柴油機廢氣能量動力渦輪回收試驗能量分析

張賽

摘 要：為提高內燃機能量利用率，搭建柴油機廢氣能量動力渦輪回收系統試驗臺架，通過試驗分析了柴油機廢氣能量及系統的經濟性。研究結果表明：廢氣總能量范圍在18kW～30kW之間，廢氣凈回收能量最大值為3.45kW。

關鍵詞：柴油機;廢氣回收;動力渦輪;能量分析

如今汽車擁有量逐年增加，內燃機燃料燃燒釋放的能量約有1/3被排氣帶走，回收這部分能量對提升內燃機燃料利用最大化具有很大的社會和經濟效益。目前有關廢氣能量回收利用的方式有多種，其中渦輪復合技術是將動力渦輪耦合到發動機的排氣系統，將排氣能量經過動力渦輪轉換為機械能，從而有效回收排氣能量。本文通過柴油機廢氣能量動力渦輪回收系統臺架試驗，分析了柴油機廢氣能量組成以及系統的經濟性能。

1 試驗系統構建

柴油機廢氣能量動力渦輪回收系統試驗布置情況，如圖1所示。其中，試驗柴油機為YND485Q型自然吸氣式車用發動機。

2 廢氣能量組成

2.1 廢氣能量計算模型

廢氣能量可認為由排氣余熱能、余壓能和余動能三部分組成，即Q總=Q動+Q壓+Q熱。

從圖（a）中可以看出，余動能隨著轉速的增大而增大，但整個工況范圍內能量值不是很高，最高只有1.1kW左右。由圖（b）可知，余壓能同樣是隨著轉速的升高而升高，最高達到了3.60kW。余熱能分布如圖（c）所示，最小值為5.3kW，最大值為27.1kW。圖（d）所示為廢氣總能量分布，從中可以看出廢氣總能量范圍在18kW～30kW之間。由此可見，廢氣能量主要表現形式為余熱能。

2.3 動力渦輪輸出功率

渦輪輸出功率可按下式進行計算：

式中，mex為排氣質量流量，kg/s;T為渦輪進口處排氣溫度，K;P1和P2分別為渦輪進、出口排氣壓力，kPa;ηT為動力渦輪效率。依據試驗數據及式（4），計算得出的動力渦輪輸出功率分布如圖3所示。

從圖3中可以看出，渦輪輸出功率隨著發動機轉速與負荷的增加而增加，范圍在1.43kW～4.71kW之間。

3 系統經濟性分析

廢氣凈回收能量。相對于不帶任何負載的發動機，由于裝有動力渦輪的發動機排氣背壓較高，導致發動機油耗也相應增加。動力渦輪輸出能量全部由廢氣能量轉換而來，一部分用于抵消發動機多消耗的能量，另外部分就是系統凈回收能量。為了便于比較發動機多消耗燃油量與系統凈回收能量，將油耗換算為單位時間燃料燃燒產生的熱量，可以得出發動機多消耗的能

式中，Ph為發動機多消耗能量，kW;B1和B2分別為帶渦輪和不帶渦輪發動機燃油消耗量，kg/h;Hu為柴油低熱值，kJ/kg。進一步得出廢氣凈回收能量：PJ=PT-Ph（6）

式中，PT為動力渦輪輸出能量，kW;Ph為發動機多消耗能量，kW。

分別將轉速和負荷各分為低、中、高三個區間，全工況下廢氣凈回收能量分布如下表所示。

從上表中可以看出，各個轉速區間內的廢氣凈回收能量都隨著轉速的增加而增加，且全部為正值，說明動力渦輪輸出能量抵消了發動機多消耗能量，燃料利用率有所提升。

4 結論

（1）該系統柴油機廢氣總能量范圍在18kW～30kW之間，回收潛力很大。

（2）當發動機轉速為2000r/min、轉矩為120N·m時，廢氣凈回收能量達到了最高的3.45kW。