柴油機(jī)渦輪前噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)的排氣能量回收系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，單獨(dú)依靠改進(jìn)缸內(nèi)燃燒過(guò)程已無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)熱效率提出的更高要求。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)余熱回收技術(shù)大多著眼于將余熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能或者電能輸出或存儲(chǔ)起來(lái)，即將余熱回收熱功或熱電轉(zhuǎn)化過(guò)程同內(nèi)燃機(jī)循環(huán)過(guò)程分割開(kāi)來(lái)，如溫差發(fā)電、復(fù)合渦輪及朗肯循環(huán)。如若能將回收到的余熱能直接用于改進(jìn)整個(gè)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)過(guò)程，則可有效改善扭矩輸出以及燃油經(jīng)濟(jì)性。本文基于渦輪前噴注蒸汽和米勒循環(huán)技術(shù)，提出將回收到的排氣余熱能直接用于改進(jìn)缸內(nèi)循環(huán)過(guò)程

2、及燃油效率。圍繞該排氣能量回收系統(tǒng)，本文采用熱力循環(huán)分析、仿真計(jì)算及試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，以增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象依次開(kāi)展了熱力系統(tǒng)模型搭建、參數(shù)影響規(guī)律分析、匹配調(diào)節(jié)策略研究以及試驗(yàn)研究。
　　首先從理想循環(huán)角度出發(fā)，進(jìn)一步考慮工質(zhì)物性、傳熱損失、燃燒損失、換氣損失等，搭建并校核描述增壓柴油機(jī)實(shí)際熱力循環(huán)過(guò)程的計(jì)算模型。為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)噴注蒸汽后渦輪通流特性變化，基于雙噴嘴串聯(lián)物理模型推導(dǎo)描述渦輪通流特性的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?yàn)證了該模型不僅擬

3、合系數(shù)少、形式簡(jiǎn)單、回歸精度高、具有較強(qiáng)的外推及內(nèi)插能力，同時(shí)還能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工質(zhì)組分對(duì)渦輪通流特性的影響。在此基礎(chǔ)上，搭建了整個(gè)排氣能量回收熱力系統(tǒng)分析模型。
　　對(duì)增壓柴油機(jī)實(shí)際熱力循環(huán)研究表明：任意運(yùn)轉(zhuǎn)工況均存在一最佳過(guò)量空氣系數(shù)使循環(huán)效率最高，且該最優(yōu)值隨增壓器總效率升高及負(fù)荷降低而逐漸增大。對(duì)渦輪前噴注蒸汽開(kāi)展能量平衡及?平衡分析表明：噴注蒸汽流量對(duì)渦輪輸出功影響最大，噴注溫度次之，噴注壓力基本無(wú)影響。對(duì)米勒循環(huán)研究表明：為

4、實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)低溫效果同時(shí)保證燃油效率不變，米勒循環(huán)需重新匹配較小截面的高效高壓比渦輪增壓器以及高效中冷器。對(duì)不同增壓器匹配方案下應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)研究表明：渦前噴注蒸汽在過(guò)量空氣系數(shù)較低工況具有較高循環(huán)改進(jìn)效果；單獨(dú)采用米勒循環(huán)在低渦輪增壓器效率以及高過(guò)量空氣系數(shù)工況具有較高改進(jìn)效果；噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)可使最優(yōu)過(guò)量空氣系數(shù)附近工況的循環(huán)效率進(jìn)一步改進(jìn)。
　　基于柴油機(jī)耗氣特性及渦輪增壓器供氣特性匹配圖，開(kāi)展應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)匹

5、配調(diào)節(jié)規(guī)律研究，結(jié)果表明：對(duì)于高轉(zhuǎn)速工況，考慮增壓器阻塞限制，噴注蒸汽需結(jié)合米勒循環(huán)來(lái)限制實(shí)際進(jìn)氣量，使得匹配運(yùn)行點(diǎn)移向高壓比方向；對(duì)于中等轉(zhuǎn)速工況，實(shí)際噴注蒸汽流量需要考慮缸內(nèi)最高壓力限制；由于低轉(zhuǎn)速工況下柴油機(jī)的耗氣特性線斜率較高，同時(shí)渦輪在小流量范圍內(nèi)供氣特性線斜率較小，噴注蒸汽對(duì)進(jìn)氣壓力的改進(jìn)效果不明顯；應(yīng)用能量回收系統(tǒng)后一般需要重新選配高壓比范圍的壓氣機(jī)以防止出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。選用較小截面的渦輪，將HC4132柴油機(jī)匹配點(diǎn)移至最大

6、扭矩轉(zhuǎn)速并應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)，所得仿真結(jié)果驗(yàn)證了圖解法所得匹配調(diào)節(jié)規(guī)律。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架標(biāo)定轉(zhuǎn)速匹配的HC4132柴油機(jī)，基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算，指導(dǎo)后期系統(tǒng)部件的選型、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案的擬定。
　　最后對(duì)能量回收系統(tǒng)各部件進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)、加工，搭建HC4132柴油機(jī)排氣能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架。對(duì)試驗(yàn)機(jī)型外特性各工況點(diǎn)依次開(kāi)展熱平衡試驗(yàn)、換熱器性能試驗(yàn)、噴注蒸汽試驗(yàn)、噴注蒸汽參數(shù)影響規(guī)律試驗(yàn)、米勒循環(huán)試驗(yàn)、噴注蒸

7、汽并結(jié)合米勒循環(huán)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：盡管冷卻系統(tǒng)所含余熱能遠(yuǎn)大于中冷器所帶走余熱能，但兩者所含可用能相當(dāng)且遠(yuǎn)小于廢氣可用能。換熱器蒸發(fā)效率主要取決于蒸汽流量比。對(duì)于高轉(zhuǎn)速工況噴注蒸汽使得泵氣損失及摩擦損失加劇，比油耗略有增大；對(duì)于低轉(zhuǎn)速工況噴注蒸汽使燃燒過(guò)量空氣系數(shù)顯著增加、缸內(nèi)循環(huán)功增大，比油耗可顯著得到改善。更換米勒凸輪軸后，可使得高轉(zhuǎn)速工況下泵氣損失降低，比油耗略有改進(jìn)；對(duì)于中低轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣流量的降低使得柴油機(jī)燃燒惡化、循環(huán)效率