增壓柴油機余熱利用渦輪發電系統研究

辛易達

(大連民族大學 機電學院， 遼寧 大連 116600)

0 引 言

隨著日益凸顯的能源問題，越來越嚴重的環境污染，日益嚴苛的排放法規，增壓柴油機開始走進人們的視線并得到了廣泛應用[1]。增壓柴油機雖然擁有熱效率值高、輸出功率大、能量利用率高等優點，然而增壓柴油機PM(顆粒物)及NOx的排放嚴重，這些都會對環境造成嚴重污染，且增壓柴油機存在低速扭矩不足和加速冒黑煙的問題[2]。近年來，渦輪增壓技術憑借其響應快速和工作靈活的特性，越來越受到關注，該領域所涉及的工作也成為業界學習的熱點。針對柴油機能量利用率不高，尾氣排放對環境具有較大的危害，文中用渦輪發電系統與廢氣渦輪增壓器并聯聯合工作，用渦輪增壓系統來實現部分余熱的利用，并降低排放。

1 渦輪發電系統的總體設計及其工作原理

文中設計的并聯式渦輪發電系統，主要包括動力渦輪、電控單元、發動機、逆變器以及24 V車載蓄電池，結構如圖1所示。

圖1 并聯式渦輪發電系統結構設計圖

當流經廢氣渦輪增壓器的壓力較大時，電控單元就會控制壓力閥打開，動力渦輪開始工作，當流經廢氣渦輪增壓器的壓力較小時，電控單元就會控制壓力閥關閉，此時動力渦輪沒有工作。這樣就提高了系統的廢氣利用效率和排放水平。

2 GT-POWER中各模塊參數的選取

仿真模型創建時，需要先確定模塊的一些基本參數。

1)相匹配的柴油發動機性能參數:

缸數×缸徑×行程， 6 mm×107 mm×124 mm；

總排量，6.7 L；

壓縮比，17.3；

標定功率及轉速，221 kW/(3 013 r/min)；

標定扭矩及轉速，900 N·m/(1 400 r/min)；

最高轉速，3 500 r/min。

2)渦輪增壓器邊界參數見表1。

表1 渦輪增壓器邊界參數

3 仿真模型建立

仿真模型創建工作中，我們完成了沒有渦輪增壓器、有一個渦輪增壓器、廢氣渦輪加動力渦輪增壓器并聯的模型建立。在建立廢氣渦輪加動力渦輪增壓器并聯的仿真模型時，選擇了在有一個渦輪增壓器的仿真模型的廢氣出口端并聯一個動力渦輪。

3.1 無廢氣渦輪增壓器模型

無廢氣渦輪增壓器模型也就是普通的六缸柴油機，它包含5個部分，分別是進氣管道系統、排氣管道系統、氣缸部分、曲軸箱和中冷器，其中對整個模型進行了簡化，在進氣管道中沒有考慮管路中的空氣過濾器，采用Pipe、Fsplit管道模塊和阻力元件構成各個部分[3]，在排氣管道中，三元催化轉化器和排氣系統中的顆粒集中器也被忽略不計[4]，其模型結構如圖2所示。

圖2 無渦輪增壓器模型

3.2 單廢氣渦輪增壓器模型

在這個模型中，我們加入了渦輪增壓器，渦輪增壓模塊包含三個部分，分別是渦輪、壓氣機以及一根聯結軸，且采用雙進氣口，避免了氣缸之間的干擾，提高了效率。這里我們按照1,5,3,6,2,4這個點火順序，將1,2,3和4,5,6號氣缸分別排氣到兩個排氣管，然后接入增壓渦輪上，渦輪一邊連接大氣環境，一邊通過軸和壓氣機連接起來，這樣就完成了這部分建模[5]，其模型結構如圖3所示。

圖3 有一個渦輪增壓器模型

3.3 廢氣渦輪加動力渦輪增壓器并聯模型

在這個模型中，將廢氣渦輪和動力渦輪增壓器并聯，其中動力渦輪連接到自由軸，消耗了一部分廢氣能量，這部分能量的多少代表了廢氣能量的回收程度[6]，其模型結構如圖4所示。

圖4 廢氣渦輪加動力渦輪增壓器模型

4 廢氣能量計算及實驗結果分析

柴油機的廢氣以余動能、余熱能和余壓能的形式存在，如果不將其加以利用，就會導致大量能源的浪費和空氣污染[7-8]。在這里，需要計算出余動能、余熱能、余壓能和排氣總能，以及余動能、余熱能、余壓能各占排氣總能的百分比。

由伯努利原理可知如下公式：

Qex=Qk+Qh+QP

(1)

式中:Qex----廢氣總能流率，J/s;

Qk----余動能流率，J/s;

Qh----余熱能流率，J/s;

Qp----余壓能流率，J/s[9]。

根據工程熱力學，對以上3種流率進行計算。

余動能流率表達式：

(2)

式中：mex----廢氣質量流率，kg/s；

v----廢氣流速，m/s。

余熱能流率表達式：

(3)

式中:mex----廢氣質量流率，kg/s；

Cvex----廢氣定容比熱容，J/(kg·K)；

Tex----廢氣溫度，K；

T0----環境溫度,取298 K。

余壓能流率表達式：

(4)

式中:mex----廢氣質量流率，kg/s；

k----廢氣的絕熱指數，取1.4；

Tex----廢氣溫度，K；

P0----標準狀態下大氣壓力，取1.013×105Pa；

Rg----廢氣的氣體常數，取287 J/(kg·K)；

pex----廢氣壓力，Pa[10]。

廢氣流速表達式：

(5)

式中:m----廢氣質量流率，kg/s；

p----廢氣壓力，Pa；

T----廢氣溫度，K。

4.1 無廢氣渦輪增壓器排氣能量計算

基于建立的無渦輪增壓器的仿真模型，利用GT-POWER軟件中的GT-POST功能完成模型分析后處理，得到如下分析結果,如圖5所示。

(a) 廢氣質量流率-曲軸轉角圖

(b) 廢氣溫度-曲軸轉角圖

(c) 廢氣壓力-曲軸轉角圖

利用式(4)計算得出，C在99.29～114.36 m/s之間，利用式(1)～式(3)及式(5)分別計算出余動能、余熱能和余壓能以及總能流率之后，分別得出它們的平均值為2 313，172 106，64 322，238 743 J/s。可知余動能占廢氣總能0.97%，余熱能占廢氣總能72.09%，余壓能占廢氣總能26.94%。

4.2 單廢氣渦輪增壓器排氣能量計算

基于建立有一個渦輪增壓器的仿真模型，經仿真分析得到分析結果如圖6所示。

利用式(4)計算得出C在40.53～52.63 m/s之間，利用式(1)～式(3)及式(5)分別計算出余動能、余熱能和余壓能以及總能流率，然后分別得出它們的平均值為151、87 177、26 880、114 208 J/s。可知余動能占廢氣總能0.13%，余熱能占廢氣總能76.33%，余壓能占廢氣總能23.54%。

4.3 廢氣渦輪加動力渦輪增壓器并聯排氣能量計算

基于建立的廢氣渦輪加動力渦輪增壓器并聯的仿真模型中，基于GT-POWER工具軟件對模型仿真分析，得出結果如圖7所示。

(a) 廢氣質量流率-曲軸轉角圖

(b) 廢氣溫度-曲軸轉角圖

(c) 廢氣壓力-曲軸轉角圖

(a) 廢氣質量流率-曲軸轉角圖

(b) 廢氣溫度-曲軸轉角圖

(c) 廢氣壓力-曲軸轉角圖

利用式(4)計算得出C在35.61～41.28 m/s之間,利用式(1)～式(3)及式(5)分別計算出余動能、余熱能、余壓能以及總能流率，然后分別得出它們的平均值為76、76 612、30 165、106 853 J/s。可知余動能占廢氣總能0.07%，余熱能占廢氣總能71.70%，余壓能占廢氣總能28.23%。

4.4 實驗結果分析

在沒有渦輪增壓器的模型中，余動能、余熱能、余壓能和總能流率的平均值分別為2 313、172 106、64 322、238 743 J/s，余動能占廢氣總能0.97%，余熱能占廢氣總能72.09%，余壓能占廢氣總能26.94%；在有一個渦輪增壓器的模型中，余動能、余熱能、余壓能和總能流率的平均值分別為151、87 177、26 880、114 208 J/s，余動能占廢氣總能0.13%，余熱能占廢氣總能76.33%，余壓能占廢氣總能23.54%；在廢氣渦輪加動力渦輪增壓器并聯的模型中，余動能、余熱能、余壓能和總能流率的平均值分別為76、76 612、30 165、106 853 J/s，余動能占廢氣總能0.07%，余熱能占廢氣總能71.70%，余壓能占廢氣總能28.23%。因此，由上面的計算結果可知，發動機余熱具有利用潛力；由沒有渦輪增壓器的模型和有一個渦輪增壓器的模型得出的結果可以知道，渦輪增壓器可以進行廢氣能量的回收；由有一個渦輪增壓器的模型和廢氣渦輪加動力渦輪增壓器并聯的模型所得出的結果可見，在增加了動力渦輪模型之后，可以回收更多的廢氣能量，發動機廢氣總能減少了6.44%。

5 結 語

以六缸柴油機為實驗研究對象，首先介紹了渦輪發電系統的總體設計和工作原理，然后利用GT-POWER軟件搭建增壓柴油機仿真模型，對仿真模型在各工況點下進行廢氣能量計算，驗證發動機余熱利用的潛力。在GT-POWER軟件上搭建3個模型，即沒有渦輪增壓器的模型、有一個渦輪增壓器的模型和廢氣渦輪與動力渦輪增壓器并聯的模型，通過計算這些仿真模型在各個工況點下的廢氣能量,并對實驗結果加以分析，得出如下結論：

1)發動機是具有余熱利用潛力的，與此同時,渦輪增壓器可以進行廢氣能量的回收。

2)在繼續增加動力渦輪模型之后，廢氣能量回收的更多，發動機廢氣總能大致減少了6.44%。

3)并聯式渦輪發電系統提高了增壓柴油機的燃燒效果和排放水平。

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