對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)熱平衡和余熱可用能分析

馬富康， 蘇鐵熊， 趙振峰， 王 豪

(1. 中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 3. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司， 上海 200041)

對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)熱平衡和余熱可用能分析

馬富康1， 蘇鐵熊1， 趙振峰2， 王 豪3

(1. 中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 3. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司， 上海 200041)

基于對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)全工況臺(tái)架試驗(yàn)， 確定其各工況下各子系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù). 采用熱力學(xué)第一定律， 分析了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡特性， 并與傳統(tǒng)四沖程柴油機(jī)進(jìn)行了比較； 采用熱力學(xué)第二定律， 分析了發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱可用能. 結(jié)果表明： 該發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速、 中負(fù)荷時(shí)， 有效熱效率最高； 在低轉(zhuǎn)速、 低負(fù)荷時(shí)， 冷卻項(xiàng)占余熱比重較大， 但低于傳統(tǒng)四沖程柴油機(jī)； 在高轉(zhuǎn)速、 高負(fù)荷時(shí)， 排氣項(xiàng)占余熱比重較大， 高于傳統(tǒng)四沖程柴油機(jī). 其中， 排氣余熱的可用能較高， 最大達(dá)排氣項(xiàng)能量的67%， 具有很大的利用空間； 而冷卻項(xiàng)可用能較低， 利用空間較小.

對(duì)置活塞； 二沖程柴油機(jī)； 熱平衡； 余熱可用能

0 引 言

以汽車大眾化為標(biāo)志的內(nèi)燃機(jī)行業(yè)在20世紀(jì)得到迅速發(fā)展， 汽車保有量的增加， 能源危機(jī)和環(huán)境問題凸顯， 人類在探索高效、 清潔動(dòng)力的道路上一方面在積極致力于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)； 另一方面也在積極追求新技術(shù)新原理， 探索新的動(dòng)力機(jī)形式， 其中對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)以其高效、 高功率密度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究[1].

對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比， 其發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、 燃燒室結(jié)構(gòu)、 缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)以及燃油噴射方式均不相同， Gerhard Regner等人研究了對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的性能和排放， 發(fā)現(xiàn)其特殊的結(jié)構(gòu)形式有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和復(fù)雜性， 減少機(jī)油消耗和燃油消耗[2]； Randy E.Herold研究了對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的熱力學(xué)過程， 發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)四沖程柴油機(jī)相比， 其燃燒室的面容比較小， 工質(zhì)在燃燒過程中比熱容變化小， 指示熱效率更高， 相同工況的最大爆發(fā)壓力更小[3]； Fabien Redon等研究了低負(fù)荷工況下對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的性能， 發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)既能滿足缸內(nèi)燃燒溫度的限制， 又能實(shí)現(xiàn)較高的排氣溫度， 保證了催化劑處于理想的溫度[4]. 但是目前的研究尚未對(duì)對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的熱平衡和余熱可用能展開分析. 根據(jù)目前的研究， 提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)能量利用的方法主要有兩方面， 一方面是提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率， 另一方面是余熱的回收和利用[5]. 因此， 研究該發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡可以掌握熱量分配關(guān)系， 認(rèn)識(shí)對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的能量轉(zhuǎn)化和傳遞過程， 為提高熱效率提供研究方向； 而由于該發(fā)動(dòng)機(jī)采用二沖程， 排氣項(xiàng)能量比重大， 研究余熱可用能可以為該發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能減排和熱效率的提高提供依據(jù)[6]. 本文以對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)為研究對(duì)象， 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全工況試驗(yàn)， 分析熱平衡和余熱可用能， 為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和余熱利用提供理論基礎(chǔ).

1 熱平衡理論基礎(chǔ)

內(nèi)燃機(jī)中能量的轉(zhuǎn)化與傳遞過程非常復(fù)雜， 彼此既相互獨(dú)立又互相轉(zhuǎn)化， 燃料在內(nèi)燃機(jī)的氣缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的熱量， 一部分轉(zhuǎn)化為曲軸的有效功， 對(duì)外克服阻力矩做功， 一部分隨排氣排出， 一部分通過傳熱的方式由冷卻介質(zhì)散失到缸外， 此外機(jī)械摩擦功造成的有效功損失最后也轉(zhuǎn)化成熱量散失. 結(jié)合內(nèi)燃機(jī)的控制體積建立熱平衡系統(tǒng)是分析內(nèi)燃機(jī)熱平衡的有效方法， 如圖 1 所示.

圖 1 熱平衡系統(tǒng)示意圖Fig.1 Control volume of engine thermal balance system

從圖 1 可以看出， 進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)的熱流包括燃料的化學(xué)能和進(jìn)氣的焓， 而排出內(nèi)燃機(jī)的熱流包括有效功率、 排氣帶走的熱量、 冷卻介質(zhì)帶走的熱量、 未燃盡的燃料和對(duì)流換熱與輻射流失的熱量[7]. 內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)態(tài)的熱平衡方程為

式中：Hfuel是燃料的化學(xué)能， 即

Hex是排氣的焓， 即

Hin是進(jìn)氣的焓， 即

Qcooling是傳入冷卻介質(zhì)的熱量， 即

Qmisc是其余的損失， 包括未燃盡的燃料和通過對(duì)流換熱和輻射損失的熱量.

為直觀地分析內(nèi)燃機(jī)的各項(xiàng)能量的分布情況， 將各項(xiàng)能量轉(zhuǎn)換成占燃料總熱量的百分比， 如下

式中：ηf是燃料的化學(xué)能所占比例；ηet是有效熱效率；ηex是排氣能量所占總熱量的比例；ηcooling是傳入冷卻介質(zhì)的熱量所占總熱量比例；ηmisc是雜項(xiàng)損失占總熱量比例.

2 熱平衡試驗(yàn)

本文的研究對(duì)象是一臺(tái)機(jī)械增壓式對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)， 主要參數(shù)見表 1.

表 1 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)主要參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖 2 所示， 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)原理樣機(jī)如圖 3 所示.

圖 2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus

圖 3 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)原理樣機(jī)Fig.3 Prototype of opposed-piston two-stroke diesel engine

主要測(cè)試儀器和設(shè)備見表 2， 環(huán)境溫度保持在15 ℃左右， 各個(gè)溫度傳感器均經(jīng)過了標(biāo)定[8].

表 2 主要測(cè)試儀器和設(shè)備

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)前首先對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行整機(jī)性能狀態(tài)調(diào)整， 使其工作溫度及性能滿足要求， 當(dāng)進(jìn)出水溫差波動(dòng)范圍小于0.1 ℃/min， 則柴油機(jī)達(dá)到熱平衡， 然后進(jìn)行熱平衡試驗(yàn). 轉(zhuǎn)速范圍為800～2 400 r/min， 變化間隔為200 r/min； 負(fù)荷(平均有效壓力， BMEP)范圍為0.1～0.8 MPa， 變化間隔為0.1 MPa.

3.1 熱平衡

掌握對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)有效熱效率的分布可以為燃油利用率的評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)， 圖 4 顯示了柴油機(jī)有效熱效率的分布情況. 在低負(fù)荷工況下， 負(fù)荷對(duì)有效熱效率的影響大于轉(zhuǎn)速， 而在高負(fù)荷工況下， 轉(zhuǎn)速對(duì)有效熱效率的影響較大. 相同轉(zhuǎn)速下， 有效熱效率隨負(fù)荷的增大先增加后減小， 因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)， 動(dòng)力輸出少， 摩擦功所占的比例大， 而轉(zhuǎn)速及其他因素不變時(shí)指示熱效率變化較小， 隨著負(fù)荷的增加， 摩擦功基本不變， 輸出功增加， 有效熱效率提高. 而在高負(fù)荷時(shí)， 過量空氣系數(shù)降低導(dǎo)致燃燒惡化， 指示熱效率下降， 摩擦功不變， 有效熱效率相應(yīng)的下降[9]. 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)受換氣質(zhì)量影響大， 所以高負(fù)荷下轉(zhuǎn)速對(duì)有效熱效率的影響增大. 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的有效熱效率的峰值區(qū)域在2 000 r/min以上的中負(fù)荷處， 與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比， 轉(zhuǎn)速較高， 因?yàn)橄嗤r下最大爆發(fā)壓力較小， 摩擦損失減小[3].

圖 4 有效熱效率Fig.4 Percentage of effective work in total energy

圖 5 顯示了柴油機(jī)排氣項(xiàng)熱量占燃油能量比例的分布情況， 從圖中可以看出， 大部分工況下排氣項(xiàng)熱量較高， 約1/3的燃油能量被廢氣帶走， 在中低負(fù)荷處， 排氣能量所占比例最小. 相同負(fù)荷下， 隨著轉(zhuǎn)速升高， 排氣項(xiàng)熱量所占比例增大. 因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加， 每次循環(huán)的換熱時(shí)間減少， 更多的能量隨排氣流出.

圖 5 排氣項(xiàng)熱量占燃料總能量比例Fig.5 Percentage of exhaust gas energy in total energy

圖 6 顯示了傳給冷卻項(xiàng)的熱量占燃油能量比例的分布情況. 從圖中可以看出， 在低負(fù)荷區(qū)域冷卻項(xiàng)熱量所占比例較大， 轉(zhuǎn)速對(duì)其影響小， 只隨負(fù)荷的增加而減少. 因?yàn)樵诘拓?fù)荷時(shí)， 機(jī)械損失的比重較大， 而大部分的機(jī)械損失最后都通過熱轉(zhuǎn)換傳遞給冷卻水. 隨著負(fù)荷的增大， 轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻項(xiàng)的影響增大， 在中高負(fù)荷時(shí)， 隨著轉(zhuǎn)速升高傳給冷卻項(xiàng)的熱量所占比例減少.

圖 6 冷卻項(xiàng)熱量占燃料總能量比例Fig.6 Percentage of cooling water energy in total energy

圖 7 顯示了一臺(tái)傳統(tǒng)四沖程增壓中冷柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下各項(xiàng)比例關(guān)系變化的負(fù)荷特性[7]， 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表 3.

表 3 增壓中冷柴油機(jī)主要參數(shù)

對(duì)比傳統(tǒng)四沖程增壓柴油機(jī)， 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)由于進(jìn)、 排氣活塞存在相位差， 在內(nèi)止點(diǎn)前后會(huì)發(fā)生進(jìn)排氣活塞同向追趕的過程， 燃燒過程的等容度提高， 所以有效熱效率較高[10-11]. 因?yàn)椴捎枚_程結(jié)構(gòu)， 排氣時(shí)刻較早， 導(dǎo)致排氣溫度和壓力高， 排氣項(xiàng)熱量占燃料能量的比例較大. 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比， 燃燒室面容比較小， 零部件較少， 因此冷卻項(xiàng)所占燃料能量的比例較小[3]. 由于對(duì)置活塞二沖程柴油的燃燒室由氣缸套和進(jìn)、 排氣活塞頂組成， 內(nèi)止點(diǎn)時(shí)刻， 活塞頂面積占燃燒室總面積的83%， 活塞頂面的溫度高， 相比于傳統(tǒng)柴油機(jī)， 燃燒室壁面的平均溫度更高， 文獻(xiàn)[12]指出較高的壁面溫度有利于減少燃燒過程的不可逆損失.

圖 7 增壓中冷柴油機(jī)熱平衡圖Fig.7 Energy balance of turbocharged diesel engine

3.2 余熱可用能

上節(jié)采用熱力學(xué)第一定律分析了對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的熱平衡， 其依據(jù)是能量守恒定律， 闡明了熱力過程中能量之間的數(shù)量關(guān)系. 通過分析發(fā)現(xiàn)， 柴油機(jī)大部分工況下， 散熱損失和排氣能量的損失之和大于50%， 在運(yùn)行工況從低速、 小負(fù)荷向高速、 大負(fù)荷轉(zhuǎn)變時(shí)， 損失的熱量從散熱損失占主要部分轉(zhuǎn)變成排氣能量占主要部分. 為了進(jìn)一步探討能量的有效利用途徑， 僅分析能量關(guān)系是不夠的， 還需要分析能量的“質(zhì)量”， 即結(jié)合第二定律進(jìn)行有效能分析.

與機(jī)械能相比， 余熱是低品質(zhì)的能量， 不能完全轉(zhuǎn)化成可用能， 因此需要進(jìn)一步通過的熱力循環(huán)將其轉(zhuǎn)化成有效功. 卡諾循環(huán)體現(xiàn)了工質(zhì)做功的最高效率， 采用卡諾循環(huán)進(jìn)行余熱的熱力循環(huán)計(jì)算， 可以分析余熱潛在的最大可用能[13-14]. 卡諾循環(huán)的公式為

式中：EX,Q是余熱的可用能；Q表示余熱的能量；T0表示環(huán)境溫度；T表示余熱的溫度.

式中：ηExe,p表示余熱的可用能占余熱能量的比例.

式中： ηExe,eff表示了余熱可用能占燃料總能量的百分比.

圖 8 顯示了在負(fù)荷為0.8 MPa時(shí)， 各項(xiàng)能量可用能占自身的比例. 因?yàn)槔鋮s介質(zhì)的流量大， 比熱容大， 所以受運(yùn)行條件影響小， 冷卻介質(zhì)的進(jìn)出口溫差小， 而且為了保證柴油機(jī)處于合適的運(yùn)行工況， 冷卻介質(zhì)應(yīng)保證在合適的溫度， 不宜進(jìn)行利用. 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)受換氣方式的限制， 缸內(nèi)高溫高壓氣體未能得到充分膨脹， 還有大部分能量直接隨排氣帶出， 具有較大的利用空間[15].

圖 8 不同轉(zhuǎn)速的可用能比例Fig.8 Exergy proportion in different rotational speed

圖 9 排氣項(xiàng)可用能占排氣項(xiàng)能量比例Fig.9 Percentage of exhaust gas energy in exhaust gas energy

圖 9 顯示了排氣余熱可用能占排氣余熱的比例. 隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大， 排氣溫度不斷升高，ηExe,p也隨之升高， 且負(fù)荷對(duì)ηExe,p的影響大于轉(zhuǎn)速. 在高轉(zhuǎn)速、 高負(fù)荷時(shí)，ηExe,p超過了60%， 具有很大的利用空間[15-16]. 圖 10 顯示了排氣余熱可用能占燃料總能量的比例， 在高速、 中等負(fù)荷以上區(qū)域， 排氣余熱可用能的比例超過了20%， 具有很大的利用空間， 用以改善燃油消耗率.

圖 10 排氣項(xiàng)可用能占燃料能量比例Fig.10 Percentage of exhaust gas energy in total energy

4 結(jié) 論

1) 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的能量分布受負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的共同影響. 在大多數(shù)工況下， 負(fù)荷對(duì)有效熱效率的影響大于轉(zhuǎn)速； 受到換氣質(zhì)量影響， 大負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)速對(duì)有效熱效率的影響增大. 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的最佳燃油消耗區(qū)域在中高轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷.

2) 大部分工況下排氣能量較高， 約1/3的燃油總能量被廢氣帶走， 排氣項(xiàng)能量在中等負(fù)荷處所占比例最小. 與傳統(tǒng)四沖程柴油機(jī)相比， 排氣項(xiàng)能量所占比例更高.

3) 傳遞給冷卻項(xiàng)的熱量在低負(fù)荷區(qū)域所占比例較大， 負(fù)荷對(duì)其影響大于轉(zhuǎn)速. 對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比， 燃燒室面容比小導(dǎo)致冷卻項(xiàng)占燃料能量的比例小.

4) 冷卻項(xiàng)的可用能較少， 而排氣項(xiàng)能量中的可用能比例大， 在高速、 中等負(fù)荷以上區(qū)域， 排氣項(xiàng)能量可用能占燃料能量的比例超過了20%， 充分利用可以有效改善燃油消耗.

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Analysis of Thermal Balance and Waste Heat Exergy for Opposed-Piston Two-Stroke Diesel Engine

MA Fu-kang1, SU Tie-xiong1, ZHAO Zhen-feng2, WANG Hao3

(1. School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China； 2. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China； 3. Shanghai Automotive Industry Company Passenger Vehicle Company, Shanghai 200041, China)

Through the opposed-piston two-stroke diesel full condition bench test，the thermodynamic parameters in each operation condition were determined. The thermal balance was analyzed based on the one law of thermodynamics and compared to the conventional diesel, and the waste heat exergy was analyzed based on the second law of thermodynamics. Results show that: peak of the effective thermal efficiency appears in high-speed and medium-load area; at low-speed and low-load, cooling water accounts for the major part of waste heat energy, and lower than conventional diesel; at high-speed and high-load, exhaust gas energy accounts for the major part of waste heat energy, and higher than conventional diesel. Exhaust gas exergy is larger than cooling water exergy, and the maximum value can reach 67% of exhaust gas energy with great development space.

opposed-piston； two-stroke diesel engine； thermal balance； waste heat exergy

1673-3193(2017)04-0433-06

2016-12-01

國(guó)家部委科研基金資助項(xiàng)目(B2220110005)

馬富康(1979- )， 男， 講師， 博士， 主要從事新型動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及理論的研究.

TK422

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.04.007