柴油机排气能量品质对废气涡轮发电能量利用效率的影响

发布时间：2017-10-05 05:05

  本文关键词：柴油机排气能量品质对废气涡轮发电能量利用效率的影响

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【摘要】：长期以来,内燃机的缸内工作过程以及各种先进内燃机技术(如增压、HCCI等)得到了深入研究,这些技术虽能改善内燃机缸内指示热效率但热效率提高的幅度很小。于是,人们以最大限度提高内燃机热效率为目的,从排气能量的回收利用角度出发,为内燃机的节能减排开创了新的研究方向。研究表明排气能量回收利用方式的不同,对排气能量品质的要求存在差异;内燃机缸内燃烧情况复杂多变,排气能量品质也不尽相同。因此,对不同工况下排气能量品质进行分析研究,才能实现合理利用发动机排气能量,同时促进排气能量回收利用技术的完善,达到节能减排的目的。本文在构建排气能量品质等级综合划分方法的基础上,分别研究排气能量品质对动力涡轮废气能量利用效率和发电效率的影响。搭建YND485Q柴油机——J56动力涡轮排气能量回收利用试验台架并进行相关试验;处理试验数据,研究排气能量品质对管道中的能量沿程损失和动力涡轮可用能损失的影响;利用Matlab/Simulink软件,实现动力涡轮——减速机构——发电系统模型的联合仿真,模拟计算出排气能量品质变化规律对废气涡轮发电系统发电效率的影响。研究结果表明:从热力学的角度,发动机排气可用能占柴油燃烧热的19%~30%。虽然发动机排气具有很高的可用能,但动力涡轮对这部分排气能量的利用率仅仅为5.69%~15.52%。当发动机转速为2800r/min,负荷为90%时,动力涡轮对排气可用能的利用潜力发挥到最佳状态。在排气能量品质等级综合划分方法下,该试验台架涡前、涡后排气能量品质等级、能级差范围分别为2.69~5.98、1.95~4.91和0.70~1.15。当转速为2800r/min、负荷为75%时,排气能量品质等级差达到最大值,对应的涡轮?效率也是最大值。相对于温度划分方法,综合划分方法下的涡前、涡后排气能量品质等级的范围缩小且能级差数值增大。2800r/min转速下,负荷从75%增大至90%期间,该试验台架废气涡轮能量回收利用效率保持在一个良好且稳定的状态。随着排气能量品质的增大,动力涡轮的等熵效率总体呈先增大后减小的趋势,动力涡轮可用能损失先增大后减小至最小值,之后继续增大。当排气能量品质等级数为4.75左右时,排气涡后压力、涡前压力和涡前排气温度分别为9.83kPa、22.08kPa和670K,此时达到此动力涡轮的最优膨胀比2.27,动力涡轮的等熵效率达到峰值,动力涡轮可用能损失最少。分析废气涡轮发电系统各组成部分的联合仿真结果,排气能量品质等级为4.70,涡轮等熵功率为14.22kW,对应的涡轮转速为50900 r/min,车用发电机不工作。当排气能量品质等级超过4.70后,发电机转速开始转动,且转速从6200r/min后一直呈线性增长。车用发电机开始稳定工作,对外输出稳定电压且电压的大小随时间成正弦曲线变化,幅值为28V,负载为50?时输出电流为0.56A。总的看来,当排气能量品质等级数超过4.70后,最终能够完全回收转化为电能的排气可用能约为2.12kW~3.08kW,废气涡轮发电能量回收系统利用效率为5.49%~10.14%。
【关键词】：柴油机 排气能量品质 涡轮发电 利用效率
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.172
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 废气涡轮发电能量利用国内外研究现状11-15
• 1.2.1 废气涡轮发电能量利用研究现状11-13
• 1.2.2 排气参数对发动机性能、动力涡轮性能的影响研究现状13-14
• 1.2.3 排气能量品质分析研究现状14-15
• 1.2.4 国内外研究现状评述15
• 1.3 论文研究目的及主要内容15-17
• 1.3.1 研究目的15-16
• 1.3.2 研究内容16-17
• 1.4 论文主要研究路线17-18
• 第二章 排气能量在动力涡轮中可利用性的研究18-31
• 2.1 排气状态参数的试验18-21
• 2.1.1 发动机废气涡轮能量回收系统的介绍18-21
• 2.1.2 试验方法和工况点的选取21
• 2.2 发动机排气能量的分析21-27
• 2.2.1 发动机的排气成分分析21-22
• 2.2.2 柴油燃烧热和排气可用能的计算22-27
• 2.3 发动机排气能量在动力涡轮中的利用潜力27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 排气能量品质分级方法研究31-49
• 3.1 能量品质等级的温度划分31-34
• 3.2 能量品质等级的综合划分34-47
• 3.2.1 稳定流动过程的气体状态分析35-36
• 3.2.2 基于多元回归分析法的能量品质等级综合划分方法36-39
• 3.2.3 能量品质等级温度划分和综合划分方法的比较39-47
• 3.3 本章小结47-49
• 第四章 排气能量品质对动力涡轮能量利用效率的影响研究49-53
• 4.1 排气能量品质对管道中的排气能量沿程损失的影响研究49-50
• 4.2 排气能量品质对动力涡轮可用能损失的影响研究50-51
• 4.3 本章小结51-53
• 第五章 排气能量品质对废气涡轮发电系统能量利用效率的影响研究53-60
• 5.1 基于Matlab/Simulink废气涡轮发电系统仿真模型的建立53-56
• 5.1.1 各组成部分仿真模型的建立53-55
• 5.1.2 废气涡轮发电系统的联合仿真模型55-56
• 5.2 仿真结果的分析56-59
• 5.2.1 车用发电机转速、输出电压、功率变化规律的研究56-58
• 5.2.2 排气能量品质对各重要组成部分回收能量利用效率的影响研究58-59
• 5.3 本章小结59-60
• 第六章 总结与展望60-63
• 6.1 总结60-62
• 6.2 展望62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-67
• 攻读学位期间取得的科研成果67

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