柴油机涡轮前喷注蒸汽并结合米勒循环的排气能量回收系统研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文柴油机涡轮前喷注蒸汽并结合米勒循环的排气能量回收系统研究国家“十二五”预研项目（No.62201020203）专业：动力机械及工程博士生：朱思鹏导师：邓康耀教授上海交通大学机械与动力工程学院2015年11月Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversitySTUDYOFDIESELENGINEEXHAUSTHEATRECOVERYWITHPRE-TURBINESTEAMINJECTIONANDTHEMILLERCYCLETheTwelve

2、thFive-YearPlanPre-ResearchProject(GrantNo.62201020203)Specialty:PowerMachineryandEngineeringAuthor:SipengZhuAdvisor:Prof.KangyaoDengSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityNovember,2015上海交通大学博士学位论文柴油机涡轮前喷注蒸汽并结合米勒循环的排气能量回收系统研究摘要随着能源与环境问题日益严峻，单独依靠改进缸

3、内燃烧过程已无法满足人们对内燃机热效率提出的更高要求。传统内燃机余热回收技术大多着眼于将余热能转化为旋转机械能或者电能输出或存储起来，即将余热回收热功或热电转化过程同内燃机循环过程分割开来，如温差发电、复合涡轮及朗肯循环。如若能将回收到的余热能直接用于改进整个内燃机循环过程，则可有效改善扭矩输出以及燃油经济性。本文基于涡轮前喷注蒸汽和米勒循环技术，提出将回收到的排气余热能直接用于改进缸内循环过程及燃油效率。围绕该排气能量回收系统，本文采用热力循环分析、仿真计算及试验相结合的研究方法，以增压柴油机为研究对象依次开展了热力系统

4、模型搭建、参数影响规律分析、匹配调节策略研究以及试验研究。首先从理想循环角度出发，进一步考虑工质物性、传热损失、燃烧损失、换气损失等，搭建并校核描述增压柴油机实际热力循环过程的计算模型。为准确预测喷注蒸汽后涡轮通流特性变化，基于双喷嘴串联物理模型推导描述涡轮通流特性的半经验模型。验证了该模型不仅拟合系数少、形式简单、回归精度高、具有较强的外推及内插能力，同时还能准确预测工质组分对涡轮通流特性的影响。在此基础上，搭建了整个排气能量回收热力系统分析模型。对增压柴油机实际热力循环研究表明：任意运转工况均存在一最佳过量空气系数使循

5、环效率最高，且该最优值随增压器总效率升高及负荷降低而逐渐增大。对涡轮前喷注蒸汽开展能量平衡及㶲平衡分析表明：喷注蒸汽流量对涡轮输出功影响最大，喷注温度次之，喷注压力基本无影响。对米勒循环研究表明：为实现缸内低温效果同时保证燃油效率不变，米勒循环需重新匹配较小截面的高效高压比涡轮增压器以及高效中冷器。对不同增压器匹配方案下应用排气能量回收系统研究表明：涡前喷注蒸汽在过量空气系数较低工况具有较高循环改进效果；单独采用米勒循环在低涡轮增压器效率以及高过量空气系数工况具有较高改进效果；喷注蒸汽并结合米勒循环可使最优过量空气系数附近

6、工况的循环效率进一步改进。第I页摘要基于柴油机耗气特性及涡轮增压器供气特性匹配图，开展应用排气能量回收系统匹配调节规律研究，结果表明：对于高转速工况，考虑增压器阻塞限制，喷注蒸汽需结合米勒循环来限制实际进气量，使得匹配运行点移向高压比方向；对于中等转速工况，实际喷注蒸汽流量需要考虑缸内最高压力限制；由于低转速工况下柴油机的耗气特性线斜率较高，同时涡轮在小流量范围内供气特性线斜率较小，喷注蒸汽对进气压力的改进效果不明显；应用能量回收系统后一般需要重新选配高压比范围的压气机以防止出现喘振现象。选用较小截面的涡轮，将HC4132

7、柴油机匹配点移至最大扭矩转速并应用排气能量回收系统，所得仿真结果验证了图解法所得匹配调节规律。对试验台架标定转速匹配的HC4132柴油机，基于试验设计理论进行应用排气能量回收系统优化计算，指导后期系统部件的选型、设计及试验方案的拟定。最后对能量回收系统各部件进行选型、设计、加工，搭建HC4132柴油机排气能量回收系统试验台架。对试验机型外特性各工况点依次开展热平衡试验、换热器性能试验、喷注蒸汽试验、喷注蒸汽参数影响规律试验、米勒循环试验、喷注蒸汽并结合米勒循环试验。研究结果表明：尽管冷却系统所含余热能远大于中冷器所带走余热

8、能，但两者所含可用能相当且远小于废气可用能。换热器蒸发效率主要取决于蒸汽流量比。对于高转速工况喷注蒸汽使得泵气损失及摩擦损失加剧，比油耗略有增大；对于低转速工况喷注蒸汽使燃烧过量空气系数显著增加、缸内循环功增大，比油耗可显著得到改善。更换米勒凸轮轴后，可使得高转速工况下泵气损失降低，比油耗略有改进；对于