第３ ８卷 第５期 ２ ０ １ １ 年湖南大学学报（自然科 学版） ＶＯ１．３８，Ｎｏ．５ Ｍａｙ．２ ０ １ ｌ ５月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈ ｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） 文章编号：１６７４—２９７４｛２０１１）０５—００４８—０６ 发动机废气涡轮增压系统的能量流研究 刘敬平 。，付建勤 计，冯 康 ，赵智超 一，王 树 青 。 （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．湖南大学先进动力总成技术研究中心，湖南长沙４１００８２） 摘要：基于发动机一维性能仿真计算和试验相结合的方法，对某型轿车用柴油机的废 气涡轮增压系统能量流分布规律进行了研究．通过研究发动机排气能量在涡轮机一压气机一 中冷器中的传递过程，得出了涡轮机回收排气能量的潜力和增压系统的能量流特性．结果表 明：增压系统能量流分布和排气能量回收效率主要取决于发动机和增压器的运行工况；外特 性下，在增压器低效率区和高效率区涡轮机分别回收约６ ９／６和１３ 的排气能量；其中，增压 器大约只利用了２ 的排气能量用于提高进气压力能．研究结果为发动机节能和采用复合 涡轮增压回收排气能量提供了理论依据． 关键词：发动机；废气涡轮增压；能量流；余热回收；ＧＴ—ｐｏｗｅｒ 中图分类号：ＴＫ４０２ 文献标识码：Ａ Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｌｏｗ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩＵ Ｊｉｎｇ－ｐｉｎｇ ，ＦＵ Ｊｉａｎ－ｑｉｎＩ・ ，ＦＥＮＧ Ｋａｎｇ 一，ＺＨＡＯ Ｚｈｉ－ｃｈａｏＩ一。ＷＡＮＧ Ｓｈｕ－ｑｉｎｇ１・ ｌｌ・Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉ￣ｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｏｄｙ－Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖ。Ｃｈａｎｇｓｈａ．Ｈｕｎａｎ ４１００８２。Ｃｈｉｎａ； ２・Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖ。Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１００８２，Ｃｈｉｎａ｝ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄ ｓｙｓ— ｔｅｍ’ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｇａｓ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｙｎｏ ｔｅｓｔｓＢｙ ａｎ— ．ａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｏｆ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ ｆｒｏｍ ｔｕｒｂｉｎｅ ｔｏ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｎｔｅｒｃｏｏｉｅｒ。ｔｈｅ ｅｘ－ ｈａｕｓｔ ｇａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｐｏｔｅｎｔｉａ１ ｂｙ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｉｎｇ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｅｓｅＪ ｅｎｇｉｎｅ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄＴｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｐｏ— ．ｔｅｎｔｉａｌ ｉｓ ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ Ｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｕｒｂｏ ｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓＡｂｏｕｔ １ ３ ．ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｏ— ｍａｉｎ，ｗｈｉｌｅ ｏｎｌｙ ａｂｏｕｔ ６％ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｃｏｖｅｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ．Ｕｎｄｅｒ ａｌｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｄｉ— ｔｉｏｎｓ，ａｒｏｕｎｄ ２ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｏｖｅｒｅｄ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｂｏｏｓｔ ｔｈｅ ｉｎｔａｋｅ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｔ ｉｓ ｔａｋｅｎ ａｗａｙ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒＴｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｆｏｒ ｅｎ— ．ｇｍｅ ｆｕｅｌ ｓａｖｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｂｙ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｉｎｇ ｏｒ ｔｕｒｂｏ－ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇ． Ｋｅｙ ＷＯｒｄＳ：ｅｎｇｉｎｅｓ；ｅｘｈａｕｓｔ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄ；ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ；ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ；ＧＴ－ｐｏｗｅｒ 收穰日期：２０１０—１１－０３ 基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）资助项目（Ｚ０１１ＣＢ７０７２０１）ｌ湖南省研究生科研创新基金资助项目（ＣＸＺＯＩＯＢＩＺ５）Ｉ 国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目（２００８ＡＡＩ１ＡＩＩ６，Ｚ００８ＡＡＩ１Ａ１３５） 作者简介：刘敬乎（１９６２－－），男，美籍华人，湖南大学教授，留英博士 ｔ通讯联系人，Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｕｉｉａｎｑｉｎａｂｃ＠１６３．ｃｏｒｎ 第５期 刘敬平等：发动机废气涡轮增压系统的能量流研究 ４９ 由发动机热平衡分析可知，排气带走了很大一 部分能量．如何有效回收这部分能量，将是提高发动 机热效率的一个重要突破口［１］，这也成为科学家和 工程师们一直追求的目标．目前国际上已经提出了 多种回收发动机排气能量的方法［２－３］，其中采用排 气二次膨胀的废气涡轮增压方式比较成熟并且已经 实现了产业化．研究表明，废气涡轮增压能有效回收 部分发动机排气能量Ｌ４－５］．虽然废气涡轮增压技术 比较成熟，但是目前还尚未见到对增压系统能量流 进行系统研究的报道，更没有对废气涡轮增压系统 回收排气能量的潜力进行研究．本文针对一台国内 自主开发的车用增压柴油机，详细研究了增压系统 的能量流分布规律，完成对废气涡轮增压回收发动 机排气能量潜力的评估，为对各种发动机排气能量 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 发动机废气涡轮增压系统由涡轮机、压气机和 中冷器组成，整个系统的能量流如图１所示．发动机 排出的具有很高温度与一定压力的废气流入涡轮 机，在涡轮机中膨胀并推动其高速旋转，由此实现废 气的余压、余热能向涡轮机动能的转化，最终转化成 涡轮轴旋转的机械能．同时，旋转的涡轮轴带动同轴 相连的压气机旋转并压缩进气，由此实现涡轮机机 械能向进气压力能和热力学能的转化．然而，为了降 低发动机的进气温度，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． 图１ 废气涡轮增压系统能量流示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｔｕｒｌｘ￣ｃｈａｒｇｅｄ ｓｙｓｔｅｍ １．２废气涡轮增压系统能量流的研究方法 涡轮机和压气机由传动轴连接，二者转速相等， 稳定工况下功率近似相等，组成一个增压器系统．发 动机与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，但同时 涡轮机增大了排气背压．此外，压气机与中冷器同管 相连，二者进行能量和质量的传递． 为简化研究过程，本文将涡轮机、压气机和中冷 器分开考虑Ｌ６］，分别研究其流入和流出的能量（焓 流），在此基础上建立各子系统的能量平衡方程．其 中，这三个部分都可以看作开口系统，采用控制容积 法分别对其进行研究．结合气体在进排气系统管道 内的一维流动理论，针对上述三个子控制容积系统， 分别建立质量守恒方程和能量守恒方程 ，如式 （１）和式（２）所示： １＝＝： ２； （１） 曲一ｄｈ＋÷ｄｃ｝十ｇｄｚ十 ． （２） 式中： 和 ：分别为控制容积系统进出口质量 流量，ｋｇ／ｓ；曲为系统与外界的热交换量，Ｊ；ｄｈ为 系统的进出口焓降，Ｊ；ｄｃ，为进出口流速差，ｍ／ｓ；ｇ 为重力加速度，ｍ／ｓ ；ｄｚ为系统进出口高度差，ｍ； Ⅳ 为系统对外输出的轴功，Ｊ．由于气体的密度和 各系统进出口高度差都很小，在后面的研究中将位 势能这项忽略． １．３各子系统能量平衡的计算方法 １．３．１ 涡轮机的能量平衡 发动机的高温、高压（相对环境压力）排气在涡 轮机中进行二次膨胀，输出轴功．根据能量守恒定 律，结合图１所示的进排气系统内气体状态参数变 化示意图，得出涡轮机输出功率的计算公式： ＰＴ—ｍ ｃ ｐ（Ｔ３一Ｔ４）：＝： ．．导 ｃ Ｔｓ ｗＥ１一（ ） ］． （３） 其中， 为涡轮机的等熵效率： ＇＇７Ｔ一７Ｔ一——————— ｒ— 二 ・． （４） Ｔ ［１一（丛） ］ 夕３ 式中： 为进入涡轮机的排气质量流量，ｋｇ／ｓ；ｃ 为排气的定压比热容，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）；Ｔｓ和丁４分别为 涡轮机进出口气体温度，Ｋ；Ｔ。。和Ｔｏ 分别为涡轮 机进出口气体的滞止温度，Ｋ；Ｐ。和Ｐ 分别为涡轮 机进出口压力，Ｐａ；ｙ为气体绝热指数，空气取１．４， 发动机排气的），值随废气成分和温度变化，通过经 验公式插值求解． １．３．２压气机的能量平衡 如果单独考虑压气机控制容积，不计传热损失 与压气机出口动能损失，压气机消耗的功率为： Ｐｃ ｍｉ一。 一￣ｃｐ ｉ，（Ｔ２一一Ｔ１）一 一 ［（［（ 孕） 一１一－］．・（ （５） 其中， 为压气机的等熵效率： ５０ 湖南大学学报（自然科学版） ２０１１年 ［ ’－１］・ （６） 式中：，；ｚ 为流过压气机的气体质量流量，ｋｇ／ｓ；ｃ 为进气定压比热容，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）；ＴＩ和Ｔ２分别为压 气机进出口气体温度，Ｋ；ｐ 和Ｐ：分别为压气机进 出口压力，Ｐａ． 实际上，由于涡轮机和压气机同轴相连，涡轮机 对压气机傲功，稳态工况下二者功率平衡： Ｐｒ—Ｐ ． （７） 式中，锄为传动轴的机械效率，通常增压器厂家发 表的涡轮机效率是耵・ 而不单独考虑叩 ． １．３．３ 中冷器的能量平衡 为进一步提高发动机的进气密度，增压发动机 通常利用中冷器对压缩后的高温气体进行冷却．于 是，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： △Ｈ＝ｍ ｐ （Ｔ２ 一Ｔｚ ）． （８） 式中， 和Ｔ。 分别为中冷器进口和出口气体温 度，Ｋ． ２计算模型的搭建和实验验证 ２．１数值仿真模型的搭建 本文研究对象为一款国内自主开发的、排量为 １．６ Ｌ的轿车用废气涡轮增压柴油机，其基本参数 如表１所示．按照该发动机的几何结构参数和管道 布置形式，并参考性能试验数据，建立其ＧＴ－ｐｏｗｅｒ 仿真模型，建模时对某些复杂的管道进行了相应的 简化处理．ＧＴ－ｐｏｗｅｒ是基于有限体积法的发动机 一维气体动力学软件．大量实验数据表明，ＧＴ—ｐｏｗ— ｅｒ对求解管内气体的流动和传热具有很高的精度． 这就避免了管内进、排气压力和温度测量难的问题． 该仿真模型由进气系统、气缸和曲轴箱、排气系 统三大块构成，如图２所示．其中，模型进出口边界 条件（压力和温度）设置为标准环境大气状态．机械 摩擦损失、燃烧效率、空燃比、进排气阀流量系数等 由实验数据标定． 表１发动机基本参数 Ｔａｂ．１ Ｂ船ｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ 图２ 发动机的ＧＴ－ｐｏｗｅｒ数模 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｉｎ ＧＴ－ｐｏｗｅｒ 该发动机设计开发时，增压器与整机性能匹配 是难点之一，因为要实现发动机在全转速范围内性 能匹配的最佳折中．以预定增压压力为目标，以增压 器工作特性为参考依据，通过自行开发的基于通流 特性的发动机与增压器预匹配软件对增压器进行初 选，然后通过ＧＴ－ｐｏｗｅｒ软件进行计算验证，最终选 用了Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司的ＧＴ１５增压器．外特性下增 压器与发动机性能匹配良好．以压气机为例，在低流 量时接近喘振线，在中高流量时大部分工况点工作 在高效率区域（大部分工况效率在０．７以上）．这样 可以保证增压器经常工作在高效率区，优化发动机 的性能，同时还有利于回收更多的排气能量．其中， 匹配好的压气机ＭＡＰ图如图３所示． 筮 田 相对质量流量／［－（ｋｇ／ｓ）－－Ｋ。・ ／ｋＰａ］ 图３发动机工作点在压气机ＭＡＰ图上的表述 Ｆｉｇ．３ Ｅｎｇｉｎｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐｏｉｎｔｓ ｐｌｏｔｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ＭＡＰ ２．２模型的实验验证 限于篇幅，本文只研究外特性下增压系统的性 能及能量流分布．将外特性下发动机功率和扭矩的 计算结果与实测数据进行对比，分别如图４和图５ 所示．通过比较发现计算值和实验数据基本吻合，最 大误差在ｚ Ａ０左右．这说明了该ＧＴ－ｐｏｗｅｒ计算模 型具有足够的精度和可信度，满足计算要求． 第５期 刘敬平等：发动机废气涡轮增压系统的能量流研究 ５１ 薰 褂 转速／（ｒ・ｒａｉｎ＿１） 图４ 计算数据与实验数据的对比（功率） Ｆｉｇ．４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔＯ ｄｙｎｏ ｔｅｓｔｓ（ｐｏｗｅｒ） 弓 ＼ 量 转速／（ｒ・ｍｉｎＩ１） 图５ 计算数据与实验数据的对比（扭矩） Ｆｉｇ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔＯ ｄｙｎｏ ｔｅｓｔｓ（ｔｏｒｑｕｅ） ３研究结果分析 根据部分已有的发动机台架性能试验数据（功 率、排温等），以及性能模拟计算得到的外特性下发 动机进、排气系统内气流的全部状态参数，基于ＥＸ— ＣＥＬ编写计算程序对各子系统的能量平衡进行二 次计算，得出外特性下增压系统的能量流以及涡轮 机回收的能量． 需要说明的是，进气比热按照空气温度插值得 到；排气比热按照气体组分和温度插值，其中气体组 分可以根据发动机油气混合气空燃比计算得到． ３．１涡轮机的能量流 图６所示为外特性下涡轮机进出口压力随发动 机转速的变化关系．可以看到，涡轮机进口压力在全 转速范围内有明显变化：低速时呈急剧上升趋势，中 高转速时相对比较平稳．涡轮机出口压力在全转速 范围内比较平稳，最小值为０．１０３ ＭＰａ，与环境大气 压力很接近；最大值也只有０．１２３ ＭＰａ． 图７所示为外特性下涡轮机进出口温度随发动 机转速的变化．从图中可以看到，除个别转速外，涡 轮机进口温度总体趋势是随转速的增加而上升，涡 轮机出口温度曲线形态与进口温度曲线基本一致， 二者维持一个比较稳定的、９Ｏ Ｋ左右的温度差． 重 奋 发动机转速／（ｒ・ｒａｉｎ ） 图６涡轮机进出口压力随发动机转速的变化 Ｆｉｇ．６ Ｔｕｒｂｏ ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＶＳ．ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ 发动机转速／（ｒ・ｒａｉｎ ） 每 醅螂 盆娶图７涡轮机进出口温度随发动机转速的变化 Ｆｉｇ．７ Ｔｕｒｂｏ ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖｓ．ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ 由能量方程计算得出涡轮机回收的能量如图８ 所示．排气能量可以分解为余压能、余热能和余动 能，排气通过在涡轮机中膨胀，分别将以上各种形式 的能量传递给涡轮机．从图中可以看到，涡轮机回收 的能量主要是余热能，在中高速时大概是余压能的 ２倍．相比余压能和余热能，回收的余动能可以忽略 不计（最大值只占回收能量的１．３ ），所以后面对 压气机和中冷器研究时就忽略了余动能． 转速／（ｒ・ｒａｉｎ－１） 图８ 涡轮机回收的能量随发动机转速的变化 Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ ｔｕｒｂｏ ｖｓ．ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ３．２压气机的能量流 压气机的进出口压力如图９所示，其出口压力 控制在０．２ ＭＰａ（即增压比为２）．压气机进出口的 温度变化如图１Ｏ所示．可以看出，温度的变化和压 力的变化趋势基本一致，这是由气体状态方程决定 的．但增长的比例不一样（温度升高率只有３０ 左 右，而压力升高率约为１００ ）．在涡轮机一压气机一 ５２ 湖南大学学报（自然科学版） 中冷器系统中，压气机起着能量传递与转换的作用． 在理想情况下，涡轮机的输出功率全部用于带动压 气机做功，于是涡轮机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． 董 督 发动机转速／（ｒ・ｒａｉｎ＿１） 图９ 压气机进出口压力随发动机转速的变化 Ｆｉｇ．９ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＶＳ．ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ 荔 发动机转速／（ｒ・ｍｉｎ－１） 图１Ｏ压气机进出口温度随发动机转速的变化 Ｆｉｇ．１０ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＶＳ．ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ３．３中冷器的能量流 由图１ｌ可知，进气经中冷器后经历的是近似等 压放热过程．进气冷却后温度控制在３１３ Ｋ，如图１２ 所示．这样，通过增压、中冷，使发动机的进气压力提 高并使温度维持在目标值．中冷器带走的热量可以 由进出口焓差计算得出．如图１３所示为中冷器带走 的能量流随发动机转速的变化关系．由图可知，压气 机传给进气的能量绝大部分被中冷器带走．这是因 为气体能量的主要表现形式是热力学能，所以通过 冷却后绝大部分能量又被散失掉． 囊 奋 发动机转速／（ｒ・ｒａｉｎ ） 图ｌ１ 中冷器进出口压力随发动机转速的变化 Ｆｉｇ．１１ Ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒ ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｓ．ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ 化 Ｆｉｇ．１２ Ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒ ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＶＳ．ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ 童 銎 ｇ 髂 拿 转速／（ｒ・ｒａｉｎ ） 图１３ 中冷器的能量分布随发动机转速的变化 Ｆｉｇ．１３ Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒ Ｖｓ．ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ３．４增压系统回收的排气能量 整合以上数据和结果，可以得出增压系统各部 分能量流变化情况．如图１４所示为外特性下发动机 增压系统各部分能量流分布随转速的变化关系．可 以看到，在全转速范围内排气能量与发动机功率相 当．涡轮机只回收了很少一部分的排气能量，这是因 为废气在涡轮机中膨胀不够充分，废气温度下降得 不够多，以至于大部分余热能没有释放出来而随排 气带走． 裙 转速／（ｒ・ｒａｉｎ一 ） 图１４增压系统能量流分布随发动机转速的变化 Ｆｉｇ．１４ Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ＶＳ．ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ 外特性下不同转速时对应的发动机排气能量流 分布如图１５所示．在中高速工况下（这时增压器运 行在高效率区域，如图３所示），涡轮机大概只回收 １２％～１３ 的排气能量，而这部分回收的排气能量 大部分被中冷器带走，余下２ 左右的排气能量转 第５期 刘敬平等：发动机废气涡轮增压系统的能量流研究 ５３ 化为进气的压力能；发动机转速为１ ０００ ｒ／ｍｉｎ时， 涡轮机只回收６ 左右的排气能量（这时增压器运 行在低效率区域，且工作不稳定）．在转速大于２ ０００ ｒ／ｒａｉｎ以后，虽然涡轮机回收的排气能量百分比增 加了近一倍，但是净回收的能量百分比并没有增加 （大约为２ ）．这是因为了进气的增压比和温 度，多余的能量只能通过中冷器带走．由此可见，涡 轮机回收排气能量的效率受增压器运行工况的影 响，而增压系统净回收能量的百分比还受进气增压 压力和温度的制约． …＠ 一一 一一（３０００ｒ￣ｍ） １０．３％ （ｃ） ｌ１．３％ ２ （４００ｏ￣） （ｄ） 臼捧到环境的能量 一涡轮回收的能量 口中冷器带走的能量 田净回收的捧气能量 图ｌ５ 不同转速下的发动机排气能量流分布 Ｆｉｇ．１ ５ Ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ４ 结 论 １）联合发动机台架试验和性能模拟计算进行研 究，可以比较精确而详细地得出发动机增压系统的 能量流分布规律． ２）废气涡轮增压系统回收的主要是排气余热能 和余压能；在外特性下、中高转速时回收的余热能约 为余压能的２倍，余动能基本上可以忽略． ３）在中高转速工况下，涡轮机大约能回收１３ 的排气能量，而这部分能量大部分被中冷器带走，余 下２ 左右的排气能量转化为进气压力能． 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，这不仅受增压器与发 动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 ［１］ＹＵＫＳＥＬ Ｆ，ＣＥＶＩＺ Ｍ Ａ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ａ ｆｏｕｒ ｓｔｒｏｋｅ ＳＩ ｅｎｇｉｎｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｏｎ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｌＳ ｆｌ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｆｕｅｌ［Ｊ］．Ｅｎ— ｅｒｇｙ，２００３，２８（１１）：１０６９—１０８０． ［２］ＨＵＮＧ Ｔ Ｃ，ＳＨＡＩ Ｔ Ｙ，ＷＡＮＧ Ｓ Ｋ．Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅｓ（ＯＲＣｓ）ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｌｏｗ—ｇｒａｄｅ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，１９９７，２２（７）：６６１—６６７． ［３］ＨＵＮＧ Ｔ Ｃ．Ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅ ｕ— ｓｉｎｇ ｄｒｙ ｆｌｕｉｄｓ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， ２００１，４２（５）：５３９—５５３． ［４］ ＡＲＮＯＬＤ ＳＴＥＶＥ，ＳＬＵＰＳＫＩ ＫＥＶＩＮ，ＧＲ０ＳＫＲＥＵＴＺ ＭＡＲＫ， ａ１．Ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｕｒｂｏｃｈａ画ｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ｄｉｅ￣ｌ ｅｎ— ｉｇｎ￣ＥＣ］／／ＤｅｔｍｉＬ ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００１一Ｏ１—３２６０，２００１． ［５］Ｉ－Ｉ￣Ｉ ＧＵＳＴＡＶＯ，ＺＡＢＥＵＣＬＡＹＴＯＮＢ，ＬＡＮＧＥＡＮＩ ＭＡＲＣＯＳ， Ｔｕｒｈｘｈａｒｇｅｄ ＶＳ．ｔｕｒｂｏ￣ｅｏｒｎｐｏｕｎｄｅｄ ｅｔｈａｎｏｌ ｅｎｇｉｎｅ：ｆｕｅｌ－ａｉｒ ｅｑｕｉｖａ－ ｌｅｎｃｅ ｒａｔｉｏｉｍｐａｃｔ［Ｃ］／／Ｄｅｔｒｏｉｔ．ＳＡＥＰａｐｅｒ ２００９－－３６－－００５０，２００９． ［６］ＰＬＩＮＴ ＭＩＣＨＡＥＬ，ＭＡＲＴＹＲ ＡＮＴＨＯＮＹ．Ｅｎｇｉｎｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ， １９９５． ［７］ ＪＯＮＥＳ Ｊ Ｂ，ＤｕＧＡＮ Ｒ Ｅ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｍ］． Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ：Ｐｒｅｓｅｙ Ｈａｌｌ Ｉｎｃ，１９９６． ［８］ ＭＯＲＡＮ ＭＩＣＨＡＥＬ Ｊ，ＳＨＰＩＲＯ ＨＯＷＡＲＤ Ｎ．Ｆｕｎｄａｍｅｎ－ ｔａｌｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｍ］．３ｒｄ ｅｄ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ Ｉｎｅ．１９９５．
