一种用于内燃机排气能量回收的新型布雷顿循环系统

2019-08-13周峰付建勤刘敬平唐琦军朱国辉

中南大学学报（自然科学版） 2019年7期

周峰，付建勤,2，刘敬平，唐琦军，朱国辉

(1.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙，410082；2.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆，400044)

排气能量回收是提高内燃机总能效率的重要途径之一，也是近年来内燃机领域的重要研究方向[1-2]，国内外许多研究者对此进行了大量研究[3-7]。LAKEW 等[3]提出了一种利用低温热源提高超临界二氧化碳朗肯循环性能的新方法；XIE 等[5]研究了朗肯循环在重载柴油机驾驶循环下余热回收的动态特性；DOLZ等[8]利用朗肯循环回收了8%～9%的排气能量；WANG 等[9]通过台架实验发现在某些工况下回收内燃机排气能量可以实现34%的节能效果；CONKLIN等[10]采用缸内喷水，实现6冲程循环回收内燃机排气能量；FU 等[11]提出了采用蒸汽动力循环的方法回收内燃机排气能量；诸葛伟林等[12]提出了基于布雷顿循环的发动机余热回收方法。这些方法普遍需要在内燃机上附加一套较复杂的余热回收系统，增加了系统成本和控制难度。废气涡轮增压器可以有效地回收排气能量[13]，但在增压器与内燃机匹配时，更多的是关注内燃机的工作性能，带有旁通阀的增压器对排气能量的利用效率很低。刘敬平等[14]发现，在外特性下涡轮仅回收6%～13%的排气能量。为了改善传统废气涡轮增压器的性能，HOFBAUER 等[15-16]提出了一种新型涡轮增压器即电动辅助增压器，然而，在增压器匹配时，还是以内燃机工作性能为主、以电动辅助增压器为辅。JIANG等[17-19]对布雷顿循环的基本理论进行了深入研究，并在发电等领域对布雷顿循环进行了广泛应用，但目前将布雷顿循环应用于内燃机余热回收领域的报道较少。为此，本文作者从热力循环的角度出发，将涡轮增压器—电机—内燃机视为一个整体，组成1个新型布雷顿循环系统，通过优化整个循环系统的性能，同时兼顾内燃机工作性能与余热回收系统性能，以期最大程度地提高内燃机总能效率。

1 新型布雷顿循环原理与特点

图1 新型布雷顿循环回收内燃机排气能量的原理示意图Fig.1 Schematic diagram of new Brayton cycle for IC engine exhaust energy recovery

本文提出的新型布雷顿循环原理如图1所示，该系统主要包括内燃机、压气机、涡轮、电机等核心部件，将内燃机视为布雷顿循环的燃烧器，通过调节内燃机运行参数进而改变布雷顿循环工作参数。当内燃机工作在高速或大负荷工况时，涡轮回收的排气能量大于压气机的排气能量，此时，电机将作为增压系统的负载，将涡轮的机械功转换为电能，并储存在电池中。在传统废气涡轮增压发动机中，涡轮和压气机满足能量平衡关系，增压系统无额外能量输出。在电动辅助涡轮增压中，虽然涡轮过多的能量可以被电机回收，但增压系统仍是内燃机的子系统，其工作区域范围极其有限，从而导致余热回收效率较低。该系统与以往增压内燃机最大的区别是：内燃机只是1个子模块，可以独立输出功率，内燃机排气能量作为布雷顿循环的热源，也可以输出功率。从整个系统来看，内燃机缸内循环只是整个系统的1个子循环，故命名为新型热力循环。本文以实现系统总能效率最佳为目标，从循环系统的角度对“内燃机—压气机—涡轮”进行重新匹配。

图2所示为新型布雷顿循环的工质热力过程P-V示意图(其中P为压力，V为体积)。在该循环中，内燃机工作循环是整个系统大循环的1个子循环，嵌套在系统大循环(布雷顿循环)中。新鲜工质在内燃机缸内经历1 个工作循环后的结果为工质气体温度上升(等效于传统布雷顿循环的工质加热过程)，同时，压力稍微升高(排气压力一般高于进气压力)。传统内燃机循环的能量输入由定压加热和定容加热2 个过程组成：

能量输出可以近似为1个定容放热过程：

对于布雷顿循环，过程5-6(见图2)代表等熵膨胀，在涡轮内进行，因此，涡轮输出的功率可表示为

图2 新型布雷顿循环的热力过程示意图Fig.2 Schematic of new Brayton cycle thermal process

过程7-1代表等熵压缩，这个过程在压气机内进行，因此，压气消耗的功率可表示为

式中：Q2-3和Q3-4分别为定压和定容过程输入的能量；Qin和Qout分别为系统输入和输出能量；为质量流量；和分别为进、排气质量流量；Ptur和Pcom分别为涡轮和压气机功率；cV和cP分别为定压和定容过程工质比热容；cP,in和cP,exh分别为进、排气定压过程工质比热容；T1，T2，T3，T4，T5，T6和T7为各工况点的温度。

布雷顿循环通过电机输出的功率为

布雷顿循环的输出功率也可以表示为

式中：Pmot为布雷顿循环输出功率；ntur为涡轮转速，本文假定电机转速与增压器转速相同[15-16]，即可用涡轮转速代替；Mmot为电机扭矩，即布雷顿循环的输出扭矩；ηmot为电机能量转换效率，据文献[20]，本文取0.85。

内燃机的排气能量定义为

内燃机排气能量利用率可表示为

布雷顿循环效率定义为

式中：Qexh为内燃机排气能量；cP,air为空气比热容；Texh为排气温度；Tair为空气温度；ηuti为布雷顿循环对排气能量的利用率；ηbra为布雷顿循环热效率。

将耦合新型布雷顿循环的内燃机看成1 个系统，则系统总的功率输出为

系统总热效率定义为

式中：Ptot为该布雷顿循环系统总的输出功率；Peng为内燃机功率；ηtot为布雷顿循环系统总热效率，即考虑了余热回收后的系统总能效率；ηeng为内燃机总热效率。

2 模型搭建与标定

为了研究该新型布雷顿循环回收内燃机排气能量的潜力，选择某高增压柴油机为研究对象。该样机的基础参数如表1所示，最高转速达3 600 r/min，最大扭矩覆盖的转速为2 000～3 200 r/min，涡前压力最大值达3.5×105Pa。该布雷顿循环的工作参数范围较广，有利于研究其节能潜力。

表1 柴油机基本参数Table 1 Specifications of diesel engine

基于AVL 试验台架，对该柴油机外特性下的性能进行试验研究，获得各种性能和状态参数尤其是涡轮前压力、温度及流量。结合样机试验结果建立并校核其GT-Power 仿真模型。选取5 个外特性的工况点进行模拟计算，试验结果与模拟结果对比如图3所示。通过对涡轮前流量、比油耗的模拟值和试验值的比较可知：各参数的模拟值和试验值基本吻合，模拟结果的最大误差约为1.4%，可见所建立的GT-Power仿真模型具有较高的精确度和可信度。

图3 样机仿真模型标定Fig.3 Calibration of engine simulation model

以该模型为基准建立布雷顿循环的仿真模型，研究内燃机排气能量的回收潜力及影响因素。在模型增压器轴上增加1个扭矩输出模块，用于模拟电机；在原模型上增加进气压力控制子模块。为方便结果处理，将式(9)和式(11)写入模型中。通过这种方式，实现余热回收底循环与内燃机工作循环的耦合。

3 布雷顿循环模拟分析

3.1 涡轮旁通阀开度的影响

3.1.1 涡轮旁通阀开度对布雷顿循环性能的影响

固定喷油量，利用GT-Power 的目标优化功能，以进气压力原始值为控制目标，保证计算过程涡前气体状态参数一致。只改变旁通阀开度，即改变通过涡轮的气体质量流量，逐渐减小涡轮旁通阀当量直径，增大电机输出功率。按照这种方式对5种转速下的性能参数进行模拟计算，结果分别如图4和图5所示。

图4 旁通阀关闭过程布雷顿循环性能参数Fig.4 Brayton cycle performances under by-pass closing process

图5 旁通阀关闭过程系统性能参数Fig.5 System performances under by-pass closing process

从图4(a)可见：布雷顿循环输出功率随旁通阀当量直径减小而增大，但增大的趋势逐渐降低；输出功率随转速升高而增大，在3 400 r/min时可以获得最大输出功率约13.5 kW。布雷顿循环输出功率的变化规律可以通过分析其工作参数的变化得出。由图4可知：当涡轮旁通阀当量直径减小时，通过涡轮的流量、涡前压力和温度都随之增大，但上升的趋势变缓；当转速升高时，涡轮流量和涡前压力都上升，涡前温度先波动后持续上升，这正是布雷顿循环输出功率出现图4(a)所示变化规律的原因。也就是说，图4(a)所示功率变化规律是图4(b)，(c)和(d)中各参数综合影响的结果。

3.1.2 从整个系统角度对布雷顿循环性能的分析

从图5(a)可见：当转速介于2 600～3 400 r/min时，排气能量回收率几乎相同，最大值约为23.5%。其主要原因是3 个高转速的涡轮工作在高效率区域，且效率非常接近；另外2个低转速的流量较低，导致涡轮的效率较低，从而使排气能量回收效率受到影响。从图5(b)可见：随旁通阀当量直径减小，循环效率增大，但增加趋势变缓(与输出功率变缓的规律一致)，这是涡轮质量流量、涡前压力和温度随旁通阀当量直径减小而增加率逐渐变小的结果。从图5(c)可见：随旁通阀当量直径减小，系统总热效率逐渐增大，增大的幅度随转速增加而愈明显；当转速为3 400 r/min时，系统总热效率相对于原机最大可以提高2.04%，相对提升率为5.74%。

图6 泵气损失与旁通阀当量直径的关系Fig.6 Relationship between pumping mean effective pressure(PMEP)and by-pass diameter

虽然柴油机没有节气门，但外特性上的泵气损失仍不容忽视，尤其是在涡轮旁通阀关闭过程中排气压力迅速增大，从而导致泵气损失急剧增加。泵气损失与旁通阀当量直径的关系如图6所示。从图6可见：泵气损失随涡轮旁通阀当量直径减小而增大，随转速升高而增大；由于泵气损失增加，导致内燃机有效热效率减低；当转速为3 400 r/min时，布雷顿循环回收排气能量对系统总热效率的贡献绝对值达4.39%，但由于泵气损失增大，内燃机有效热效率较原来降低2.35%，最终使系统总热效率的提升量减小(实际只提高2.04%)。

3.2 进气压力的影响

据本文提出的新型布雷顿循环，可以通过涡轮输出功率，于是打破了压气机和涡轮的功率平衡关系。因此，控制涡轮输出功率可调节压气机功率，进而达到控制进气压力的目的。布雷顿循环的这一功能将有利于拓展柴油机喷油控制策略。

计算过程以旁通阀关闭工况为起点，逐渐减小进气压力，直到过量空气系数为1时为止。随进气压力降低，压气机所需功率减小；随新鲜空气量减小，进一步引起过量空气系数减小等一系列变化，最终引起涡前参数发生变化，在此基础上研究进气压力对布雷顿循环性能的影响。

进气压力对布雷顿循环性能的影响如图7所示。从图7(a)可见：转速越高，布雷顿循环输出功率越大；当进气压力减小时，输出功率先增大后减小。这种变化规律与涡前参数的变化是密不可分的，而涡前参数的变化主要受进气压力的影响。当进气压力减小时，一方面，涡轮流量和涡前压力迅速减小(如图7(b)和图7(c)所示)，这不利于循环功率输出；但另一方面，由于进气压力下降使过量空气系数减小，进而导致涡前温度升高(如图7(d)所示)，这又有利于增大循环功率。由前面分析可知，这3个参数与布雷顿循环输出功率呈正相关。

进气压力对系统性能的影响见图8。由图8可见：在同一转速下，排气能量回收率随进气压力降低而减小，并且两者呈明显的线性关系；在相同压力下，转速越高，能量回收率越高。布雷顿循环热效率的变化规律与功率的变化规律非常相似：随进气压力减小，循环热效率先增大后减小；高转速时的循环热效率明显比低转速时的高。与布雷顿循环输出功率以及热效率不同，系统总热效率随进气压力降低一直减小。这是因为随进气压力降低，内燃机热效率降低(过量空气系数减小导致柴油机热效率下降)。由此可见，进气压力对内燃机工作性能的影响明显大于对布雷顿循环性能的影响。

图7 进气压力对布雷顿循环性能的影响Fig.7 Effects of intake pressure on Brayton cycle performances

图8 进气压力对系统性能的影响Fig.8 Effects of intake pressure on system performances

对比图8(a)与图8(b)可以发现：排气能量利用率随进气压力升高呈线性增加(见图8(a))，而布雷顿循环热效率随进气压力升高先增加后减小(见图8(b))。这是因为随进气压力增加，压气机需要的功率迅速增大，如图9所示。为了维持较高的进气压力需要消耗更多的涡轮膨胀功，因此，导致布雷顿循环输出功率降低，从而使循环效率降低。

图9 压气机功率Fig.9 Consumption power of compressor

3.3 循环喷油量的影响

对于涡轮旁通阀全闭的工况点，也可以采用增大循环喷油量来改变涡前参数尤其是涡前温度，进而研究循环喷油量对布雷顿循环性能的影响。为了拓展研究范围，以原始循环喷油量为基准，当循环喷油量增加比例达30%时，在1 600 r/min时内燃机过量空气系数为1，在3 400 r/min 时涡轮转速非常接近其最高转速，因此，各转速下最大喷油量增加上限为30%。循环喷油量对布雷顿循环性能的影响见图10。从图10可以看到布雷顿循环输出功率随循环喷油量增加而增大(见图10(a))。这是因为在进气压力固定不变的前提下，增加喷油量，通过涡轮的工质流量几乎不变(见图10(b))，涡前压力略有升高(见图10(c))，但涡前温度大幅度增加，约升高175 K(见图10(d))。因此，涡前温度是最主要的变化参数，布雷顿循环输出功率增加主要是涡前温度大幅度升高所致。

图10 循环喷油量对布雷顿循环性能的影响Fig.10 Effects of fuel injection quantity on Brayton cycle performances

图11所示为循环喷油量对布雷顿循环性能的影响。从图10(a)可知：循环喷油量增加引起排气能量增大，从而使布雷顿循环输出功率上升，但排气能量回收率随喷油量增大略有减小，并且减小的幅度随转速升高而增大(见图11(a))，这是涡轮效率下降所致。而涡轮效率的下降可通过分析图10(b)和(c)得出。当涡轮流量不变、膨胀比(涡前压力)增大时，涡轮工作点向外移动，从而导致其效率降低。从图11(b)可以看出：布雷顿循环热效率随循环喷油量增加而增大，低转速时增大的幅度更明显。与循环效率不同的是，低转速时系统总热效率随循环喷油量增大而降低，随转速升高降低的趋势减缓，直至高转速时系统总热效率几乎不受循环喷油量的影响(见图11(c))，换句话说，高转速时布雷顿循环回收的排气能量刚好抵消由于循环喷油量增加、过量空气系数减小导致的内燃机缸内热效率降低。

3.4 布雷顿循环节能潜力分析

本文通过关闭涡轮旁通阀、改变进气压力、调节循环喷油量，研究该布雷顿循环性能参数的变化规律。其中，采用关闭旁通阀提高涡轮流量是该新型布雷顿循环的出发点，在整个过程中，布雷顿循环功率、热效率、系统总热效率均增大。通过降低进气压力，可反映通过布雷顿循环控制进气压力的功能，这可给柴油机喷油控制策略带来全新改变；增大循环喷油量可以进一步挖掘布雷顿循环的节能潜力。为了对比分析这3种方案对布雷顿循环及系统性能的改善潜力，从各方案中挑选出布雷顿循环最大输出功率的工况点，分别为旁通阀全闭、进气压力中间值及最大喷油量工况。对比分析不同转速下布雷顿循环排气能量利用率、输出功率、循环热效率以及系统总热效率相对于原机的提升率，如表2所示。经分析发现各参数均随转速升高而增大，可见该新型布雷顿循环在高转速下具有更大的节能潜力。需注意的是，在减小进气压力和增加喷油量过程中，低转速时系统总效率的提升率为负值，说明该布雷顿循环在低转速时系统总热效率比原机的低。虽然增大喷油量可以使布雷顿循环输出更多的功率并获得更高的循环热效率，但对于整个系统而言，最为关注的是采用新型布雷顿循环后内燃机相比原机的热效率提高程度。从本文的计算分析来看，在转速为3 400 r/min、旁通阀全闭时，系统总热效率相对于原机最大可以提高5.74%。