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

发布时间：2017-08-31 10:02

  本文关键词：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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【摘要】：随着能源与环境问题日益严峻,单独依靠改进缸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?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工况的循环效率进一步改进。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;对于中低转速工况,进气流量的降低使得柴油机燃烧恶化、循环效率显著降低。在维持原机过量空气系数水平的条件下,采用涡前喷注蒸汽并结合米勒循环可使泵气正功增加,比油耗在高转速工况点可得到进一步的改进。
【关键词】：喷注蒸汽 米勒循环 能量回收 循环分析 匹配策略
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 引言11-14
• 1.2 内燃机余热回收技术介绍14-23
• 1.2.1 温差发电14-16
• 1.2.2 复合涡轮16-17
• 1.2.3 朗肯循环17-20
• 1.2.4 典型余热回收技术对比20-21
• 1.2.5 其它技术途径21-23
• 1.3 注蒸汽涡轮增压系统23-24
• 1.4 米勒循环技术24-26
• 1.5 本文的研究思路和内容26-29
• 第二章 柴油机排气能量回收热力系统建模29-55
• 2.1 系统描述29-30
• 2.2 增压柴油机实际热力循环模型30-39
• 2.2.1 理想循环30-32
• 2.2.2 实际循环32-35
• 2.2.3 循环分析建模及校核35-39
• 2.3 喷注蒸汽涡轮通流特性模型39-51
• 2.3.1 物理模型40-44
• 2.3.2 精度校验44-48
• 2.3.3 外推性能评估48-50
• 2.3.4 喷注蒸汽对涡轮通流特性影响50-51
• 2.4 排气能量回收系统模型搭建51-53
• 2.4.1 涡轮前喷注蒸汽51
• 2.4.2 米勒循环51-53
• 2.4.3 模型搭建53
• 2.5 本章小结53-55
• 第三章 柴油机排气能量回收系统参数影响规律分析55-78
• 3.1 增压柴油机参数影响规律研究55-60
• 3.1.1 涡轮增压器匹配55-57
• 3.1.2 负荷57-58
• 3.1.3 废气放气58-60
• 3.2 涡前喷注蒸汽热力过程分析60-67
• 3.2.1 系统描述60-62
• 3.2.2 热力学模型搭建62-64
• 3.2.3 喷注蒸汽参数影响规律64-67
• 3.3 米勒循环性能分析67-72
• 3.3.1 增压器匹配对米勒循环性能影响67-70
• 3.3.2 米勒循环程度影响70-72
• 3.4 排气能量回收热力系统分析72-77
• 3.4.1 喷注蒸汽对系统性能影响72-74
• 3.4.2 喷注蒸汽并结合米勒循环对系统性能影响74-76
• 3.4.3 应用能量回收系统参数配合运行方案76-77
• 3.5 本章小结77-78
• 第四章 柴油机排气能量回收系统匹配调节规律研究78-103
• 4.1 增压柴油机应用排气能量回收系统的匹配与调节78-86
• 4.1.1 传统柴油机与涡轮增压器匹配78-81
• 4.1.2 喷注蒸汽对匹配的影响81-83
• 4.1.3 米勒循环对匹配的影响83-84
• 4.1.4 喷注蒸汽并结合米勒循环的匹配与调节84-86
• 4.2 匹配调节规律验证计算86-91
• 4.2.1 应用排气能量回收系统计算方案86-88
• 4.2.2 匹配调节规律验证88-91
• 4.3 试验机型应用排气能量回收系统优化匹配研究91-101
• 4.3.1 HC4132柴油机建模91-92
• 4.3.2 优化模型92-97
• 4.3.3 参数匹配优化研究97-101
• 4.4 本章小结101-103
• 第五章 柴油机排气能量回收系统试验研究103-133
• 5.1 系统各部件选型、设计、安装及整机集成103-115
• 5.1.1 试验台架设计103-104
• 5.1.2 水泵104-105
• 5.1.3 换热器105-108
• 5.1.4 阀门和管路108-110
• 5.1.5 米勒凸轮轴加工110-111
• 5.1.6 传感器选型111-113
• 5.1.7 整机集成及系统调试试验113-115
• 5.2 热平衡试验研究115-117
• 5.3 涡轮前喷注蒸汽试验研究117-125
• 5.3.1 换热器性能试验118-119
• 5.3.2 涡轮前喷注蒸汽试验119-123
• 5.3.3 喷注蒸汽参数影响规律123-125
• 5.4 喷注蒸汽结合米勒循环试验研究125-131
• 5.4.1 米勒循环原机试验126-129
• 5.4.2 喷注蒸汽并结合米勒循环试验129-131
• 5.5 本章小结131-133
• 第六章 全文总结与展望133-136
• 6.1 全文总结133-134
• 6.2 研究展望134-135
• 6.3 创新点说明135-136
• 参考文献136-145
• 附录 符号与缩写145-148
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文148-149
• 攻读博士学位期间参与项目与获得奖励149-150
• 致谢150-152

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本文编号：764927