（车辆工程专业论文）汽车废气能量回收装置的研究.pdf

摘要 y 7 3 8 9 9 1 节能足汽车工业发展的三大主题之一。由于能源消耗的加剧，汽车节能问题备 受人们的关注。有关研究资料表明，汽车燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右 被有效利用，其它的能量被排放到大气中，不仅造成了能源的浪费，还带来了不良 环境影响。因此，采用有效手段充分利用汽车排放的废热应当是我们实现汽车节能、 降低排放的一个研究方向。 本文对当前提出的各种汽车余热利用手段进行了分类，并做了综合分析比较， 提出汽车废气涡轮发电可能是比较理想的汽车余热利用方式，并进行了初步设计。 本文首先对汽车废气能量进行了分析，提出应当用有效能的能量衡算方法分析 汽车废气能量，指出了影响废气能量的因素并提出了提高废气中可用能量的措施。 其次，本文分析了不同排气系统在废气能量利用上的差异，提出了能量利用效率较 高的排气系统方案并针对一台发动机进行了没计。再次，本文提出了效率最大化的 涡轮设计方法并编制了优化程序，针对一台柴油发动机利用编制的优化设计程序进 行了涡轮部分设计。 本文最后对现有的涡轮损失模型进行了分析，选择出预测精度较高的一组模型 构成涡轮性能预测模型并编制了预测程序。利用编制的预测程序对所设计的涡轮进 行了性能预测，发现采用本文所述的装置可有效地回收发动机废气能量，所回收的 能量较大，不仅能够满足发动机本身发电装置的动力需求，而且有多余的动力输出 供其他设备使用。从预测的结果中还发现了涡轮设计中应注意的问题，为涡轮的加 工制造提供了有益的指导。 关键词；汽车；废气；余热；能量利用；涡轮 a b s t r a c t e n e r g y c o n s e r v a t i o ni so n eo ft h r e eb i g s u b j e c t si na u t o m o b i l ei n d u s t r yd e v e l o p m e n t b e c a u s e e n e r g yc o n s u m p t i o ni n t e n s i f y i n g ，t h eq u e s t i o n o fa u t o m o b i l e e n e r g y c o n s e r v a t i o n p r e p a r e sp e o p l e s a t t e n t i o n t h er e l a t e dr e s e a r c hm a t e r i a li n d i c a t e d ，t h e e n e r g ys e n d i n g o a tf r o ma u t o m o b i l ef u e lb u r n i n go n l yh a sa b o u t1 3e f f e c t i v e l yb e e nu s e d ， o t h e re n e r g i e sd i s c h a r g ei n t ot h ea t m o s p h e r e ，n o to n l yh a sc r e a t e dt h ee n e r g yw a s t e ，b u t a l s oh a sb r o u g h tt h ep o o re n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e t h e r e f o r e ，a d o p t i n gt h ee f f e c t i v e m e t h o dt o f u l l y u t i l i z et h ew a s t eh e a t d i s c h a r g i n g f r o mt h ea u t o m o b i l eh a st ob ea r e s e a r c hd i r e c t i o n t h i sa r t i c l eh a sc l a s s i f i e dt h em e t h o do fa u t o m o b i l ew a s t eh e a tu t i l i z a t i o nw h i c hh a s b e e np r o p o s e dc u r r e n t l y ，a n dc a r r i e do nt h eg e n e r a l l ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，p r o p o s e d t h a tt h et u r b i n ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o ni sp o s s i b l yt h eq u i t ei d e a lm e t h o do fa u t o m o b i l e w a s t eh e a tu t i l i z a t i o n f i r s t l y ，t h i s a r t i c l eh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i so ft h ee n e r g yi n c l u d e di nt h e a u t o m o b i l ee x h a u s tg a s ，p r o p o s e dt h a tw es h o u l du s et h ee f f e c t i v ee n e r g yw e i g h i n g m e t h o dt o a n a l y s i st h ee n e r g yi n t h ea u t o m o b i l ee x h a u s tg a s ，p o i n t e do u tt h ef a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ee n e r g yi n t h ee x h a u s tg a s ，a n dp r o p o s e dt h em e a s u r et oe n l a r g et h e q u a n t i t yo f e n e r g y w h i c hc a nb eu t i l i z e di nt h ee x h a u s tg a s s e c o n d l y ，t h i s a r t i c l eh a s a n a l y z e dt h e d i f f e r e n c ei nt h ee x h a u s t g a se n e r g y u t i l i z a t i o no fd i f f e r e n te x h a u s ts y s t e m ，p r o p o s e dt h ee x h a u s ts y s t e mp l a nw h i c hc a nb r i n g a b o u th i g h e re f f i c i e n c yo f e n e r g yu t i l i z a t i o n ，a n dc a r r i e do nt h ed e s i g nw h i c ha i m sa ta d i e s e le n g i n e ， t h et h i r d ，t h i sa r t i c l eh a sp r o p o s e dt h ed e s i g nm e t h o do ft u r b i n ew h i c ha i m sa tt h e e f f i c i e n c ym a x i m i z a t i o n ，e s t a b l i s h e dt h eo p t i m i z e dp r o c e d u r e ，a n dc a r r i e do nt h et u r b i n e d e s i g ni nv i e w o fad i e s e le n g i n eu s i n gt h ee s t a b l i s h e do p t i m i z a t i o nd e s i g np r o c e d u r e f i n a l l y ，t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e dt h el o s i n gm o d e l o f t h et u r b i n e ，s e l e c t e do u tas e to f m o d e l st oc o n s t i t u t et h ef o r e c a s tm o d e lo ft u r b i n ep e r f o r m a n c ea n de s t a b l i s h e dt h e f o r e c a s t i n gp r o c e d u r e t h i sa r t i c l eh a su s e d t h ee s t a b l i s h e df o r e c a s t i n gp r o c e d u r et oc a r r y o np e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no ft h ed e s i g n e dt u r b i n e ，d i s c o v e r e dt h a tt h ee n e r g yr e c y c l e d f r o mt h ee x h a u s t g a sb yu s i n g t h ee q u i p m e n ts t a t e di nt h i sa r t i c l ei sb i g g e r , n o to n l yc o u l d s a r i s f yt h eg e n e r a t o rp o w e rd e m a n do f t h ee n g i n e ，b u ta l s oh a ss u r p l u sd y n a m i c o u t p u tt o s u p p l yo t h e re q u i p m e n t f r o m t h ef o r e c a s t i n gr e s u l t sh a sa l s od i s c o v e r e dt h em a t t e rw h i c h s h o u l db ep a i da t t e n t i o nt oi nt h et u r b i n ed e s i g n ，a n dp r o v i d e db e n e f i c i a li n s t r u c t i o nf o r t h et u r b i n em a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ；e x h a u s tg a s ；w a s t eh e a t ；e n e r g yu t i l i z a t i o n ；t u r b i n e 青岛大学硕士学位论文 引言 1 研究背景及意义 社会经济的发展使能源消耗量急剧增加，能源供需矛盾日益突出，并造成了严 重的环境问题。由于汽车保有量越来越大，汽车的能源消耗在总能源消耗中所占的 比例越来越高，汽车节能问题越来越受到各个国家的关注，成为当今世界汽车工业 发展的主题。我国是一个石油存储量相对欠缺的国家，目前已成为世界第二大石油 进口国，而汽车消耗的能源主要是石油燃料。随着我国汽车工业的迅速发展，提高 汽车燃料有效利用率和减少环境污染在我国具有更为重要的战略意义。调查研究表 明，汽车燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右被有效利用，其它的能量被散发、 排放到大气中，这造成了能源的浪费，并带来了不良环境影响。因此有效利用汽车 废热是实现汽车节能，降低汽车能源消耗的一个有效途径。 ( 1 ) 汽车废热利用的空间 从目前汽车所用发动机的热平衡来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧 总热量的3 0 一4 5 ( 柴油机) 或2 0 一3 0 ( 汽油机) 。以废热形式排出车外的能量占燃烧 总能量的5 5 一7 0 ( 柴油机) 或8 0 s 一7 0 s ( 汽油机) ，主要包括循环冷却水带走的热量和 尾气带走的热量“”“6 “”。表l 为内燃机的热平衡表。3 。 表1 内燃机的热平衡 热平衡各分项汽油机高速柴油机中速柴油机 转变为有效功的热量 2 0 3 03 0 4 03 5 4 5 冷却介质带走的热量 2 5 3 02 0 2 51 0 2 0 废气带走的热量4 0 4 53 5 4 03 0 4 0 其它热量损失5 1 05 1 01 0 1 5 从表l 中可以看出汽车废热利用有较大的空间，其有效利用自然受到人们越来 越多的关注，不少人致力于此方面研究。 ( 2 ) 汽车废热利用特点 由于车用发动机特殊的使用场合，汽车废热利用具有鲜明的特点和特殊的要求， 可将这些特点简单归结如下。”“”1 ：一是汽车废热的品位较低，能量回收较困难； 二是废热利用装置要结构简单，体积小，重量轻，效率高：三是废热利用装置要抗 震动，抗冲击，适应汽车运行环境：四是要保证汽车使用中的安全；五是要不影响 发动机工作特性，避免降低发动机动力性和经济性。由于汽车废热利用具有上述特 点，使得研究的成果虽多，但投入商业化生产的不多，只在废气涡轮增压方面取得 1 引言 实用性进展。 2 研究进展综述 目前，国内外汽车余热利用的技术，从热源来看，有利用发动机冷却水余热和 利用排气余热两种，从用途上来看，有废气涡轮增压、制冷空调、发电、采暖、改 良燃料等方式。在所有一k 述方法中，只有废气涡轮增压实现了产业化，其他方法由 于技术和其他方面原因，仍处于研制或试验阶段，尚未投入商业化生产。以下从用 途上分类介绍国内外相关技术的研究状况。 ( 1 ) 涡轮增压技术 废气涡轮增压技术是利用废气中的部分能量来提高内燃机的进气压力进而增加 充气量、以改善动力性和经济性的内燃机性能提高技术。废气涡轮增压装置主要由 同轴装配的涡轮和压气机组成，发动机排出的废气经排气管进入涡轮推动涡轮运转， 从而带动压气机压缩新鲜空气并通过进气管送入发动机汽缸内。废气涡轮增压改善 了内燃机的动力性和经济性，但这种处理方法的主要目的是借助废气中的部分能量 来提高内燃机的进气压力增加充气量，而不是回收再利用废气中的能量；另外，由 于内燃机与涡轮增压装置联合工作时能量传递的特点，使增压内燃机的加速性能和 扭矩特性受到影响，给增压内燃机的使用增加了一些强制附加条件，造成使用上的 不便“”；此外，这种技术和装置在汽油机与小型柴油机上使用时效果不明显，目前 多在大型柴油机上使用，使用面向与范围受到一定限制。随着汽油机电子喷射技术 的广泛运用，汽油机废气涡轮增压也将得到发展。但是汽油机废气涡轮增压还需解 决发动机爆震、热负荷增加等问题后才能大批量投入使用“”“3 。 ( 2 ) 余热制冷技术 目前，在轿车空调中，占统治地位的是蒸汽压缩式空调系统，采暖则利用发动 机冷却水余热。轿车空调一般要消耗8 1 2 的发动机动力“，这一方面增加了油耗， 加大了废气排放量，加剧了空气的污染；另一方面易引起水箱过热，影响轿车动力 性；同时由于蒸汽压缩式空调系统采用的制冷工质为氟利昂类化合物，导致温室效 应加剧。因此解决舒适性与制冷功耗之间的矛盾已成为现代轿车空调研制中的难题。 回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统，实现轿车空调，是理想的节能方案， 也是目前世界各国都在研究的课题。目前提出的这方面技术主要有吸收式和吸附式 两种。 吸收式制冷 吸收式制冷原理是以热能为动力来完成制冷循环的，有利用汽车循环冷却水余 热和利用排气余热两种途径“m ”“”“7 “。在相关文献中，研究最多的是利用循环冷 却水余热来实现吸收式制冷，由于排气温度高于冷却水温度，且可利用热量大于冷 2 青岛大学硕士学位论文 却水，当然也可以利用排气余热来实现吸收式循环。在吸收式制冷循环系统中，所 采用的工质有水一溴化锂、氨一水、r 2 2 - 眦e t e g 、r 2 2 一嬲俐、r 2 2 - d m f 等。 吸收式制冷系统有较大的c o p ( 相对于吸附式而言j ，但结构复杂、体积大、造 价高，而且四器( 发生器、冷凝器、吸收器、蒸发器) 需要自由水平面，不太适用于 经常处于颠簸、运动状态f 的汽车。 i 吸附式制冷 吸附式制冷是利用某些固体物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸汽， 在另一种温度、压力下又能把它释放出来的特性“6 “7 “”。”来实现制冷。这种 吸附与解吸过程导致压力变化，从而起到了压缩机的作用。该制冷系统由发生器、 冷凝器、蒸发器和节流装置组成。 在余热回收中可以考虑两种方式“，利用冷却水中的热量和利用发动机排气中 的热量。如果使用从发动机冷却水中回收的热量，由于水与吸附器的换热效率高于 气体与吸附器的换热效率，对热量回收较为有利；但是热源温度相对较低( 低于1 0 0 ) ，与用于冷却的空气温度相差不大，这样循环的温差比较小，使循环的吸附解吸 量较低，对工作是不利的。如果使用从发动机排气中回收的热量，气体与吸附器的 换热效率低，造成回收热量困难，但由于发动机排气的温度较高( 汽油机5 0 0 6 0 0 ，远高于冷却水的温度) ，对热量回收又是有利的，而且此温度与冷却空气的温度 相差较大，可以使系统循环温差较大，从而产生较大的吸附解吸量。 吸附式系统结构简单、造价低，在提高床的传热传质能力的情况下，可大大提 高系统的性能，是较为理想的系统。但吸附式制冷的c o p 不高，需要较长预备时间， 单位质量的吸附剂产生的制冷功率较小，系统笨重，废热利用率不高，而汽车空调 要求体积小、制冷量大、性能可靠、操作方便。这限制了它的应用和发展。要达到 以上要求，必须提高系统c o p 值及单位质量吸附剂制冷功率。目前，在吸附制冷系 统中，常用的吸附质( 制冷剂) 有氢气、水、甲醇、氨气、r j 3 4 a 、r 2 2 等。 喷射式制冷 郑爱平、赵乱成、钟琼香等提出了利用以托咒一刀为工质的汽车余热驱动的 喷射式制冷系统。喷射式制冷循环的主要特点是以喷射器代替压缩机，以消耗热能 作为补偿来实现制冷的”“”“”。“，其工作循环如下： 被加热器加热的高温高压工作蒸汽，通过喷管进行绝热膨胀，形成一股低压、 高速气流，将蒸发器内的低压气态制冷剂抽吸到喷射器内，并与之混合，在扩压器 内增压后进入冷凝器，被冷却介质冷凝成液体。然后，一部分凝结液作为制冷剂通 过节流阀降压降温，在蒸发器中吸热气化变成低温低压蒸汽；另一部分则通过循环 泵被提高压力后送回加热器，用作工作蒸汽。喷射式制冷系统除循环泵外没有其它 运动部件，而且系统中的工作蒸汽与制冷剂是同种物质，不需要类似吸收式制冷 3 引言 机中的制冷剂分离设备，因而结构简单，耗功量少。再加上可以利用低品位热能， 所以适用于有余热可以利用的汽车空调器。 ( 3 ) 余热发电 利用废气能量发电的方法基本有三种，分别为利用半导体温差发电、氟龙透平 发电和废气涡轮发电。 半导体温差发电o “2 ” 随着半导体材料及其加工技术的发展，金属导体热电转化效率逐渐提高，利用 半导体温差发电在动力范畴有了应用的可能。资料表明：半导体温差发电材料的热 电转化效率可达3 3 ，甚至是7 。 吉林大学的董桂田通过试验证明用汽车发动机排气废热温差发电能够取代传统 的汽车发电机，且温差发电吸热降温对汽车整体性能大有稗益。因为温差发电截流 了部分传入热枫冷源的热量使其热效率有所提高，且温度降低导致排气压力减少也 有助于汽车i 噪声水平下降，这可使汽车消音器的结构简化紧凑。同时温差发电本身 是静态下能量转换，没有旋转部件，勿需传动系统。但由于热电转换效率低，此种 方法只利用了发动机废热的一小部分，有待于进一步提高热电转换效率和寻找具有 更高热电转换效率的材料。 氟龙透平发电o ” 日本的一色尚次提出了利用发动机废热的氟龙透平发电装置，浚装置利用一种 在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质( 通常为氟利昂) 作为工质，使其 在吸收发动机废热后由液态变为高压蒸汽从而推动透平机发电。此种装置在利用低 品位热能方面有优势，其缺陷是系统较为复杂笨重。 废气涡轮发电“儿2 7 “2 ” 青岛大学的张铁柱提出了利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想，并设 计了一种新装置来实现，获得专利一项。日本的吉圉佑也曾作过此方面的实验，证 明了利用废气能量驱动涡轮所发出的电能足以提供汽车运行所需电能，但未做进 步研究。此种装置结构简单，但有可能对发动机工作性能产生影响。 ( 4 )余热采暖 余热式暖气装置利用汽车发动机工作剩余热量供暖，有两种型式 。“7 “2 ”。川。”。”：利用发动机冷却水的热量，称为水暖式；利用发动机排气系 统的热量，称为气暖式。余热式暖气装置的优点是既不需要在汽车上增加热源，又 不增加发动机本身的热量消耗，成本较低、经济性好、使用方便。其缺点是发热量 的大小受发动机工况的制约，而且仅在冬季发挥作用，废气能量利用不充分。 水暖式暖风装置广泛应用于汽车采暖系统中，但其发热量较小，主要用于非严 寒地区取暖容量较小的货车和轿车。在环境温度较低时，会使发动机处于过冷状态， 4 青岛大学硕士学位论文 增加了发动机不必要的机械磨损，降低了发动机的功率。气暖式暖风装置的发热量 大，采暖效果较好，受环境温度影响小，对发动机： 作影响小，但要注意不要增加 排气背压，否则将影响到发动机的工作性能。 ( 5 ) 改良燃料m 6 肼1 利用发动机排气余热加热燃料，使其在催化剂作用下能分解出氢、一氧化碳等 可燃气体，可提高燃料的燃烧热值，减轻排放污染和积碳。l 匕女t ：r 甲醇，改性后越、 c 移的含量可增大2 0 ，玎有效减轻污染祁积炭。若使用尸系列或n ，埘纾系列 催化剂，甲醇改性只需约3 0 0o c 的反应温度，利用发动机排气就可达到所需温度。这 种方法的缺陷在于只利用了发动机余热的一部分，其目的重在改良燃料而非充分利 用废气能量。 3 小结 从上述介绍中我们可以得出如下结论： ( 1 ) 对废气涡轮增压来说，目前存在的最大问题是影响了发动机的工作性能，特 别是在低工况下的性能。为解决此问题，不得不使用混合形式的增压系统，即在低 工况下利用蓄电池电能驱动涡轮增压器，其他情况下使用废气涡轮增压，并在赢工 况时采用废气旁通来解决涡轮转速过高的问题。如果将废气能量转换为电能进而驱 动压气机，这样一方面可简化增压系统，另一方面高工况时不必采用旁通方法而充 分利用废气能量，多余的电能可供给蓄电池和其他用电设备使用。 ( 2 ) 对利用废气能量实现制冷空调来说，无论是吸收式还是吸附式，由于存在 c o p 值较小( 对压缩式) ，体积过大，不适应汽车运行状况等致命缺陷，用此科方法 替代现有汽车空调是不可能的。如果将废气能量转换为电能从而驱动现有的汽车空 调压缩机，一方面可不必改装现有的汽车空调，另一方面可充分利用废气能量，实 现以较小的代价取得较大的效益。 ( 3 ) 对利用汽车废热供暖来说，在非严寒地区，冬季车内供暧利用发动机冷却水 的余热就可满足而不必改装现有的供暖系统；在严寒地区利用废气余热供暖存在着 明显的季节性，废气能量的利厢不充分，如废气能量转换为电能的效率足够高，可 考虑利用转换得来的电能供热，一方面可充分利用能量而不仅限于冬季，另一方面 可减少供暖系统布置的困难。 ( 4 ) 对半导体温差发电来说，由于高效率的热电转换材料尚未发现，已知的热电 转换材料效率太低，至少在目蓠此种方法还不十分可行。 ( 5 ) 对利用废热改良燃料来说，这种方法只利用了余热的极小部分，经济性较差， 不能作为废气能量利用豹主要方向。 因此，笔者认为利用废气能量转换为机械能进而转换为电能应作为废气能量利用 5 引言 的主要研究方向。此种方法对废气能量的利用率较高，且通过转换得来的电能可灵 活方便地使用，更重要的是这种方法不需对原有汽车设备做较大改动，易于实现产 业化。但此种方法需解决的主要问题有：一是加装能量回收装置后会对发动机工作 性能产生影响，如何尽量减少甚至消除这种影响是非常重要的；二是能量转换装置 的转换效率能够达到多少需要通过试验来明确，转换效率决定其实用性。三是选择 何利咱量回收装置才能达到较高的效率，需要通过试验进一步证明。 4 本文主要工作 ( 1 ) 工作目标 为克服现有汽车废气能量回收利用装置巾存在的能量转换效率不高，实施过程 困难，用途单一，且结构复杂，体积大等缺陷，设计一种将汽车废气能量转换成机 械能的新型装置，并将其应用到所有内燃机，所提供的动力可以完全或部分地驱动 内燃机没有定时要求的附件，如电动机、蓄电池、水泵、动力转向油泵、真空泵甚 至空调等。为了实现上述目的，本装置拟通过动力涡轮实现废气能量的回收和向机 械能的转换。 ( 2 ) 主要研究内容 发动机废气能量分析、有效能的影响因素及解决措施： 研究排气系统对能量传递效率的影响并提出设计方法； 研究动力涡轮的效率最大化设计方法并编制优化设计程序； 研究涡轮损失模型进而建立涡轮性能预测程序，并对预测结果进行分析。 6 青岛大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章汽车废气能量的分析 从前面的介绍中，我们知道发动机排放的废气中包含有较大的能量，但这些能 量能甭被充分有效的利用是需要解决的一大难题。发动机废气能量回收技术实际上 是种节能措施，对于任何一种节能方案的有效实施，首先必须对所回收的系统能 量进行分析，找出最佳的节能措施，才能取得良好的节能效果。发动机排4 - c 门打开 后，汽缸内的燃气所包含的能量并不能完全用来做功。这是因为：在实际利用过程 中，废气压力不可能降低到低于大气压力，以不影响发动机的排气；温度不可能低 于水的凝点，以防止对排气系统造成的腐蚀破坏；其次，排气能量在传递过程中还 要经过一系列损失，如：排气门的节流损失、排气管道中的流动损失以及能量利用 装置中不可避免的损失等，其中，排气门的节流损失所占比重最大。因此，在实际 的废气能量利用过程中，非常有必要对废气能量进行分析。 废气能量分析的目的： ( 1 ) 明确废气能量利用的理论极限，以便对实际利用的有效程度进行评价。 ( 2 ) 确定实际利用过程中造成能量损失的原因，以便采取相应措施，减少损失， 提高利用效率。 ( 3 ) 便于对不同的利用方式进行比较，以确定最佳的利用途径。 通过对废气进行能量分析，可以明确可用能量的比例，确定合适的节能手段， 减少有效能量的损失，以提高能量利用效率，以求达到最好的节能效果。 1 2 废气能量分析的方法 ( 1 ) 能量衡算法 在以往的发动机废气能量分析中大都采用能量衡算法。应用这种方法，把发动 机工作时消耗的燃料所发出的热量分为转变为有效功的热量、冷却介质带走的热量、 废气带走的热量和其它热量损失等几部分。在本文绪论中，曾介绍了发动机能量平 衡表，这个平衡表就是利用能量衡算法得到的。从这个表中我们可以看出发动机废 气带走的能量占燃料发出的热量的3 0 一4 5 ，比例是相当高的。 然而，用能量衡算法得到的这个数据并不能真实的反映节能潜力，因为这部分 废气带走的能量中有很大一部分是无法回收的，真正能够利用的只是其中的一小部 分。这是由于废气中的能量是一种低品质的能量，温度、压力都相对较低，用能量 衡算法得出的热量反映不出实际可利用的能量多少。例如，回收了同样是1 0 0 0 k j 的 7 第一章汽车废气能量的分析 废热，温度分别为8 0 0 。c 、1 1 0 。c 、5 0 。c ，当环境温度为3 06 c 时，1 1 0 。c 的废热其作功 能力只有8 0 0 。c 废热的1 3 左右，而5 06 c 废热的作功能力又只有1 1 06 c 废热的1 3 左右，热量卡h 同但作功能力大不一样。 卜 l 此叮见，用能量衡算法无法反映出真实的节能潜力，因为能量衡算法的依据 是热力学第一定律，即能量守恒定律，它以量为基础，从能的本性的一个侧面( 量 的方面) 说明了能量平衡关系，并没有体现能的全部特性，没有考虑能质的差别， 这是能量衡算法的局限性。为了更好地回收废热、提高能效，必须应用更有效的分 析方法。 ( 2 ) 有效能( 火用) 分析法” 为准确的反映废气能量回收的节能潜力，本文介绍一种新的方法一有效能分析 法，也称火用分析法。这种方法的依据是热力学第二定律，它把能量的量和质结合 起来考虑，全面体现能的本质。烟分析认为：一切能量形式都由火用和火j 己组成。 并且其中每一项组成都可以为零。并认为炯在给定环境状态下能够转换为其他任 何一种形式的能，火无是一种不可转换为娴的能量。在任何过程中二j 佣和火无的总 和不变。 热力学第二定律指出，一切自动过程均向着能量质量降低的方向进行。有效 能( 埘日) 是从热力学第二定律导出的一个热力学函数，其定义是：一定状态下的物 质通过物理的和或化学的方法变化到环境状态时所能作出的最大功。据此，热的 有效能计算式为： = 既。= - 一争) t c ， 式中，凡、7 分别为环境温度、系统温度，p 为系统热量。 有效能匠是可转换为功的能量，无效能是不能转换为功的那部分能量，它的大 奄为：q ( t ) ， 系统的有效能e 不仅与系统的温度几压力p 有关，而且与工质的组分7 、流 速r 和工质相对环境的位置z 有关，即： e j = 厂p ，p ，”，矿，z ) 1 一( 2 ) 系统的温度和压力越高，系统中有效能的比例就越大。 在开口系统中，流动的工质从某一初态出发，经过一系列的可逆过程达到与环 境平衡，此时工质所能完成的最大有用功，即最大可用能，就称为开口系统的火用。 公式为： 青岛大学硕士学位论文 e 。= w m 。= 。，一一。) + 瓦g 。一s - ) = c ，( 巧一t o ) + 乃 c ，加号+ r 抽每j 一( s ) 式中，厅，、岛分别为初态和终态的焓；乃为环境温度；s o 、s t 分别为初态和终态的熵i 只、p o 分别为初态和终态的压力；o 为工质的定压质量比热；斤为气体常数。 山于实际过程都是不可逆过程，必然造成有效能损失。如在一个不可逆绝热过 程巾，l 质所能作出的最大功为： w s = c 。一t o ) 1 一( 4 ) 火嗣损失为： 铲瓦卜加每j 酌 火用是通过热力学第一定律和第二定律结合而得到的，既考虑了能量的数量关系 又考虑的能量的品质关系。用火用来分析热力过程，可以更明确的揭露在热力过程 中的不足之处及有效能的损失，有利于更深刻的认识热能转变为功的规律，并探索 改进的途径，从而更有效地利用能源。有效能分析法可反映废热的能量品质，明确 了废气能量中可用能的大小，是评价废热回收利用技术优劣的重要依据。 1 3 废气能量中的有效能损失分析 根据发动机排气的流动过程，分别取不同的部位加以研究，分析其中有效能的 变化，可从中找到提高废气能量回收效率的途径。发动机排气从汽缸出发，流经排 气门、排气支管、排气总管、能量回收装置、后排气管排放到大气中。所取的部位 为汽缸排气门入口、排气门出口、排气总管入口和废气能量装置入口。 ( 1 ) 汽缸排气门入口处废气所包含的能量 汽缸排气门入口处废气所包含的能量由汽缸内排气拥有能量、活塞对排气做功 及扫气空气所包含能量三部分组成“。发动机每循环排气的最大可用能量可定义为： 在个理想的绝热过程中，不考虑摩擦损失，这部分废气等熵膨胀到大气压力所输 出的功。 e z = i m g 十m r 虹6 一t t 5 ) 一m ，0 ，一u 5 ) 一m g p v j + 阡0 l 一( 6 ) 式中，忍是发动机每循环排出汽缸的燃气质量；珥是每循环排气终了残留在汽缸内 的燃气质量；磁是活塞在排气过程中所做的功；胁是大气压力；y ，“分别是比容和 内能；下标b 、5 、，分别表示排气初始状态、环境状态和排气终了汽缸内状态。 汽缸排气门入口处废气所包含的有效能就是排气最大可用能量。活塞对排气做 9 第一章汽车废气能量的分析 功所产生的能量是我们要想办法减少的，因为这部分能量是燃气所做的有效功转换 得来的，过大会加大发动机的泵气损失，造成有效功输出降低；扫气空气所包含能 量比较小，因为扫气空气的温度压力都比较低，接近于环境的温度压力，可以忽略 不计。因此，排气门入口处废气所包含的有效能主要是排气拥有的有效能，它取决 于排气门丌肩时废气的压力和温度。 ( 2 ) 排气门出口处废气包含的能量 此部分废气包含的有效能由于排气门的节流作用，损失较大。在排气初期，由 于排气门两侧压差大，排气门流通截面积小，气体处于超临界流动状态，节流损失 大；在排气后期，排气门两侧压差变小，气体处于亚临界流动状态，节流损失降低。 排气节流损失主要与汽缸截面积、排气门开启面积、排气支管截面积、汽缸内压力、 排气支管压力等有关。要减少这部分损失，主要的措施有： 对于排气阀，要求其在加速度允许的范围内用最短的时间把阀门尽快打开，同 时还要有足够的面积把汽缸内的燃气排出，以便有效地利用排气能量。此外，还要 求在进排气门叠开期间，汽缸出口压力能充分下降，以提高扫气效果。 ( 3 ) 排气总管入口 废气从排气门出口到达排气总管入口，这期间发生的能量损失主要有：流动摩 擦损失、散热损失和局部阻力损失。流动摩擦损失与支管的截面积、管内的气体流 速、支管内表面的摩擦系数等有关；散热损失与气体的温度、支管的表面积、支管 的传热系数以及保温措施等有关：局部阻力损失与支管的形状、支管截面积的变化、 总管入口处的形状、气体的流动速度等有关。 ( 4 ) 废气能量装置入口 从排气总管入口到废气能量装置入口所发生的损失形式与第( 3 ) 部分中的形式 基本相同。流动摩擦损失与总管的截面积、管内的气体流速、总管内表面的摩擦系 数等有关；散热损失与气体的温度、总管的表面积、总管的传热系数以及保温措施 等有关；局部阻力损失与总管的形状、总管截面积的变化、废气能量装置入口处的 形状、气体的流动速度等有关。 1 4 提高废气能量利用效率的措施 从上一节的分析中，可以确定废气有效能的大小取决于两个方面：一是它的初 始状态，即排气门开启时汽缸内的气体状态；二是它在传递过程中的损失大小，即 由排气门入口到废气能量装置入口这段流动路程中的损失。由此，我们可以得到提 高废气中包含的有效能的两方面措施。一是从改变发动机结构入手，在不影响发动 机正常工作效率和性能的前提下，提高废气排放开始时的压力、温度，以提高废气 中包含的有效能；另一方面，从减少废气能量传递过程中有效能的损失出发，以保 】0 青岛火学硕士学位论文 证废气能量能够被有效利用而避免无谓的损失。 1 4 1 改变发动机结构的措施 由1 1 节我1 r i c h 道，废气能量中炯含量的高低与温度、压力、成分、流速和 位置有关，而废气的成分是由燃烧过程决定的，且在发动机正常工作过程中基本不 变，可视为外变量；位置对废气能量影响很小，可忽略不计；温度、压力和流速则 由发动机的工作结构和工况决定，且温度、压力和流速越高，火用的含量就越高。 因此，提高废气能量中火用含量的措施在于改变发动机的结构，从而提高废气的温 度、压力和流速。可采取的措施有采用隔热发动机和提高平均工作压力等。这两项 措施实际上是发动机节能措施，但在一定程度上提高了废气中有效能的比例。 所谓隔热发动机“”就是取消冷却系统，采用隔热层减少辐射损失，活塞、汽缸、 气门的表面均镀上陶瓷材料，可以承受很高的温度，原来被冷却系统排出的热能被 积聚起来用于提高发动机的热效率。福特公司在八十年代研制过这样的隔热发动机， 冷却系统的热损失减少了9 3 ，试验结果为：燃油经济性提高2 一2 5 ( 随负荷率 的变化而变化) ，排放降低3 8 5 6 。按理论计算，隔热发动机的燃油经济性可提 高4 0 一4 5 ，试验结果说明单纯用取消冷却系统的方法其效果并不像预期的那样 高。但由于冷却系统的热损失减少，提高了发动机的工作温度，废气的压力温度也 得到了提高，从而使废气中包含的有效能提高。如果能充分利用废气的可用能，将 隔热发动机技术与废气能量回收技术结合起来，可使发动机有效热效率提高到 4 8 5 4 “。实际上，通过这种方法所得到的有效能的增加只是提高发动机直接功量 转换效率所带来的一种副产品，而且增大了发动机的热负荷，不利于发动机的稳定 工作。 发动机平均工作压力的提高可提高排气初期的废气压力，从而提高废气包含的 有效能比例。但提高平均工作压力受到发动机结构强度的限制，另外还会增大发动 机工作过程中的摩擦损失。 上述的两种方法在提高发动机热效率的同时，也提高了废气中有效能的比例， 两者是吻合的，但这些措施显然受到结构、机械效率、燃烧等多方面的限制，需要 对发动机进行重新设计和性能评价，实旋起来难度较大。通过减少废气能量传递过 程中的火用损失措施是对现有发动机较为简单和实用的方法。 1 4 2 减少废气能量传递过程中的火用损失措施 排气能量传递效率的大小与排气门始开点压力、排气门开启规律、开启最大面 积、汽缸盖排气道的设计、排气管系的设计( 直径、长度、分枝情况) 以及废气能 第一章汽车废气能量的分析 量利用装置的结构参数有关。废气能量传递过程中产生的炯损失主要是排气门的 节流损失、排气管内的摩擦损失( 局部阻力损失和沿程阻力损失) 、散热损失和能 量回收装置中的损失。这些损失产生的原因在于： ( 1 ) 排气能量的节流损失主要发生在超临界出流时，因此，控制超临界出流的 时间，使其越短越好。超临界出流的时问取决与排气门两侧压差和流量，可通过迅 速提高排气发生后排气支管的压力和加大排气门流通面积的措施减少超临界出流的 时间，同时加大排气门流通面积也使得流动阻力损失减少。 ( 2 ) 排气管内的摩擦损失受排气管内表面摩擦系数、管内c 体流速、截面积变 化及排气管形状影响，应在保证发动机正常排气和扫气的前提下，降低摩擦系数、 气体流速，减少截面积变化和排气管的过多转弯。 ( 3 ) 散热损失主要与管道表面积、温差和传热系数有关，对排气管道保温、减 小传热系数是行之有效的方法。 针对上述因素，可采取的具体措施有： ( 1 ) 在凸轮、气门弹簧材料工作应力允许范围内，尽量增大排气门的开启速度， 减小排气门开启提前角，增大排气门的直径和升程，从而增大排气门流通截面积。 在保证内燃机正常排气的情况下，减少超临界流动时间，降低排气节流损失。 ( 2 ) 尽量缩短排气管，避免排气管急转弯或截面剧变。排气管的长度在取得良 好的扫气效果的前提下尽量缩短，以减少流动阻力损失。 ( 3 ) 精心设计排气门、排气道以及排气道和排气管之间的弯头，使之具有良好 的气动特性，减少排气有效能量的流动损失。 ( 4 ) 选用最佳的排气总管截面积。排气总管面积过大，使得排气中的可用脉冲 能量减少；排气总管面积过小，使得排气管中的流速过高，摩擦损失大。应选择台 适的排气总管截面积，既能使排气中的脉冲能量得到合理利用，又能使管路中的摩 擦损失降低。 ( 5 ) 尽量减少排气道和排气岐管的容积，使排气开始后，排气岐管内的压力迅 速升高，以缩短超临界流动时间。 ( 6 ) 进行合理的排气管分枝。良好的岐管流型与结构有助于降低整个流动阻力， 特别是对高速多缸发动机，为避免排气压力波的相互干扰，用多枝型排气管或多排 气管结构来替代单排气管，不仅可以获得良好的低速转矩和高的充量系数，还可以 降低排气能量的撞击、掺混损失，提高排气能量传递效率。 ( 7 ) 对排气管路进行保温，避免热量向外界的传递，减少有效能的损失。排气 管用石棉保温后，排气出口温度上升1 0 0 k ，热能增加4 “。 ( 8 ) 精心加工排气管路，保证其内壁光滑，同时应防止杂质的附着和沉积，以 减少流动阻力损失。 1 2 青岛大学硕士学位论文 ( 9 ) 合理选择废气能量利用系统及其结构。废气能量利用装置必须与排气管内 的压力波动、排气管的结构相配合才能取得良好的能量利用效果并不对发动机正常 工作产生恶劣影响。关于废气能量利用装置的设计将在下面讨论。 1 3 第二章排气系统没计 第二章排气系统设计 2 1 排气系统设计基本要求 采用废气能量利用装置后，为提高废气能量利用效率，避免有效能的无谓损失， 同时避免对发动机造成恶劣影响，原有的排气系统已不能满足要求，必须进行重新 设计。新排气系统的设计应同时考虑废气能量利用效果、与发动机和涡轮的匹配等 问题，其基本设计要求可表述如下： ( 1 ) 尽量减少对发动机工作性能的影响。增加废气能量利用装置会影响发动机 的排气背压，影响到发动机的正常进气和排气，从而影响发动机的正常工作性能。 从有利于发动机的性能来看，应尽量降低排气背压。为此，增加废气能量利用装置 并取消排气消音器后，应能使发动机的排气背压变化不大甚至减小，以不影响发动 机原有工作性能。 ( 2 ) 废气能量利用效率高。要求排气系统有较高的能量传递效率，但不能过分 增加泵气损失。最好是既有高的能量传递效率，又有低的泵气损失，可通过有效燃 油消耗率来判定。 ( 3 ) 发动机扫气顺利。排气系统应尽可能避免各缸之间的扫气干扰，以提高充 量系数，降低残余废气系数，降低发动机受热部件的热负荷。 ( 4 ) 排气管系结构尽可能简单，制造方便，生产成本低，易于投入使用。 ( 5 ) 尽量采用单进口与涡轮连接。采用单进口可实现涡轮的全周进气，提高涡 轮的总体效率，减少对涡轮叶片的周期性冲击，同时可减小涡轮尺寸，这一点对于 车用发动机来说非常重要。 上述要求在某些方面存在矛盾，在设计时应进行优化选择，必要时可适当改变 发动机的进排气道及配气机构。 2 2 排气系统结构选择 可以看出，上述排气系统设计的基本要求与涡轮增压系统的要求基本相同，因 此可借用成熟的涡轮增压排气系统设计技术来进行本系统的设计。当前的涡轮增压 系统主要有五种：定压系统、脉冲系统、脉冲转换器系统、m p c 系统和m i x p c 系统， 各系统特点简介如下： ( 1 ) 定压系统是各缸共用一根容积较大的排气总管，排气管内压力比较稳定， 压力高低主要与发动机负荷有关。定压增压系统的优点是有利于实现涡轮全周进气， 对叶片冲击小；扫气干扰小，泵气损失小。缺点是对排气脉冲能量的利用很少，废 1 4