可發電渦輪增壓器能量回收

全 博， 王賀權， 曲天羽， 佟憲良

（1.沈陽航空航天大學機電工程學院，沈陽 110136；2.鳳城市時代龍增壓器制造有限公司，遼寧 鳳城 118100；3.良明（天津）科技有限公司，天津 300450）

0 引 言

研究表明，燃料燃燒釋放的能量只有20% ～45%被發動機有效利用，其余部分基本以廢氣和冷卻系統的余熱形式散失，其中發動機尾氣能量占總耗散能量的28% ～44%［1-3］。由此可見，提高發動機尾氣能量回收率具有重大意義［4］。在增壓器對發動機尾氣能量回收率的研究中，劉敬平等［5-6］研究了渦輪機回收發動機尾氣能量的潛力和增壓系統的能量流特性。張賽等［7-8］分析了柴油機尾氣總能量范圍及系統的經濟性，渦輪機回收發動機尾氣的最佳工況點。在可發電渦輪增壓器的研究中，張勇斌［9］證實了渦輪發電技術的可行性。邵廣申等［10-11］研究了自然吸氣發動機搭載渦輪發電系統對發動機整體工作效率和經濟性的提升。金鐸［12］對自然吸氣柴油機設計并匹配了渦輪發電系統，研究了不同工況下渦輪發電系統的經濟性和尾氣能量回收利用率以及最佳工況點。施夏［13］研究了發動機尾氣能量品質與渦輪發電系統能量回收率之間的關系。

渦輪增壓器轉軸上安裝的高速電動機，作為發電機與渦輪增壓器組成可發電渦輪增壓器，在壓氣機提高發動機進氣量的同時發電機進行電能回收；也可以作為電動機與渦輪增壓器組成電輔助渦輪增壓器，消除渦輪滯后效應并增強柴油機低速性能。在電輔助渦輪增壓器的研究中，葉金等［14］研究了電輔助增壓系統對發動機轉矩的提升，以及減少發動機轉矩提升的響應時間。蘇登科［15］設計并匹配了電輔助渦輪增壓系統，研究了高速電機作為電動機和發電機時對發動機性能和NOx排放量的影響。

在以往的可發電渦輪增壓器研究中，都只針對自然吸氣發動機，而且渦輪機只帶動同軸的發電機進行工作，壓氣機并沒有與發動機進行匹配。在電輔助渦輪增壓器的研究中，也并未對高速電機作為發電機時增壓器的能量回收率和對發動機性能的影響進行分析，以獲得高速電機在電動機和發電機之間的最優轉換。本文將4.2 L柴油發動機原有的渦輪增壓器改裝成可發電渦輪增壓器，對比分析渦輪增壓器原機和可發電渦輪增壓器對發動機尾氣的能量回收率，以及可發電渦輪增壓器對發動機本身的性能和發動機系統總功率的影響。

1 可發電渦輪增壓器的能量轉換

1.1 可發電渦輪增壓器的能量轉換過程

在渦輪增壓器原機的基礎上，添加一個與渦輪機、壓氣機同軸相連的高速發電機，組成可發電渦輪增壓器，整個系統的能量流示意圖如圖1 所示。發動機排出的尾氣流入渦輪機并且在渦輪機中膨脹，尾氣能量轉化為推動渦輪旋轉的機械能。

相比于渦輪增壓器原機中旋轉的渦輪只帶動同軸的壓氣機葉輪進行壓縮進氣，可發電渦輪增壓器中旋轉的渦輪同時也帶動了高速發電機轉子產生電能；所以渦輪增壓器原機回收利用的能量為壓氣機的功率，而可發電渦輪增壓器回收利用的能量為壓氣機的功率和高速發電機的功率之和。

圖1 可發電渦輪增壓器能量流示意圖

1.2 發動機尾氣能量計算

將發動機尾氣能量Qex［7］分為余動能Qk、余壓能Qp和余熱能Qh，排氣總能量方程為

發動機尾氣的余動能、余壓能和余熱能通過尾氣質量流量、尾氣壓力、尾氣溫度等參數計算求得，計算公式如下：

余動能

余壓能

余熱能

式中：mex為尾氣質量流量，kg/s；vex為尾氣速度，m/s；к為比熱比；Rg為尾氣氣體常數，J/（kg·K）；p0為標準狀態下大氣壓力，Pa；pex為尾氣壓力，Pa；T0為環境溫度，K；Tex為尾氣溫度，K；Cvex為尾氣定容比熱容，kJ/（kg·K）。

1.3 壓氣機功率計算

壓氣機的功率Pc［8］計算公式如下：

式中：min為流過壓氣機的氣體質量流量，kg/s；CPin為進氣定壓比熱容，kJ/（kg·K）；T1為壓氣機進口氣體溫度，K；T2為壓氣機出口氣體溫度，K；p1為壓氣機進口壓力，Pa；p2為壓氣機出口壓力，Pa；ηb為壓氣機等熵效率；γ為氣體絕熱指數。

1.4 高速發電機功率計算

高速發電機的功率計算如下：

式中：U為高速發電機產生的電壓，V；I為高速發電機產生的電流，A。

1.5 增壓器能量回收率計算

由可發電渦輪增壓器的能量流轉換過程分析可得，渦輪增壓器原機的能量回收率ηe1為壓氣機功率與發動機尾氣能量的比值；而可發電渦輪增壓器的能量回收率ηe2為壓氣機功率和高速發電機功率之和與發動機尾氣能量的比值。

渦輪增壓器原機

可發電渦輪增壓器

2 高速發電機試驗及仿真模型的建立

2.1 高速發電機試驗

通過微型高速動力試驗臺，測量可發電渦輪增壓器在不同轉速下高速發電機對應的電壓、電流和功率，數據測量通過測量儀器實時監測、采集，試驗臺如圖2所示。試驗中測得的高速發電機電壓、電流和功率隨轉速的變化如表1 所示。

圖2 微型高速動力試驗臺

表1 高速發電機功率表

2.2 發動機原機GT-POWER仿真模型建立及驗證

GT-POWER是由Gamma Technologies公司開發的采用有限體積法對流體進行計算的發動機一維氣體動力學軟件，可以精確模擬內燃機性能，對于進排氣壓力、溫度等計算具有很高的精度，而且避免了實驗時數據測量困難的問題。

本文研究的是可發電渦輪增壓器，其渦輪增壓器原機所匹配的發動機是4.2 L 柴油發動機，首先對發動機搭載渦輪增壓器原機進行熱力學仿真模型的搭建及驗證。渦輪增壓發動機原機模型參數由發動機廠商編制的柴油機使用維護說明書得來，發動機原機基本參數見表2，GT-Power模型如圖3 所示。

表2 發動機原機基本參數

圖3 發動機原機GT-POWER模型

本文只研究發動機外特性下增壓器的能量回收率，在外特性范圍內對渦輪增壓發動機原機功率和扭矩的仿真計算結果與試驗數據進行校核，如圖4 所示。

圖4 原機試驗值與原機仿真值比較

通過比較發現，計算結果和試驗結果基本吻合，誤差不超過2%。說明該GT-POWER模型具有足夠的精度和可信度，滿足計算要求。

2.3 可發電渦輪增壓發動機仿真模型的建立

在原機模型的基礎上，添加發電機模塊與渦輪、壓氣機模塊同軸相連，組成可發電渦輪增壓器，模型中發動機本身的參數不變，發電機模塊的參數由高速發電機試驗測得，可發電渦輪增壓發動機的GT-POWER模型如圖5 所示。

3 結果與分析

圖5 可發電渦輪增壓發動機GT-POWER模型

根據部分發動機試驗數據和GT-POWER 仿真計算得到的進排氣系統內氣流的狀態參數，基于Excel編寫計算程序，計算發動機尾氣能量、壓氣機功率以及能量回收率；并通過仿真計算得到發電機功率、發動機的功率、扭矩和油耗。

3.1 高速發電機功率分析

可發電渦輪增壓器中高速發電機的功率隨可發電渦輪增壓發動機轉速、可發電渦輪增壓器轉速的變化如圖6 所示。由圖6 可得，高速發電機的功率隨發動機轉速和增壓器轉速的增大而增大，在可發電渦輪增壓發動機額定轉速2 800 r/min時，可發電渦輪增壓器轉速為173 265 r/min，高速發電機功率為0.79 kW。

圖6 發電機功率變化圖

3.2 壓氣機功率分析

圖7 壓氣機功率變化圖

可發電渦輪增壓器和渦輪增壓器原機的壓氣機功率隨發動機轉速、增壓器轉速的變化如圖7 所示。由圖7 可得，因為可發電渦輪增壓器相比渦輪增壓器原機負載增大，所以可發電渦輪增壓發動機和渦輪增壓發動機原機轉速相同時，可發電渦輪增壓器的轉速低于渦輪增壓器原機，導致可發電渦輪增壓器中的壓氣機功率相比渦輪增壓器原機有所降低；增壓器轉速相同時可發電渦輪增壓器中壓氣機的功率和渦輪增壓器原機基本相等。

3.3 尾氣能量、回收能量及能量回收率分析

發動機尾氣能量和增壓器回收的能量隨發動機轉速、增壓器轉速的變化如圖8 所示。由圖8 可得，可發電渦輪增壓發動機和渦輪增壓發動機原機轉速相同時，可發電渦輪增壓器的轉速相比渦輪增壓器原機有所降低，回收的能量低于渦輪增壓器原機，同時可發電渦輪增壓發動機的尾氣能量也低于渦輪增壓發動機原機。

圖8 尾氣能量和回收能量

當可發電渦輪增壓器和渦輪增壓器原機轉速相同時，可發電渦輪增壓發動機會提高轉速來產生更多的尾氣能量，同時可發電渦輪增壓器回收的能量也更多。

增壓器的能量回收率隨發動機轉速、增壓器轉速的變化如圖9 所示。由圖9 可得，可發電渦輪增壓器的能量回收率隨發動機轉速的變化相比渦輪增壓器原機有所降低，低轉速時降低較多，在發動機1 400

r/min時降低了1.36%，高轉速時降低較少，在額定轉速2 800 r/min時降低了0.11%。

圖9 能量回收率

可發電渦輪增壓器的能量回收率隨增壓器轉速的變化相比渦輪增壓器原機在一定轉速范圍內有所提升，增壓器轉速低于163 059 r/min時提升0.2%左右，增壓器轉速高于163 059 r/min時與原機基本相等。

3.4 發動機性能分析

可發電渦輪增壓器對發動機性能的影響，只分析發動機性能隨發動機轉速的變化，發動機系統的總功率和發動機本身的功率、扭矩、油耗隨發動機轉速的變化通過仿真計算如圖10 所示。由圖10 可得，可發電渦輪增壓發動機系統的總功率為發動機本身的功率與高速發電機的功率之和，渦輪增壓發動機原機的系統總功率為發動機本身的功率。

圖10 發動機系統總功率和發動機本身的功率、扭矩、油耗

相比渦輪增壓發動機原機，可發電渦輪增壓發動機的性能有所降低，發動機本身的功率和扭矩在低轉速時下降較多，高轉速時下降較少，在轉速1 400 和2 800 r/min時功率分別下降1.1 和0.15 kW，扭矩分別下降7.52 和0.53 N·m，發動機本身的油耗在低轉速時上升較多，高轉速時上升較少，在1 400 和2 800 r/min時油耗分別上升4.88 和0.38 g/（kW·h）；可發電渦輪增壓發動機系統總功率在低轉速時相比渦輪增壓發動機原機有所降低，在轉速1 400 r/min時下降了0.71 kW，在高轉速時有所提升，在轉速2 800 r/min提升了0.64 kW。

可發電渦輪增壓發動機在低轉速時，發動機本身損失的功率和扭矩以及同時升高的油耗，并不能通過可發電渦輪增壓器中高速發電機產生的電能來進行補償。發動機在轉速1 400 r/min時，高速發電機功率僅為0.39 kW，不但發動機本身損失了功率1.1 kW和扭矩7.52 N·m，升高了油耗4.88 g/kW·h，而且發動機系統總功率還下降了0.71 kW。

但是在中高轉速時，發動機本身損失少量的功率和扭矩以及升高少量的油耗，高速發電機可以產生可觀的功率，增大經濟效益，發動機在額定轉速2 800 r/min時，高速發電機功率為0.79 kW，雖然發動機本身損失了功率0.15 kW和扭矩0.53 N·m，升高了油耗0.38 g/kW·h，但是發動機系統總功率提高了0.64 kW。

4 結 論

本文分析可發電渦輪增壓器的能量回收率以及對發動機性能的影響，得出結論如下：

（1）可發電渦輪增壓器中的高速發電機功率隨著轉速的增大而增大，在發動機額定轉速2 800 r/min時，此時可發電渦輪增壓器轉速為173 265 r/min，高速發電機的功率為0.79 kW。

（2）可發電渦輪增壓器的能量回收率隨發動機轉速的變化，相比渦輪增壓器原機有所降低，降低幅度隨發動機轉速的升高而降低，發動機轉速為1 400 和2 800 r/min時分別降低了1.36%和0.11%；可發電渦輪增壓器的能量回收率隨增壓器轉速的變化在增壓器轉速低于163 059 r/min 時提升0.2%左右，高于163 059 r/min時與渦輪增壓器原機基本相等。

（3）可發電渦輪增壓發動機相比渦輪增壓發動機原機，在低轉速時發動機性能降低較多，高轉速時降低較少，在額定轉速2 800 r/min 時，發動機本身損失功率0.15 kW 和扭矩0.53 N·m，升高油耗0.38 g/（kW·h），高速發電機功率可達到0.73 kW，發動機系統總功率提高了0.57 kW。