關(guān)于發(fā)動機(jī)余熱回收的復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)的仿真分析

劉振 ，何冠璋

（1.湖南科技職業(yè)學(xué)院智能裝備技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537000）

近年來，隨著油價(jià)的日益攀升以及能源環(huán)境問題，發(fā)動機(jī)余熱能回收作為一項(xiàng)頗具潛力的解決方案又重新被發(fā)動機(jī)制造商及各大研究機(jī)構(gòu)所重視。Bowman公司開發(fā)了一套串聯(lián)復(fù)合渦輪系統(tǒng)，通過發(fā)電渦輪、電池、ISG電機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)油耗的降低。與機(jī)械復(fù)合渦輪仿真與實(shí)驗(yàn)的對比發(fā)現(xiàn)，ETC系統(tǒng)較MTC系統(tǒng)能夠在更寬的發(fā)動機(jī)工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)油耗的降低（MTC-3%，ETC-10%）。美國DOE車輛技術(shù)辦公室與卡特彼勒公司在一輛直列8缸卡車發(fā)動機(jī)上開展了一項(xiàng)合作研究，旨在證明電復(fù)合渦輪技術(shù)在改善發(fā)動機(jī)節(jié)油指標(biāo)上所能達(dá)到的改善。清華大學(xué)以增壓汽油機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)，以發(fā)動機(jī)油耗為指標(biāo)，仿真研究了串聯(lián)、并聯(lián)、電輔助三種復(fù)合渦輪形式的節(jié)油潛力。研究結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)工況和US06與FTP75駕駛循環(huán)下并聯(lián)復(fù)合渦輪形式為最佳的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，并指出串聯(lián)復(fù)合渦輪系統(tǒng)與電輔助復(fù)合渦輪形式的弊端所在。

本文旨在設(shè)計(jì)某動力渦輪系統(tǒng)，并通過對渦輪機(jī)進(jìn)行渦輪特性仿真計(jì)算出其渦輪特性MAP，將計(jì)算出的渦輪特性map加入發(fā)動機(jī)GT-SUITE仿真模型進(jìn)行性能模擬，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的動力渦輪系統(tǒng)是否滿足回收發(fā)動機(jī)廢氣余能需求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 E-TC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

E-TC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示，動力渦輪系統(tǒng)安裝在增壓渦輪系統(tǒng)廢氣出口，增壓渦輪系統(tǒng)渦輪箱出口帶有旁通機(jī)構(gòu)用于控制增壓壓力，高速永磁發(fā)電機(jī)通過高速聯(lián)軸器與動力渦輪相連。

圖1 復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)關(guān)系圖

1.2 動力渦輪結(jié)構(gòu)

通過分析動力渦輪的工作情況可知，在動力渦輪轉(zhuǎn)子輸出端與聯(lián)軸器聯(lián)接工作時(shí)要承受較大的扭矩，因此，采用普通浮動軸承進(jìn)行支撐不能滿足其工作要求。同時(shí)，由于動力渦輪在實(shí)際工作時(shí)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)帶來的徑向振動，兩端都采用角接觸球軸承會有較大磨損，因此，考慮渦輪端采用浮動軸承，花鍵端采用滾珠軸承的方式，通過浮動軸承的油膜來吸收轉(zhuǎn)子的振動。

2 性能分析

2.1 動力渦輪系統(tǒng)渦輪特性分析

通過提取動力渦輪渦輪箱流道對其渦輪特性進(jìn)行分析，作為系統(tǒng)整體性能匹配的依據(jù)，并做出MAP圖分析其效率、壓比、流量。使用NUMECA網(wǎng)格劃分工具IGG以及autogrid4分別進(jìn)行渦輪箱與渦輪的網(wǎng)格劃分。噴嘴寬度為12.5mm，轉(zhuǎn)靜子交接面直徑為88.5mm，網(wǎng)格數(shù)216萬，組合后網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 渦輪箱與渦輪網(wǎng)格組合圖

通過NUMECA渦輪特性計(jì)算模塊Fine進(jìn)行渦輪特性模擬計(jì)算，分別計(jì)算轉(zhuǎn)速為6～11萬/分時(shí)流量、效率與膨脹比之間關(guān)系，其膨脹比-效率、膨脹比流量特性曲線如圖3所示。

圖3 動力渦輪膨脹比-流量曲線

2.2 動力渦輪系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)聯(lián)合仿真

本研究仿真模型為某直列6缸重型柴油發(fā)動機(jī)，單級增壓最大壓比為3.0發(fā)動機(jī)最大功率353kW，最大扭矩1973N.m。

采用GT-SUIT軟件搭建發(fā)動機(jī)模型，增壓柴油機(jī)模型包括渦輪增壓器模型、進(jìn)排氣管路模型、氣缸模型、機(jī)體模型等。渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子動力學(xué)平衡方程采用轉(zhuǎn)動體牛頓第二定律來建立。轉(zhuǎn)速的瞬態(tài)變化是渦輪增壓器及動力渦輪瞬態(tài)特性得以體現(xiàn)的關(guān)鍵。分別標(biāo)定燃燒始點(diǎn)、燃燒持續(xù)期等關(guān)鍵參數(shù)。噴油時(shí)刻根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)以轉(zhuǎn)速-噴油量查表的方式寫入噴油器模型中。進(jìn)氣壓力控制采用GT-SUITE自帶的可變幾何截面渦輪增壓器控制器模型，目標(biāo)進(jìn)氣壓力按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置為轉(zhuǎn)速、噴油量二維MAP形式，在仿真中通過試驗(yàn)查表獲取。

采用簡化一維N-S流動方程建立進(jìn)排氣管路模型。根據(jù)進(jìn)排氣管氣體質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒反應(yīng)管路中狀態(tài)量的瞬態(tài)變化。所使用的質(zhì)量守恒和能量守恒公式如公式 （1）和公式（2）所示，渦輪增壓器及動力渦輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型如公式（3）所示。

式中，ρ為管道中工質(zhì)密度，單位為kg/m3。為工質(zhì)在管道中的流速，單位為m/s。A為管道的橫截面積，單位為m2。Tdrive為施加在轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動力矩之和，Tload為施加在轉(zhuǎn)子上的阻力矩之和，單位為N·m。

聯(lián)合復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算增加動力渦輪系統(tǒng)前后輸出功率結(jié)果如圖4所示，通過圖中可以看出增加復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)后能有效提升發(fā)動機(jī)的功率。且在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷階段提升較為明顯。在發(fā)動機(jī)1300rpm全負(fù)荷狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)功率提升最大13kW。而抑制發(fā)動機(jī)功率進(jìn)一步提升的主要原因是由于增加動力渦輪后而引起的泵氣損失。

圖4 帶復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)前后輸出功率對比

增加復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)前后發(fā)動機(jī)的泵氣損失情況如圖5所示，通過圖中可以看出，增加動力渦輪后發(fā)動機(jī)的泵氣損失要遠(yuǎn)大于原發(fā)動機(jī)。圖中也給出了增加動力渦輪系統(tǒng)后在發(fā)動機(jī)十三工況點(diǎn)情況下的有效效率，在十三工況點(diǎn)下有效效率都大于65%。

圖5 帶復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)前后PMEP值對比及效率圖

3 結(jié)語

基于自行設(shè)計(jì)的某大功率柴油機(jī)發(fā)動機(jī)廢氣余能利用動力渦輪系統(tǒng)，通過對其渦輪性能MAP分析，建立了聯(lián)合發(fā)動機(jī)與復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)的仿真模型，求解出發(fā)動機(jī)十三工況點(diǎn)下的發(fā)動機(jī)性能。得出以下結(jié)論：

（1）全系統(tǒng)輸出功率在增加符合動力渦輪后，能有效提升，且在高負(fù)荷階段提升明顯。發(fā)動機(jī)1300rpm全負(fù)荷狀態(tài)下，可以最大提升13kW。

（2）加入復(fù)合動力渦輪系統(tǒng)后，發(fā)動機(jī)十三工況點(diǎn)下，平均有效效率為66.8%（無空載），但是，泵氣損失功率增量是串聯(lián)式復(fù)合動力渦輪回收廢氣余熱能量的主要代價(jià)，也是未來該技術(shù)的主要突破點(diǎn)。