HC4132柴油機渦輪增壓系統有用能量流研究

田永海　劉　勝　殷玉恩　丁技峰　孫丹紅（中國北方發動機研究所　天津　300400）

HC4132柴油機渦輪增壓系統有用能量流研究

田永海劉勝殷玉恩丁技峰孫丹紅
（中國北方發動機研究所天津300400）

摘要：基于HC4132柴油機試驗，對柴油機廢氣渦輪增壓系統有用能量流分布規律進行了研究。通過研究柴油機排氣能量在渦輪-壓氣機-中冷器中的傳遞過程，得出渦輪回收排氣能量的潛力和增壓系統的能量流特性。廢氣渦輪增壓系統回收的能量主要是排氣的熱力學能和壓力能；外特性中高轉速回收的余熱能約為余壓能的3倍，動能可以忽略，渦輪能回收大約25%的排氣最大可用能量，而這部分能量大部分被中冷器帶走，余下1.5%～6%的排氣最大可用能量轉換為進氣壓力能和熱力學能。研究結果為提高柴油機熱效率、節能和采用復合渦輪增壓回收排氣能量提供了依據，同時可用作各種柴油機排氣能量回收方式橫向比較的基礎數據。

關鍵詞：油機廢氣渦輪增壓能量流

引言

由柴油機熱平衡分析可知，燃料通過燃燒所釋放出的總熱量中25%以上被排氣帶走，而其中的可用能量約占排氣總能量的60%，如何有效回收這部分能量是提高柴油機熱效率的關鍵問題。目前，國際上已經提出了多種回收柴油機排氣能量的方法，其中采用柴油機排氣二次膨脹的廢氣渦輪增壓方式應用十分廣泛。相關研究表明，廢氣渦輪增壓能有效回收部分排氣能量，實現對進氣的增壓，提高進氣密度，并且能有效提高柴油機的結構緊湊性和功率密度，改善柴油機的各項性能指標。本文針對HC4132增壓柴油機，研究了渦輪增壓系統能量流以及回收排氣能量的潛力，為柴油機各種排氣能量回收方式進行橫向比較提供基礎數據。

1　廢氣渦輪增壓的能量轉換理論基礎

1.1廢氣渦輪增壓系統的能量轉換過程

圖1為渦輪增壓的工作原理圖。柴油機排氣門打開后，氣缸中燃氣含有的能量不可能完全用來做功，而實際上只有當排氣等熵膨脹到環境壓力時，所釋放出來的能量才有可能轉換為有用功。如圖2所示，排氣中由排氣等熵膨脹至終點4（實際膨脹終點4ˊ）的這部分能量被稱為排氣最大可用能量，即物理意義上渦輪有可能從排氣中取得并用來做功的最大能量，它約占排氣總能量的60%。排氣最大可用能量效率公式如下：

式中：ηT為排氣最大可用能量效率；h3為渦輪入口焓，J；h4為等熵膨脹終點焓，J。

圖1　廢氣渦輪增壓系統能量流示意圖

圖2　排氣的可逆和不可逆過程

渦輪和壓氣機安裝在同一根軸上，構成一個單獨的部件。由于渦輪增壓回收了一部分廢氣能量，因此，增壓后柴油機的經濟性明顯提高。通常，采用廢氣能量回收可使經濟性提高3%～4%，此外，由于機械損失與散熱損失相對減小使得柴油機的機械效率和熱效率提高，所以，采用渦輪增壓后柴油機的燃油消耗率降低5%～10%。

利用柴油機排出廢氣的能量驅動渦輪，再由渦輪帶動離心式壓氣機的方案稱為廢氣渦輪增壓或簡稱渦輪增壓。柴油機廢氣渦輪增壓系統由渦輪、壓氣機和中冷器組成，整個系統的能量流見圖1。柴油機排出的廢氣流入渦輪，在渦輪中膨脹并推動其高速旋轉，由此實現廢氣的壓力能、熱力學能向渦輪動能的轉換，最終轉換成渦輪軸旋轉的機械能。旋轉的渦輪軸帶動同軸相連的壓氣機旋轉并壓縮進氣，由此實現渦輪機械能向進氣壓力能和熱力學能的轉換。然而，為了提高發動機進氣充量，必須對進氣進行冷卻，于是一部分進氣能量又被中冷器帶走。

1.2廢氣渦輪增壓系統能量流的研究方法

柴油機與廢氣渦輪增壓器只有氣動連接而無機械連接，但二者相互影響、相互制約：壓氣機提高進氣壓力，增加了進氣密度，但同時渦輪進口增大了排氣壓力。此外，壓氣機與中冷器相連，二者進行能量和

渦輪和壓氣機由傳動軸連接，二者轉速相等，穩定工況下流經渦輪增壓系統的質量流量連續，即當管道無泄漏時通過渦輪的燃氣質量流量應等于壓氣機流量與燃料流量之和。

式中：AT為通過渦輪的燃氣質量流量，kg/s；Aa為通過壓氣機的空氣質量流量，kg/s；Af為燃料質量流量，kg/s。

增壓器穩定運轉時，渦輪輸出功率應等于壓氣機消耗功率與增壓器機械損失功率之和，即

式中：PT為渦輪的輸出功率，kW；Pa為壓氣機消耗的功率，kW；Pm為增壓器機械損失功率，kW。

本文將渦輪、壓氣機和中冷器分開考慮，分別研究其流入和流出的能量。根據熱力學第一定律，熱能和機械能可以相互轉換，并在轉換的總效果上存在確定的數量關系，建立的穩定流動能量方程如下：

式中：q為系統與外界的熱交換量，J；Δu為系統的熱力學能變化量，J；p為進出口壓力，Pa；υ為單位工質質量進出口體積，m3；Δcf為進出口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；Δz為系統進出口高度差，m；ws為系統對外輸出的軸功，J。

此等式右邊四項全屬機械能，左邊兩項都是和熱能有關的能量，且通過體積變化可轉變為機械能。工質穩定流經開口熱力系統時，由熱能轉變而成的體積功一分為四，一部分為消耗于工質流進流出（用于克服前方阻擋力）的壓力能的差額，一部分用于增加工質的宏觀動能和宏觀位能，其余部分為熱工設備機軸上輸出的軸功。工質流過渦輪和壓氣機時，外界并未給工質加熱，工質對外散熱也很小，氣體的密度和各系統進出口高度差都很小，即q和gΔz可忽略不計。因此上式可寫成：

為進一步提高進入柴油機氣缸的進氣密度，廢氣渦輪增壓柴油機通常利用中冷器對增壓后的氣體進行冷卻。于是，壓氣機后氣體的一部分能量被中冷器帶走，從而使其產生溫降。進氣經中冷器后焓降可以由下式計算：

式中：Δh為中冷器的進出口焓降，J；T2′和T2″分別為中冷器進口和出口氣體溫度，K；cpm為進氣定壓比熱容，J/（kg·K）。

2　樣機參數及工況選取

本研究樣機為HC4132廢氣渦輪增壓柴油機，其參數見表1。為了探討柴油機不同轉速時渦輪回收排氣能量的潛力和增壓系統能量流特性，選取柴油機外特性進行研究分析。

表1　HC4132柴油機參數表

3　HC4132柴油機能量流研究結果分析

根據HC4132柴油機外特性試驗，對廢氣渦輪增壓系統能量平衡進行計算，得出增壓系統能量流以及渦輪回收的能量。

進氣比熱根據空氣溫度插值得到；排氣比熱根據氣體組分百分比和溫度插值得到，其中排氣組分假定柴油完全燃燒，并根據化學反應只生成CO2和H2O。

3.1渦輪的能量流

圖3所示為渦輪進出口溫度隨柴油機轉速的變化。從圖中可以看出，發動機中低轉速渦輪進口溫度隨轉速增加而降低，高轉速時渦輪進口溫度基本一致，渦輪出口溫度隨轉速增加而降低，并隨轉速增加溫度降低趨勢減緩。

圖3　渦輪進出口溫度隨轉速的變化

圖4為渦輪進出口壓力隨柴油機轉速的變化關系。渦輪進口壓力在全轉速范圍內有明顯變化，基本呈線性增長。渦輪出口壓力在全轉速范圍內比較平穩，同環境壓力接近。

圖4　渦輪進出口壓力隨轉速的變化

由能量方程計算得出的渦輪回收能量如圖5所示。渦輪可回收的排氣能量可以分解為熱力學能、壓力能和動能，排氣通過在渦輪中膨脹，分別將以上各種形式能量傳遞給渦輪。由圖可知，渦輪回收的能量主要是熱力學能和壓力能，中高速時熱力學能是壓力能的3倍左右。相比熱力學能和壓力能，低速時（1200 r/min和1300 r/min）回收的動能很少（只占回收能量的0.85%和0.45%），其余轉速動能為負值（渦后動能高于渦前動能），并且隨轉速增加動能絕對值增大，即隨柴油機轉速增加動能損耗掉的能量增加，2100 r/min時動能消耗渦輪回收能量的2.4%。

圖5　渦輪回收的能量隨轉速的變化

3.2壓氣機的能量流

壓氣機進出口溫度變化見圖6。轉速增加，壓氣機進口溫度基本不變，出口溫度升高，但升高的比例不同，低速時溫度曲線升高斜率大，中高速時曲線升高斜率降低。在渦輪–壓氣機–中冷器系統中，壓氣機起到能量傳遞與轉換的作用。在理想情況下，渦輪輸出的能量全部用于帶動壓氣機做功，于是渦輪的能量全部流向壓氣機，壓氣機又將能量傳給進氣，使進氣壓力和溫度升高。

圖6　壓氣機進出口溫度隨轉速的變化

壓氣機的進出口壓力見圖7，變化趨勢與溫度變化基本相同，壓氣機出口壓力隨轉速增加壓力的升高幅度降低。

圖7　壓氣機進出口壓力隨轉速的變化

壓氣機轉換的能量隨柴油機轉速變化關系見圖8。壓氣機轉換的能量主要也是熱力學能和壓力能，熱力學能和壓力能隨轉速增加基本呈線性增長。在中高速時熱力學能是壓力能的2.5倍左右。相比熱力學能和壓力能，壓氣機轉換的動能很少，隨轉速增加壓氣機轉換的動能增加，2100 r/min時壓氣機轉換動能占總能量的0.18%。

圖8　壓氣機轉換的能量隨轉速的變化

3.3中冷器的能量流

由圖9可知，壓氣機后高溫進氣經過中冷器冷卻后溫度控制在較低溫度。由圖9和圖10可知，進氣經中冷器后經歷的是近似等壓放熱過程；這樣，通過增壓、中冷，使發動機的進氣壓力提高并使溫度維持在較低水平。

如圖11所示為中冷器帶走的能量隨柴油機轉速的變化關系，中冷器帶走的能量絕大部分是熱力學能和壓力能；隨轉速增加中冷器帶走的動能增加，2100 r/min時中冷器帶走的動能占總能量的0.26%，氣體流經中冷器降低的動能包括兩部分：即分別由中冷器阻力增加和進氣溫度降低引起單位質量的體積流量降低導致的。

圖9　中冷器進出口溫度隨轉速的變化

圖10　中冷器進出口壓力隨轉速的變化

圖11　中冷器回收的能量隨轉速的變化

3.4增壓系統回收的排氣能量

綜合以上數據和結果，可以得出增壓系統各部分能量流變化情況。如圖12所示為柴油機增壓系統各部分能量流分布隨轉速的變化關系。增壓器僅回收了少部分排氣最大可用能量，這是因為廢氣在渦輪中膨脹不夠充分，廢氣溫度下降得不夠多，以至于大部分熱力學能沒有釋放出來而由排氣帶走。中冷器帶走了增壓器回收的大部分能量。

增壓器回收13%～26%的排氣能量，而增壓器回收的能量大部分被中冷器帶走，氣體經過增壓器和中冷器后，只回收了排氣最大可用能量的1.2%～6%的能量，其中這部分能量轉換為進氣的壓力能和熱能。其中，2100 r/min時增壓器回收排氣約26%的能量，凈回收排氣最大可用能量6%；1200 r/min時增壓器回收排氣約13%的能量，凈回收排氣最大可用能量1.2%。

圖12　增壓系統能量流分布隨轉速的變化

4　結論

1）通過柴油機試驗可以比較精確而詳細地得出柴油機增壓系統的能量流分布規律。

2）廢氣渦輪增壓系統回收的能量主要是排氣的熱力學能和壓力能；在外特性下、中高轉速時回收的余熱能約為余壓能的3倍，動能可以忽略。

3）增壓器回收13%～26%的排氣能量，而增壓器回收的能量大部分被中冷器帶走，氣體經過增壓器和中冷器后，只回收了排氣最大可用能量的1.5%～6%。

4）從能量轉換的角度來看，廢氣渦輪增壓系統并沒有很好地利用排氣能量，這不僅受增壓器與柴油機匹配及運行工況的影響，還受進氣增壓壓力和溫度的制約。

參考文獻

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中圖分類號：TK421+.8

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0038-06

收稿日期：（2015-06-20）

作者簡介：田永海（1983-），男，碩士研究生，主要研究方向為發動機性能設計與系統匹配。

Study on Useful Energy Flow for Turbocharging System of HC4132Diesel Engine

Tian Yonghai,Liu Sheng,Yin Yuen,Ding Jifeng,Sun Danhong
China North Engine Research Institute(Tianjin,300400,China)

Abstract：The distribution law ofuseful energy flow for turbocharging system of diesel engine was studied based on HC4132 diesel engine test.Potentials for turbine recovering ability of exhaustenergy and energy flow characteristicsof turbocharging system were achieved by studying the transfer processof diesel exhaust energy in turbine-compressor-intercooler system.The energy recovered by exhaust driven turbocharging system ismainly composed of internal energy and pressure energy of the exhaust.The remaining internal energy is three timesmuch of the remaining pressureenergy atmedium and high speed.Kinetic energy can be ignored.The turbine can recover 25%maximum available energy of the exhaust,mostofwhich dissipates through intercooler.The remaining 1.5%~6%maximum available energy converts to intake pressureenergy and internal energy.The results provide reference for thermal efficiency increase of diesel engine,energy saving and exhaust energy recovering by compound turbocharging.Meanwhile,the results can be used as fundamental data for comparison between recoveringmethodsofexhaustenergy.

Keywords：Dieselengine,Exhaustgas,Turbocharging,Energy flow