發布時間：2020-01-09所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:以排量1.599L的G4ED型車用汽油機為研究對象，運用廢氣渦輪發電技術進行發動機排氣能量回收利用研究。利用GT-POWER軟件搭建廢氣渦輪發電系統熱力學仿真模型，進行相關試驗研究。結果表明:在該型車用汽油機上應用廢氣渦輪發電系統，發電機最大發電功率為9
摘要:以排量1.599L的G4ED型車用汽油機為研究對象，運用廢氣渦輪發電技術進行發動機排氣能量回收利用研究。利用GT-POWER軟件搭建廢氣渦輪發電系統熱力學仿真模型，進行相關試驗研究。結果表明:在該型車用汽油機上應用廢氣渦輪發電系統，發電機最大發電功率為997.7W，經濟性提高1.3%，發動機整體工作效率提高2.8%，可為車用發動機能量回收利用提供借鑒。
關鍵詞:車用汽油機;廢氣渦輪發電系統;能量回收;燃油經濟性
0引言
隨著國民經濟的快速增長、人民生活水平的不斷提高，汽車保有量不斷增加，交通與建筑用能已經成為我國終端能源消費增長的主要驅動力[1]。據公安部交管局公布，截止到2017年底全國機動車保有量達3.10億輛，其中汽車2.17億輛，是機動車的主要構成部分，另外還有大量的其他發電設備。
目前，汽車消耗的主要能源是石油，其燃料的燃燒產物又會對環境造成極大的污染[2]。由此可見，隨著汽車產業的迅猛發展，能源和環境污染問題將日益突出，提高對燃料的有效利用和降低環境污染具有十分重要的意義。由于發動機燃料燃燒產生的熱量中有1/3是以排氣的方式釋放到大氣中，即造成了能量的浪費又造成了環境的污染[3-5]。
如果能有效回收這一部分廢氣能量，將有助于提高發動機燃油經濟性和減少環境污染。采用發動機與廢氣渦輪發電技術聯合來回收發動機排氣余熱，是提高發動機總能效率、降低油耗的一個有效途徑[6-8]。本文以自然吸氣式G4ED型車用發動機為研究對象，在排氣管后增加一個廢氣渦輪發電系統[9-11]，建立發動機熱力學計算模型并進行相關試驗，研究廢氣渦輪發電系統對發動機排氣能量回收具有現實意義[12]。
1廢氣渦輪發電系統搭建及試驗
1.1廢氣渦輪發電系統建模
發動機建模使用GammaTechnologies公司開發的一款具有發動機工業標準的模擬仿真工具—GTPOWER。該軟件是GT-SUITE系列軟件中的一部分，主要包括發動機本體、驅動系統、冷卻系統、燃油供給系統、曲軸機構以及配氣機構等模塊[13]。
發動機轉速影響內燃機循環熱效率和排氣參數，空燃比影響發動機內氣體工質的絕熱指數，噴油提前角影響汽油機燃燒過程的等容度，排氣門開啟時刻影響高溫氣體能量在氣缸和廢氣渦輪之間的分配[14-15]。這些參數直接影響發動機和廢氣渦輪的匹配及廢氣渦輪系統的發電性能。發動機廢氣渦輪發電系統仿真主要參數設置見表1。熱力學仿真模型局部模塊如圖1所示
1.2廢氣渦輪發電系統試驗
本文依據GB/T18298—2001《汽車發動機性能試驗方法》進行發動機廢氣渦輪發電相關試驗，圖1為熱力學仿真模型局部模塊。圖2為廢氣渦輪發電裝置試驗臺架。
試驗中測量發動機不同工況下渦輪轉速及對應的電機發電量，數據測量通過測量儀器實時監測、采集，如圖3所示。
臺架試驗中所使用的廢氣渦輪發電裝置[16]是由60型增壓器和發電機改裝而來。試驗臺架廢氣渦輪發電裝置中主要包括兩個快接頭、廢氣渦輪、發電機、電線若干、渦輪進氣管道等。快接頭是為了拆裝方便，兩個快接頭分別是裝置的進油口和出油口。圖3中溫度儀的設定溫度為100℃，超過這一溫度，儀器會自動預警。圖4為發動機廢氣渦輪發電臺架示意圖。
2仿真與試驗結果驗證
搭建發動機熱力學計算模型，在外特性范圍內進行空燃比、平均有效壓力、比油耗和缸內爆發壓力仿真結果與試驗結果校核。發動機性能參數曲線如圖5～9所示。
在外特性范圍內，臺架試驗結果與仿真結果對比。從圖5、圖6可以看出，在整個測試速度范圍內，仿真計算結果與試驗測試結果比較吻合，誤差不超過3%。汽油機油耗性能曲線如圖8所示，試驗測試最低燃油消耗率對應的發動機轉速在2800r/min左右，與仿真參數設置的2800r/min基本吻合，燃油消耗率誤差最大值為3.01%，最小誤差為0.17%。圖8為缸內爆發壓力曲線，實測結果與仿真計算結果吻合程度較好，在最高爆發壓力點曲軸轉角位置有良好的吻合，數值誤差為2.79%。在整個測試轉速范圍內，計算結果與試驗結果有一個比較好的吻合。
廢氣渦輪和發電機均屬于高速旋轉機械，在試驗中得到相對理想的輸出電流跟電壓所對應的渦輪和發電機轉速均在100000r/min以上，試驗中渦輪和發電機轉速、所對應的電壓、電流及發電量如表2所示。
軟件中發動機轉速設置從800、1300、1800r/min依次遞增到額定轉速(5800r/min)，這里取滿負荷工況條件下發動機800r/min和額定轉速時發電機輸出電流和輸出電壓隨曲軸轉角的變化曲線如圖9和圖10所示，其中電流曲線的負號代表電流輸出。
發動機800r/min時對應的發電機電流輸出值在1.01～1.38A范圍內波動，電壓輸出值在61.03～98.76V范圍內波動。額定轉速(5800r/min)下對應的發電機電流輸出值在2.56A～3.26A范圍內波動，電壓輸出值在347.23～394.43V范圍內波動。
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通過試驗結果與仿真結果的對比可以看出，滿負荷工況下發動機800r/min時對應發電量與渦輪轉速32832r/min時對應發電量比較接近，誤差在23.28～26.51W范圍內波動;額定轉速(5800r/min)下對應發電量與渦輪達到152630r/min時比較接近，誤差在23.48～267.75W范圍內波動。從圖9和圖10曲線上可以看出電流、電壓數值一直處于波動中，以上存在的誤差均在正常范圍內，仿真結果與試驗結果有較好的吻合。
3經濟效益分析
在出租車上安裝廢氣渦輪發電裝置可用于空調制冷節能。每天正常行駛400～500km可減少油耗約7L，制冷情況下按照行駛150天計算，節省油耗約1050L，節省油款6825元。一臺設備投入4250元，94天左右即可回收成本。同時，每輛車一年可減少排碳2.41t(汽油密度0.73kg/L，節約1kg汽油=減排3.15kg“二氧化碳”=減排0.86kg“碳”)。
車用渦輪增壓器是以提高發動機效率為目的，只有在發動機啟動后才開始工作。由于其工作的滯后性，發動機啟動前渦輪增壓器沒有動力。而發動機廢氣能量回收裝置的使用為發動機增壓器增加了電動和發電功能，使增壓器工作不再滯后，其工作轉速在32000r/min以上，高于現有車型自帶渦輪增壓器轉速。汽車發動機采用此裝置回收排氣能量進行發電可以代替現有發動機上安裝的發電機，效率提高2.8%。
同時，廢氣渦輪發電裝置也可適用于混合動力汽車發動機，裝置回收利用排氣能量在不損失曲軸功率的前提下為蓄電池充電，提高混合動力汽車行駛里程，增加了續航能力。
4結語
本文針對某車用汽油機采用GT-POWER軟件建立了廢氣渦輪發電系統熱力學模型并進行了相關試驗，并利用試驗數據對仿真結果進行驗證，結果基本吻合。試驗中測得廢氣渦輪發電系統最大發電量為997.7W，經濟性提高1.3%，發動機整體工作效率提高2.8%。車用發動機上采用廢氣渦輪發電系統在一定程度上回收了排氣能量，但是發動機與廢氣渦輪之間的最佳匹配及高速電機的選型仍是面臨的突出難題。為更好的利用發動機排氣能量，還需對發動機及廢氣渦輪發電系統做進一步的優化和改進。
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