柴油机废气涡轮发电系统设计与性能研究

发布时间：2020-11-02 07:17

　　 从发动机热平衡和能量品质角度来看,燃料在发动机汽缸内燃烧产生的总热量中,其中废气带走的能量占30%~40%,废气中蕴含的能量利用潜力非常高。利用废气能量进行废气涡轮发电,是一种汽车节能减排的新途径。为了设计搭建柴油机废气涡轮发电系统,首先针对某型自然吸气式柴油机,开展动力涡轮的匹配研究,确定选择J56G-2型动力涡轮。其次,通过进行柴油机-动力涡轮联合工况试验,选择高速永磁发电机,确定以直齿圆柱齿轮减速传动机构的型式,计算减速传动机构的参数尺寸,完成柴油机废气涡轮发电系统各组成部分的设计选型。同时,确定了动力涡轮、齿轮和轴承的润滑方式,设计动力涡轮的润滑油路,采用油池润滑方式对齿轮进行润滑,选择润滑脂来对轴承进行润滑。最后,依据搭建柴油机废气涡轮发电系统进行试验,并根据试验数据进行研究分析,研究了不同工况下发电机输出功率的变化规律,同时从燃油消耗率、燃油消耗量和系统功率增长率的角度来分析柴油机原机与柴油机废气涡轮发电系统之间经济性的对比。最后针对柴油机废气涡轮发电系统,研究系统对排气能量的回收利用效率。试验发现:在(1800r/min,30%负荷)工况点,发电机开始工作对外输出功率和电压,并且随着柴油机转速和负荷的增加,发电机输出功率也呈线性增大。在低转速低负荷工况时,发电机输出功率较低,最低值为2.90W;高转速高负荷工况时,发电机输出功率较高,最高值达到776.76W。在试验工况下,系统功率增长率λ随着柴油机负荷和转速的增加基本呈线性增长的趋势。并在2200r/min~2400r/min转速时,系统功率增长率λ的增速达到最大。同时,在相同试验工况下,涡轮发电系统的燃油消耗率比柴油机原机试验时的燃油消耗率都要低,在30%负荷工况时,燃油消耗率平均减少31.02%,尤其是转速为2400r/min时,其降幅达到了最大值36.60%;在(2600r/min、60%负荷)工况点时,系统回收的排气净能量最大,为769.00W。在相同转速下,柴油机废气涡轮发电系统总能效率随着负荷的增加基本呈先增长后降低的趋势;在转速为1800r/min、2000r/min和2600r/min时,负荷从30%到60%,总能效率先增加再降低,在中间负荷区域达到最大值。然而在柴油机转速为2200r/min时,总能效率随着柴油机负荷的增大而逐渐增加;转速为2400r/min时,总能效率呈现与转速为2200r/min时完全相反的趋势,总能效率随负荷的增加而不断减小。而在相同负荷下,转速从1800r/min到2400r/min时,总能效率随转速的增加而增大,并在2400r/min时总能效率达到峰值;转速高于2400r/min时,总能效率随转速开始下降,因此,相同负荷下,总能效率呈先增大再降低的变化趋势。总体来说,试验工况下,柴油机废气涡轮发电系统总能效率在2400r/min时达到最优,总能效率的平均值为5.845%,最大值为6.913%。
【学位单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U464.172
【部分图文】：

涡轮回收利用发动机废气能量的优势所在，为发动机废气计提供了相应的理论基础和试验依据[13-14]。长安大学设计了一种涡轮发电装置的结构，该装置设定当转子，发动机排出的废气推动涡轮工作，此时涡轮对发动机排时发动机也处于高效率区，发动机总热能的利用率和燃料于GT-Suite建立了某重型柴油机可控机械复合涡轮回收整机械复合涡轮系统的分层效率评价指标，分别评价了其热力能以及系统的节油能力，研究表明，在标定工况下总能5 市郊驾驶循环工况下可降低 1.28%的燃油消耗[17-18]。立一个内燃机余热涡轮发电总能系统仿真平台，并搭建了搭建的涡轮发电试验系统对仿真结果进行验证分析，其系。研究发现，所搭建的涡轮发电系统能够提高系统对能量用工况点下系统有效效率可以提高 8%，在 US06 和 FTP油经济性分别提高 4.7%和 1.8%[19-20]。

需要的能量时，多出的涡轮机械能会带动并联在涡轮增压使其工作发电，发出的电能将会存储在蓄电池中[22-24]。薛轮发电系统结构研究，完成了发动机排气能量的计算和涡计，并通过研究分析系统能量的转换效率，从理论上证实的可行性和发动机排气能量的可有效利用性[25]。等利用发动机废气中具有的能量驱动涡轮旋转，带动与之工作发电，为车用电器提供电能[26]。钱人一将一台切换式低压废气涡轮机相结合组成涡轮发电系统，研究发现，该废气温度中以 80000r/min 的转速稳定运行。这一新概念 的电功率，如果能将电压升到 50V，则电功率有望达到 和高文志等人针对某型 2.0L 汽油机，搭建了朗肯循环试验朗肯循环试验系统性能的变化规律，其系统结构如图 1-2膨胀机的转速和输出功率都随汽油机负荷的增大而增加负荷为 90%时，膨胀机的转速达到了 1640r/min，输

汽车废气能量回收研究的较早，最早的时间是由美国军发动机制造商联合组织在 1988 年开始实施了 高性能TET）计划，计划在 2005 年将国内航空推进系统的动并首次提出涡轮发电系统与航空发动机结合的想法[30T 计划实施的第十年，即 1998 年，Brian J.Selfors 等轮空压机发电的装置，该装置是通过利用发动机废气动涡轮机，然后再带动发电机工作。这套装置最大的机和交流发电机三者集成于一体，最后该装置被安装率不足 1%[32]。公司的研究人员直接将动力涡轮安装在重型增压柴油人员首先研究了采用何种方法能够使发电机的发电效了不同负荷条件下动力涡轮发电系统、发电机发电量经济性的影响。研究发现：采用该型式的发电系统可经济性的 3%～5%，而且在适合条件的工况下燃油经且系统的负荷愈高，涡轮发电系统的效率愈明显[33]。
【参考文献】

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本文编号：2866738