張賽

摘 要：為提高內(nèi)燃機能量利用率，搭建柴油機廢氣能量動力渦輪回收系統(tǒng)試驗臺架，通過試驗分析了柴油機廢氣能量及系統(tǒng)的經(jīng)濟性。研究結(jié)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(nèi)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(nèi)燃機燃料利用最大化具有很大的社會和經(jīng)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(fā)動機的排氣系統(tǒng)，將排氣能量經(jīng)過動力渦輪轉(zhuǎn)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(tǒng)臺架試驗，分析了柴油機廢氣能量組成以及系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。

1 試驗系統(tǒng)構建

柴油機廢氣能量動力渦輪回收系統(tǒng)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(fā)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(zhuǎn)速的增大而增大，但整個工況范圍內(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)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(zhì)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(jù)試驗數(shù)據(jù)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(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷的增加而增加，范圍在1.43kW～4.71kW之間。

3 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

廢氣凈回收能量。相對于不帶任何負載的發(fā)動機，由于裝有動力渦輪的發(fā)動機排氣背壓較高，導致發(fā)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(zhuǎn)換而來，一部分用于抵消發(fā)動機多消耗的能量，另外部分就是系統(tǒng)凈回收能量。為了便于比較發(fā)動機多消耗燃油量與系統(tǒng)凈回收能量，將油耗換算為單位時間燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，可以得出發(fā)動機多消耗的能

式中，Ph為發(fā)動機多消耗能量，kW;B1和B2分別為帶渦輪和不帶渦輪發(fā)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(fā)動機多消耗能量，kW。

分別將轉(zhuǎn)速和負荷各分為低、中、高三個區(qū)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(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的廢氣凈回收能量都隨著轉(zhuǎn)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(fā)動機多消耗能量，燃料利用率有所提升。

4 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)柴油機廢氣總能量范圍在18kW～30kW之間，回收潛力很大。

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