導(dǎo)航：安全管理網(wǎng)>> 安全論文>> 機(jī)械安全論文>>正文

車用發(fā)動機(jī)渦輪聯(lián)合循環(huán)技術(shù)研究進(jìn)展

文檔作者：劉剛諸葛偉林黃開勝張揚軍文檔來源： 1．清華大學(xué)汽車工程系汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室 2．軍事交通學(xué)院軍用車輛系		點擊數(shù)：	更新時間： 2026年01月25日
下載地址：點擊這里	文件大?。?461.38 KB 共7頁	文檔格式： PDF	下載點數(shù)： 1 點（VIP免費）

全屏查看

內(nèi)容預(yù)覽 [文件共7頁]

本文件共7頁，如需編輯使用，請下載。

注：預(yù)覽效果可能會出現(xiàn)部分文字亂碼（如口口口）、內(nèi)容顯示不全等問題，下載是正常的。

	文件大小：461.38 KB 共7頁文件格式：PDF 下載點數(shù)：1 點（VIP會員免費）

下一篇：常減壓裝置塔頂增壓器泄漏原因分析及處理…

上一篇：車用渦輪增壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

文本預(yù)覽

僅提取頁面文字內(nèi)容，供快速閱讀使用。

第5期(總第214期)
2014年1O月
車用發(fā)動機(jī)
VEHICLE ENGINE
No．5(Serial No．214)
0ct．2014
· 綜合評述·
車用發(fā)動機(jī)渦輪聯(lián)合循環(huán)技術(shù)研究進(jìn)展
劉 剛 ，諸葛偉林 ，黃開勝 ，張揚軍
(1．清華大學(xué)汽車工程系汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084；
2．軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161)
摘要：以渦輪增壓、渦輪復(fù)合、渦輪組合3種聯(lián)合循環(huán)技術(shù)為對象，分析了各自理論循環(huán)特點并指出：渦輪增壓
聯(lián)合循環(huán)技術(shù)實現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)的初級聯(lián)合，底循環(huán)用來加強(qiáng)頂部循環(huán)但不對外輸出功率；渦輪復(fù)合聯(lián)合
循環(huán)技術(shù)實現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)的有機(jī)結(jié)合，底循環(huán)除用來完善頂部循環(huán)外還參與對外輸出功率并達(dá)到了較高
的能量利用效率；渦輪組合循環(huán)技術(shù)實現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)的組合運行，底循環(huán)與頂部循環(huán)之間實現(xiàn)了模塊化
組合運行，使動力輸出模式可按車輛的需求而變化?？偨Y(jié)了各項技術(shù)的最新研究成果并對車用發(fā)動機(jī)聯(lián)合循環(huán)技
術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：車用發(fā)動機(jī)；渦輪聯(lián)合循環(huán)技術(shù)；渦輪增壓；渦輪復(fù)合；渦輪組合
DOI：10．3969／j．issn．1001—2222．2014．05．001
中圖分類號：TK44；TK421．8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2222(2014)05—0001—07
近年來，日益迫切的節(jié)能減排需求對車用發(fā)動
機(jī)升功率以及燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)提出了更高要求[1 ]。
傳統(tǒng)往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)可轉(zhuǎn)化為有效功的能量最高
只占燃料燃燒釋放總能量的1／3，另外2／3的能量
主要以排氣、散熱等方式浪費掉了，導(dǎo)致活塞式內(nèi)燃
機(jī)功率輸出密度相對較低，燃油消耗率較高 ]。根
據(jù)熱能梯級利用理論_4 ]，將單一活塞式內(nèi)燃機(jī)熱力
循環(huán)與其他熱機(jī)循環(huán)進(jìn)行聯(lián)合，可促進(jìn)對傳統(tǒng)往復(fù)
活塞內(nèi)燃機(jī)余熱的有效回收和利用，提高系統(tǒng)的
性能。
聯(lián)合熱力循環(huán)l7]一般由頂部循環(huán)和底循環(huán)耦合
而成，頂部循環(huán)運行在溫度較高的區(qū)域，充當(dāng)?shù)籽h(huán)
的高溫?zé)嵩?。葉輪機(jī)械由于具有流量大、體積小、能
量密度高等特點，在車用發(fā)動機(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域
得到廣泛應(yīng)用。目前與車用活塞式內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)
進(jìn)行聯(lián)合的底循環(huán)主要是以渦輪為核心做功部件的
Brayton循環(huán)(即燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán))和Rankine循環(huán)
(即蒸汽輪機(jī)循環(huán))。按發(fā)展階段和特點不同，車用
發(fā)動機(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)可分為渦輪增壓(Turbocharg—
ing)技術(shù)、渦輪復(fù)合(Turbo—compounding)技術(shù)以及
渦輪組合(Turbo-combined)技術(shù)3個層次。本研究
分別分析了3個層次聯(lián)合循環(huán)技術(shù)各自特點并介紹
了相應(yīng)研究成果，對車用發(fā)動機(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)發(fā)展
方向進(jìn)行了展望。
1 渦輪增壓技術(shù)
渦輪增壓技術(shù) ]可視為將省略了燃燒室的微型
燃?xì)廨啓C(jī)(即增壓器)與往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的排氣系
統(tǒng)進(jìn)行流動耦合與匹配的聯(lián)合循環(huán)技術(shù)。該技術(shù)通
過聯(lián)合循環(huán)使增壓器回收內(nèi)燃機(jī)排氣部分余熱能
量，并將之轉(zhuǎn)化為內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣壓縮功，提高了進(jìn)氣密
度，改善了缸內(nèi)燃燒過程，使內(nèi)燃機(jī)性能得到提高。
但是在渦輪增壓聯(lián)合循環(huán)中，增壓器不直接輸出功
率，而是通過增壓匹配來改善和提高內(nèi)燃機(jī)動力循
環(huán)的完善程度，是一種初級的聯(lián)合熱力循環(huán)。
由于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)與旋轉(zhuǎn)葉輪機(jī)械的流量
特性不同，內(nèi)燃機(jī)與增壓器二者之間流動匹配很難
完全滿足車用發(fā)動機(jī)對全工況性能的要求_9叫。另
外，增壓器與內(nèi)燃機(jī)之間氣流耦合作用和增壓器轉(zhuǎn)
子機(jī)械慣性也造成了車用渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)性能
一直難以滿足車用動態(tài)工況的需求口 ]。全工況
性能和瞬態(tài)性能共同決定車用增壓內(nèi)燃機(jī)的工況適
應(yīng)性，因此，有效提高渦輪增壓發(fā)動機(jī)的工況適應(yīng)性
成為車用發(fā)動機(jī)渦輪增壓技術(shù)關(guān)注的焦點。
為提高車用渦輪增壓發(fā)動機(jī)的工況適應(yīng)性，通
過采用各種主被動技術(shù)措施以改善增壓器與內(nèi)燃機(jī)
之間的變工況匹配特性成為渦輪增壓技術(shù)發(fā)展的目
標(biāo)。目前主要技術(shù)_1 有渦輪廢氣旁通增壓、可變幾
收稿日期：2014—03—14；修回日期：2014—05—20
作者簡介：劉剛(1981～)，男，講師，博士，主要研究方向為發(fā)動機(jī)流體力學(xué)和新型循環(huán)；liugang120681@126．com。
車用發(fā)動機(jī) 2014年第5期
何渦輪增壓、兩級增壓、補(bǔ)燃增壓以及電輔助增壓技
術(shù)等。這些渦輪增壓技術(shù)的特點各不相同，在車輛
上應(yīng)用也有所側(cè)重。值得一提的是，傳統(tǒng)增壓器部
件(壓氣機(jī)、渦輪)的設(shè)計方法主要基于設(shè)計工況展
開，受葉輪機(jī)單工況設(shè)計方法的約束，全工況適應(yīng)性
很難從本質(zhì)上得到提升。目前，清華大學(xué)Lg ¨。 提
出的車用渦輪增壓發(fā)動機(jī)全工況通流匹配理論和總
能優(yōu)化設(shè)計方法改變了單工況設(shè)計帶來的系統(tǒng)匹配
瓶頸效應(yīng)，在國內(nèi)外增壓技術(shù)領(lǐng)域具有一定影響力。
2 渦輪復(fù)合技術(shù)
渦輪復(fù)合技術(shù)是指在渦輪增壓技術(shù)基礎(chǔ)上，對
底循環(huán)進(jìn)行改造，添加新的核心部件— — 動力渦輪，
但動力渦輪不能脫離內(nèi)燃機(jī)循環(huán)而單獨工作，仍由
處于頂部循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)提供工作熱源。渦輪復(fù)合技
術(shù)可分為Brayton渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù) 和Rankine
渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)_3]。
2．1 Brayton渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)
受單級渦輪效率影響，傳統(tǒng)渦輪增壓技術(shù)很難
使內(nèi)燃機(jī)排氣充分膨脹到大氣環(huán)境條件，并且傳統(tǒng)
渦輪增壓技術(shù)通過增壓渦輪回收的排氣能量只能作
用于驅(qū)動增壓壓氣機(jī)，在排氣能量過多的高速等工
況下不能及時回收多余排氣能量。據(jù)研究[1 ，由于
受渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)匹配、進(jìn)排氣壓力和溫度的
限制，普通渦輪增壓柴油機(jī)在外特性下，處于增壓器
低效率區(qū)和高效率區(qū)時渦輪機(jī)分別只回收了約6
和13 的排氣能量；同時，增壓器壓氣機(jī)大約只利
用了2 的排氣能量用于提高進(jìn)氣壓力。
在渦輪增壓技術(shù)基礎(chǔ)上，通過在排氣管道中合
理布置燃?xì)鈩恿u輪，可進(jìn)一步吸收和回收排氣通
過增壓渦輪后的低溫余熱能量，提高系統(tǒng)總能利用
率 。 叩；另外，由于排氣管道中存在多級渦輪，可在
保證總膨脹比不變的前提下減小原增壓器渦輪膨脹
比，對提高增壓器的全工況性能和瞬態(tài)性能有
利[1 。如圖1所示，如何合理分配排氣系統(tǒng)中增壓
渦輪和動力渦輪的膨脹比成為影響B(tài)rayton渦輪復(fù)
合循環(huán)發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵問題[】 船]。
燃?xì)鉁u輪復(fù)合技術(shù)起源于2O世紀(jì)5O年代的航
空發(fā)動機(jī)技術(shù)_2 ，經(jīng)過多年發(fā)展，目前國際上Vol—
VO，Scania，Cummins，John Deere和Caterpillar等
公司均已開發(fā)了不同類型商業(yè)化Brayton渦輪復(fù)合
循環(huán)發(fā)動機(jī)。瑞典Scania公司_2 ]開發(fā)的11 L 6缸
柴油機(jī)是機(jī)械渦輪復(fù)合技術(shù)的經(jīng)典，標(biāo)定功率比原
普通增壓柴油機(jī)提高約13 ，燃油消耗率降低了
5～1O g／(kW ·h)，有效熱效率提高了約4 ；美國
John Deere公司 則是以電渦流復(fù)合增壓技術(shù)見
長，其開發(fā)的全電功率輸出柴油機(jī)的動力渦輪帶動
發(fā)電機(jī)最大可以回收約5O kw 的廢氣能量，代表了
電渦輪復(fù)合技術(shù)的較高水平 值得一提的是，作為
一款加裝了補(bǔ)燃室的特殊Brayton渦輪復(fù)合循環(huán)發(fā)
動機(jī)，美國人Hope于20世紀(jì)80年代發(fā)明的Giesel
發(fā)動機(jī)[26-27]可在起動和加速等工況時開啟補(bǔ)燃室，
瞬時使動力渦輪擁有較高膨脹比，使發(fā)動機(jī)具有出
色的冷起動、加速性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，在坦克等特種
車輛上得到一定應(yīng)用。
圖1 動力渦輪性能與渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)流量特性的關(guān)系
從2O世紀(jì)8O年代開始，國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)
構(gòu)_2 曾對船用渦輪復(fù)合發(fā)動機(jī)的方案進(jìn)行了熱
力學(xué)分析和試驗研究。近年來，以國家“973”項目
“高效、節(jié)能、低碳內(nèi)燃機(jī)余熱能梯級利用基礎(chǔ)研究”
為牽引，清華大學(xué) 引、湖南大學(xué) 等機(jī)構(gòu)分別
對車用Brayton渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)進(jìn)行了深入研
究，為技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。其中，湖南大學(xué)提
出了采用Brayton空氣循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱的
方法，使系統(tǒng)的廢氣能量回收效率達(dá)到4 ；采用回
熱技術(shù)對該方法進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)了底循環(huán)廢熱能的
二次回收，在排氣溫度為755。C、環(huán)境溫度為l0℃
時，最大廢氣能量回收效率為7．2 。清華大學(xué)在
車用發(fā)動機(jī)渦輪復(fù)合系統(tǒng)全工況通流匹配理論和設(shè)
計方法方面進(jìn)行了深入研究，提出了增壓渦輪與動
力渦輪對轉(zhuǎn)的設(shè)計方案，對DCI 11發(fā)動機(jī)進(jìn)行了渦
輪復(fù)合改造，使外特性油耗最低下降幅度達(dá)8 。
2．2 Rankine渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)
如圖2所示，Rankine渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)主要
通過換熱器中對流傳熱的方式，將Rankine循環(huán)和
內(nèi)燃機(jī)循環(huán)聯(lián)合起來，實現(xiàn)了對內(nèi)燃機(jī)排氣能量的
回收利用。這種循環(huán)耦合方式可在一定程度上克服
Brayton渦輪復(fù)合循環(huán)中由于燃?xì)鈩恿u輪中流動
阻力帶來的整機(jī)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)差以及熱量存儲能力
差等問題嘲。研究表明l3引，在相同的條件下，基于
Rankine循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)相比
2014年1O月 劉 剛，等：車用發(fā)動機(jī)渦輪聯(lián)合循環(huán)技術(shù)研究進(jìn)展
Brayton渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)可以提升約2 的功率、
節(jié)省20 的燃油消耗量。
基于Rankine循環(huán)的車用渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)研
究始于20世紀(jì)70年代的全球能源危機(jī)，并首先在
重型卡車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域開展L3 。 。近年來，由于Ran—
kine循環(huán)系統(tǒng)具有出色的熱量存儲性能和低速響
應(yīng)性_3]以及以O(shè)RC(Organic Rankine Cycle，即有機(jī)
朗肯循環(huán))技術(shù)為代表的低溫?zé)崮芑厥占夹g(shù)的快速
發(fā)展，Rankine循環(huán)技術(shù)在車用內(nèi)燃機(jī)余熱回收領(lǐng)
域的作用凸顯。
圖2 Rankine渦輪夏合循環(huán)基本結(jié)構(gòu)不意
圖3示出Rankine渦輪復(fù)合循環(huán)中的對流傳熱
耦合示意。由圖3可知，Rankine循環(huán)可回收的內(nèi)
燃機(jī)余熱溫度基本覆蓋了從冷卻液到高溫EGR較
寬范圍(100～700℃)。理論上，在內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)和型
式確定后，影響Rankine渦輪復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)性能的
關(guān)鍵因素為熱交換器、膨脹機(jī)等關(guān)鍵部件的性
能_3 36_、Rankine循環(huán)工質(zhì)的熱物性[3,37-39 以及整機(jī)
系統(tǒng)的優(yōu)化匹配_4 。
圖3 Rankine循環(huán)與內(nèi)燃機(jī)循環(huán)余熱的傳熱耦合示意
近年來，國內(nèi)外在Rankine渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)
的應(yīng)用和研究上取得較大進(jìn)展，在車用發(fā)動機(jī)Ran—
kine渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)方面也取得了較多的研究
成果。在國外，Srinivasan等人[4 利用Rankine循
環(huán)回收1臺柴油引燃天然氣內(nèi)燃機(jī)的排氣余熱能并
回饋到內(nèi)燃機(jī)曲軸功率中，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在中等負(fù)
荷工況時，在保持NO 排放維持在較低的水平時，
可提升熱效率約1O ；Yamada等人l4 建立了應(yīng)用
于車用氫內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收發(fā)電的Rankine循環(huán)
系統(tǒng)，不使用冷凝器時系統(tǒng)熱效率整體提高了
2．9 ～3．7 ；德國BMW 公司 3_研發(fā)了針對乘用
車小功率內(nèi)燃機(jī)的雙Rankine循環(huán)技術(shù)，通過兩套
Rankine循環(huán)同時分別吸收發(fā)動機(jī)排氣中的高溫余
熱能量和冷卻水循環(huán)中的低溫余熱能量并轉(zhuǎn)換為機(jī)
械功回饋給發(fā)動機(jī)曲軸，有效改善了發(fā)動機(jī)的輸出
功率。在國內(nèi)，隨著國家節(jié)能減排政策力度的加大，
目前國內(nèi)針對Rankine渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)的研究也
受到了重視。以“973”項目“高效、節(jié)能、低碳內(nèi)燃機(jī)
余熱能梯級利用基礎(chǔ)研究”為牽引，天津大
學(xué) ， 、西安交通大學(xué) 、北京工業(yè)大
學(xué) 。 、北京理工大學(xué)[ 引、清華大學(xué)_4 。 等研究機(jī)
構(gòu)已在該領(lǐng)域取得了較多的成果，相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)
化也即將實現(xiàn)。
今后，隨著對循環(huán)耦合方案 引、高效膨脹機(jī)設(shè)
計技術(shù)和具有優(yōu)良熱物性工質(zhì)的研究不斷深入，
Rankine渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)將在車用內(nèi)燃機(jī)低溫余
熱回收方面發(fā)揮越來越重要作用，在混合動力發(fā)動
機(jī) 、燃料電池發(fā)動機(jī) 等新型車用動力領(lǐng)域
將得到廣泛應(yīng)用。
3 渦輪組合技術(shù)
渦輪組合技術(shù)是通過對內(nèi)燃機(jī)循環(huán)與Brayton
循環(huán)進(jìn)行組合改造而形成的一種新型聯(lián)合熱機(jī)循環(huán)
技術(shù)，底循環(huán)(Brayton循環(huán))既可脫離頂部循環(huán)單
獨工作，又能與頂部循環(huán)聯(lián)合工作。與渦輪增壓技
術(shù)和渦輪復(fù)合技術(shù)相比，渦輪組合技術(shù)的優(yōu)勢或特
點是能在整機(jī)系統(tǒng)中將內(nèi)燃機(jī)模塊與燃?xì)廨啓C(jī)模塊
的結(jié)構(gòu)和功能根據(jù)使用工況進(jìn)行靈活組合與切換，
分別發(fā)揮柴一燃聯(lián)合循環(huán)在高功率密度，燃?xì)廨啓C(jī)循
環(huán)在冷起動、加速性能以及內(nèi)燃機(jī)循環(huán)在低燃油消
耗等方面的優(yōu)勢。這些特點能夠滿足工程機(jī)械發(fā)動
機(jī)等需經(jīng)常在經(jīng)濟(jì)性空載行走和高功率密度作業(yè)工
況等運行、切換以及上裝和底盤均需要動力輸出的
特種車用發(fā)動機(jī)對動力的需求。
內(nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)組合循環(huán)的概念最早出現(xiàn)于
21世紀(jì)初國外有關(guān)分布式發(fā)電技術(shù)的相關(guān)文
獻(xiàn) 刪中，但沒有涉及變循環(huán)切換或工作模式轉(zhuǎn)換
的內(nèi)容。車用發(fā)動機(jī)渦輪組合循環(huán)技術(shù)的概念是近
年來由國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提出的【6 盯]，但目前公開
的資料中只提出了幾種渦輪組合循環(huán)方案和相應(yīng)的
車用發(fā)動機(jī) 2014年第5期
參數(shù)影響規(guī)律仿真研究，還沒有試驗研究的資料公
開發(fā)表。
圖4示出國內(nèi)清華大學(xué)提出的一種渦輪組合發(fā)
動機(jī)方案— — “Diesel—Brayton渦輪組合循環(huán)發(fā)動
機(jī)”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。該發(fā)動機(jī)可根據(jù)整機(jī)運行需
要通過控制進(jìn)排氣系統(tǒng)中的閥門和內(nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨?
機(jī)燃燒室噴油使發(fā)動機(jī)在“Diesel循環(huán)”、“Brayton
循環(huán)”以及“Diesel—Brayton聯(lián)合循環(huán)”3種工作模式
運行及切換。
圖4 “Diesel—Brayton渦輪組合循環(huán)發(fā)動機(jī)”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
當(dāng)渦輪組合循環(huán)發(fā)動機(jī)運行在聯(lián)合循環(huán)模式
時，進(jìn)氣先經(jīng)過大壓氣機(jī)c1由閥門分流分為兩部
分，分別流人燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室和內(nèi)燃機(jī)燃燒室(理論
熱力循環(huán)見圖5)，熱力過程依次為：燃?xì)廨啓C(jī)壓氣
機(jī)中等熵壓縮過程(1-2)；內(nèi)燃機(jī)中冷器中定壓放熱
過程(2—3)；內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)等熵壓縮過程(3-3a)；內(nèi)
燃機(jī)氣缸內(nèi)等容加熱過程(3a一3b)；內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)等
壓加熱過程(3b一3c)；內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)等熵膨脹過程
(3c一3d)；內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)等容放熱過程(3d一3)；燃?xì)?
輪機(jī)排氣和內(nèi)燃機(jī)排氣混合前，內(nèi)燃機(jī)排氣管中的
等壓升溫過程(3—4)；燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中等壓加熱過
程(2-5)；內(nèi)燃機(jī)排氣和燃?xì)廨啓C(jī)排氣混合過程
((4+5)一6)；燃?xì)廨啓C(jī)增壓渦輪和動力渦輪中的等
熵膨脹過程(6-7—8)；燃?xì)廨啓C(jī)向環(huán)境等壓排氣過程
(8一1)。
針對以上渦輪組合發(fā)動機(jī)方案，分析得到[6 ：
對渦輪組合發(fā)動機(jī)聯(lián)合循環(huán)性能影響較大的參數(shù)主
要有“燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量流量分配系數(shù)”、“燃
氣輪機(jī)燃燒室的增溫比”以及“燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)壓
比”。在內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)基本確定的前提下，燃?xì)廨?
機(jī)的選型和設(shè)計主要通過對這3個參數(shù)的優(yōu)化來實
現(xiàn)。目前，針對該方案的原理樣機(jī)工程研制正在進(jìn)
行中。
P
圖5 渦輪組合發(fā)動機(jī)聯(lián)合循環(huán)時的理論熱力循環(huán)
4 結(jié)論與展望
a)渦輪增壓技術(shù)、渦輪復(fù)合技術(shù)以及渦輪組合
技術(shù)是以不斷提高發(fā)動機(jī)能量利用效率和性能為目
標(biāo)而相繼出現(xiàn)和發(fā)展而來的；渦輪增壓聯(lián)合循環(huán)技
術(shù)實現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)簡單聯(lián)合，底循環(huán)用來
加強(qiáng)頂部循環(huán)且不對外輸出功率；渦輪復(fù)合聯(lián)合循
環(huán)技術(shù)實現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)有機(jī)結(jié)合，底循環(huán)
除被用來完善頂部循環(huán)還可同時對外輸出功率，從
而達(dá)到了更高的能量利用效率；渦輪組合循環(huán)技術(shù)
實現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)之間自由組合運行，滿足
了特殊車用發(fā)動機(jī)對動力輸出模式可變的要求；
b)車用發(fā)動機(jī)渦輪聯(lián)合循環(huán)技術(shù)通過將往復(fù)
活塞式內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)與其他熱機(jī)循環(huán)進(jìn)行聯(lián)合達(dá)
到使系統(tǒng)的能量利用效率較高或動力輸出模式靈活
可變的目的，充分體現(xiàn)了聯(lián)合循環(huán)技術(shù)在熱能梯級
利用方面的優(yōu)勢；隨著微燃機(jī)技術(shù)、先進(jìn)葉輪機(jī)械設(shè)
計與流動控制和匹配技術(shù)不斷發(fā)展，未來車用發(fā)動
機(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)對系統(tǒng)效率和性能的提升還有較大
發(fā)展?jié)摿Γ?
c)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)主要針對發(fā)動機(jī)熱能梯級利
用問題，由相關(guān)文獻(xiàn)I6 。 可知，從燃料化學(xué)能的釋
放機(jī)理著手，從燃料的總能綜合梯級利用角度出發(fā)
合理設(shè)計聯(lián)合循環(huán)方案，車用發(fā)動機(jī)的能量利用效
率和性能還有較大提升空間。例如，以甲醇燃料燃
燒過程為例，如果不選擇直接高溫燃燒，而與
200~300℃的低溫放熱相結(jié)合，既能使低溫?zé)岬钠?
位有較大幅度提升，還能使間接燃燒導(dǎo)致的化學(xué)炯
損失大幅減小；因此，車用發(fā)動機(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)還存
在許多值得研究的新領(lǐng)域，例如，對于車用燃料電池
發(fā)動機(jī)來說，燃料化學(xué)能釋放與余熱能回收之間聯(lián)
合循環(huán)的匹配與優(yōu)化設(shè)計將會成為新的研究方向。
參考文獻(xiàn)：
[1] EEA．EMEP／EEA air pollutant emission inventory
2014年1O月 劉 剛，等：車用發(fā)動機(jī)渦輪聯(lián)合循環(huán)技術(shù)研究進(jìn)展 · 5 ·
[2]
[3]
E4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[i0]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
guidebook 2013[R]．European Environment Agency：
r,s．n．]，2O13：1725—2237．
Schulte H ，W irth M ．Internal com bustion engines for
the future[c]／／Proceedings of the International Con—
ference on Automotive Technology (ICAT 2004)．Is—
tanbul：Is．n．]，2004．
W ang T ，Zhang Y ，Peng Z，et a1．A review of researches
on thermal exhaust heat recovery with Rankine cycle
[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，
2011，15：2862—2871．
Liu M ，Zhang N．Proposal and analysis of a novel am —
monia-·water cycle for power and refrigeration cogener—-
ation[J]．Energy，2007，32：961—970．
Pouraghaie M ，Atashkari K，Besarati S，et a1．Thermo—
dynam ic performance optimization of a com bined pow—
er／cooling cycle[J]．Energy Conversion and Manage—
ment，2010，51：204—211．
Martin C，Goswami D．Effectiveness of cooling produc—
tion with a combined power and cooling thermodynam—
ic cycle口]．Applied Thermal Engineering，2006，26：
576-582．
段立強(qiáng)，楊勇平，林汝謀，等．聯(lián)合循環(huán)中蒸汽底循環(huán)系
統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化研究[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報，2004，31(6)：
37—39．
林建生，譚旭光．燃?xì)廨啓C(jī)與渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)[M]．天
津：天津大學(xué)出版社，2005：173-174．
ZH ANG Y，CHEN T，ZHUGE W ，et a1．An integrated
turbocharger design approach to improve engine per—
formance[J]．SCIENCE CHINA Technological Sei—
ences，2010，53(1)：69—74．
Zhuge W ，Zhang Y，Zheng X，et a1．Developm ent of an
advanced turbocharger simulation method for cycle
simulation of turbocharged internal combustion an—
gines[J]．Proc．IMechE Part D：J．Automobile Engi—
neering，2009，223：661—672．
Chen Tao，Zhuge W eilin，Zheng Xinqian，et a1．Turbocharger
Design for A 1．8 liter Turbocharged Gasoline
engine using An Integrated MethodiC]．ASME Paper
GT2009—5995 1。2009．
Rakopoulos C，Giakoumis E．Diesel Engine Transient
Operation——Principles of Operation and Simulation A——
nalysis[M]．London：Springer-Verlag London Limit～
ed，2009：23-113．
亓驥才．渦輪增壓柴油機(jī)瞬態(tài)特性影響規(guī)律研究
[D]．上海：上海交通大學(xué)，2013．
Baines N．Fundamentals of Turboeharging[M]．Ver—
mont：Concepts NREC，2005：181—230．
李亞卓，諸葛偉林，張揚軍，等．發(fā)動機(jī)增壓匹配的渦
[16]
[17]
[18]
[19]
[2O]
[21]
[22]
[23]
[24]
r,25]
[26]
[27]
[28]
[29]
r,30]
[31]
輪通流模型研究[J]．車用發(fā)動機(jī)，2007(4)：71—77．
張揚軍，張樹勇，徐建中．內(nèi)燃機(jī)流動熱力學(xué)與渦輪增
壓技術(shù)研究[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2008，26(增刊)：90—95．
劉敬平，付建勤，馮 康，等．發(fā)動機(jī)廢氣渦輪增壓系
統(tǒng)的能量流研究[J]．湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，
2011(5)：48—53．
Hindi G ，Zabeu C，Langeani M ．Turbocharged vs．
Turbo—Compounded Ethanol Engine：Fuel—Air Equiv—
alence Ratio Impact[C]．SAE Paper 2009—36—0050．
Ishii M ．System Optimization of Turbo—Compound
Engine (First Report：Com pressor and Turbine Pres—
sure Ratio)[c]．SAE Paper 2009—01—1940．
ICCT／NESCCAF Workshop．Diesel Turbo-compound
Techn0logy[R]．[S．1．]：Volvo Powertrain Corpora—
tion，2008．
Zhao R，Zhuge W ，Zhang Y，et a1．Through Flow
Matching of Power Turbine for A Turbo··Compoun—-
ded Diesel Engine[C]／／Proceedings of ASME Turbo
Expo．[s．1_]：Es．n．]，2012：1-10．
Song B，Zhuge W ，Zhao R，et a1．An investigation on
the performance of a Brayton cycle waste heat recov—
cry system for turbocharged diesel enginesr,J]．Journal
of Mechanical Science and Technology，2013，27(6)：
1721-1729．
朱大鑫．渦輪復(fù)合發(fā)動機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀rJ]．車用發(fā)動
機(jī)，1992(2)：41—48．
斯勘尼阿(Scania)渦輪復(fù)合發(fā)動機(jī)簡介[J]．王自蟊，
譯．車用發(fā)動機(jī)，1988(5)：57．
Turbo Compounding：A Technology W ho’s Time Has
come[R]．John Deere Moline Technical Center，2005．
Hope J，Johnston R．A New Concept for Reduced Fuel
Consumption in Internal Combustion Engines[c]．
SAE Paper 719051，1971．
Hope J．Gas Turbine—Two—Stroke Piston Compound
Engine：United States，5653108[P]．1997—08—5．
謝煥章，張洪義，白 濤．旁通補(bǔ)燃動力渦輪復(fù)合式發(fā)
動機(jī)的理論研究[J]．工程熱物理學(xué)報，1983(2)：
1O5—111．
白 濤，張洪義，吳澤其，等．旁通補(bǔ)燃增壓柴油機(jī)的
理論及實驗研究[J]．哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報，
1989，10(1)：1—12．
Liu J，F(xiàn)u J，Ran C，et a1．Comparison and analysis of
engine exhaust gas energy recovery potential through
various bottom cyclesr,J]．Applied Thermal Engineer—
ing，2013，50(1)：1219—1234．
付建勤，劉敬平，舒歌群，等．回?zé)岵祭最D空氣循環(huán)回
收內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱的模擬[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2013，31
(3)：248—254．
· 6 · 車用發(fā)動機(jī) 2014年第5期
[32]
[33]
[34]
[35]
[36]
[37]
[38]
[39]
[4O]
[41]
[42]
[43]
[44]
[45]
W eerasinghe W M SR，Stobart R K，Hounsham S M ．
Thermal efficiency im provement in high output diesel
engines a comparison of a Rankine cycle with turbo—
compounding[J]．Applied Thermal Engineering，
2010，30：2253—2256．
Lodwig E．Performance of a 35一hp organic Rankine
cycle exhaust gas powered system[c]．SAE Paper
70016O，1970．
Leising C J，Purohit G P，DeGrey S P，et al，W aste
heat recovery in truck engines[C]．SAE Paper
780686，1978．
Badami M ，M ura M ．Preliminary design and control—
ling strategies of a small-scale wood waste Rankine
cycle(RC)with a reciprocating steam engine(SE)
[J]．Energy，2009，34(9)：1315—1324．
馮黎明，高文志，秦浩．用于發(fā)動機(jī)余熱回收的往復(fù)
活塞式膨脹機(jī)熱力學(xué)分析EJ]．天津大學(xué)學(xué)報，2011，
44(8)：665—670．
張新欣，何茂剛，曾 科，等．發(fā)動機(jī)余熱利用蒸氣動
力循環(huán)的工質(zhì)篩選[c]／／中國工程熱物理學(xué)會2008
年工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會議論文集．北京：中
國工程熱物理學(xué)會，2008：080169．
何茂剛，張新欣，曾 科．車用發(fā)動機(jī)余熱回收的新型
聯(lián)合熱力循環(huán)[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報，2009，43(11)：
1—5．
Mago P J，Charma L M ，Srinivasan K，et a1．An examination
of regenerative organic Rankine cycles using
dry fluids[J]．Applied Thermal Engineering，2008，
28：998-1007．
Roy J P，Mishra M K，Misra Ashok．Parametric opti—
mization and performance analysis of a waste heat re—
covery system using organic Rankine cycle[J]．Ener—
gY，2010，35(12)：5049—5062．
Srinivasan K K，Mago P J，Zdaniuk G J，et a1．Impro—
ving the efficiency of the advanced inj ection low pilot
ignited natural gas engine using organic Rankine cy—
cles[J]．Energy Recourse Technology，2008，130：
O222O1 1—7．
Yamada N ，M ohamad M NA．Efficiency of hydrogen
internal combustion engine combined with open steam
Rankine cycle recovering water and waste heat[J]．
H ydrogen Energy，2010，35：1430—42．
Bauer F．BMW reviwes steam power to save fue1，au—
tomotive news[R]．IS．1．]：BWM，2005．
舒歌群，劉麗娜，田 華，等．梯級回收發(fā)動機(jī)多品位
余熱的新型雙朗肯聯(lián)合循環(huán)[J]．天津大學(xué)學(xué)報，2013
(10)：857-861．
劉廣彬，趙遠(yuǎn)揚，李連生，等．小型低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)
[46]
[47]
[48]
[49]
[5O]
[51]
[523
[53]
[54]
[55]
[56]
[57]
膨脹機(jī)輸出特性試驗研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報，
2009，43(11)：100—103．
張紅光，劉 彬，陳 研，等．基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)
動機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，43
(5)：27—31．
楊 凱，張紅光，張健，等．變工況柴油機(jī)余熱回收
系統(tǒng)中混合工質(zhì)模擬研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013，
44(7)：39-44．
魏名山，方金莉，王瑞君，等．柴油機(jī)工況對中溫有機(jī)
朗肯循環(huán)性能影響的模擬[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2011，29
(3)：248—252．
Zhang L，Zhuge W L，Peng J，et a1．Optimization of
the blade trailing edge geometric parameters for a
small scale ORC turbine[J]．IOP Conference Series：
M aterials Science and Engineering， 2013， 52
(4)：042016．
Zhang L，Zheng X，Zhang Y．The influence of working
fluid characteristic parameters on turbine performance
for the small scale ORC system[C]／／Proceedings of
the ASME 2013 Fluids Engineering Division Summer
M eeting．Incline Village，Nevada，2013．
Chammas R E，Clodic D．Combined cycle for hybrid
vehicles[C]．SAE Paper 2005—01—1171．
Diego A A，Timothy S A，Ryan J K．Theoretical anal—
ysis of waste heat recovery from an internal eombus—
tion engine in a hybrid vehicle[C]．SAE Paper 2006—
01-I605．
Akkaya A V ，Sahin B．A study on performance of sol—
id oxide fuel cell—-organic Rankine cycle combined sys—-
tem[J]．International Journal of Energy Research，
2009，33(6)：553—564．
Srinivasan K K，Mago P J，Krishnan S R．Analysis of
exhaust waste heat recovery from a dual fuel low tem—
perature com bustion engine using an Organic Rankine
Cycle[J]．Energy，2010，35(6)：2387—2399．
Krishna S，Renald T．Numerical analysis of a turbo—
compounded Diesel—Brayton combined cyc1e[c]／／Pro—
ceedings of the conference on C0NTINUUM M E—
CHANICS，F(xiàn)LUIDS，HEAT．[s．1_]：WSEAS，2010：
258—261．
E1一Awad M，Siraj M．A Combined Diesel—Engine Gas—
Turbine System for Distributed Power Generation
[C]／／Proceedings of the ICCBMS’．[s．1．]：IC—
CBM S，2012：39—43．
E1一Awad M ．Energy and Exergy Analysis of a com—
bined Diesel—-Engine Gas—-Turbine System for Distrib—_
uted Power Generation[J]．Int．J．of Thermal 8L Envi—
ronmental Engineering，2013，5(1)：31—39．
2014年10月 劉 剛，等：車用發(fā)動機(jī)渦輪聯(lián)合循環(huán)技術(shù)研究進(jìn)展 · 7 ·
E58]
[59]
[6O]
Poullikkas A．Im plem entation of distributed genera—
tion technologies in isolated power system[J]．Re—
newable and Sustainable Energy Reviews，120074，
11：30—56．
Sanjay 0，Muku A，Rajay Y．Energy and Exergy A—
nalysis of Brayton-Diesel Cycle[C]／／Proceedings of
the 2009 W orld Congress on Engineering．London：
s．n．]，2009：1-6．
王 凱．基于GT—POWER 的渦輪一活塞式二沖程柴
油機(jī)熱力學(xué)分析與仿真研究[D]．太原：中北大
[61]
E62]
[63]
E64]
學(xué)，2013．
王 強(qiáng)．基于GT—POWER 的渦輪一活塞式柴油機(jī)熱
力分析及仿真研究[D]．太原：中北大學(xué)，2012．
張儒征．渦輪活塞組合發(fā)動機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計和循環(huán)分析
[D]．北京：清華大學(xué)，2013．
洪 慧．燃料化學(xué)能與物理能綜合梯級利用的熱力循
環(huán)ED]．北京：中國科學(xué)院研究生院，2003．
韓?。嗄茉椿パa(bǔ)的多功能能源系統(tǒng)及其集成機(jī)理
[D]．北京：中國科學(xué)院研究生院，2006．
Research Progress on Turbo Combined Cycle
Technologies Applied in Vehicle Engine
LIU Gang ，ZHUGE W ei—lin ，HUANG Kai—sheng ，ZHANG Yang—jun
(1．Department of Automotive Engineering，State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy，
Tsinghua University，Beij ing 1 00084，China；
2．Department of Military Vehicle，Academy of Military Transp0rtati0n，Tianjin 300161，China)
Abstract：The three combined cycle technologies including turbocharging，turbo—compounding and turbo—combining teehnolo—
gies were proposed and the characteristics of every technology were analyzed．The turbo combined cycle technology realized the
primary combination of the bottom cycle and top cycle and the bottom cycle was mainly used to strengthen the top cycle without
the extra power output．The turbo—compounding cycle technology achieved the combination between the bottom cycle and the
top cycle deeply and tightly，The bottom cycle was used to complete the top cycle with the extra power output and the energy
utilization efficiency of the cycle also improved significantly． The turbo—combined cycle technology realized the modular corn—
bined working between the bottom cycle and the top cycle，which met the different power outputs of vehicle． requirements The
latest research findings of the three technologies were summarized and the development trend of the vehicle engine combined cy—
cle technologies was prospected．
Key words：vehicle engine；turbo combined cycle technologies； turbocharging；turbo—compounding；turbo—combining
[編輯：袁曉燕]

網(wǎng)友評論 more

機(jī)械安全論文最新內(nèi)容

01-25