对置活塞二冲程柴油机热平衡和余热可用能分析

马富康， 苏铁熊， 赵振峰， 王 豪

(1. 中北大学 机械与动力工程学院， 山西 太原 030051； 2. 北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081； 3. 上海汽车集团股份有限公司乘用车公司， 上海 200041)

对置活塞二冲程柴油机热平衡和余热可用能分析

马富康1， 苏铁熊1， 赵振峰2， 王 豪3

(1. 中北大学 机械与动力工程学院， 山西 太原 030051； 2. 北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081； 3. 上海汽车集团股份有限公司乘用车公司， 上海 200041)

基于对置活塞二冲程柴油机全工况台架试验， 确定其各工况下各子系统的热力学参数. 采用热力学第一定律， 分析了发动机的热平衡特性， 并与传统四冲程柴油机进行了比较； 采用热力学第二定律， 分析了发动机的余热可用能. 结果表明： 该发动机在高转速、 中负荷时， 有效热效率最高； 在低转速、 低负荷时， 冷却项占余热比重较大， 但低于传统四冲程柴油机； 在高转速、 高负荷时， 排气项占余热比重较大， 高于传统四冲程柴油机. 其中， 排气余热的可用能较高， 最大达排气项能量的67%， 具有很大的利用空间； 而冷却项可用能较低， 利用空间较小.

对置活塞； 二冲程柴油机； 热平衡； 余热可用能

0 引 言

以汽车大众化为标志的内燃机行业在20世纪得到迅速发展， 汽车保有量的增加， 能源危机和环境问题凸显， 人类在探索高效、 清洁动力的道路上一方面在积极致力于传统发动机的改进； 另一方面也在积极追求新技术新原理， 探索新的动力机形式， 其中对置活塞二冲程柴油机以其高效、 高功率密度等优点被广泛研究[1].

对置活塞二冲程柴油机与传统柴油机相比， 其发动机结构、 燃烧室结构、 缸内气流运动以及燃油喷射方式均不相同， Gerhard Regner等人研究了对置活塞二冲程柴油机的性能和排放， 发现其特殊的结构形式有利于降低发动机的质量和复杂性， 减少机油消耗和燃油消耗[2]； Randy E.Herold研究了对置活塞二冲程柴油机的热力学过程， 发现与传统四冲程柴油机相比， 其燃烧室的面容比较小， 工质在燃烧过程中比热容变化小， 指示热效率更高， 相同工况的最大爆发压力更小[3]； Fabien Redon等研究了低负荷工况下对置活塞二冲程柴油机的性能， 发现该发动机既能满足缸内燃烧温度的限制， 又能实现较高的排气温度， 保证了催化剂处于理想的温度[4]. 但是目前的研究尚未对对置活塞二冲程柴油机的热平衡和余热可用能展开分析. 根据目前的研究， 提高传统内燃机能量利用的方法主要有两方面， 一方面是提高内燃机的热效率， 另一方面是余热的回收和利用[5]. 因此， 研究该发动机的热平衡可以掌握热量分配关系， 认识对置活塞二冲程柴油机的能量转化和传递过程， 为提高热效率提供研究方向； 而由于该发动机采用二冲程， 排气项能量比重大， 研究余热可用能可以为该发动机的节能减排和热效率的提高提供依据[6]. 本文以对置活塞二冲程柴油机为研究对象， 对发动机进行全工况试验， 分析热平衡和余热可用能， 为优化发动机的热效率和余热利用提供理论基础.

1 热平衡理论基础

内燃机中能量的转化与传递过程非常复杂， 彼此既相互独立又互相转化， 燃料在内燃机的气缸内燃烧所产生的热量， 一部分转化为曲轴的有效功， 对外克服阻力矩做功， 一部分随排气排出， 一部分通过传热的方式由冷却介质散失到缸外， 此外机械摩擦功造成的有效功损失最后也转化成热量散失. 结合内燃机的控制体积建立热平衡系统是分析内燃机热平衡的有效方法， 如图 1 所示.

图 1 热平衡系统示意图Fig.1 Control volume of engine thermal balance system

从图 1 可以看出， 进入内燃机的热流包括燃料的化学能和进气的焓， 而排出内燃机的热流包括有效功率、 排气带走的热量、 冷却介质带走的热量、 未燃尽的燃料和对流换热与辐射流失的热量[7]. 内燃机稳态的热平衡方程为

式中：Hfuel是燃料的化学能， 即

Hex是排气的焓， 即

Hin是进气的焓， 即

Qcooling是传入冷却介质的热量， 即

Qmisc是其余的损失， 包括未燃尽的燃料和通过对流换热和辐射损失的热量.

为直观地分析内燃机的各项能量的分布情况， 将各项能量转换成占燃料总热量的百分比， 如下

式中：ηf是燃料的化学能所占比例；ηet是有效热效率；ηex是排气能量所占总热量的比例；ηcooling是传入冷却介质的热量所占总热量比例；ηmisc是杂项损失占总热量比例.

2 热平衡试验

本文的研究对象是一台机械增压式对置活塞二冲程柴油机， 主要参数见表 1.

表 1 对置活塞二冲程柴油机主要参数

实验装置示意图如图 2 所示， 对置活塞二冲程柴油机原理样机如图 3 所示.

图 2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus

图 3 对置活塞二冲程柴油机原理样机Fig.3 Prototype of opposed-piston two-stroke diesel engine

主要测试仪器和设备见表 2， 环境温度保持在15 ℃左右， 各个温度传感器均经过了标定[8].

表 2 主要测试仪器和设备

3 试验结果分析

试验前首先对柴油机进行整机性能状态调整， 使其工作温度及性能满足要求， 当进出水温差波动范围小于0.1 ℃/min， 则柴油机达到热平衡， 然后进行热平衡试验. 转速范围为800～2 400 r/min， 变化间隔为200 r/min； 负荷(平均有效压力， BMEP)范围为0.1～0.8 MPa， 变化间隔为0.1 MPa.

3.1 热平衡

掌握对置活塞二冲程柴油机有效热效率的分布可以为燃油利用率的评价提供基础， 图 4 显示了柴油机有效热效率的分布情况. 在低负荷工况下， 负荷对有效热效率的影响大于转速， 而在高负荷工况下， 转速对有效热效率的影响较大. 相同转速下， 有效热效率随负荷的增大先增加后减小， 因为在低负荷时， 动力输出少， 摩擦功所占的比例大， 而转速及其他因素不变时指示热效率变化较小， 随着负荷的增加， 摩擦功基本不变， 输出功增加， 有效热效率提高. 而在高负荷时， 过量空气系数降低导致燃烧恶化， 指示热效率下降， 摩擦功不变， 有效热效率相应的下降[9]. 二冲程发动机受换气质量影响大， 所以高负荷下转速对有效热效率的影响增大. 对置活塞二冲程柴油机的有效热效率的峰值区域在2 000 r/min以上的中负荷处， 与传统柴油机相比， 转速较高， 因为相同工况下最大爆发压力较小， 摩擦损失减小[3].

图 4 有效热效率Fig.4 Percentage of effective work in total energy

图 5 显示了柴油机排气项热量占燃油能量比例的分布情况， 从图中可以看出， 大部分工况下排气项热量较高， 约1/3的燃油能量被废气带走， 在中低负荷处， 排气能量所占比例最小. 相同负荷下， 随着转速升高， 排气项热量所占比例增大. 因为随着转速的增加， 每次循环的换热时间减少， 更多的能量随排气流出.

图 5 排气项热量占燃料总能量比例Fig.5 Percentage of exhaust gas energy in total energy

图 6 显示了传给冷却项的热量占燃油能量比例的分布情况. 从图中可以看出， 在低负荷区域冷却项热量所占比例较大， 转速对其影响小， 只随负荷的增加而减少. 因为在低负荷时， 机械损失的比重较大， 而大部分的机械损失最后都通过热转换传递给冷却水. 随着负荷的增大， 转速对冷却项的影响增大， 在中高负荷时， 随着转速升高传给冷却项的热量所占比例减少.

图 6 冷却项热量占燃料总能量比例Fig.6 Percentage of cooling water energy in total energy

图 7 显示了一台传统四冲程增压中冷柴油机标定转速下各项比例关系变化的负荷特性[7]， 发动机主要参数见表 3.

表 3 增压中冷柴油机主要参数

对比传统四冲程增压柴油机， 对置活塞二冲程柴油机由于进、 排气活塞存在相位差， 在内止点前后会发生进排气活塞同向追赶的过程， 燃烧过程的等容度提高， 所以有效热效率较高[10-11]. 因为采用二冲程结构， 排气时刻较早， 导致排气温度和压力高， 排气项热量占燃料能量的比例较大. 对置活塞二冲程柴油机与传统柴油机相比， 燃烧室面容比较小， 零部件较少， 因此冷却项所占燃料能量的比例较小[3]. 由于对置活塞二冲程柴油的燃烧室由气缸套和进、 排气活塞顶组成， 内止点时刻， 活塞顶面积占燃烧室总面积的83%， 活塞顶面的温度高， 相比于传统柴油机， 燃烧室壁面的平均温度更高， 文献[12]指出较高的壁面温度有利于减少燃烧过程的不可逆损失.

图 7 增压中冷柴油机热平衡图Fig.7 Energy balance of turbocharged diesel engine

3.2 余热可用能

上节采用热力学第一定律分析了对置活塞二冲程柴油机的热平衡， 其依据是能量守恒定律， 阐明了热力过程中能量之间的数量关系. 通过分析发现， 柴油机大部分工况下， 散热损失和排气能量的损失之和大于50%， 在运行工况从低速、 小负荷向高速、 大负荷转变时， 损失的热量从散热损失占主要部分转变成排气能量占主要部分. 为了进一步探讨能量的有效利用途径， 仅分析能量关系是不够的， 还需要分析能量的“质量”， 即结合第二定律进行有效能分析.

与机械能相比， 余热是低品质的能量， 不能完全转化成可用能， 因此需要进一步通过的热力循环将其转化成有效功. 卡诺循环体现了工质做功的最高效率， 采用卡诺循环进行余热的热力循环计算， 可以分析余热潜在的最大可用能[13-14]. 卡诺循环的公式为

式中：EX,Q是余热的可用能；Q表示余热的能量；T0表示环境温度；T表示余热的温度.

式中：ηExe,p表示余热的可用能占余热能量的比例.

式中： ηExe,eff表示了余热可用能占燃料总能量的百分比.

图 8 显示了在负荷为0.8 MPa时， 各项能量可用能占自身的比例. 因为冷却介质的流量大， 比热容大， 所以受运行条件影响小， 冷却介质的进出口温差小， 而且为了保证柴油机处于合适的运行工况， 冷却介质应保证在合适的温度， 不宜进行利用. 对置活塞二冲程柴油机受换气方式的限制， 缸内高温高压气体未能得到充分膨胀， 还有大部分能量直接随排气带出， 具有较大的利用空间[15].

图 8 不同转速的可用能比例Fig.8 Exergy proportion in different rotational speed

图 9 排气项可用能占排气项能量比例Fig.9 Percentage of exhaust gas energy in exhaust gas energy

图 9 显示了排气余热可用能占排气余热的比例. 随着转速和负荷的增大， 排气温度不断升高，ηExe,p也随之升高， 且负荷对ηExe,p的影响大于转速. 在高转速、 高负荷时，ηExe,p超过了60%， 具有很大的利用空间[15-16]. 图 10 显示了排气余热可用能占燃料总能量的比例， 在高速、 中等负荷以上区域， 排气余热可用能的比例超过了20%， 具有很大的利用空间， 用以改善燃油消耗率.

图 10 排气项可用能占燃料能量比例Fig.10 Percentage of exhaust gas energy in total energy

4 结 论

1) 对置活塞二冲程柴油机的能量分布受负荷和转速的共同影响. 在大多数工况下， 负荷对有效热效率的影响大于转速； 受到换气质量影响， 大负荷工况下转速对有效热效率的影响增大. 对置活塞二冲程柴油机的最佳燃油消耗区域在中高转速中等负荷.

2) 大部分工况下排气能量较高， 约1/3的燃油总能量被废气带走， 排气项能量在中等负荷处所占比例最小. 与传统四冲程柴油机相比， 排气项能量所占比例更高.

3) 传递给冷却项的热量在低负荷区域所占比例较大， 负荷对其影响大于转速. 对置活塞二冲程柴油机与传统柴油机相比， 燃烧室面容比小导致冷却项占燃料能量的比例小.

4) 冷却项的可用能较少， 而排气项能量中的可用能比例大， 在高速、 中等负荷以上区域， 排气项能量可用能占燃料能量的比例超过了20%， 充分利用可以有效改善燃油消耗.

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Analysis of Thermal Balance and Waste Heat Exergy for Opposed-Piston Two-Stroke Diesel Engine

MA Fu-kang1, SU Tie-xiong1, ZHAO Zhen-feng2, WANG Hao3

(1. School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China； 2. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China； 3. Shanghai Automotive Industry Company Passenger Vehicle Company, Shanghai 200041, China)

Through the opposed-piston two-stroke diesel full condition bench test，the thermodynamic parameters in each operation condition were determined. The thermal balance was analyzed based on the one law of thermodynamics and compared to the conventional diesel, and the waste heat exergy was analyzed based on the second law of thermodynamics. Results show that: peak of the effective thermal efficiency appears in high-speed and medium-load area; at low-speed and low-load, cooling water accounts for the major part of waste heat energy, and lower than conventional diesel; at high-speed and high-load, exhaust gas energy accounts for the major part of waste heat energy, and higher than conventional diesel. Exhaust gas exergy is larger than cooling water exergy, and the maximum value can reach 67% of exhaust gas energy with great development space.

opposed-piston； two-stroke diesel engine； thermal balance； waste heat exergy

1673-3193(2017)04-0433-06

2016-12-01

国家部委科研基金资助项目(B2220110005)

马富康(1979- )， 男， 讲师， 博士， 主要从事新型动力系统设计及理论的研究.

TK422

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.04.007