车用汽油机-废气涡轮发电系统性能仿真及试验研究

发布时间：2020-03-24 23:21

【摘要】：从内燃机热平衡角度分析,理想工况下发动机的有效功占燃料燃烧总热量的30%~40%,其余能量多伴随排气和冷却水散失,其中排气带走的热量占总热量的30%左右。汽车行业面临着节能与环保的双重挑战,节能和减排成为国内外各大车厂产品开发的重要目标。通过废气涡轮发电技术进行排气能量回收利用是提高汽车效率、实现节能减排的有效途径之一。本文以排量1.599L的G4ED型车用汽油机为研究对象,利用GT-POWER软件建立了汽油机-废气涡轮发电系统的热力学仿真模型,对其性能进行了仿真分析,得到了系统的燃油消耗率、废气涡轮进出口排气温度以及发电量等参数。同时对汽油机排气成分进行了分析,推导出了排气气体常数、定压比热容、定容比热容、比热比排气状态参数计算公式,并进行了数值计算。进而得出了不同工况下排气状态参数、排气余动能、排气余压能和排气余热能的变化规律,研究了排气状态参数对三种形式排气能量及废气涡轮输出功率的影响规律。仿真结果表明:排气状态参数和三种形式的排气能量均随着汽油机转速和负荷的增加而增加。整体上,该型号汽油机的排气能量有很大的回收潜力,最大值为81.8461W。其中,排气余热能为65.5847 kW;排气余压能为15.7798kW;排气余动能为0.4816kW。可见,排气余热能是排气能量回收的主要对象;一般在高速、高负荷区域考虑回收排气余压能;而排气余动能可忽略不计。另外,排气状态参数对三种形式的排气能量均有所影响,排气温度对排气余热能影响最大、排气压力对排气余压能影响最大、排气流速对排气余动能影响最大。废气涡轮的输出功率也是随着发动机转速和负荷的增加而增加,最大输出功率为32.6052kW。四种排气状态参数对涡轮输出功率均有影响,其中排气温度对输出功率影响最大,其他参数影响相对较小。对比涡轮输出功率与排气总能量可知,废气涡轮回收了38.8708%~58.4341%的排气能量,其余的能量均以排气的形式释放到大气中。搭建了汽油机-废气涡轮发电系统试验台架并进行了相关试验。确定了两个试验项目:不带废气涡轮发电装置的汽油机负荷特性试验和带废气涡轮发电装置的汽油机负荷特性试验。得到了两种试验项目下的燃油消耗量并进行经济性对比,此外,试验测得废气涡轮装置的发电量并与仿真结果进行对比,结果表明:试验与仿真结果有较好的吻合,但仿真结果略高于试验结果,对其产生的原因进行了分析。试验结果表明:相比不带废气涡轮的车用汽油机,汽油机废气涡轮能量回收试验系统的热效率平均提高15.20%,燃油消耗率平均降幅为18.07%,并且带废气涡轮的发动机的经济性没有明显恶化。车用发动机废气涡轮发电系统可以实现一定程度废气能量回收利用。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U467

【参考文献】