内燃机排气喷水增压做功可行性研究

关于内燃机排气喷水增压做功可行性研究 摘要摘要 常规发动机缸内完成燃烧后所产生的废弃具有较高的温度 若对这一较高 温度加以利用则会明显提高内燃机的热效率 本文论述了一种类似燃烧汽缸的装置 该装置利用喷水系统将常温水喷射到具有较高温度的废气室 使得喷入水快速气化 从而瞬间提高混合室的压力 进而推动活塞做功 该装置将会充分利用废气散失的 热量 实现节能环保减排的目的 若取消散热系统将其更换为其他自动控制系统 不会增加制造成本 只需在原来的发动机的基础上稍加改进即可达到节约能源的功 效 是一项较容易实现及推广实施的技术 关键字关键字 内燃机 排气 喷水 做功 增压 EGR 焓值 1 前言 随着全球能耗的日益增加 节能和研制新能源已成为人类的重要课题 据专家 估计 地球上的不可再生能源 如 煤 石油 天然气等 在最近的100年 200年 间将被消耗殆尽 因此 人们不得不将更多的目光投向可再生能源 如太阳能 风 能 潮汐能等 同时也更加注重提高现有能源的利用效率 各种余热回收 的方法和手段也应运而生 全球目前约有九亿辆汽车 其中绝大部分是普通的燃油内燃机汽车 而燃油在 发动机中燃烧产生的热量并没有全部变成动能 除去冷却水和摩擦等损失外 还有 约30 40 的能量以尾气余热的形式排放到大气中去 考虑到尾气中酸性氧化 物的露点腐蚀问题 则排放温度不得低于180摄氏度 所排出的还可利用的废弃热 量约为燃烧总量的16 左右 若能将此余热回收利用 对于提高汽车燃油经济性 减少温室气体的排放是很有帮助的 内燃机作为汽车最关键的部件 其性能直接影响汽车油耗的高低 到目前为止 汽车行业在提高内燃机效率方面已经取得了巨大的进步 对内燃机效率的改进主要 集中在优化油气混合和缸内燃烧等方面 虽然内燃机效率通过上述方法已有很大提 升 但仅通过这些途径还是不能充分满足未来燃油经济性的目标 4 对于车用柴油 机 仅有 40 多的燃油能量转换为机械能 剩余能量最终通过发动机排气 冷却 水等释放到大气环境中 若能将发动机剩余能量有效回收利用 则对提升发动机效 率 降低发动机油耗量具有重大意义 1 2 1 发动机热平衡分析发动机热平衡分析 表 1 1 为柴油机各部分能量分布比例 由表可知燃油能量仅有 38 5 转化为机 械能 而近 60 的燃油能量没有被利用 柴油机余热主要通排气 冷却水 中冷 器等释放到大气环境中 其中 发动机尾气带走了 32 7 的能量 冷却水带走 18 的能量 而中冷器损失了 8 4 的能量 表 1 1 某柴油机热平衡分析 输出功尾气冷却水中冷器未燃烧油 kW215018211003471132 38 532 7188 42 4 汽车因排量不同 燃料不同 尾气热排放能力也有所不同 据了解 普通汽车 尾气温度大概在500 至900 之间 若将这些余热收集起来 不但可以供司乘人 员取暖 加热饮料 蒸煮食物 提供热水淋浴 进一步提高乘坐的舒适性 还可以 用来制冷和发电 2 发动机尾气利用空间 发动机的排放物主要由未燃烧成分 燃烧产物以及过剩空气组成的 除了氮气 氧气 氢气和水蒸气等无害外 其余均为有害成分 该有害成分主要是氮氧化物 一氧化氮 碳氢化合物 二氧化硫和燃烧颗粒等 氧气 氢气等可以在尾气再循环 利用过程中得到利用 一氧化氮和二氧化硫会使人中毒 窒息 氮氧化物和碳氢 化合物经光照会生成光化学烟雾使动植物受害 微粒悬浮在空气中易被人吸入体内 而构成对身体的伤害 此外二氧化碳是产生温室效应的祸首 除上述外 尾气中还 有可以利用的能量 汽车发动机动力输出占燃油燃烧总热量的25 42 其余以废热形式从冷却 水和尾气等中排出 车外的能量占燃烧总能量的58 75 这不仅是一种能量 浪费 同时也会造成一定程度的大气热污染 发动机尾气的余热具有温度高 压强 大 流速快的特点 因此尾气所含能量在浪费的热量中占主要部分 根据工程热力 学热力性质和过程 若发动机尾气初比焓值为607 02 kJ kg 背压状况比焓值 1 h 为300 19 kJ kg时 则尾气中含有的能量为 2 h 12 hh 306 83kJ kg 可见 尾气中含有相当数量的能量 若从尾气中回收这部分能量并加以利用 则是提高能量利用率的重要途径之一 这样既节省能源又会使车辆运行费用降低 通过对发动机各部分的能量分析可知 发动机尾气能占输入能量的比例最高 其所占比例达 40 以上 因此 需要对其能量进行火用分析 确定其能量回收价值 发动机尾气火用值计算公式为 000 x Hexhaustexhaustexhaust EmhhTss 2 1 式中 x H E为发动机涡轮后尾气火用 kW exhaust s为发动机涡轮后尾气熵 kJ kg K 0 T为环境温度 K 0 h为达到与环境相平衡状态时的尾气焓 kJ kg 0 s 为达到与环境相平衡状态时的尾气熵 kJ kg K 通过以上对发动机的热平衡分析以及尾气的能分析和火用分析可知 发动机尾 气作为发动机余热的主要组成部分 不仅能值最高 而且其火用值也较大 而对于 发动机其他部分的热损失 所占比例最大的为发动机冷却水热量 在发动机正常运 转时 其工作温度大约为80 90 也具有一定的回收价值 3 排水增压发动机方案选定 根据发动机在结构和工作原理我们提出两种排气喷水增压方案 1 采用排气与喷水接触式增压 将普通发动机在一个气缸内完成的进气 压 缩 做功 排气的四个过程分解成进气 压缩 燃烧 做功 排气五个工作 过程并在三个结构中独立进行工作 只在需要时才连通 二是做功行程末端时向 气缸内喷水 水吸热变成水蒸汽 体积膨胀继续推动活塞做功 三是一个进气压缩 气缸可以分别为两个以上燃烧室提供压缩空气 2 采用排气与喷水非接触式增压 燃烧与喷水汽化不在一个汽缸内进行 而是 将燃烧室生产的热传递到一壁之隔的专供喷水蒸发汽化的汽化室内 当汽化室内的 室温升至一定温度值时 计算机将通过传导系统自动向该汽化室内喷水 使水在高温 中迅速汽化澎涨推动活塞运动而做功 将原来采用各种散热装置散失掉的热能量充 分利用 在上述两种方案中分析发现在方案一中由于在气缸内喷入了一定量的水 将会 造成燃气缸内产生一系列的化学反应 将会生成一系列的腐蚀性物质 如硝酸 硫 酸等 对燃气缸产生了强烈的腐蚀 最终使得发动机性能受到影响 而后者很好的 避免了这一问题 但第二种方案存在缸内蒸汽温度低 压力小的特点 影响到最终 的做功性能 4 增压室热力学分析 本发动机是在现有的活塞式内燃发动机的基础做功示意图上将原来在一个发动机气 缸内完成的进气 压缩 做功 排气的过程分解成三部分一部分只负责进气和 压缩 一部分只负责燃烧 一部分只负责做功和排气 三个结构相互连接并通过气 门相通或隔开 在做功冲程末端时有喷水嘴向做功气缸内喷水 水吸收热变成水蒸 气体积变大继续推动活塞做功 一个进气和压缩结构可以同时为两个或以上的燃烧 室提供压缩空气 提高工和效率 图 2 图 3 图 4 5 解决办法 6 结论 本文利用柴油机排气及冷却水能量 主要工作内容和结果如下 1 对发动机排气成分进行了分析 得出了柴油机排气各组分的含量 进行 了发动机的热平衡分析 从分析结果可知 发动机排气能所占比例最大 发动机输 出功次之 冷却水 中冷器等余项热量最小 通过对发动机排气的能分析和火用分 析得出 发动机排气火用比例最高可达 20 2 根据有机工质的选型原则 选取洁净水作为余热回收系统的工质 通过 进一步分析 膨胀机进口工质过热度的改变对系统热效率的影响仅在 1 以内 且 在固定的蒸发压力下 系统热效率随工质过热度的变化规律与系统蒸发压力和工质 的临界压力有关 3 根据热力学第一定律和热力学第二定律分别采用能分析方法和火用分析 方法对中低温余热回收系统进行详