可發(fā)電渦輪增壓器能量回收

全 博， 王賀權(quán)， 曲天羽， 佟憲良

（1.沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136；2.鳳城市時(shí)代龍?jiān)鰤浩髦圃煊邢薰?，遼寧 鳳城 118100；3.良明（天津）科技有限公司，天津 300450）

0 引 言

研究表明，燃料燃燒釋放的能量只有20% ～45%被發(fā)動機(jī)有效利用，其余部分基本以廢氣和冷卻系統(tǒng)的余熱形式散失，其中發(fā)動機(jī)尾氣能量占總耗散能量的28% ～44%［1-3］。由此可見，提高發(fā)動機(jī)尾氣能量回收率具有重大意義［4］。在增壓器對發(fā)動機(jī)尾氣能量回收率的研究中，劉敬平等［5-6］研究了渦輪機(jī)回收發(fā)動機(jī)尾氣能量的潛力和增壓系統(tǒng)的能量流特性。張賽等［7-8］分析了柴油機(jī)尾氣總能量范圍及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，渦輪機(jī)回收發(fā)動機(jī)尾氣的最佳工況點(diǎn)。在可發(fā)電渦輪增壓器的研究中，張勇斌［9］證實(shí)了渦輪發(fā)電技術(shù)的可行性。邵廣申等［10-11］研究了自然吸氣發(fā)動機(jī)搭載渦輪發(fā)電系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)整體工作效率和經(jīng)濟(jì)性的提升。金鐸［12］對自然吸氣柴油機(jī)設(shè)計(jì)并匹配了渦輪發(fā)電系統(tǒng)，研究了不同工況下渦輪發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和尾氣能量回收利用率以及最佳工況點(diǎn)。施夏［13］研究了發(fā)動機(jī)尾氣能量品質(zhì)與渦輪發(fā)電系統(tǒng)能量回收率之間的關(guān)系。

渦輪增壓器轉(zhuǎn)軸上安裝的高速電動機(jī)，作為發(fā)電機(jī)與渦輪增壓器組成可發(fā)電渦輪增壓器，在壓氣機(jī)提高發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量的同時(shí)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電能回收；也可以作為電動機(jī)與渦輪增壓器組成電輔助渦輪增壓器，消除渦輪滯后效應(yīng)并增強(qiáng)柴油機(jī)低速性能。在電輔助渦輪增壓器的研究中，葉金等［14］研究了電輔助增壓系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的提升，以及減少發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩提升的響應(yīng)時(shí)間。蘇登科［15］設(shè)計(jì)并匹配了電輔助渦輪增壓系統(tǒng)，研究了高速電機(jī)作為電動機(jī)和發(fā)電機(jī)時(shí)對發(fā)動機(jī)性能和NOx排放量的影響。

在以往的可發(fā)電渦輪增壓器研究中，都只針對自然吸氣發(fā)動機(jī)，而且渦輪機(jī)只帶動同軸的發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作，壓氣機(jī)并沒有與發(fā)動機(jī)進(jìn)行匹配。在電輔助渦輪增壓器的研究中，也并未對高速電機(jī)作為發(fā)電機(jī)時(shí)增壓器的能量回收率和對發(fā)動機(jī)性能的影響進(jìn)行分析，以獲得高速電機(jī)在電動機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的最優(yōu)轉(zhuǎn)換。本文將4.2 L柴油發(fā)動機(jī)原有的渦輪增壓器改裝成可發(fā)電渦輪增壓器，對比分析渦輪增壓器原機(jī)和可發(fā)電渦輪增壓器對發(fā)動機(jī)尾氣的能量回收率，以及可發(fā)電渦輪增壓器對發(fā)動機(jī)本身的性能和發(fā)動機(jī)系統(tǒng)總功率的影響。

1 可發(fā)電渦輪增壓器的能量轉(zhuǎn)換

1.1 可發(fā)電渦輪增壓器的能量轉(zhuǎn)換過程

在渦輪增壓器原機(jī)的基礎(chǔ)上，添加一個(gè)與渦輪機(jī)、壓氣機(jī)同軸相連的高速發(fā)電機(jī)，組成可發(fā)電渦輪增壓器，整個(gè)系統(tǒng)的能量流示意圖如圖1 所示。發(fā)動機(jī)排出的尾氣流入渦輪機(jī)并且在渦輪機(jī)中膨脹，尾氣能量轉(zhuǎn)化為推動渦輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。

相比于渦輪增壓器原機(jī)中旋轉(zhuǎn)的渦輪只帶動同軸的壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行壓縮進(jìn)氣，可發(fā)電渦輪增壓器中旋轉(zhuǎn)的渦輪同時(shí)也帶動了高速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電能；所以渦輪增壓器原機(jī)回收利用的能量為壓氣機(jī)的功率，而可發(fā)電渦輪增壓器回收利用的能量為壓氣機(jī)的功率和高速發(fā)電機(jī)的功率之和。

圖1 可發(fā)電渦輪增壓器能量流示意圖

1.2 發(fā)動機(jī)尾氣能量計(jì)算

將發(fā)動機(jī)尾氣能量Qex［7］分為余動能Qk、余壓能Qp和余熱能Qh，排氣總能量方程為

發(fā)動機(jī)尾氣的余動能、余壓能和余熱能通過尾氣質(zhì)量流量、尾氣壓力、尾氣溫度等參數(shù)計(jì)算求得，計(jì)算公式如下：

余動能

余壓能

余熱能

式中：mex為尾氣質(zhì)量流量，kg/s；vex為尾氣速度，m/s；к為比熱比；Rg為尾氣氣體常數(shù)，J/（kg·K）；p0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大氣壓力，Pa；pex為尾氣壓力，Pa；T0為環(huán)境溫度，K；Tex為尾氣溫度，K；Cvex為尾氣定容比熱容，kJ/（kg·K）。

1.3 壓氣機(jī)功率計(jì)算

壓氣機(jī)的功率Pc［8］計(jì)算公式如下：

式中：min為流過壓氣機(jī)的氣體質(zhì)量流量，kg/s；CPin為進(jìn)氣定壓比熱容，kJ/（kg·K）；T1為壓氣機(jī)進(jìn)口氣體溫度，K；T2為壓氣機(jī)出口氣體溫度，K；p1為壓氣機(jī)進(jìn)口壓力，Pa；p2為壓氣機(jī)出口壓力，Pa；ηb為壓氣機(jī)等熵效率；γ為氣體絕熱指數(shù)。

1.4 高速發(fā)電機(jī)功率計(jì)算

高速發(fā)電機(jī)的功率計(jì)算如下：

式中：U為高速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓，V；I為高速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流，A。

1.5 增壓器能量回收率計(jì)算

由可發(fā)電渦輪增壓器的能量流轉(zhuǎn)換過程分析可得，渦輪增壓器原機(jī)的能量回收率ηe1為壓氣機(jī)功率與發(fā)動機(jī)尾氣能量的比值；而可發(fā)電渦輪增壓器的能量回收率ηe2為壓氣機(jī)功率和高速發(fā)電機(jī)功率之和與發(fā)動機(jī)尾氣能量的比值。

渦輪增壓器原機(jī)

可發(fā)電渦輪增壓器

2 高速發(fā)電機(jī)試驗(yàn)及仿真模型的建立

2.1 高速發(fā)電機(jī)試驗(yàn)

通過微型高速動力試驗(yàn)臺，測量可發(fā)電渦輪增壓器在不同轉(zhuǎn)速下高速發(fā)電機(jī)對應(yīng)的電壓、電流和功率，數(shù)據(jù)測量通過測量儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測、采集，試驗(yàn)臺如圖2所示。試驗(yàn)中測得的高速發(fā)電機(jī)電壓、電流和功率隨轉(zhuǎn)速的變化如表1 所示。

圖2 微型高速動力試驗(yàn)臺

表1 高速發(fā)電機(jī)功率表

2.2 發(fā)動機(jī)原機(jī)GT-POWER仿真模型建立及驗(yàn)證

GT-POWER是由Gamma Technologies公司開發(fā)的采用有限體積法對流體進(jìn)行計(jì)算的發(fā)動機(jī)一維氣體動力學(xué)軟件，可以精確模擬內(nèi)燃機(jī)性能，對于進(jìn)排氣壓力、溫度等計(jì)算具有很高的精度，而且避免了實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)測量困難的問題。

本文研究的是可發(fā)電渦輪增壓器，其渦輪增壓器原機(jī)所匹配的發(fā)動機(jī)是4.2 L 柴油發(fā)動機(jī)，首先對發(fā)動機(jī)搭載渦輪增壓器原機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)仿真模型的搭建及驗(yàn)證。渦輪增壓發(fā)動機(jī)原機(jī)模型參數(shù)由發(fā)動機(jī)廠商編制的柴油機(jī)使用維護(hù)說明書得來，發(fā)動機(jī)原機(jī)基本參數(shù)見表2，GT-Power模型如圖3 所示。

表2 發(fā)動機(jī)原機(jī)基本參數(shù)

圖3 發(fā)動機(jī)原機(jī)GT-POWER模型

本文只研究發(fā)動機(jī)外特性下增壓器的能量回收率，在外特性范圍內(nèi)對渦輪增壓發(fā)動機(jī)原機(jī)功率和扭矩的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，如圖4 所示。

圖4 原機(jī)試驗(yàn)值與原機(jī)仿真值比較

通過比較發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，誤差不超過2%。說明該GT-POWER模型具有足夠的精度和可信度，滿足計(jì)算要求。

2.3 可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)仿真模型的建立

在原機(jī)模型的基礎(chǔ)上，添加發(fā)電機(jī)模塊與渦輪、壓氣機(jī)模塊同軸相連，組成可發(fā)電渦輪增壓器，模型中發(fā)動機(jī)本身的參數(shù)不變，發(fā)電機(jī)模塊的參數(shù)由高速發(fā)電機(jī)試驗(yàn)測得，可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)的GT-POWER模型如圖5 所示。

3 結(jié)果與分析

圖5 可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)GT-POWER模型

根據(jù)部分發(fā)動機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和GT-POWER 仿真計(jì)算得到的進(jìn)排氣系統(tǒng)內(nèi)氣流的狀態(tài)參數(shù)，基于Excel編寫計(jì)算程序，計(jì)算發(fā)動機(jī)尾氣能量、壓氣機(jī)功率以及能量回收率；并通過仿真計(jì)算得到發(fā)電機(jī)功率、發(fā)動機(jī)的功率、扭矩和油耗。

3.1 高速發(fā)電機(jī)功率分析

可發(fā)電渦輪增壓器中高速發(fā)電機(jī)的功率隨可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、可發(fā)電渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化如圖6 所示。由圖6 可得，高速發(fā)電機(jī)的功率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和增壓器轉(zhuǎn)速的增大而增大，在可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min時(shí)，可發(fā)電渦輪增壓器轉(zhuǎn)速為173 265 r/min，高速發(fā)電機(jī)功率為0.79 kW。

圖6 發(fā)電機(jī)功率變化圖

3.2 壓氣機(jī)功率分析

圖7 壓氣機(jī)功率變化圖

可發(fā)電渦輪增壓器和渦輪增壓器原機(jī)的壓氣機(jī)功率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、增壓器轉(zhuǎn)速的變化如圖7 所示。由圖7 可得，因?yàn)榭砂l(fā)電渦輪增壓器相比渦輪增壓器原機(jī)負(fù)載增大，所以可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)和渦輪增壓發(fā)動機(jī)原機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，可發(fā)電渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速低于渦輪增壓器原機(jī)，導(dǎo)致可發(fā)電渦輪增壓器中的壓氣機(jī)功率相比渦輪增壓器原機(jī)有所降低；增壓器轉(zhuǎn)速相同時(shí)可發(fā)電渦輪增壓器中壓氣機(jī)的功率和渦輪增壓器原機(jī)基本相等。

3.3 尾氣能量、回收能量及能量回收率分析

發(fā)動機(jī)尾氣能量和增壓器回收的能量隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、增壓器轉(zhuǎn)速的變化如圖8 所示。由圖8 可得，可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)和渦輪增壓發(fā)動機(jī)原機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，可發(fā)電渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速相比渦輪增壓器原機(jī)有所降低，回收的能量低于渦輪增壓器原機(jī)，同時(shí)可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)的尾氣能量也低于渦輪增壓發(fā)動機(jī)原機(jī)。

圖8 尾氣能量和回收能量

當(dāng)可發(fā)電渦輪增壓器和渦輪增壓器原機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)會提高轉(zhuǎn)速來產(chǎn)生更多的尾氣能量，同時(shí)可發(fā)電渦輪增壓器回收的能量也更多。

增壓器的能量回收率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、增壓器轉(zhuǎn)速的變化如圖9 所示。由圖9 可得，可發(fā)電渦輪增壓器的能量回收率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化相比渦輪增壓器原機(jī)有所降低，低轉(zhuǎn)速時(shí)降低較多，在發(fā)動機(jī)1 400

r/min時(shí)降低了1.36%，高轉(zhuǎn)速時(shí)降低較少，在額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min時(shí)降低了0.11%。

圖9 能量回收率

可發(fā)電渦輪增壓器的能量回收率隨增壓器轉(zhuǎn)速的變化相比渦輪增壓器原機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有所提升，增壓器轉(zhuǎn)速低于163 059 r/min時(shí)提升0.2%左右，增壓器轉(zhuǎn)速高于163 059 r/min時(shí)與原機(jī)基本相等。

3.4 發(fā)動機(jī)性能分析

可發(fā)電渦輪增壓器對發(fā)動機(jī)性能的影響，只分析發(fā)動機(jī)性能隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的總功率和發(fā)動機(jī)本身的功率、扭矩、油耗隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化通過仿真計(jì)算如圖10 所示。由圖10 可得，可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的總功率為發(fā)動機(jī)本身的功率與高速發(fā)電機(jī)的功率之和，渦輪增壓發(fā)動機(jī)原機(jī)的系統(tǒng)總功率為發(fā)動機(jī)本身的功率。

圖10 發(fā)動機(jī)系統(tǒng)總功率和發(fā)動機(jī)本身的功率、扭矩、油耗

相比渦輪增壓發(fā)動機(jī)原機(jī)，可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)的性能有所降低，發(fā)動機(jī)本身的功率和扭矩在低轉(zhuǎn)速時(shí)下降較多，高轉(zhuǎn)速時(shí)下降較少，在轉(zhuǎn)速1 400 和2 800 r/min時(shí)功率分別下降1.1 和0.15 kW，扭矩分別下降7.52 和0.53 N·m，發(fā)動機(jī)本身的油耗在低轉(zhuǎn)速時(shí)上升較多，高轉(zhuǎn)速時(shí)上升較少，在1 400 和2 800 r/min時(shí)油耗分別上升4.88 和0.38 g/（kW·h）；可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)系統(tǒng)總功率在低轉(zhuǎn)速時(shí)相比渦輪增壓發(fā)動機(jī)原機(jī)有所降低，在轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)下降了0.71 kW，在高轉(zhuǎn)速時(shí)有所提升，在轉(zhuǎn)速2 800 r/min提升了0.64 kW。

可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動機(jī)本身損失的功率和扭矩以及同時(shí)升高的油耗，并不能通過可發(fā)電渦輪增壓器中高速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能來進(jìn)行補(bǔ)償。發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速1 400 r/min時(shí)，高速發(fā)電機(jī)功率僅為0.39 kW，不但發(fā)動機(jī)本身損失了功率1.1 kW和扭矩7.52 N·m，升高了油耗4.88 g/kW·h，而且發(fā)動機(jī)系統(tǒng)總功率還下降了0.71 kW。

但是在中高轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動機(jī)本身損失少量的功率和扭矩以及升高少量的油耗，高速發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生可觀的功率，增大經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min時(shí)，高速發(fā)電機(jī)功率為0.79 kW，雖然發(fā)動機(jī)本身損失了功率0.15 kW和扭矩0.53 N·m，升高了油耗0.38 g/kW·h，但是發(fā)動機(jī)系統(tǒng)總功率提高了0.64 kW。

4 結(jié) 論

本文分析可發(fā)電渦輪增壓器的能量回收率以及對發(fā)動機(jī)性能的影響，得出結(jié)論如下：

（1）可發(fā)電渦輪增壓器中的高速發(fā)電機(jī)功率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，在發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min時(shí)，此時(shí)可發(fā)電渦輪增壓器轉(zhuǎn)速為173 265 r/min，高速發(fā)電機(jī)的功率為0.79 kW。

（2）可發(fā)電渦輪增壓器的能量回收率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，相比渦輪增壓器原機(jī)有所降低，降低幅度隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 和2 800 r/min時(shí)分別降低了1.36%和0.11%；可發(fā)電渦輪增壓器的能量回收率隨增壓器轉(zhuǎn)速的變化在增壓器轉(zhuǎn)速低于163 059 r/min 時(shí)提升0.2%左右，高于163 059 r/min時(shí)與渦輪增壓器原機(jī)基本相等。

（3）可發(fā)電渦輪增壓發(fā)動機(jī)相比渦輪增壓發(fā)動機(jī)原機(jī)，在低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動機(jī)性能降低較多，高轉(zhuǎn)速時(shí)降低較少，在額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min 時(shí)，發(fā)動機(jī)本身損失功率0.15 kW 和扭矩0.53 N·m，升高油耗0.38 g/（kW·h），高速發(fā)電機(jī)功率可達(dá)到0.73 kW，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)總功率提高了0.57 kW。