增压柴油机余热利用涡轮发电系统研究

辛易达

(大连民族大学 机电学院， 辽宁 大连 116600)

0 引 言

随着日益凸显的能源问题，越来越严重的环境污染，日益严苛的排放法规，增压柴油机开始走进人们的视线并得到了广泛应用[1]。增压柴油机虽然拥有热效率值高、输出功率大、能量利用率高等优点，然而增压柴油机PM(颗粒物)及NOx的排放严重，这些都会对环境造成严重污染，且增压柴油机存在低速扭矩不足和加速冒黑烟的问题[2]。近年来，涡轮增压技术凭借其响应快速和工作灵活的特性，越来越受到关注，该领域所涉及的工作也成为业界学习的热点。针对柴油机能量利用率不高，尾气排放对环境具有较大的危害，文中用涡轮发电系统与废气涡轮增压器并联联合工作，用涡轮增压系统来实现部分余热的利用，并降低排放。

1 涡轮发电系统的总体设计及其工作原理

文中设计的并联式涡轮发电系统，主要包括动力涡轮、电控单元、发动机、逆变器以及24 V车载蓄电池，结构如图1所示。

图1 并联式涡轮发电系统结构设计图

当流经废气涡轮增压器的压力较大时，电控单元就会控制压力阀打开，动力涡轮开始工作，当流经废气涡轮增压器的压力较小时，电控单元就会控制压力阀关闭，此时动力涡轮没有工作。这样就提高了系统的废气利用效率和排放水平。

2 GT-POWER中各模块参数的选取

仿真模型创建时，需要先确定模块的一些基本参数。

1)相匹配的柴油发动机性能参数:

缸数×缸径×行程， 6 mm×107 mm×124 mm；

总排量，6.7 L；

压缩比，17.3；

标定功率及转速，221 kW/(3 013 r/min)；

标定扭矩及转速，900 N·m/(1 400 r/min)；

最高转速，3 500 r/min。

2)涡轮增压器边界参数见表1。

表1 涡轮增压器边界参数

3 仿真模型建立

仿真模型创建工作中，我们完成了没有涡轮增压器、有一个涡轮增压器、废气涡轮加动力涡轮增压器并联的模型建立。在建立废气涡轮加动力涡轮增压器并联的仿真模型时，选择了在有一个涡轮增压器的仿真模型的废气出口端并联一个动力涡轮。

3.1 无废气涡轮增压器模型

无废气涡轮增压器模型也就是普通的六缸柴油机，它包含5个部分，分别是进气管道系统、排气管道系统、气缸部分、曲轴箱和中冷器，其中对整个模型进行了简化，在进气管道中没有考虑管路中的空气过滤器，采用Pipe、Fsplit管道模块和阻力元件构成各个部分[3]，在排气管道中，三元催化转化器和排气系统中的颗粒集中器也被忽略不计[4]，其模型结构如图2所示。

图2 无涡轮增压器模型

3.2 单废气涡轮增压器模型

在这个模型中，我们加入了涡轮增压器，涡轮增压模块包含三个部分，分别是涡轮、压气机以及一根联结轴，且采用双进气口，避免了气缸之间的干扰，提高了效率。这里我们按照1,5,3,6,2,4这个点火顺序，将1,2,3和4,5,6号气缸分别排气到两个排气管，然后接入增压涡轮上，涡轮一边连接大气环境，一边通过轴和压气机连接起来，这样就完成了这部分建模[5]，其模型结构如图3所示。

图3 有一个涡轮增压器模型

3.3 废气涡轮加动力涡轮增压器并联模型

在这个模型中，将废气涡轮和动力涡轮增压器并联，其中动力涡轮连接到自由轴，消耗了一部分废气能量，这部分能量的多少代表了废气能量的回收程度[6]，其模型结构如图4所示。

图4 废气涡轮加动力涡轮增压器模型

4 废气能量计算及实验结果分析

柴油机的废气以余动能、余热能和余压能的形式存在，如果不将其加以利用，就会导致大量能源的浪费和空气污染[7-8]。在这里，需要计算出余动能、余热能、余压能和排气总能，以及余动能、余热能、余压能各占排气总能的百分比。

由伯努利原理可知如下公式：

Qex=Qk+Qh+QP

(1)

式中:Qex----废气总能流率，J/s;

Qk----余动能流率，J/s;

Qh----余热能流率，J/s;

Qp----余压能流率，J/s[9]。

根据工程热力学，对以上3种流率进行计算。

余动能流率表达式：

(2)

式中：mex----废气质量流率，kg/s；

v----废气流速，m/s。

余热能流率表达式：

(3)

式中:mex----废气质量流率，kg/s；

Cvex----废气定容比热容，J/(kg·K)；

Tex----废气温度，K；

T0----环境温度,取298 K。

余压能流率表达式：

(4)

式中:mex----废气质量流率，kg/s；

k----废气的绝热指数，取1.4；

Tex----废气温度，K；

P0----标准状态下大气压力，取1.013×105Pa；

Rg----废气的气体常数，取287 J/(kg·K)；

pex----废气压力，Pa[10]。

废气流速表达式：

(5)

式中:m----废气质量流率，kg/s；

p----废气压力，Pa；

T----废气温度，K。

4.1 无废气涡轮增压器排气能量计算

基于建立的无涡轮增压器的仿真模型，利用GT-POWER软件中的GT-POST功能完成模型分析后处理，得到如下分析结果,如图5所示。

(a) 废气质量流率-曲轴转角图

(b) 废气温度-曲轴转角图

(c) 废气压力-曲轴转角图

利用式(4)计算得出，C在99.29～114.36 m/s之间，利用式(1)～式(3)及式(5)分别计算出余动能、余热能和余压能以及总能流率之后，分别得出它们的平均值为2 313，172 106，64 322，238 743 J/s。可知余动能占废气总能0.97%，余热能占废气总能72.09%，余压能占废气总能26.94%。

4.2 单废气涡轮增压器排气能量计算

基于建立有一个涡轮增压器的仿真模型，经仿真分析得到分析结果如图6所示。

利用式(4)计算得出C在40.53～52.63 m/s之间，利用式(1)～式(3)及式(5)分别计算出余动能、余热能和余压能以及总能流率，然后分别得出它们的平均值为151、87 177、26 880、114 208 J/s。可知余动能占废气总能0.13%，余热能占废气总能76.33%，余压能占废气总能23.54%。

4.3 废气涡轮加动力涡轮增压器并联排气能量计算

基于建立的废气涡轮加动力涡轮增压器并联的仿真模型中，基于GT-POWER工具软件对模型仿真分析，得出结果如图7所示。

(a) 废气质量流率-曲轴转角图

(b) 废气温度-曲轴转角图

(c) 废气压力-曲轴转角图

(a) 废气质量流率-曲轴转角图

(b) 废气温度-曲轴转角图

(c) 废气压力-曲轴转角图

利用式(4)计算得出C在35.61～41.28 m/s之间,利用式(1)～式(3)及式(5)分别计算出余动能、余热能、余压能以及总能流率，然后分别得出它们的平均值为76、76 612、30 165、106 853 J/s。可知余动能占废气总能0.07%，余热能占废气总能71.70%，余压能占废气总能28.23%。

4.4 实验结果分析

在没有涡轮增压器的模型中，余动能、余热能、余压能和总能流率的平均值分别为2 313、172 106、64 322、238 743 J/s，余动能占废气总能0.97%，余热能占废气总能72.09%，余压能占废气总能26.94%；在有一个涡轮增压器的模型中，余动能、余热能、余压能和总能流率的平均值分别为151、87 177、26 880、114 208 J/s，余动能占废气总能0.13%，余热能占废气总能76.33%，余压能占废气总能23.54%；在废气涡轮加动力涡轮增压器并联的模型中，余动能、余热能、余压能和总能流率的平均值分别为76、76 612、30 165、106 853 J/s，余动能占废气总能0.07%，余热能占废气总能71.70%，余压能占废气总能28.23%。因此，由上面的计算结果可知，发动机余热具有利用潜力；由没有涡轮增压器的模型和有一个涡轮增压器的模型得出的结果可以知道，涡轮增压器可以进行废气能量的回收；由有一个涡轮增压器的模型和废气涡轮加动力涡轮增压器并联的模型所得出的结果可见，在增加了动力涡轮模型之后，可以回收更多的废气能量，发动机废气总能减少了6.44%。

5 结 语

以六缸柴油机为实验研究对象，首先介绍了涡轮发电系统的总体设计和工作原理，然后利用GT-POWER软件搭建增压柴油机仿真模型，对仿真模型在各工况点下进行废气能量计算，验证发动机余热利用的潜力。在GT-POWER软件上搭建3个模型，即没有涡轮增压器的模型、有一个涡轮增压器的模型和废气涡轮与动力涡轮增压器并联的模型，通过计算这些仿真模型在各个工况点下的废气能量,并对实验结果加以分析，得出如下结论：

1)发动机是具有余热利用潜力的，与此同时,涡轮增压器可以进行废气能量的回收。

2)在继续增加动力涡轮模型之后，废气能量回收的更多，发动机废气总能大致减少了6.44%。

3)并联式涡轮发电系统提高了增压柴油机的燃烧效果和排放水平。

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