柴油機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)境問題日益嚴峻，單獨依靠改進缸內(nèi)燃燒過程已無法滿足人們對內(nèi)燃機熱效率提出的更高要求。傳統(tǒng)內(nèi)燃機余熱回收技術(shù)大多著眼于將余熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能或者電能輸出或存儲起來，即將余熱回收熱功或熱電轉(zhuǎn)化過程同內(nèi)燃機循環(huán)過程分割開來，如溫差發(fā)電、復合渦輪及朗肯循環(huán)。如若能將回收到的余熱能直接用于改進整個內(nèi)燃機循環(huán)過程，則可有效改善扭矩輸出以及燃油經(jīng)濟性。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缸內(nèi)循環(huán)過程

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、仿真計算及試驗相結(jié)合的研究方法，以增壓柴油機為研究對象依次開展了熱力系統(tǒng)模型搭建、參數(shù)影響規(guī)律分析、匹配調(diào)節(jié)策略研究以及試驗研究。
　　首先從理想循環(huán)角度出發(fā)，進一步考慮工質(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實際熱力循環(huán)過程的計算模型。為準確預(yù)測噴注蒸汽后渦輪通流特性變化，基于雙噴嘴串聯(lián)物理模型推導描述渦輪通流特性的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀ｒ炞C了該模型不僅擬

3、合系數(shù)少、形式簡單、回歸精度高、具有較強的外推及內(nèi)插能力，同時還能準確預(yù)測工質(zhì)組分對渦輪通流特性的影響。在此基礎(chǔ)上，搭建了整個排氣能量回收熱力系統(tǒng)分析模型。
　　對增壓柴油機實際熱力循環(huán)研究表明：任意運轉(zhuǎn)工況均存在一最佳過量空氣系數(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荷降低而逐漸增大。對渦輪前噴注蒸汽開展能量平衡及?平衡分析表明：噴注蒸汽流量對渦輪輸出功影響最大，噴注溫度次之，噴注壓力基本無影響。對米勒循環(huán)研究表明：為

4、實現(xiàn)缸內(nèi)低溫效果同時保證燃油效率不變，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：渦前噴注蒸汽在過量空氣系數(shù)較低工況具有較高循環(huán)改進效果；單獨采用米勒循環(huán)在低渦輪增壓器效率以及高過量空氣系數(shù)工況具有較高改進效果；噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)可使最優(yōu)過量空氣系數(shù)附近工況的循環(huán)效率進一步改進。
　　基于柴油機耗氣特性及渦輪增壓器供氣特性匹配圖，開展應(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)來限制實際進氣量，使得匹配運行點移向高壓比方向；對于中等轉(zhuǎn)速工況，實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)速工況下柴油機的耗氣特性線斜率較高，同時渦輪在小流量范圍內(nèi)供氣特性線斜率較小，噴注蒸汽對進氣壓力的改進效果不明顯；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柴油機匹配點移至最大

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)果驗證了圖解法所得匹配調(diào)節(jié)規(guī)律。對試驗臺架標定轉(zhuǎn)速匹配的HC4132柴油機，基于試驗設(shè)計理論進行應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)優(yōu)化計算，指導后期系統(tǒng)部件的選型、設(shè)計及試驗方案的擬定。
　　最后對能量回收系統(tǒng)各部件進行選型、設(shè)計、加工，搭建HC4132柴油機排氣能量回收系統(tǒng)試驗臺架。對試驗機型外特性各工況點依次開展熱平衡試驗、換熱器性能試驗、噴注蒸汽試驗、噴注蒸汽參數(shù)影響規(guī)律試驗、米勒循環(huán)試驗、噴注蒸

7、汽并結(jié)合米勒循環(huán)試驗。研究結(jié)果表明：盡管冷卻系統(tǒng)所含余熱能遠大于中冷器所帶走余熱能，但兩者所含可用能相當且遠小于廢氣可用能。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；對于低轉(zhuǎn)速工況噴注蒸汽使燃燒過量空氣系數(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；對于中低轉(zhuǎn)速工況，進氣流量的降低使得柴油機燃燒惡化、循環(huán)效率