馮子浩,簡曉春,吳勝利
(重慶交通大學 交通運輸學院,重慶 400041)
內(nèi)燃機排氣中蘊含著可觀的能量,但因其能量密度低、品質(zhì)不高,高效回收利用技術(shù)難度大,使其研究進展緩慢。近年來,研究發(fā)動機余能回收的技術(shù)主要包括有機朗肯循環(huán)(ORC),復合渦輪和熱電轉(zhuǎn)換。其中,有機朗肯循環(huán)雖然有較高的回收效率,并能同時回收發(fā)動機排氣與冷卻系統(tǒng)中的熱能,但其結(jié)構(gòu)復雜,成本高,而且在有限的車內(nèi)空間中布置困難,想要在汽車上得到廣泛應(yīng)用,還有很長的路要走[1-2]。至于熱電轉(zhuǎn)換技術(shù),因其轉(zhuǎn)換材料不合適和目前來看較低的轉(zhuǎn)換效率,在實際應(yīng)用之前還需要進一步的研究[3-4]。
與前兩種主流回收技術(shù)相比,復合渦輪技術(shù)的配置簡單、成本較低、技術(shù)簡單,在重型柴油機中的應(yīng)用較為成功[5-7]。
本文建立由增壓渦輪與動力渦輪組成的串聯(lián)式復合渦輪系統(tǒng)仿真模型,詳細分析不同工況下,復合渦輪性能變化,對比原發(fā)動機,研究復合渦輪發(fā)動機性能特點。
如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中。工質(zhì)首先進入壓氣機提升進氣壓力,之后在中冷器中冷卻降溫,最后再排入氣缸中與燃料混合并燃燒。氣缸排出的廢氣首先通過增壓渦輪膨脹做功用來驅(qū)動壓氣機。之后再通過與增壓渦輪串聯(lián)的動力渦輪中進一步膨脹做工以驅(qū)動高速勵磁發(fā)電機工作。其中,增壓渦輪與動力渦輪均為徑流式渦輪,因其結(jié)構(gòu)緊湊、便于排氣管道的布置等優(yōu)點,更加適合緊湊的車內(nèi)空間。
圖1 復合渦輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
其復合渦輪發(fā)動機系統(tǒng)的仿真模型中需要考慮渦輪膨脹比、排氣溫度、排氣背壓等參數(shù)對發(fā)動機節(jié)油率、泵氣損失等參數(shù)的影響。因此,其熱力學模型如下:
式中,π表示壓氣機或渦輪的壓縮比或膨脹比;角標c,hp,lp分別表示壓氣機、增壓渦輪、動力渦輪。柴油機進氣量、充氣系數(shù)與壓氣機壓縮比之間的關(guān)系如下:
式中,n表示發(fā)動機轉(zhuǎn)速;min表示氣缸的進氣量;ηc表示充氣效率;R表示氣體常數(shù),一般取287。增壓渦輪、壓氣機、動力渦輪的功率與各自流通工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系可以表示為:
式中,ηhp表示增壓渦輪的效率;mex表示發(fā)動機排氣的質(zhì)量流量;表示排氣的比熱容;k表示氣體比熱比;表示渦輪增壓系統(tǒng)的傳遞效率;ηlp表示動力渦輪的效率。知道了復合渦輪各部件的膨脹比與功率就能得出發(fā)動機的泵氣功率與比油耗。
式中,Vs表示氣缸容積;Pe表示發(fā)動機的指示功率。Pt表示復合渦輪發(fā)動機的有效功率;
試驗機參考一款單級增壓式柴油機,并基于GTpower建立了包含柴油機、增壓渦輪、動力渦輪發(fā)電機在內(nèi)的仿真模型。其發(fā)動機基本參數(shù)如表1所示。按照該發(fā)動機的布置形式,簡化處理了部分管道。仿真模型的進出口邊界設(shè)置為標準的大氣環(huán)境。缸內(nèi)燃燒模型采用雙韋伯放熱規(guī)律,使用Woschni傳熱關(guān)系式。壓氣機采用軟件自帶的MAP圖模型。渦輪則采用渦輪流通模型代替MAP圖模型。其中增壓渦輪選擇發(fā)動機原廠配套的增壓渦輪。動力渦輪的匹配方法及流通模型可參考文獻[8]。
表1 發(fā)動機基本參數(shù)
其中,發(fā)動機模型選取的轉(zhuǎn)速范圍在800rpm到2200rpm之間。外特性下發(fā)動機功率和扭矩的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)(如圖2所示)基本吻合,最大誤差在4%左右。該仿真模型具有一定的精度和可信度,滿足計算要求。
圖2 計算數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比(功率)
從圖4(a)可以看出,增壓渦輪與動力渦輪的膨脹比均隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高而升高。其中增壓渦輪的膨脹比在低轉(zhuǎn)速時增長迅速,動力渦輪的膨脹比相比增壓渦輪延時性大。這是因為隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加,排氣質(zhì)量流量增加,但排氣首先進入增壓渦輪膨脹做功,之后流向動力渦輪的排氣壓力較低輪,因此膨脹比較低。
圖3 計算數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比(扭矩)
圖4 發(fā)動機工況對復合渦輪影響
從圖(4)b中可以看出,兩級渦輪的速度比均隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升而升高,然而,動力渦輪的速比上升幅度幾乎是增壓渦輪上升幅度的50%。由于速度比是衡量動力渦輪內(nèi)部能量分配,影響渦輪等熵效率的一個重要因素,偏離最優(yōu)速比將導致渦輪等熵效率的顯著下降。因此在低轉(zhuǎn)速下合理設(shè)計動力渦輪使至關(guān)重要的。
從圖(4)c中可以看出,隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速增高,排氣流量增加,復合渦輪轉(zhuǎn)速加快,尤其在高轉(zhuǎn)速區(qū)時,增壓渦輪轉(zhuǎn)速大幅上升。這是因為發(fā)動機進氣量需求增加,需要更大的進氣壓力,導致增壓渦輪轉(zhuǎn)速迅速上升。縱坐標使用折合轉(zhuǎn)速就為了能更加清楚的表達渦輪轉(zhuǎn)速走向,單位為 。而動力渦輪轉(zhuǎn)速因為進口排氣參數(shù)變化相對穩(wěn)定,因此轉(zhuǎn)速沒有大幅度變化。
從圖(4)d中可以看出,隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增大,兩級渦輪的效率的相對趨勢都在上升,由于增壓渦輪速比變化較小,其效率的變化幅度也很小,而動力渦輪速度比變化較大,在排氣能量較多的高轉(zhuǎn)速區(qū)也能有與增壓渦輪相近的效率。
將復合渦輪發(fā)動機系統(tǒng)與單增壓發(fā)動機系統(tǒng)進行對比,能更好的分析復合渦輪系統(tǒng)對發(fā)動機的性能影響,分析復合渦輪系統(tǒng)的節(jié)油潛力。其中的增壓渦輪都選用發(fā)動機原廠匹配的增壓渦輪。保證對比試驗的一致性。
復合渦輪發(fā)動機與原機排氣背壓的對比如圖5所示。在中低轉(zhuǎn)速下,單增壓發(fā)動機的排氣背壓相對較低,而對復合渦輪發(fā)動機,排氣能量需要驅(qū)動兩個渦輪一起開始轉(zhuǎn)動才能使排氣通暢。因此在發(fā)動機啟動初期,復合渦輪發(fā)動機的排氣背壓較高。在中高轉(zhuǎn)速下,動力渦輪能更好的利用轉(zhuǎn)動慣性幫助增壓渦輪排氣,因此復合渦輪發(fā)動機的排氣背壓較低。
圖5 不同渦輪系統(tǒng)對排氣背壓影響
復合渦輪發(fā)動機與原機泵氣功率的對比如圖5所示。兩種渦輪系統(tǒng)對發(fā)動機泵氣功率的影響相差不大。都從低轉(zhuǎn)速下的負功開始隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高。但在高轉(zhuǎn)速時,泵氣功率趨近于線性增長,這是因為而動機的空氣流量正比于發(fā)動機轉(zhuǎn)速(在高轉(zhuǎn)速充量系數(shù)和增壓比變化不大的情況下),同時由于動力渦輪的輸出功率與排氣流量成正比,因此動力渦輪的回收功率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速存在簡單的倍數(shù)關(guān)系。
圖6 不同渦輪系統(tǒng)對泵氣功率的影響
復合渦輪發(fā)動機與原機節(jié)油率的對比如圖7所示。復合渦輪發(fā)動機的節(jié)油率對比原機有所提升。從低轉(zhuǎn)速下的1.68%到高轉(zhuǎn)速下最高時的7.85%。復合渦輪發(fā)動機的優(yōu)勢在中高轉(zhuǎn)速下開始發(fā)揮作用,要實現(xiàn)渦輪復合的最大節(jié)油率,增壓渦輪膨脹比和動力渦輪膨脹比的設(shè)計均需要根據(jù)具體參數(shù)的變化而變化。對于發(fā)動機某一運行工況,發(fā)動機背壓、排氣溫度等因素很大程度上由內(nèi)燃機本身特性所限制,提高潛力有限。因此渦輪復合系統(tǒng)節(jié)油潛力的提高一方面要通過合理調(diào)整兩級渦輪的膨脹比分配,使其根據(jù)實際運行參數(shù)的變化工作于最優(yōu)膨脹比;另一方面,需要提高兩級渦輪的效率。
圖7 復合渦輪對比原機節(jié)油率的影響
本文對復合渦輪發(fā)動機系統(tǒng)全工況下的性能做了分析,包括不同工況下的渦輪轉(zhuǎn)速、效率、速度比、膨脹比的影響。同時分析了復合渦輪發(fā)動機對比但增壓發(fā)動機的性能特點,結(jié)果如下。
發(fā)動機工況對復合渦輪轉(zhuǎn)速、膨脹比在全工況下都有較大影響。速度比與效率受匹配設(shè)計影響,變化不大。復合渦輪發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速工況下的節(jié)油率不高且排氣背壓比單增壓發(fā)動機更高,但在高轉(zhuǎn)速時的節(jié)油率能達到8%左右,節(jié)油效果明顯。泵氣損失與傳統(tǒng)發(fā)動機相差不大。