劉振 ，何冠璋

（1.湖南科技職業(yè)學(xué)院智能裝備技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537000）

近年來，隨著油價的日益攀升以及能源環(huán)境問題，發(fā)動機余熱能回收作為一項頗具潛力的解決方案又重新被發(fā)動機制造商及各大研究機構(gòu)所重視。Bowman公司開發(fā)了一套串聯(lián)復(fù)合渦輪系統(tǒng)，通過發(fā)電渦輪、電池、ISG電機之間的協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)發(fā)動機油耗的降低。與機械復(fù)合渦輪仿真與實驗的對比發(fā)現(xiàn)，ETC系統(tǒng)較MTC系統(tǒng)能夠在更寬的發(fā)動機工況范圍內(nèi)實現(xiàn)發(fā)動機油耗的降低（MTC-3%，ETC-10%）。美國DOE車輛技術(shù)辦公室與卡特彼勒公司在一輛直列8缸卡車發(fā)動機上開展了一項合作研究，旨在證明電復(fù)合渦輪技術(shù)在改善發(fā)動機節(jié)油指標(biāo)上所能達到的改善。清華大學(xué)以增壓汽油機為基礎(chǔ)發(fā)動機，以發(fā)動機油耗為指標(biāo)，仿真研究了串聯(lián)、并聯(lián)、電輔助三種復(fù)合渦輪形式的節(jié)油潛力。研究結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)工況和US06與FTP75駕駛循環(huán)下并聯(lián)復(fù)合渦輪形式為最佳的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，并指出串聯(lián)復(fù)合渦輪系統(tǒng)與電輔助復(fù)合渦輪形式的弊端所在。

本文旨在設(shè)計某動力渦輪系統(tǒng)，并通過對渦輪機進行渦輪特性仿真計算出其渦輪特性MAP，將計算出的渦輪特性map加入發(fā)動機GT-SUITE仿真模型進行性能模擬，驗證設(shè)計的動力渦輪系統(tǒng)是否滿足回收發(fā)動機廢氣余能需求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 E-TC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

E-TC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示，動力渦輪系統(tǒng)安裝在增壓渦輪系統(tǒng)廢氣出口，增壓渦輪系統(tǒng)渦輪箱出口帶有旁通機構(gòu)用于控制增壓壓力，高速永磁發(fā)電機通過高速聯(lián)軸器與動力渦輪相連。

圖1 復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)關(guān)系圖

1.2 動力渦輪結(jié)構(gòu)

通過分析動力渦輪的工作情況可知，在動力渦輪轉(zhuǎn)子輸出端與聯(lián)軸器聯(lián)接工作時要承受較大的扭矩，因此，采用普通浮動軸承進行支撐不能滿足其工作要求。同時，由于動力渦輪在實際工作時轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)帶來的徑向振動，兩端都采用角接觸球軸承會有較大磨損，因此，考慮渦輪端采用浮動軸承，花鍵端采用滾珠軸承的方式，通過浮動軸承的油膜來吸收轉(zhuǎn)子的振動。

2 性能分析

2.1 動力渦輪系統(tǒng)渦輪特性分析

通過提取動力渦輪渦輪箱流道對其渦輪特性進行分析，作為系統(tǒng)整體性能匹配的依據(jù)，并做出MAP圖分析其效率、壓比、流量。使用NUMECA網(wǎng)格劃分工具IGG以及autogrid4分別進行渦輪箱與渦輪的網(wǎng)格劃分。噴嘴寬度為12.5mm，轉(zhuǎn)靜子交接面直徑為88.5mm，網(wǎng)格數(shù)216萬，組合后網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 渦輪箱與渦輪網(wǎng)格組合圖

通過NUMECA渦輪特性計算模塊Fine進行渦輪特性模擬計算，分別計算轉(zhuǎn)速為6～11萬/分時流量、效率與膨脹比之間關(guān)系，其膨脹比-效率、膨脹比流量特性曲線如圖3所示。

圖3 動力渦輪膨脹比-流量曲線

2.2 動力渦輪系統(tǒng)與發(fā)動機聯(lián)合仿真

本研究仿真模型為某直列6缸重型柴油發(fā)動機，單級增壓最大壓比為3.0發(fā)動機最大功率353kW，最大扭矩1973N.m。

采用GT-SUIT軟件搭建發(fā)動機模型，增壓柴油機模型包括渦輪增壓器模型、進排氣管路模型、氣缸模型、機體模型等。渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子動力學(xué)平衡方程采用轉(zhuǎn)動體牛頓第二定律來建立。轉(zhuǎn)速的瞬態(tài)變化是渦輪增壓器及動力渦輪瞬態(tài)特性得以體現(xiàn)的關(guān)鍵。分別標(biāo)定燃燒始點、燃燒持續(xù)期等關(guān)鍵參數(shù)。噴油時刻根據(jù)實驗標(biāo)定數(shù)據(jù)以轉(zhuǎn)速-噴油量查表的方式寫入噴油器模型中。進氣壓力控制采用GT-SUITE自帶的可變幾何截面渦輪增壓器控制器模型，目標(biāo)進氣壓力按照實驗數(shù)據(jù)設(shè)置為轉(zhuǎn)速、噴油量二維MAP形式，在仿真中通過試驗查表獲取。

采用簡化一維N-S流動方程建立進排氣管路模型。根據(jù)進排氣管氣體質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒反應(yīng)管路中狀態(tài)量的瞬態(tài)變化。所使用的質(zhì)量守恒和能量守恒公式如公式 （1）和公式（2）所示，渦輪增壓器及動力渦輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型如公式（3）所示。

式中，ρ為管道中工質(zhì)密度，單位為kg/m3。為工質(zhì)在管道中的流速，單位為m/s。A為管道的橫截面積，單位為m2。Tdrive為施加在轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動力矩之和，Tload為施加在轉(zhuǎn)子上的阻力矩之和，單位為N·m。

聯(lián)合復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)與發(fā)動機進行仿真計算增加動力渦輪系統(tǒng)前后輸出功率結(jié)果如圖4所示，通過圖中可以看出增加復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)后能有效提升發(fā)動機的功率。且在發(fā)動機高負(fù)荷階段提升較為明顯。在發(fā)動機1300rpm全負(fù)荷狀態(tài)下，發(fā)動機功率提升最大13kW。而抑制發(fā)動機功率進一步提升的主要原因是由于增加動力渦輪后而引起的泵氣損失。

圖4 帶復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)前后輸出功率對比

增加復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)前后發(fā)動機的泵氣損失情況如圖5所示，通過圖中可以看出，增加動力渦輪后發(fā)動機的泵氣損失要遠(yuǎn)大于原發(fā)動機。圖中也給出了增加動力渦輪系統(tǒng)后在發(fā)動機十三工況點情況下的有效效率，在十三工況點下有效效率都大于65%。

圖5 帶復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)前后PMEP值對比及效率圖

3 結(jié)語

基于自行設(shè)計的某大功率柴油機發(fā)動機廢氣余能利用動力渦輪系統(tǒng)，通過對其渦輪性能MAP分析，建立了聯(lián)合發(fā)動機與復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)的仿真模型，求解出發(fā)動機十三工況點下的發(fā)動機性能。得出以下結(jié)論：

（1）全系統(tǒng)輸出功率在增加符合動力渦輪后，能有效提升，且在高負(fù)荷階段提升明顯。發(fā)動機1300rpm全負(fù)荷狀態(tài)下，可以最大提升13kW。

（2）加入復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)后，發(fā)動機十三工況點下，平均有效效率為66.8%（無空載），但是，泵氣損失功率增量是串聯(lián)式復(fù)合動力渦輪回收廢氣余熱能量的主要代價，也是未來該技術(shù)的主要突破點。