对内燃机热能动力优化与节能改造的思考

苏来友

摘要：在现代社会持续发展的背景下，内燃机热能动力系统扮演着至关重要的角色，其性能将直接对人们的生产生活造成较大影响。随着如今社会发展理念越来越科学，关于节能降耗的技术研究备受重视。文章基于对内燃机热能动力优化及节能改造的分析，研究了比较先进的废水系统改造、冷却系统改造及余热回收技术，并对这类技术的研究和应用前景进行展望，希望能为相关产业的发展提供参考。

关键词：内燃机;热能;动力优化;节能改造

中图分类号：N941.3                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）06-0217-02

0  引言

随着我国社会经济的不断发展，为了满足越来越大的社会生产需求，关于内燃机的技术研究备受重视。传统的内燃机技术研究，更多的是考虑热能动力优化，提高设备性能。而近年来社会各界越来越关注生态环境保护工作，因此在优化内燃机热能动力的同时，关于节能改造的研究越来越重要。在大量的研究总结下，内燃机热能动力优化和节能改造的主要思路在于提高热效率，降低热损失。基于该理念，需要立足于实际应用环境，结合各方面影响因素进行深入分析。

1  影响内燃机热动力及节能性的主要因素

内燃机主要是通过利用燃料燃烧产生的能量，驱动相关装置运转的设备。从内燃机本身的角度来讲，影响其热动力和节能性的主要因素包括以下几个方面：其一，燃料燃烧程度。在内燃机燃烧室内，燃料燃烧是否充分，将直接影响第一时间产生的能量。因内燃机本身构造设计、工艺水平的影响，都可能影响燃料燃烧程度[1]。其二，热损失。内燃机运行时，要对燃料燃烧产生的能量进行转化，使之成为驱动相关系统运转的动力。如图1所示，内燃机在热能产生及转化过程会出现能量损失，一般表现为热损失。常规内燃机系统燃料燃烧产生的能量仅有37%左右可以转化为有功输出，而其中又有7%左右在活塞、水泵等装置运行时产生的摩擦力中被损耗。需要强调的是，多数内燃机系统中分别有28%以及32%的热能被冷却系统和排气系统消耗。目前，虽然内燃机技术和工艺在不断进步，燃料燃烧率达到了一个趋于当前技术条件下较难取得进一步突破的水平。因此，关于内燃机热动力及节能性改造的研究，主要在于降低热损耗、实现热能回收利用等方面。

2  内燃机热能动力优化及节能改造策略分析

2.1 废水改造

在内燃机运行系统中，废水处理是关键环节之一。在一些生产行业的内燃机系统运行过程中，由于水的比热容较大，因此处理废水环节消耗了大量热量。所以，对废水系统的改造，是内燃机热能优化及节能改造的主要思路之一。针对废水系统的改造，首先配置废水回收再利用系统，对废水进行回收，实现对其热能的回收、转化和再次利用[2]。其关键在于要减少废水管网系统的复杂程度，同时改良废水管网的材质，降低废水在系统内流动过程产生过多热量损失。

2.2 冷却系统改造

常规内燃机一般是通过水冷却的方式进行冷却，以保证系统处于安全温度范围。在内燃机处于温度为80℃左右的工况时，其运行效率更高，而此时冷却系统进口水温一般也设定为80℃。内燃机系统的运行，温度控制很重要，一般如果温度小于40℃，需要通过预热系统进行加热，在高温水从内燃机系统流出之后，先进入1号温控阀，待水温小于70℃后，1号温控福阀门打开，让高温水进入水泵，再回到内燃机系统。如果内燃机系统温度超过80℃，开启2号温控阀，让高温水流入换热器，通过風冷系统进行冷却，再回流至2号温控阀。总体来讲，该优化方案的核心理念在于，通过冷却水在水泵和换热器之间的交换流动，结合风冷装置，可以在满足冷却功能的基础上，减少热损耗。（图2）

2.3 余热回收技术的应用

余热是指内燃机系统运行中释放出来的未被转化利用的热能，这部分热能主要来自于增压空气、冷却水及润滑油。显然，当代内燃机热能动力优化和节能改造中，关于余热回收技术的应用尤为重要。目前比较主流的技术主要有以下几种：其一，采暖供热。在汽车、船舶等系统中，通常有采暖需求，而将内燃机系统余热回收，应用于采暖供热系统，是一种有效的方式。例如，在气温较低的时候，通过散热器对内燃机系统冷却水进行利用，在没有增加内燃机燃油消耗的基础上，满足采暖需求，达到节能目的[3]。其二，余热制冷。利用内燃机余热来给空调、冷藏保险系统的运行提供能量，目前比较主流的余热制冷方式包括吸附式制冷及吸收式制冷两种。其中吸附式制冷适用于汽车内燃机系统中，即利用一些特殊材料，对内燃机余热进行吸收，在空调开启时，释放热量，降低车内温度。

3  内燃机热能动力优化及节能改造实践分析

基于内燃机工作原理以及节能改造的基本思路，业界对内燃机余热回收利用技术的研究取得了一定的成果。例如，某公司开发出一种以有机工质为循环载体的封闭循环涡轮系统，如图3所示，该系统由涡轮发电机、蒸汽发生系统及冷凝器等部件构成，可以将内燃机运行排放的热能倒入蒸汽发生系统，加热系统内部的液态有机工质，其受热蒸发后，高温蒸汽进入涡轮系统，驱动涡轮转动，再驱动电机产生电能。因此而产生的电能可以提供给汽车电子系统、工厂照明系统等，真正实现内燃机的节能增效[4]。

具体来讲，为了更好的对内燃机排放热量的回收，让其持续对液态有机工质进行加热，要在蒸汽发生器的腔体内植入金属管道，保证金属管道内壁和外壁分隔开。管道两端使用法兰接口，分别连接内燃机排气门和改造后的排气尾端管道。在内燃机运行过程中，高温气体将先进入封闭涡轮发电系统，金属管道将热量导向有机工质，产生的高温蒸汽进入涡轮膨胀做工，再通过同轴发电机产生交流电。待热能被吸收和转化到一定程度时，蒸汽状态的有机工质将回归液体状态，经循环系统回到蒸汽发生器中，而多余的气体则通过消音器排入大气。如此，整个系统形成了一套内燃机余热回收发电循环体系。在该系统中，一般是使用戊烷这类化学材料，该材料沸点为36.1℃，而像常见的汽车系统中，发动机产生的尾气温度一般高于60℃，可以很好的刺激戊烷材料由液态转化为气态。而该材料蒸汽密度为空气的2.5倍有余，利用小尺寸涡轮便可进行动能转化。值得一提的是，戊烷临界温度为196℃，意味着选用常规的小体积冷凝器可以快速实现对气体的冷凝，进而保证循环[5]。另外，戊烷凝固点低至-73℃，意味着其在多数地区的冬季都可以持续工作，无需配置防冻装置，并且对发电机系统也不会造成不良影响。

可见，这种新型内燃机热能动力优化节能装置可以在多种内燃机动力机械系统中得到应用。例如，在内燃机列车中使用，可以将转化产生的电力应用于列车内部的照明系统中。值得一提的是，在以内燃机为主要动力源的汽车中，该装置的应用，不仅可以优化汽车电子系统的电能结构，更可以利用回收能量产生的电能来为汽车动力装置提供辅助动力。目前，已经有大量的汽车制造商将该装置作为混合动力汽车动力系统的重要组成部分，并取得了实际性研究应用进展。

4  结束语

综上所述，内燃机作为现代工业社会中十分重要的动力设备，其能量转化率和利用率依然处于一个比较低的水准。在不断提高的产业要求以及环境保护理念下，关于内燃机热能动力优化以及节能性技术的研究尤为重要。目前的技术条件下，关键在于要降低内燃机运行过程中的热量损失，对原本通过废水、冷却系统、废气排出的热量进行回收和再次利用。这不仅能促进内燃机系统热动力的优化，还能很好的提高能源利用率，达到节能降耗、环境保护的目的。

参考文献：

[1]后睿.对内燃机热能动力优化与节能改造的探讨[J].机械管理开发，2020，35（1）：226-227.

[2]孙旭东.中车能源科技公司内燃机节能减排项目商业计划书[D].甘肃：兰州理工大学，2019.

[3]时振泽.内燃机车性能实验过程中的节能降耗研究[J].内燃机与配件，2020（22）：127-128.

[4]钱晏强，颜胜，常征.“节能”内燃机案例技术分析[J].科学技术创新，2018（17）：185-186.

[5]李鑫，边圳浩，崔景芝.节能减排型内燃机油的研发和对汽车的影响[J].汽车工程师，2018（2）：57-58.