關于發動機余熱回收的復合動力渦輪系統的仿真分析

劉振 ，何冠璋

（1.湖南科技職業學院智能裝備技術學院，湖南 長沙 410000；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537000）

近年來，隨著油價的日益攀升以及能源環境問題，發動機余熱能回收作為一項頗具潛力的解決方案又重新被發動機制造商及各大研究機構所重視。Bowman公司開發了一套串聯復合渦輪系統，通過發電渦輪、電池、ISG電機之間的協調控制來實現發動機油耗的降低。與機械復合渦輪仿真與實驗的對比發現，ETC系統較MTC系統能夠在更寬的發動機工況范圍內實現發動機油耗的降低（MTC-3%，ETC-10%）。美國DOE車輛技術辦公室與卡特彼勒公司在一輛直列8缸卡車發動機上開展了一項合作研究，旨在證明電復合渦輪技術在改善發動機節油指標上所能達到的改善。清華大學以增壓汽油機為基礎發動機，以發動機油耗為指標，仿真研究了串聯、并聯、電輔助三種復合渦輪形式的節油潛力。研究結果表明，在穩態工況和US06與FTP75駕駛循環下并聯復合渦輪形式為最佳的系統結構形式，并指出串聯復合渦輪系統與電輔助復合渦輪形式的弊端所在。

本文旨在設計某動力渦輪系統，并通過對渦輪機進行渦輪特性仿真計算出其渦輪特性MAP，將計算出的渦輪特性map加入發動機GT-SUITE仿真模型進行性能模擬，驗證設計的動力渦輪系統是否滿足回收發動機廢氣余能需求。

1 結構設計

1.1 E-TC系統總體結構

E-TC系統總體結構關系如圖1所示，動力渦輪系統安裝在增壓渦輪系統廢氣出口，增壓渦輪系統渦輪箱出口帶有旁通機構用于控制增壓壓力，高速永磁發電機通過高速聯軸器與動力渦輪相連。

圖1 復合動力渦輪系統關系圖

1.2 動力渦輪結構

通過分析動力渦輪的工作情況可知，在動力渦輪轉子輸出端與聯軸器聯接工作時要承受較大的扭矩，因此，采用普通浮動軸承進行支撐不能滿足其工作要求。同時，由于動力渦輪在實際工作時轉子高速旋轉帶來的徑向振動，兩端都采用角接觸球軸承會有較大磨損，因此，考慮渦輪端采用浮動軸承，花鍵端采用滾珠軸承的方式，通過浮動軸承的油膜來吸收轉子的振動。

2 性能分析

2.1 動力渦輪系統渦輪特性分析

通過提取動力渦輪渦輪箱流道對其渦輪特性進行分析，作為系統整體性能匹配的依據，并做出MAP圖分析其效率、壓比、流量。使用NUMECA網格劃分工具IGG以及autogrid4分別進行渦輪箱與渦輪的網格劃分。噴嘴寬度為12.5mm，轉靜子交接面直徑為88.5mm，網格數216萬，組合后網格如圖2所示。

圖2 渦輪箱與渦輪網格組合圖

通過NUMECA渦輪特性計算模塊Fine進行渦輪特性模擬計算，分別計算轉速為6～11萬/分時流量、效率與膨脹比之間關系，其膨脹比-效率、膨脹比流量特性曲線如圖3所示。

圖3 動力渦輪膨脹比-流量曲線

2.2 動力渦輪系統與發動機聯合仿真

本研究仿真模型為某直列6缸重型柴油發動機，單級增壓最大壓比為3.0發動機最大功率353kW，最大扭矩1973N.m。

采用GT-SUIT軟件搭建發動機模型，增壓柴油機模型包括渦輪增壓器模型、進排氣管路模型、氣缸模型、機體模型等。渦輪增壓器的轉子動力學平衡方程采用轉動體牛頓第二定律來建立。轉速的瞬態變化是渦輪增壓器及動力渦輪瞬態特性得以體現的關鍵。分別標定燃燒始點、燃燒持續期等關鍵參數。噴油時刻根據實驗標定數據以轉速-噴油量查表的方式寫入噴油器模型中。進氣壓力控制采用GT-SUITE自帶的可變幾何截面渦輪增壓器控制器模型，目標進氣壓力按照實驗數據設置為轉速、噴油量二維MAP形式，在仿真中通過試驗查表獲取。

采用簡化一維N-S流動方程建立進排氣管路模型。根據進排氣管氣體質量守恒、能量守恒和動量守恒反應管路中狀態量的瞬態變化。所使用的質量守恒和能量守恒公式如公式 （1）和公式（2）所示，渦輪增壓器及動力渦輪轉子動力學模型如公式（3）所示。

式中，ρ為管道中工質密度，單位為kg/m3。為工質在管道中的流速，單位為m/s。A為管道的橫截面積，單位為m2。Tdrive為施加在轉子上的驅動力矩之和，Tload為施加在轉子上的阻力矩之和，單位為N·m。

聯合復合動力渦輪系統與發動機進行仿真計算增加動力渦輪系統前后輸出功率結果如圖4所示，通過圖中可以看出增加復合動力渦輪系統后能有效提升發動機的功率。且在發動機高負荷階段提升較為明顯。在發動機1300rpm全負荷狀態下，發動機功率提升最大13kW。而抑制發動機功率進一步提升的主要原因是由于增加動力渦輪后而引起的泵氣損失。

圖4 帶復合動力渦輪系統前后輸出功率對比

增加復合動力渦輪系統前后發動機的泵氣損失情況如圖5所示，通過圖中可以看出，增加動力渦輪后發動機的泵氣損失要遠大于原發動機。圖中也給出了增加動力渦輪系統后在發動機十三工況點情況下的有效效率，在十三工況點下有效效率都大于65%。

圖5 帶復合動力渦輪系統前后PMEP值對比及效率圖

3 結語

基于自行設計的某大功率柴油機發動機廢氣余能利用動力渦輪系統，通過對其渦輪性能MAP分析，建立了聯合發動機與復合動力渦輪系統的仿真模型，求解出發動機十三工況點下的發動機性能。得出以下結論：

（1）全系統輸出功率在增加符合動力渦輪后，能有效提升，且在高負荷階段提升明顯。發動機1300rpm全負荷狀態下，可以最大提升13kW。

（2）加入復合動力渦輪系統后，發動機十三工況點下，平均有效效率為66.8%（無空載），但是，泵氣損失功率增量是串聯式復合動力渦輪回收廢氣余熱能量的主要代價，也是未來該技術的主要突破點。