摘要：為實(shí)現(xiàn)增壓柴油機(jī)排氣余熱的高效回收，基于某增壓柴油機(jī)試驗(yàn)臺架，設(shè)計(jì)并搭建蒸汽噴注余熱回收系統(tǒng)，試驗(yàn)研究蒸汽噴注余熱回收系統(tǒng)對柴油機(jī)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：中低轉(zhuǎn)速工況下，蒸汽噴注可有效改善增壓壓力，柴油機(jī)燃油消耗率最大可降低5.8 g/（kW·h）；在高轉(zhuǎn)速工況下，噴注蒸汽進(jìn)一步增大柴油機(jī)的排氣背壓，但無法改善柴油機(jī)的燃油消耗。為改善蒸汽噴注余熱回收系統(tǒng)的效果，需進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)增壓系統(tǒng)的匹配。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；蒸汽噴注；增壓系統(tǒng)；余熱回收

中圖分類號：TK115文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2024）06-0001-06

引用格式：朱思鵬，韓圣俊，封金鳳，等.增壓柴油機(jī)蒸汽噴注余熱回收系統(tǒng)試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2024，41（6）：1-6.

ZHU Sipeng，HAN Shengjun，F(xiàn)ENG Jinfeng，et al. Experimental study on steam injected system recovering waste heat from the turbocharged diesel engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（6）：1-6.

0 引言

為降低交通運(yùn)輸行業(yè)的CO2排放總量，針對乘用車及輕載商用車燃油效率或CO2排放的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)日趨嚴(yán)格^[1]。內(nèi)燃機(jī)作為交通運(yùn)輸行業(yè)中的重要動力裝置，其節(jié)能降耗和提高燃油效率面臨著重大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。內(nèi)燃機(jī)余熱尤其是排氣余熱回收具有較大的潛力，目前已成為改善現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)熱效率的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一^[2-4]。

渦輪增壓通過回收排氣余壓動能可有效提高增壓壓力，已成為廣泛應(yīng)用的余熱回收方式。排氣余熱回收通常借助熱電效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能或者通過構(gòu)建熱力循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。從能量品質(zhì)分析，排氣余熱的最大回收效率受限于理想卡諾循環(huán)熱效率^[5-7]。目前，關(guān)于溫差發(fā)電、有機(jī)朗肯底循環(huán)^[8-10]、超臨界CO2循環(huán)^[11-13]等典型的排氣余熱能量回收方式的研究較多。蒸汽輔助渦輪做功是利用排氣余熱回收產(chǎn)生過熱蒸汽并噴注到渦輪前實(shí)現(xiàn)燃?xì)?、蒸汽混流做功，是目前被證實(shí)可改善內(nèi)燃機(jī)低轉(zhuǎn)速性能的高效增壓系統(tǒng)^[14-16]。付建勤等^[17]、Fu等^[18-19]在某一增壓汽油機(jī)上驗(yàn)證了蒸汽輔助渦輪做功可有效改善低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min工況時(shí)的增壓壓力可恢復(fù)到期望壓力，且轉(zhuǎn)矩可提高25%。目前關(guān)于蒸汽噴注渦輪增壓系統(tǒng)的試驗(yàn)研究較少，為提高內(nèi)燃機(jī)燃油效率，基于某柴油機(jī)試驗(yàn)平臺，開展蒸汽噴注余熱回收系統(tǒng)試驗(yàn)研究，為蒸汽噴注渦輪增壓系統(tǒng)優(yōu)化提供參考。

1 系統(tǒng)概況

增壓柴油機(jī)蒸汽噴注余熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，圖中‘w’代表工質(zhì)水，數(shù)字代表流體流經(jīng)順序。由圖1可知：工質(zhì)水經(jīng)水泵壓縮后流經(jīng)換熱器，與渦輪排出的廢氣發(fā)生熱交換成為過熱蒸汽；過熱蒸汽在蒸汽調(diào)節(jié)閥的控制下噴注到渦輪前管路并與廢氣發(fā)生汽-氣混合；混合后的濕燃?xì)饬鹘?jīng)渦輪膨脹做功，膨脹后的濕燃?xì)庠趽Q熱器中放熱，最終排入大氣。渦輪輸出功增大使得進(jìn)氣壓力升高，進(jìn)一步通過缸內(nèi)循環(huán)實(shí)現(xiàn)排氣能量的高效回收。通過控制旁通閥的開度可有效控制增壓壓力，保障缸內(nèi)循環(huán)最高壓力在許用范圍。

2 試驗(yàn)臺架搭建

以某四沖程增壓柴油機(jī)為試驗(yàn)對象，柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.1 部件選型設(shè)計(jì)

換熱器是余熱回收系統(tǒng)的核心部件，其性能決定蒸汽產(chǎn)氣質(zhì)量及余熱回收總效率。以柴油機(jī)功率為180 kW、轉(zhuǎn)速為1 800 r/min的外特性試驗(yàn)點(diǎn)為設(shè)計(jì)工況，試驗(yàn)排氣溫度為450 ℃，排氣質(zhì)量流量為0.2 kg/s。假定工質(zhì)水的入口溫度為30 ℃，工質(zhì)水的蒸發(fā)壓力為0.5 MPa，設(shè)計(jì)過熱蒸汽出口溫度為220 ℃。設(shè)定蒸汽與廢氣的最大質(zhì)量流量比為0.13，過熱蒸汽產(chǎn)氣量約為0.035 kg/s。根據(jù)能量平衡分析可知，換熱器總換熱量約為70 kW?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)包含預(yù)熱段、蒸發(fā)段及過熱段的三段式翅片管式換熱器。為保證蒸汽回路穩(wěn)定運(yùn)行，在蒸發(fā)器及過熱器之間加裝容積為25 L的汽、水分離器。成撬后的煙氣余熱回收系統(tǒng)如圖2所示，圖中PLC為可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）。

除核心換熱器外，補(bǔ)水泵、循環(huán)水泵、蒸汽流量計(jì)、溫度壓力傳感器、注汽調(diào)節(jié)閥等其它系統(tǒng)部件部件的相應(yīng)技術(shù)參數(shù)如表2所示。實(shí)際運(yùn)行過程中，余熱回收系統(tǒng)工質(zhì)泵的最大功耗不超過0.5 kW且計(jì)入最終試驗(yàn)比油耗結(jié)果。

2.2 臺架集成和調(diào)試

在已有系統(tǒng)部件選型、設(shè)計(jì)及加工完成后，對試驗(yàn)臺架進(jìn)行集成和調(diào)試。為保障加裝余熱回收系統(tǒng)后對整個發(fā)動機(jī)軟硬件的影響最小，在臺架集成初期，將蒸汽回路的測試及控制系統(tǒng)集成在獨(dú)立的PLC控制柜中，測試蒸汽運(yùn)行側(cè)的流量、溫度及壓力，調(diào)節(jié)、控制循環(huán)水泵工作頻率和比例調(diào)節(jié)閥。為實(shí)現(xiàn)渦輪前蒸汽噴注，選用直徑為32 mm的管路焊接在渦輪前排氣管路。為防止柴油機(jī)機(jī)體振動對余熱回收系統(tǒng)的影響，渦輪后排氣管路和蒸汽注氣管路均選用波紋軟管；為降低廢氣側(cè)及蒸汽側(cè)管路的散熱損失，在臺架集成完畢后對整個余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行保溫處理。由于換熱器表面積較大，在換熱器表面包裹保溫材料，再用鐵皮進(jìn)行包裹。集成后的柴油機(jī)蒸汽噴注余熱回收系統(tǒng)試驗(yàn)臺架如圖3所示。

臺架搭建完畢后，對整個余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，包括管路清洗、耐壓試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、自保護(hù)試驗(yàn)。換熱器加工完畢后，試驗(yàn)前對換熱器進(jìn)行加壓沖洗。換熱器設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為0.8 MPa，在進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉蒸汽出口閥，借助工質(zhì)循環(huán)泵對整個蒸汽側(cè)管路加壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力為0.8 MPa時(shí)，關(guān)閉循環(huán)泵及循環(huán)泵出口截止閥；靜置24 h后，余熱回收系統(tǒng)無明顯泄漏且換熱器內(nèi)壓力基本無變化，余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足耐壓、密封要求。繼續(xù)對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行加壓至壓力為1.0 MPa，達(dá)到彈簧式安全閥整定開啟壓力，系統(tǒng)經(jīng)泄壓閥安全泄壓。

3 結(jié)果分析

為評估蒸汽噴注渦輪增壓系統(tǒng)對柴油機(jī)性能的影響，試驗(yàn)工況選擇轉(zhuǎn)速分別為1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 r/min的外特性工況。試驗(yàn)過程中，首先進(jìn)行原機(jī)外特性試驗(yàn)，獲得原機(jī)基準(zhǔn)性能信息。發(fā)動機(jī)穩(wěn)定后，開啟工質(zhì)泵并設(shè)定工質(zhì)泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率使得汽-水分離器內(nèi)液位維持在一定高度，當(dāng)汽-水分離器內(nèi)壓力超過0.5 MPa時(shí)，緩慢打開注汽調(diào)節(jié)閥使蒸發(fā)壓力維持在0.5 MPa，直至柴油機(jī)和汽-水分離器穩(wěn)定運(yùn)行，并記錄蒸汽噴注工況下的試驗(yàn)結(jié)果。

蒸發(fā)壓力為0.5 MPa時(shí)，蒸汽噴注系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽質(zhì)量流量及蒸汽溫度如圖4所示。由圖4可知：蒸發(fā)壓力為0.5 MPa時(shí)，換熱器出口蒸汽溫度基本控制在440 K左右，出口蒸汽過熱度較低，主要原因?yàn)檫^熱段換熱面積較??；隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，蒸汽質(zhì)量流量逐步增大并趨于平緩，表明換熱器總換熱效率在柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速工況有所降低。不同工況下，可通過改變變頻泵轉(zhuǎn)速和蒸汽噴注閥開度控制蒸汽產(chǎn)量。最大蒸汽噴注量取決于柴油機(jī)排氣余熱量，最佳蒸汽噴注量取決于蒸汽噴注對增壓系統(tǒng)的影響。

蒸汽噴注前、后，柴油機(jī)進(jìn)氣壓力pin、pin′ ，排氣壓力pex、pex′ ，進(jìn)氣質(zhì)量流量qm、qm′ ，增壓器轉(zhuǎn)速nt、nt′的變化規(guī)律如圖5、6所示。由圖5、6可知：隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，噴注蒸汽在提高渦輪凈功輸出水平上的效果顯著提高;當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，為限制缸內(nèi)最高燃燒壓力超限（16 MPa），渦輪前廢氣旁通閥開啟;因此轉(zhuǎn)速為1 800 r/min工況增壓器轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣流量增大幅度有所降低。

蒸汽噴注前、后，柴油機(jī)的排氣壓力與進(jìn)氣壓力的差Δp、Δp′，制動比油耗be、be′的變化如圖7所示。由圖7可知：隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增大，蒸汽噴注使得柴油機(jī)進(jìn)、排氣壓差顯著增大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的泵氣損失進(jìn)一步加??；但蒸汽噴注可有效提高柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力，改善缸內(nèi)循環(huán)效率，因此蒸汽噴注后柴油機(jī)比油耗均不高于原機(jī)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，蒸汽噴注使得柴油機(jī)比油耗降低幅度最大，為5.8 g/（kW·h），中低轉(zhuǎn)速工況下，柴油機(jī)比油耗可降低約4.5 g/（kW·h）；在高轉(zhuǎn)速工況下，噴注蒸汽無法提高柴油機(jī)燃油效率。

為進(jìn)一步探明蒸汽噴注對缸內(nèi)燃燒過程的影響，分析轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)的缸內(nèi)燃燒壓力和瞬時(shí)放熱率的變化，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：蒸汽噴注使缸內(nèi)燃燒壓力顯著升高，最高燃燒壓力增大了約2 MPa；同時(shí)，進(jìn)氣量增大進(jìn)一步使得蒸汽噴注工況下的燃燒相位略有提前，但整個放熱率曲線基本保持不變。

轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性下蒸汽噴注對柴油機(jī)進(jìn)、排氣壓力和比油耗的影響如圖9所示。由圖9可知：隨著負(fù)荷增大，蒸汽噴注可有效增大進(jìn)氣壓力但同時(shí)使得排氣壓力顯著升高；由于泵氣損失增加，轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，蒸汽噴注對柴油機(jī)比油耗基本無影響。

4 結(jié)論

1）蒸汽噴注可有效改善中低負(fù)荷工況下發(fā)動機(jī)的燃油效率，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，相比原機(jī)，比油耗降低5.8 g/（kW·h）。

2）發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況下，由于泵氣損失加劇，蒸汽噴注難以改善發(fā)動機(jī)的燃油效率。

3）最大蒸汽噴注量取決于柴油機(jī)排氣余熱量，最佳蒸汽噴注量取決于蒸汽噴注對增壓系統(tǒng)的影響。

4）優(yōu)化蒸汽噴注渦輪增壓系統(tǒng)需考慮柴油機(jī)與渦輪增壓器的匹配，或加裝動力渦輪系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷工況下蒸汽、廢氣能量的高效回收。

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Experimental study on steam injected system recovering waste heat

from the turbocharged diesel engine

ZHU Sipeng， HAN Shengjun， FENG Jinfeng， BAI Shuzhan

School of Nuclear Science， Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China

Abstract：To achieve efficient recovery of exhaust heat from turbocharged diesel engines， a steam injection waste heat recovery system is proposed. Based on a turbocharged diesel engine test bench， a steam injection waste heat recovery system is designed and built， and the effect of the steam injected system on diesel engine performance is studied experimentally. The experimental results show that steam injection can effectively improve the boost pressure under low and medium speed conditions， and the maximum specific fuel consumption of diesel engines can be improved by 5.8 g/（kW·h）. Under high-speed operating conditions， injected steam further increases the exhaust back pressure of the diesel engine， which makes it impossible to improve the fuel efficiency of the diesel engine. To improve the effectiveness of the steam injection waste heat recovery system， it is necessary to further optimize the matching of the diesel engine turbocharging system.

Keywords： diesel engine; steam injection; turbocharging system; waste heat recovery

（責(zé)任編輯：劉麗君）