增壓柴油機蒸汽噴注余熱回收系統試驗研究

摘要：為實現增壓柴油機排氣余熱的高效回收，基于某增壓柴油機試驗臺架，設計并搭建蒸汽噴注余熱回收系統，試驗研究蒸汽噴注余熱回收系統對柴油機性能的影響。試驗結果表明：中低轉速工況下，蒸汽噴注可有效改善增壓壓力，柴油機燃油消耗率最大可降低5.8 g/（kW·h）；在高轉速工況下，噴注蒸汽進一步增大柴油機的排氣背壓，但無法改善柴油機的燃油消耗。為改善蒸汽噴注余熱回收系統的效果，需進一步優化柴油機增壓系統的匹配。

關鍵詞：柴油機；蒸汽噴注；增壓系統；余熱回收

中圖分類號：TK115文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）06-0001-06

引用格式：朱思鵬，韓圣俊，封金鳳，等.增壓柴油機蒸汽噴注余熱回收系統試驗研究［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（6）：1-6.

ZHU Sipeng，HAN Shengjun，FENG Jinfeng，et al. Experimental study on steam injected system recovering waste heat from the turbocharged diesel engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（6）：1-6.

0 引言

為降低交通運輸行業的CO2排放總量，針對乘用車及輕載商用車燃油效率或CO2排放的標準和法規日趨嚴格^[1]。內燃機作為交通運輸行業中的重要動力裝置，其節能降耗和提高燃油效率面臨著重大的機遇與挑戰。內燃機余熱尤其是排氣余熱回收具有較大的潛力，目前已成為改善現有內燃機熱效率的關鍵技術途徑之一^[2-4]。

渦輪增壓通過回收排氣余壓動能可有效提高增壓壓力，已成為廣泛應用的余熱回收方式。排氣余熱回收通常借助熱電效應將熱能轉化為電能或者通過構建熱力循環將熱能轉化為機械能。從能量品質分析，排氣余熱的最大回收效率受限于理想卡諾循環熱效率^[5-7]。目前，關于溫差發電、有機朗肯底循環^[8-10]、超臨界CO2循環^[11-13]等典型的排氣余熱能量回收方式的研究較多。蒸汽輔助渦輪做功是利用排氣余熱回收產生過熱蒸汽并噴注到渦輪前實現燃氣、蒸汽混流做功，是目前被證實可改善內燃機低轉速性能的高效增壓系統^[14-16]。付建勤等^[17]、Fu等^[18-19]在某一增壓汽油機上驗證了蒸汽輔助渦輪做功可有效改善低轉速時的轉矩，在轉速為1 500 r/min工況時的增壓壓力可恢復到期望壓力，且轉矩可提高25%。目前關于蒸汽噴注渦輪增壓系統的試驗研究較少，為提高內燃機燃油效率，基于某柴油機試驗平臺，開展蒸汽噴注余熱回收系統試驗研究，為蒸汽噴注渦輪增壓系統優化提供參考。

1 系統概況

增壓柴油機蒸汽噴注余熱回收系統結構簡圖如圖1所示，圖中‘w’代表工質水，數字代表流體流經順序。由圖1可知：工質水經水泵壓縮后流經換熱器，與渦輪排出的廢氣發生熱交換成為過熱蒸汽；過熱蒸汽在蒸汽調節閥的控制下噴注到渦輪前管路并與廢氣發生汽-氣混合；混合后的濕燃氣流經渦輪膨脹做功，膨脹后的濕燃氣在換熱器中放熱，最終排入大氣。渦輪輸出功增大使得進氣壓力升高，進一步通過缸內循環實現排氣能量的高效回收。通過控制旁通閥的開度可有效控制增壓壓力，保障缸內循環最高壓力在許用范圍。

2 試驗臺架搭建

以某四沖程增壓柴油機為試驗對象，柴油機基本技術參數如表1所示。

2.1 部件選型設計

換熱器是余熱回收系統的核心部件，其性能決定蒸汽產氣質量及余熱回收總效率。以柴油機功率為180 kW、轉速為1 800 r/min的外特性試驗點為設計工況，試驗排氣溫度為450 ℃，排氣質量流量為0.2 kg/s。假定工質水的入口溫度為30 ℃，工質水的蒸發壓力為0.5 MPa，設計過熱蒸汽出口溫度為220 ℃。設定蒸汽與廢氣的最大質量流量比為0.13，過熱蒸汽產氣量約為0.035 kg/s。根據能量平衡分析可知，換熱器總換熱量約為70 kW。基于上述設計參數，設計包含預熱段、蒸發段及過熱段的三段式翅片管式換熱器。為保證蒸汽回路穩定運行，在蒸發器及過熱器之間加裝容積為25 L的汽、水分離器。成撬后的煙氣余熱回收系統如圖2所示，圖中PLC為可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）。

除核心換熱器外，補水泵、循環水泵、蒸汽流量計、溫度壓力傳感器、注汽調節閥等其它系統部件部件的相應技術參數如表2所示。實際運行過程中，余熱回收系統工質泵的最大功耗不超過0.5 kW且計入最終試驗比油耗結果。

2.2 臺架集成和調試

在已有系統部件選型、設計及加工完成后，對試驗臺架進行集成和調試。為保障加裝余熱回收系統后對整個發動機軟硬件的影響最小，在臺架集成初期，將蒸汽回路的測試及控制系統集成在獨立的PLC控制柜中，測試蒸汽運行側的流量、溫度及壓力，調節、控制循環水泵工作頻率和比例調節閥。為實現渦輪前蒸汽噴注，選用直徑為32 mm的管路焊接在渦輪前排氣管路。為防止柴油機機體振動對余熱回收系統的影響，渦輪后排氣管路和蒸汽注氣管路均選用波紋軟管；為降低廢氣側及蒸汽側管路的散熱損失，在臺架集成完畢后對整個余熱回收系統進行保溫處理。由于換熱器表面積較大，在換熱器表面包裹保溫材料，再用鐵皮進行包裹。集成后的柴油機蒸汽噴注余熱回收系統試驗臺架如圖3所示。

臺架搭建完畢后，對整個余熱回收系統進行調試，包括管路清洗、耐壓試驗、密封試驗、自保護試驗。換熱器加工完畢后，試驗前對換熱器進行加壓沖洗。換熱器設計運行壓力為0.8 MPa，在進行耐壓試驗時，關閉蒸汽出口閥，借助工質循環泵對整個蒸汽側管路加壓，當系統壓力為0.8 MPa時，關閉循環泵及循環泵出口截止閥；靜置24 h后，余熱回收系統無明顯泄漏且換熱器內壓力基本無變化，余熱回收系統的設計滿足耐壓、密封要求。繼續對系統設備進行加壓至壓力為1.0 MPa，達到彈簧式安全閥整定開啟壓力，系統經泄壓閥安全泄壓。

3 結果分析

為評估蒸汽噴注渦輪增壓系統對柴油機性能的影響，試驗工況選擇轉速分別為1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 r/min的外特性工況。試驗過程中，首先進行原機外特性試驗，獲得原機基準性能信息。發動機穩定后，開啟工質泵并設定工質泵運轉頻率使得汽-水分離器內液位維持在一定高度，當汽-水分離器內壓力超過0.5 MPa時，緩慢打開注汽調節閥使蒸發壓力維持在0.5 MPa，直至柴油機和汽-水分離器穩定運行，并記錄蒸汽噴注工況下的試驗結果。

蒸發壓力為0.5 MPa時，蒸汽噴注系統產生的蒸汽質量流量及蒸汽溫度如圖4所示。由圖4可知：蒸發壓力為0.5 MPa時，換熱器出口蒸汽溫度基本控制在440 K左右，出口蒸汽過熱度較低，主要原因為過熱段換熱面積較小；隨著發動機轉速升高，蒸汽質量流量逐步增大并趨于平緩，表明換熱器總換熱效率在柴油機高轉速工況有所降低。不同工況下，可通過改變變頻泵轉速和蒸汽噴注閥開度控制蒸汽產量。最大蒸汽噴注量取決于柴油機排氣余熱量，最佳蒸汽噴注量取決于蒸汽噴注對增壓系統的影響。

蒸汽噴注前、后，柴油機進氣壓力pin、pin′ ，排氣壓力pex、pex′ ，進氣質量流量qm、qm′ ，增壓器轉速nt、nt′的變化規律如圖5、6所示。由圖5、6可知：隨著發動機轉速升高，噴注蒸汽在提高渦輪凈功輸出水平上的效果顯著提高;當柴油機轉速為1 800 r/min時，為限制缸內最高燃燒壓力超限（16 MPa），渦輪前廢氣旁通閥開啟;因此轉速為1 800 r/min工況增壓器轉速和進氣流量增大幅度有所降低。

蒸汽噴注前、后，柴油機的排氣壓力與進氣壓力的差Δp、Δp′，制動比油耗be、be′的變化如圖7所示。由圖7可知：隨著柴油機轉速增大，蒸汽噴注使得柴油機進、排氣壓差顯著增大，導致發動機的泵氣損失進一步加劇；但蒸汽噴注可有效提高柴油機的進氣壓力，改善缸內循環效率，因此蒸汽噴注后柴油機比油耗均不高于原機，發動機轉速為1 400 r/min時，蒸汽噴注使得柴油機比油耗降低幅度最大，為5.8 g/（kW·h），中低轉速工況下，柴油機比油耗可降低約4.5 g/（kW·h）；在高轉速工況下，噴注蒸汽無法提高柴油機燃油效率。

為進一步探明蒸汽噴注對缸內燃燒過程的影響，分析轉速為1 600 r/min時的缸內燃燒壓力和瞬時放熱率的變化，結果如圖8所示。由圖8可知：蒸汽噴注使缸內燃燒壓力顯著升高，最高燃燒壓力增大了約2 MPa；同時，進氣量增大進一步使得蒸汽噴注工況下的燃燒相位略有提前，但整個放熱率曲線基本保持不變。

轉速為1 600 r/min，不同發動機負荷特性下蒸汽噴注對柴油機進、排氣壓力和比油耗的影響如圖9所示。由圖9可知：隨著負荷增大，蒸汽噴注可有效增大進氣壓力但同時使得排氣壓力顯著升高；由于泵氣損失增加，轉速為1 600 r/min時，蒸汽噴注對柴油機比油耗基本無影響。

4 結論

1）蒸汽噴注可有效改善中低負荷工況下發動機的燃油效率，轉速為1 400 r/min時，相比原機，比油耗降低5.8 g/（kW·h）。

2）發動機在高轉速工況下，由于泵氣損失加劇，蒸汽噴注難以改善發動機的燃油效率。

3）最大蒸汽噴注量取決于柴油機排氣余熱量，最佳蒸汽噴注量取決于蒸汽噴注對增壓系統的影響。

4）優化蒸汽噴注渦輪增壓系統需考慮柴油機與渦輪增壓器的匹配，或加裝動力渦輪系統以實現高負荷工況下蒸汽、廢氣能量的高效回收。

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Experimental study on steam injected system recovering waste heat

from the turbocharged diesel engine

ZHU Sipeng， HAN Shengjun， FENG Jinfeng， BAI Shuzhan

School of Nuclear Science， Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China

Abstract：To achieve efficient recovery of exhaust heat from turbocharged diesel engines， a steam injection waste heat recovery system is proposed. Based on a turbocharged diesel engine test bench， a steam injection waste heat recovery system is designed and built， and the effect of the steam injected system on diesel engine performance is studied experimentally. The experimental results show that steam injection can effectively improve the boost pressure under low and medium speed conditions， and the maximum specific fuel consumption of diesel engines can be improved by 5.8 g/（kW·h）. Under high-speed operating conditions， injected steam further increases the exhaust back pressure of the diesel engine， which makes it impossible to improve the fuel efficiency of the diesel engine. To improve the effectiveness of the steam injection waste heat recovery system， it is necessary to further optimize the matching of the diesel engine turbocharging system.

Keywords： diesel engine; steam injection; turbocharging system; waste heat recovery

（責任編輯：劉麗君）