HC4132柴油机涡轮增压系统有用能量流研究

田永海　刘　胜　殷玉恩　丁技峰　孙丹红（中国北方发动机研究所　天津　300400）

HC4132柴油机涡轮增压系统有用能量流研究

田永海刘胜殷玉恩丁技峰孙丹红
（中国北方发动机研究所天津300400）

摘要：基于HC4132柴油机试验，对柴油机废气涡轮增压系统有用能量流分布规律进行了研究。通过研究柴油机排气能量在涡轮-压气机-中冷器中的传递过程，得出涡轮回收排气能量的潜力和增压系统的能量流特性。废气涡轮增压系统回收的能量主要是排气的热力学能和压力能；外特性中高转速回收的余热能约为余压能的3倍，动能可以忽略，涡轮能回收大约25%的排气最大可用能量，而这部分能量大部分被中冷器带走，余下1.5%～6%的排气最大可用能量转换为进气压力能和热力学能。研究结果为提高柴油机热效率、节能和采用复合涡轮增压回收排气能量提供了依据，同时可用作各种柴油机排气能量回收方式横向比较的基础数据。

关键词：油机废气涡轮增压能量流

引言

由柴油机热平衡分析可知，燃料通过燃烧所释放出的总热量中25%以上被排气带走，而其中的可用能量约占排气总能量的60%，如何有效回收这部分能量是提高柴油机热效率的关键问题。目前，国际上已经提出了多种回收柴油机排气能量的方法，其中采用柴油机排气二次膨胀的废气涡轮增压方式应用十分广泛。相关研究表明，废气涡轮增压能有效回收部分排气能量，实现对进气的增压，提高进气密度，并且能有效提高柴油机的结构紧凑性和功率密度，改善柴油机的各项性能指标。本文针对HC4132增压柴油机，研究了涡轮增压系统能量流以及回收排气能量的潜力，为柴油机各种排气能量回收方式进行横向比较提供基础数据。

1　废气涡轮增压的能量转换理论基础

1.1废气涡轮增压系统的能量转换过程

图1为涡轮增压的工作原理图。柴油机排气门打开后，气缸中燃气含有的能量不可能完全用来做功，而实际上只有当排气等熵膨胀到环境压力时，所释放出来的能量才有可能转换为有用功。如图2所示，排气中由排气等熵膨胀至终点4（实际膨胀终点4ˊ）的这部分能量被称为排气最大可用能量，即物理意义上涡轮有可能从排气中取得并用来做功的最大能量，它约占排气总能量的60%。排气最大可用能量效率公式如下：

式中：ηT为排气最大可用能量效率；h3为涡轮入口焓，J；h4为等熵膨胀终点焓，J。

图1　废气涡轮增压系统能量流示意图

图2　排气的可逆和不可逆过程

涡轮和压气机安装在同一根轴上，构成一个单独的部件。由于涡轮增压回收了一部分废气能量，因此，增压后柴油机的经济性明显提高。通常，采用废气能量回收可使经济性提高3%～4%，此外，由于机械损失与散热损失相对减小使得柴油机的机械效率和热效率提高，所以，采用涡轮增压后柴油机的燃油消耗率降低5%～10%。

利用柴油机排出废气的能量驱动涡轮，再由涡轮带动离心式压气机的方案称为废气涡轮增压或简称涡轮增压。柴油机废气涡轮增压系统由涡轮、压气机和中冷器组成，整个系统的能量流见图1。柴油机排出的废气流入涡轮，在涡轮中膨胀并推动其高速旋转，由此实现废气的压力能、热力学能向涡轮动能的转换，最终转换成涡轮轴旋转的机械能。旋转的涡轮轴带动同轴相连的压气机旋转并压缩进气，由此实现涡轮机械能向进气压力能和热力学能的转换。然而，为了提高发动机进气充量，必须对进气进行冷却，于是一部分进气能量又被中冷器带走。

1.2废气涡轮增压系统能量流的研究方法

柴油机与废气涡轮增压器只有气动连接而无机械连接，但二者相互影响、相互制约：压气机提高进气压力，增加了进气密度，但同时涡轮进口增大了排气压力。此外，压气机与中冷器相连，二者进行能量和

涡轮和压气机由传动轴连接，二者转速相等，稳定工况下流经涡轮增压系统的质量流量连续，即当管道无泄漏时通过涡轮的燃气质量流量应等于压气机流量与燃料流量之和。

式中：AT为通过涡轮的燃气质量流量，kg/s；Aa为通过压气机的空气质量流量，kg/s；Af为燃料质量流量，kg/s。

增压器稳定运转时，涡轮输出功率应等于压气机消耗功率与增压器机械损失功率之和，即

式中：PT为涡轮的输出功率，kW；Pa为压气机消耗的功率，kW；Pm为增压器机械损失功率，kW。

本文将涡轮、压气机和中冷器分开考虑，分别研究其流入和流出的能量。根据热力学第一定律，热能和机械能可以相互转换，并在转换的总效果上存在确定的数量关系，建立的稳定流动能量方程如下：

式中：q为系统与外界的热交换量，J；Δu为系统的热力学能变化量，J；p为进出口压力，Pa；υ为单位工质质量进出口体积，m3；Δcf为进出口流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；Δz为系统进出口高度差，m；ws为系统对外输出的轴功，J。

此等式右边四项全属机械能，左边两项都是和热能有关的能量，且通过体积变化可转变为机械能。工质稳定流经开口热力系统时，由热能转变而成的体积功一分为四，一部分为消耗于工质流进流出（用于克服前方阻挡力）的压力能的差额，一部分用于增加工质的宏观动能和宏观位能，其余部分为热工设备机轴上输出的轴功。工质流过涡轮和压气机时，外界并未给工质加热，工质对外散热也很小，气体的密度和各系统进出口高度差都很小，即q和gΔz可忽略不计。因此上式可写成：

为进一步提高进入柴油机气缸的进气密度，废气涡轮增压柴油机通常利用中冷器对增压后的气体进行冷却。于是，压气机后气体的一部分能量被中冷器带走，从而使其产生温降。进气经中冷器后焓降可以由下式计算：

式中：Δh为中冷器的进出口焓降，J；T2′和T2″分别为中冷器进口和出口气体温度，K；cpm为进气定压比热容，J/（kg·K）。

2　样机参数及工况选取

本研究样机为HC4132废气涡轮增压柴油机，其参数见表1。为了探讨柴油机不同转速时涡轮回收排气能量的潜力和增压系统能量流特性，选取柴油机外特性进行研究分析。

表1　HC4132柴油机参数表

3　HC4132柴油机能量流研究结果分析

根据HC4132柴油机外特性试验，对废气涡轮增压系统能量平衡进行计算，得出增压系统能量流以及涡轮回收的能量。

进气比热根据空气温度插值得到；排气比热根据气体组分百分比和温度插值得到，其中排气组分假定柴油完全燃烧，并根据化学反应只生成CO2和H2O。

3.1涡轮的能量流

图3所示为涡轮进出口温度随柴油机转速的变化。从图中可以看出，发动机中低转速涡轮进口温度随转速增加而降低，高转速时涡轮进口温度基本一致，涡轮出口温度随转速增加而降低，并随转速增加温度降低趋势减缓。

图3　涡轮进出口温度随转速的变化

图4为涡轮进出口压力随柴油机转速的变化关系。涡轮进口压力在全转速范围内有明显变化，基本呈线性增长。涡轮出口压力在全转速范围内比较平稳，同环境压力接近。

图4　涡轮进出口压力随转速的变化

由能量方程计算得出的涡轮回收能量如图5所示。涡轮可回收的排气能量可以分解为热力学能、压力能和动能，排气通过在涡轮中膨胀，分别将以上各种形式能量传递给涡轮。由图可知，涡轮回收的能量主要是热力学能和压力能，中高速时热力学能是压力能的3倍左右。相比热力学能和压力能，低速时（1200 r/min和1300 r/min）回收的动能很少（只占回收能量的0.85%和0.45%），其余转速动能为负值（涡后动能高于涡前动能），并且随转速增加动能绝对值增大，即随柴油机转速增加动能损耗掉的能量增加，2100 r/min时动能消耗涡轮回收能量的2.4%。

图5　涡轮回收的能量随转速的变化

3.2压气机的能量流

压气机进出口温度变化见图6。转速增加，压气机进口温度基本不变，出口温度升高，但升高的比例不同，低速时温度曲线升高斜率大，中高速时曲线升高斜率降低。在涡轮–压气机–中冷器系统中，压气机起到能量传递与转换的作用。在理想情况下，涡轮输出的能量全部用于带动压气机做功，于是涡轮的能量全部流向压气机，压气机又将能量传给进气，使进气压力和温度升高。

图6　压气机进出口温度随转速的变化

压气机的进出口压力见图7，变化趋势与温度变化基本相同，压气机出口压力随转速增加压力的升高幅度降低。

图7　压气机进出口压力随转速的变化

压气机转换的能量随柴油机转速变化关系见图8。压气机转换的能量主要也是热力学能和压力能，热力学能和压力能随转速增加基本呈线性增长。在中高速时热力学能是压力能的2.5倍左右。相比热力学能和压力能，压气机转换的动能很少，随转速增加压气机转换的动能增加，2100 r/min时压气机转换动能占总能量的0.18%。

图8　压气机转换的能量随转速的变化

3.3中冷器的能量流

由图9可知，压气机后高温进气经过中冷器冷却后温度控制在较低温度。由图9和图10可知，进气经中冷器后经历的是近似等压放热过程；这样，通过增压、中冷，使发动机的进气压力提高并使温度维持在较低水平。

如图11所示为中冷器带走的能量随柴油机转速的变化关系，中冷器带走的能量绝大部分是热力学能和压力能；随转速增加中冷器带走的动能增加，2100 r/min时中冷器带走的动能占总能量的0.26%，气体流经中冷器降低的动能包括两部分：即分别由中冷器阻力增加和进气温度降低引起单位质量的体积流量降低导致的。

图9　中冷器进出口温度随转速的变化

图10　中冷器进出口压力随转速的变化

图11　中冷器回收的能量随转速的变化

3.4增压系统回收的排气能量

综合以上数据和结果，可以得出增压系统各部分能量流变化情况。如图12所示为柴油机增压系统各部分能量流分布随转速的变化关系。增压器仅回收了少部分排气最大可用能量，这是因为废气在涡轮中膨胀不够充分，废气温度下降得不够多，以至于大部分热力学能没有释放出来而由排气带走。中冷器带走了增压器回收的大部分能量。

增压器回收13%～26%的排气能量，而增压器回收的能量大部分被中冷器带走，气体经过增压器和中冷器后，只回收了排气最大可用能量的1.2%～6%的能量，其中这部分能量转换为进气的压力能和热能。其中，2100 r/min时增压器回收排气约26%的能量，净回收排气最大可用能量6%；1200 r/min时增压器回收排气约13%的能量，净回收排气最大可用能量1.2%。

图12　增压系统能量流分布随转速的变化

4　结论

1）通过柴油机试验可以比较精确而详细地得出柴油机增压系统的能量流分布规律。

2）废气涡轮增压系统回收的能量主要是排气的热力学能和压力能；在外特性下、中高转速时回收的余热能约为余压能的3倍，动能可以忽略。

3）增压器回收13%～26%的排气能量，而增压器回收的能量大部分被中冷器带走，气体经过增压器和中冷器后，只回收了排气最大可用能量的1.5%～6%。

4）从能量转换的角度来看，废气涡轮增压系统并没有很好地利用排气能量，这不仅受增压器与柴油机匹配及运行工况的影响，还受进气增压压力和温度的制约。

参考文献

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中图分类号：TK421+.8

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）05-0038-06

收稿日期：（2015-06-20）

作者简介：田永海（1983-），男，硕士研究生，主要研究方向为发动机性能设计与系统匹配。

Study on Useful Energy Flow for Turbocharging System of HC4132Diesel Engine

Tian Yonghai,Liu Sheng,Yin Yuen,Ding Jifeng,Sun Danhong
China North Engine Research Institute(Tianjin,300400,China)

Abstract：The distribution law ofuseful energy flow for turbocharging system of diesel engine was studied based on HC4132 diesel engine test.Potentials for turbine recovering ability of exhaustenergy and energy flow characteristicsof turbocharging system were achieved by studying the transfer processof diesel exhaust energy in turbine-compressor-intercooler system.The energy recovered by exhaust driven turbocharging system ismainly composed of internal energy and pressure energy of the exhaust.The remaining internal energy is three timesmuch of the remaining pressureenergy atmedium and high speed.Kinetic energy can be ignored.The turbine can recover 25%maximum available energy of the exhaust,mostofwhich dissipates through intercooler.The remaining 1.5%~6%maximum available energy converts to intake pressureenergy and internal energy.The results provide reference for thermal efficiency increase of diesel engine,energy saving and exhaust energy recovering by compound turbocharging.Meanwhile,the results can be used as fundamental data for comparison between recoveringmethodsofexhaustenergy.

Keywords：Dieselengine,Exhaustgas,Turbocharging,Energy flow