發(fā)布時(shí)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(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量回收利用研究。利用GT-POWER軟件搭建廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)仿真模型，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:在該型車用汽油機(jī)上應(yīng)用廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)最大發(fā)電功率為9
摘要:以排量1.599L的G4ED型車用汽油機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量回收利用研究。利用GT-POWER軟件搭建廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)仿真模型，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:在該型車用汽油機(jī)上應(yīng)用廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)最大發(fā)電功率為997.7W，經(jīng)濟(jì)性提高1.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作效率提高2.8%，可為車用發(fā)動(dòng)機(jī)能量回收利用提供借鑒。
關(guān)鍵詞:車用汽油機(jī);廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng);能量回收;燃油經(jīng)濟(jì)性
0引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、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(jīng)成為我國(guó)終端能源消費(fèi)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力[1]。據(jù)公安部交管局公布，截止到2017年底全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.10億輛，其中汽車2.17億輛，是機(jī)動(dòng)車的主要構(gòu)成部分，另外還有大量的其他發(fā)電設(shè)備。
目前，汽車消耗的主要能源是石油，其燃料的燃燒產(chǎn)物又會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的污染[2]。由此可見(jiàn)，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，能源和環(huán)境污染問(wèn)題將日益突出，提高對(duì)燃料的有效利用和降低環(huán)境污染具有十分重要的意義。由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒產(chǎn)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(fèi)又造成了環(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和減少環(huán)境污染。采用發(fā)動(dòng)機(jī)與廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)聯(lián)合來(lái)回收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)總能效率、降低油耗的一個(gè)有效途徑[6-8]。本文以自然吸氣式G4ED型車用發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，在排氣管后增加一個(gè)廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)[9-11]，建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)計(jì)算模型并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，研究廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量回收具有現(xiàn)實(shí)意義[12]。
1廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)搭建及試驗(yàn)
1.1廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)建模
發(fā)動(dòng)機(jī)建模使用GammaTechnologies公司開(kāi)發(fā)的一款具有發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(fā)動(dòng)機(jī)本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機(jī)構(gòu)以及配氣機(jī)構(gòu)等模塊[13]。
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響內(nèi)燃機(jī)循環(huán)熱效率和排氣參數(shù)，空燃比影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體工質(zhì)的絕熱指數(shù)，噴油提前角影響汽油機(jī)燃燒過(guò)程的等容度，排氣門開(kāi)啟時(shí)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(shù)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)和廢氣渦輪的匹配及廢氣渦輪系統(tǒng)的發(fā)電性能。發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)仿真主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。熱力學(xué)仿真模型局部模塊如圖1所示
1.2廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)
本文依據(jù)GB/T18298—2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪發(fā)電相關(guān)試驗(yàn)，圖1為熱力學(xué)仿真模型局部模塊。圖2為廢氣渦輪發(fā)電裝置試驗(yàn)臺(tái)架。
試驗(yàn)中測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下渦輪轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)的電機(jī)發(fā)電量，數(shù)據(jù)測(cè)量通過(guò)測(cè)量?jī)x器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集，如圖3所示。
臺(tái)架試驗(yàn)中所使用的廢氣渦輪發(fā)電裝置[16]是由60型增壓器和發(fā)電機(jī)改裝而來(lái)。試驗(yàn)臺(tái)架廢氣渦輪發(fā)電裝置中主要包括兩個(gè)快接頭、廢氣渦輪、發(fā)電機(jī)、電線若干、渦輪進(jìn)氣管道等。快接頭是為了拆裝方便，兩個(gè)快接頭分別是裝置的進(jìn)油口和出油口。圖3中溫度儀的設(shè)定溫度為100℃，超過(guò)這一溫度，儀器會(huì)自動(dòng)預(yù)警。圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪發(fā)電臺(tái)架示意圖。
2仿真與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證
搭建發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)計(jì)算模型，在外特性范圍內(nèi)進(jìn)行空燃比、平均有效壓力、比油耗和缸內(nèi)爆發(fā)壓力仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果校核。發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)曲線如圖5～9所示。
在外特性范圍內(nèi)，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比。從圖5、圖6可以看出，在整個(gè)測(cè)試速度范圍內(nèi)，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比較吻合，誤差不超過(guò)3%。汽油機(jī)油耗性能曲線如圖8所示，試驗(yàn)測(cè)試最低燃油消耗率對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2800r/min左右，與仿真參數(shù)設(shè)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(nèi)爆發(fā)壓力曲線，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果吻合程度較好，在最高爆發(fā)壓力點(diǎn)曲軸轉(zhuǎn)角位置有良好的吻合，數(shù)值誤差為2.79%。在整個(gè)測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一個(gè)比較好的吻合。
廢氣渦輪和發(fā)電機(jī)均屬于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在試驗(yàn)中得到相對(duì)理想的輸出電流跟電壓所對(duì)應(yīng)的渦輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均在100000r/min以上，試驗(yàn)中渦輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、所對(duì)應(yīng)的電壓、電流及發(fā)電量如表2所示。
軟件中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置從800、1300、1800r/min依次遞增到額定轉(zhuǎn)速(5800r/min)，這里取滿負(fù)荷工況條件下發(fā)動(dòng)機(jī)800r/min和額定轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電流和輸出電壓隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖9和圖10所示，其中電流曲線的負(fù)號(hào)代表電流輸出。
發(fā)動(dòng)機(jī)800r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)電流輸出值在1.01～1.38A范圍內(nèi)波動(dòng)，電壓輸出值在61.03～98.76V范圍內(nèi)波動(dòng)。額定轉(zhuǎn)速(5800r/min)下對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)電流輸出值在2.56A～3.26A范圍內(nèi)波動(dòng)，電壓輸出值在347.23～394.43V范圍內(nèi)波動(dòng)。
相關(guān)期刊推薦：《燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究》(雙月)創(chuàng)刊于1988年，由中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院主辦。是經(jīng)國(guó)家科委批準(zhǔn)向國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的正式期刊，系綜合性技術(shù)刊物，由中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司主管，中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院主辦。本刊以燃?xì)鉁u輪技術(shù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)報(bào)道航空動(dòng)力裝置試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)和制造行業(yè)中具有學(xué)術(shù)價(jià)值，工程應(yīng)用價(jià)值和創(chuàng)造性的科技成果及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。有投稿需求的作者，可以咨詢期刊天空在線編輯。
通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出，滿負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)800r/min時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)電量與渦輪轉(zhuǎn)速32832r/min時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)電量比較接近，誤差在23.28～26.51W范圍內(nèi)波動(dòng);額定轉(zhuǎn)速(5800r/min)下對(duì)應(yīng)發(fā)電量與渦輪達(dá)到152630r/min時(shí)比較接近，誤差在23.48～267.75W范圍內(nèi)波動(dòng)。從圖9和圖10曲線上可以看出電流、電壓數(shù)值一直處于波動(dòng)中，以上存在的誤差均在正常范圍內(nèi)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合。
3經(jīng)濟(jì)效益分析
在出租車上安裝廢氣渦輪發(fā)電裝置可用于空調(diào)制冷節(jié)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(jì)算，節(jié)省油耗約1050L，節(jié)省油款6825元。一臺(tái)設(shè)備投入4250元，94天左右即可回收成本。同時(shí)，每輛車一年可減少排碳2.41t(汽油密度0.73kg/L，節(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)效率為目的，只有在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后才開(kāi)始工作。由于其工作的滯后性，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前渦輪增壓器沒(méi)有動(dòng)力。而發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量回收裝置的使用為發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器增加了電動(dòng)和發(fā)電功能，使增壓器工作不再滯后，其工作轉(zhuǎn)速在32000r/min以上，高于現(xiàn)有車型自帶渦輪增壓器轉(zhuǎn)速。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用此裝置回收排氣能量進(jìn)行發(fā)電可以代替現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝的發(fā)電機(jī)，效率提高2.8%。
同時(shí)，廢氣渦輪發(fā)電裝置也可適用于混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)力汽車行駛里程，增加了續(xù)航能力。
4結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)某車用汽油機(jī)采用GT-POWER軟件建立了廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)模型并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果基本吻合。試驗(yàn)中測(cè)得廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)最大發(fā)電量為997.7W，經(jīng)濟(jì)性提高1.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作效率提高2.8%。車用發(fā)動(dòng)機(jī)上采用廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)在一定程度上回收了排氣能量，但是發(fā)動(dòng)機(jī)與廢氣渦輪之間的最佳匹配及高速電機(jī)的選型仍是面臨的突出難題。為更好的利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量，還需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)做進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。
