦前壓力最大值達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 柴油機基本參數(shù)Table 1 Specifications of diesel engine

基于AVL 試驗臺架，對該柴油機外特性下的性能進行試驗研究，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。結合樣機試驗結果建立并校核其GT-Power 仿真模型。選取5 個外特性的工況點進行模擬計算，試驗結果與模擬結果對比如圖3所示。通過對渦輪前流量、比油耗的模擬值和試驗值的比較可知：各參數(shù)的模擬值和試驗值基本吻合，模擬結果的最大誤差約為1.4%，可見所建立的GT-Power仿真模型具有較高的精確度和可信度。

圖3 樣機仿真模型標定Fig.3 Calibration of engine simulation model

以該模型為基準建立布雷頓循環(huán)的仿真模型，研究內(nèi)燃機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個扭矩輸出模塊，用于模擬電機；在原模型上增加進氣壓力控制子模塊。為方便結果處理，將式(9)和式(11)寫入模型中。通過這種方式，實現(xiàn)余熱回收底循環(huán)與內(nèi)燃機工作循環(huán)的耦合。

3 布雷頓循環(huán)模擬分析

3.1 渦輪旁通閥開度的影響

3.1.1 渦輪旁通閥開度對布雷頓循環(huán)性能的影響

固定噴油量，利用GT-Power 的目標優(yōu)化功能，以進氣壓力原始值為控制目標，保證計算過程渦前氣體狀態(tài)參數(shù)一致。只改變旁通閥開度，即改變通過渦輪的氣體質(zhì)量流量，逐漸減小渦輪旁通閥當量直徑，增大電機輸出功率。按照這種方式對5種轉速下的性能參數(shù)進行模擬計算，結果分別如圖4和圖5所示。

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

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

從圖4(a)可見：布雷頓循環(huán)輸出功率隨旁通閥當量直徑減小而增大，但增大的趨勢逐漸降低；輸出功率隨轉速升高而增大，在3 400 r/min時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)律可以通過分析其工作參數(shù)的變化得出。由圖4可知：當渦輪旁通閥當量直徑減小時，通過渦輪的流量、渦前壓力和溫度都隨之增大，但上升的趨勢變緩；當轉速升高時，渦輪流量和渦前壓力都上升，渦前溫度先波動后持續(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，圖4(a)所示功率變化規(guī)律是圖4(b)，(c)和(d)中各參數(shù)綜合影響的結果。

3.1.2 從整個系統(tǒng)角度對布雷頓循環(huán)性能的分析

從圖5(a)可見：當轉速介于2 600～3 400 r/min時，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 個高轉速的渦輪工作在高效率區(qū)域，且效率非常接近；另外2個低轉速的流量較低，導致渦輪的效率較低，從而使排氣能量回收效率受到影響。從圖5(b)可見：隨旁通閥當量直徑減小，循環(huán)效率增大，但增加趨勢變緩(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量直徑減小而增加率逐漸變小的結果。從圖5(c)可見：隨旁通閥當量直徑減小，系統(tǒng)總熱效率逐漸增大，增大的幅度隨轉速增加而愈明顯；當轉速為3 400 r/min時，系統(tǒng)總熱效率相對于原機最大可以提高2.04%，相對提升率為5.74%。

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

雖然柴油機沒有節(jié)氣門，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閉過程中排氣壓力迅速增大，從而導致泵氣損失急劇增加。泵氣損失與旁通閥當量直徑的關系如圖6所示。從圖6可見：泵氣損失隨渦輪旁通閥當量直徑減小而增大，隨轉速升高而增大；由于泵氣損失增加，導致內(nèi)燃機有效熱效率減低；當轉速為3 400 r/min時，布雷頓循環(huán)回收排氣能量對系統(tǒng)總熱效率的貢獻絕對值達4.39%，但由于泵氣損失增大，內(nèi)燃機有效熱效率較原來降低2.35%，最終使系統(tǒng)總熱效率的提升量減小(實際只提高2.04%)。

3.2 進氣壓力的影響

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

計算過程以旁通閥關閉工況為起點，逐漸減小進氣壓力，直到過量空氣系數(shù)為1時為止。隨進氣壓力降低，壓氣機所需功率減小；隨新鮮空氣量減小，進一步引起過量空氣系數(shù)減小等一系列變化，最終引起渦前參數(shù)發(fā)生變化，在此基礎上研究進氣壓力對布雷頓循環(huán)性能的影響。

進氣壓力對布雷頓循環(huán)性能的影響如圖7所示。從圖7(a)可見：轉速越高，布雷頓循環(huán)輸出功率越大；當進氣壓力減小時，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)的變化主要受進氣壓力的影響。當進氣壓力減小時，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，由于進氣壓力下降使過量空氣系數(shù)減小，進而導致渦前溫度升高(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個參數(shù)與布雷頓循環(huán)輸出功率呈正相關。

進氣壓力對系統(tǒng)性能的影響見圖8。由圖8可見：在同一轉速下，排氣能量回收率隨進氣壓力降低而減小，并且兩者呈明顯的線性關系；在相同壓力下，轉速越高，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：隨進氣壓力減小，循環(huán)熱效率先增大后減??；高轉速時的循環(huán)熱效率明顯比低轉速時的高。與布雷頓循環(huán)輸出功率以及熱效率不同，系統(tǒng)總熱效率隨進氣壓力降低一直減小。這是因為隨進氣壓力降低，內(nèi)燃機熱效率降低(過量空氣系數(shù)減小導致柴油機熱效率下降)。由此可見，進氣壓力對內(nèi)燃機工作性能的影響明顯大于對布雷頓循環(huán)性能的影響。

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

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

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

圖9 壓氣機功率Fig.9 Consumption power of compressor

3.3 循環(huán)噴油量的影響

對于渦輪旁通閥全閉的工況點，也可以采用增大循環(huán)噴油量來改變渦前參數(shù)尤其是渦前溫度，進而研究循環(huán)噴油量對布雷頓循環(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，當循環(huán)噴油量增加比例達30%時，在1 600 r/min時內(nèi)燃機過量空氣系數(shù)為1，在3 400 r/min 時渦輪轉速非常接近其最高轉速，因此，各轉速下最大噴油量增加上限為30%。循環(huán)噴油量對布雷頓循環(huán)性能的影響見圖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(見圖10(a))。這是因為在進氣壓力固定不變的前提下，增加噴油量，通過渦輪的工質(zhì)流量幾乎不變(見圖10(b))，渦前壓力略有升高(見圖10(c))，但渦前溫度大幅度增加，約升高175 K(見圖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速升高而增大(見圖11(a))，這是渦輪效率下降所致。而渦輪效率的下降可通過分析圖10(b)和(c)得出。當渦輪流量不變、膨脹比(渦前壓力)增大時，渦輪工作點向外移動，從而導致其效率降低。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，低轉速時增大的幅度更明顯。與循環(huán)效率不同的是，低轉速時系統(tǒng)總熱效率隨循環(huán)噴油量增大而降低，隨轉速升高降低的趨勢減緩，直至高轉速時系統(tǒng)總熱效率幾乎不受循環(huán)噴油量的影響(見圖11(c))，換句話說，高轉速時布雷頓循環(huán)回收的排氣能量剛好抵消由于循環(huán)噴油量增加、過量空氣系數(shù)減小導致的內(nèi)燃機缸內(nèi)熱效率降低。

3.4 布雷頓循環(huán)節(jié)能潛力分析

本文通過關閉渦輪旁通閥、改變進氣壓力、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，在整個過程中，布雷頓循環(huán)功率、熱效率、系統(tǒng)總熱效率均增大。通過降低進氣壓力，可反映通過布雷頓循環(huán)控制進氣壓力的功能，這可給柴油機噴油控制策略帶來全新改變；增大循環(huán)噴油量可以進一步挖掘布雷頓循環(huán)的節(jié)能潛力。為了對比分析這3種方案對布雷頓循環(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，分別為旁通閥全閉、進氣壓力中間值及最大噴油量工況。對比分析不同轉速下布雷頓循環(huán)排氣能量利用率、輸出功率、循環(huán)熱效率以及系統(tǒng)總熱效率相對于原機的提升率，如表2所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)各參數(shù)均隨轉速升高而增大，可見該新型布雷頓循環(huán)在高轉速下具有更大的節(jié)能潛力。需注意的是，在減小進氣壓力和增加噴油量過程中，低轉速時系統(tǒng)總效率的提升率為負值，說明該布雷頓循環(huán)在低轉速時系統(tǒng)總熱效率比原機的低。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，但對于整個系統(tǒng)而言，最為關注的是采用新型布雷頓循環(huán)后內(nèi)燃機相比原機的熱效率提高程度。從本文的計算分析來看，在轉速為3 400 r/min、旁通閥全閉時，系統(tǒng)總熱效率相對于原機最大可以提高5.74%。

圖11 循環(huán)噴油量對系統(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 結論

1) 提出一種新型布雷頓循環(huán)用于回收內(nèi)燃機排氣能量，實現(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)燃機排氣能量，系統(tǒng)總熱效率隨內(nèi)燃機轉速的增加而提高，但余熱回收效率受到內(nèi)燃機泵氣損失的限制，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。當轉速為3 400 r/min時，旁通閥全閉，系統(tǒng)總熱效率相對于原機最大可以提高5.74%。

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