基于热平衡试验和倒拖试验的柴油机有效能传递与节能潜力研究

田永海， 牛军， 梁红波， 曲栓， 孙丹红

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

基于热平衡试验和倒拖试验的柴油机有效能传递与节能潜力研究

田永海， 牛军， 梁红波， 曲栓， 孙丹红

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

随可持续发展和环境友好要求的不断提高，如何提高发动机能量的使用效率已被提升到重要位置。从内燃机能量平衡来看[1-3]，动力输出功一般只占燃油燃烧总热量的30%～45%(柴油机)或20%～30%(汽油机)，除了不到10%用于克服摩擦等功率损失之外，其余的余热能没有得到利用，主要通过冷却回路的散热以及排气被排放到大气中，因此，减少能量传递损失和余热能回收再利用是提高总能效率、降低燃油消耗率的一种有效途径。

1 测试设备

本研究采用的样机为废气涡轮增压柴油机，在试验中，采用奥地利AVLGH12D缸压传感器配合电荷放大器测量缸压。试验燃料为-10号柴油，试验过程中用到的主要仪器设备见表1。

表1 主要试验仪器

续表

2 柴油机热平衡和平衡分析基础

2.1 柴油机热平衡分析基础

热力学第一定律认为热能和机械能可以相互转换，并在转换的总效果上存在确定的数量关系。车用柴油机燃料燃烧释放的总能量一般分为四部分：转化为有效功的热量、传递到冷却介质中的热量、排气中的热量和余项损失热量。余项损失热量包含了工质流经管路的热损失和机体、油底壳等对外因辐射损失到周围环境中的热量，还有燃料未能充分燃烧而随尾气排出部分的热量。燃料燃烧不充分的热量可以通过燃烧效率ηu修正，燃烧效率可以依据尾气中不完全燃烧产物CO和HC的质量来计算。由此得到发动机的热平衡方程：

Qh=Qe+Qc+Qex+Qf。

式中：Qh为燃料完全燃烧放出的热量；Qe为转化为有效功的热量；Qc为冷却介质带走的热量；Qex为排气带走的热量；Qf为余项损失热量。

由于无法利用汽化潜热，所以燃料完全燃烧的热量Qh用低热值计算。

通过试验方法计算转化为有效功的热量Qe时，可从测功机读取有效功率，按式(2)进行计算：

式中：n为发动机转速；Ne为发动机扭矩。

冷却液带走的热量主要包括缸壁传递给冷却液的热量、机油冷却器传给冷却液的热量和中冷器传递给冷却液的热量等。根据冷却系统的测试参数，冷却液散热量计算公式如下：

Qc=GcρcCc(Tcout-Tcin)。

式中：Gc为冷却液体积流量；ρc为冷却液密度；Cc为冷却液平均比定压热容；Tcin为冷却液进口温度；Tcout为冷却液出口温度。

进气比热容依据空气温度插值得到。排气比热容依据排气气体组分百分比和单一组分气体的平均比定压热容随温度的关系计算得到。排气带走的热量Qex计算公式为

Qex=MexCex(Te-Ti)。

式中：Mex为排气质量；Cex为排气的平均比定压热容；Te为涡轮后排气温度；Ti为进气温度。

余项损失热量为

Qf=Qh-Qe-Qc-Qex。

ex,h-ex,x=ωi+ex,c+ex,ex+i。

ex,h=ωf×Hu。

式中：ωf为燃料的化学成分CnHm的系数[16]，直喷式柴油机取ωf=1.033 8[17]。

ex,g=ηu×[(hD-hA)-T0(sD-sA)]。

式中：hA和hD分别为燃烧初始、终了状态下的比焓；sA和sD分别为燃烧初始、终了状态下的比熵。

ex,x=ex,h-ex,g。

ωi=qe。

式中：qe为单位质量燃料转化为有效功的热量。

ex,ex=(hx,ex-h0)-T0(sx,ex-s0)。

式中：hx,ex为排气状态下的比焓；sx,ex为排气状态下的比熵。

i=ex,h-ex,x-(ωi+ex,c+ex,ex)。

3 柴油机热平衡和平衡分析

3.1 热平衡试验结果分析

图1 外特性燃料放热量、燃料总和燃气增加的量

图2 外特性冷却水热量和量

图3 外特性排气热量和量

图4 柴油机外特性的热平衡分布

图5 柴油机外特性的平衡分布

3.2 倒拖试验结果分析

为了使倒拖试验尽可能接近整机热平衡试验时的条件，对发动机进水和进油(润滑油)加热到热平衡试验工况的温度。由于用倒拖法测试机械损失时，没有考虑到缸内燃烧压力对pfme(平均机械损失压力)的影响，所以需根据实际运行中缸内最高燃烧压力对pfme进行修正。本研究用Chen-Flynn模型对柴油机pfme进行修正，公式如下：

pfme修正=pfme试验+ζ·(pmax-pc)。

式中：pfme修正为根据最高燃烧压力修正后的pfme；pfme试验为倒拖试验测试(未考虑燃烧压力影响)的pfme；ζ为缸内压力影响因子；pmax为最高燃烧压力；pc为压缩压力。

图6 倒拖试验修正前和修正后的pfme

柴油机外特性的热平衡分布(见图4)中由冷却水带走的热量可分为三部分：摩擦和驱动附件产生的热量、缸壁传递的热量和中冷器带走的热量，分别占燃料总热量的4%～6%，10%～12%和7%～9%(见图7)。其中，由于燃烧引起的缸壁传递的热量近似等于热平衡中冷却水带走的热量减去中冷器带走的热量和倒拖试验修正后的摩擦功的热量。

图7 柴油机外特性的热量分布

图8 柴油机外特性的量分布

图9 柴油机外特性的热量分布

图10 柴油机外特性的量分布

随负荷的增加，热平衡中有效功热量占总热量的比例变化很大，扭矩高于60%时趋于平缓；摩擦与驱动附件的热量和缸内的热量占总热量的比例降低，当最高扭矩由10%上升至100%时，摩擦与驱动附件占总热量的百分比从约20%降低至约10%，缸内传热量占总热量的百分比从17.5%降低至约9%；中冷热量占总热量的百分比从3%升高至约9.5%；排气热量占总热量的百分比基本不变。

图12 柴油机负荷特性的量分布

4 结束语

[1] Tsurushima T,Miyamoto T,Enomoto Y,et al.Estimation of heat loss from combustion chamber by heat balance method and its validation[J]．Transactions of the JSME,2002,68:2935-2942.

[2] Shimada K,Uchida N,Osada H,et al.Energy Balance Analysis in a Heavy-duty Diesel Engine[C]．JSAE Annual Congress,20135351,2013.

[3] 李晓田，王安麟，吴仁智.工程机械柴油机动态工况冷却系统热平衡研究[J]．内燃机工程，2009,30(4)：43-47.

[4] 徐生荣.工程热力学[M]．长沙：东南大学出版社，2004.

[5] 金红光，张国强，高林，等.总能系统理论研究进展与展望[J]．机械工程学报，2009，45(3)：39-48.

[6] Rosen M,Dincer I.A new perspective on dissel engine evaluation based on second law analysis[J]．Energy Conversion and Management,2003,44(17):2743-2761.

[7] Tsatsaronis G,Winhold M.Exergoeconomic analysis and evaluation of energy conversion plants.I. A new general methodology[J]．Energy,1985,10(1):69-80.

[8] Flynn P F,Hoag K L,Kanel M M,et al.A new perspective on dissel engine evaluation based on second law analysis[C]．SAE Paper 840032,1984.

[9] Bozza F,Nocera R,Senatore A,et al.Second law analysis of turbocharged engine operation[C]．SAE Paper 910418,1991.

[10] Shapiro H N,Gerpen J H V.Two zone combustion models for second law analysis of internal combustion engines[C]．SAE Paper 890823,1989.

[11] 吕峰，俞小莉，张宇，等.车用柴油机节能潜力的能质分析方法与试验研究[J]．内燃机工程，2012，33(1)：61-66.

[12] 赵长禄，岳玉嵩，周磊，等.6V150柴油机热力循环的热力学分析[J]．北京理工大学学报，2004，24(6)：500-503.

[13] Moran M J.Availability analysis:A guide to efficient energy use[M]．New Jersey:Prentice-Hall Inc,1982.

[15] Giakoumis E G.Cylinder wall insulation effects on the first and second law balances of a turbocharged diesel engine operating under transient load conditions[J]．Energy conversion and management Energy Conversion And Management,2007,48:2925-2933.

[16] Bozza F,Nocera R.Second law analysis of turbocharged engine operation[C]．SAE Paper 910418,1991.

[17] Primus R J,Hoag K L.An appraisal of advanced engine concepts using second law analysis techniques[C]．SAE Paper 841287,1984.

[18] Taniguchi H,Mouri K,Nakahara T,et al．Exergy analysis on combustion and energy conversion processes[J]．Energy,2005,30:111-117．

[19] Rajoo S,Martinez-Botas R.Improving Energy Extraction from Pulsating Exhaust Flow by Active Operation of a Turbocharger Turbine[C]．SAE Paper 2007-01-1557.

[20] Weerasinghe R,Stobart K,Hounsham M.Thermal efficiency improvement in high output diesel engines a comparison of a Rankine cycle with turbocompounding[J]．Applied Thermal Engineering,2010,30:2253-2256.

[21] 田永海，刘胜，殷玉恩，等.HC4132柴油机涡轮增压系统有用能量流研究[J]．小型内燃机与车辆技术，2015，44(5)：38-43.

[22] Ishii M,Kiyohiro S,Machida K,et al.A study on improving fuel consumption of heavy-duty diesel engine specifically designed for long-haul trucks on highway[C]．SAE Paper 2015-01-1256.

[23] Heiduk T,Dornhofer R.The new generation of the R4 TFSI engine from Audi[C]//Internationales Wiener Mo-torensymposium.[S.l.]:[s.n.],2011.

[编辑： 袁晓燕]

Effective Energy Transfer and Energy Saving Potential of Diesel Engine Based on Heat Balance and Motored Test

TIAN Yonghai, NIU Jun, LIANG Hongbo, QU Shuan, SUN Danhong

(China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

In order to quantitative study the available energy from each part of diesel engine, the heat balance test and motored engine test were carried out on a diesel engine and the mechanism of energy transfer and effective energy loss were analyzed. According to the first law of thermodynamics, there was still about 90% fuel combustion energy to be able to do any other work except for friction, driving accessories and remainder loss. Only 58% fuel energy could do work and the residual 22%-23% fuel energy would lose during the irreversible combustion process in accordance with the second law of thermodynamics. The heat amount of cooling water and exhaust gas was equivalent, but the quality of energy between them had a great difference. Finally, the energy saving potential for each part of system was clarified and the improvement direction was proposed.

diesel engine; heat balance; exergy balance; energy distribution; energy saving

2016-07-18；

2016-12-07

田永海(1983—)，男，硕士，主要研究方向为发动机性能优化设计与系统匹配；tianyonghai0827@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.005

TK411.1

B

1001-2222(2016)06-0023-07