本文關(guān)鍵詞：柴油機(jī)渦輪前噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)的排氣能量回收系統(tǒng)研究

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【摘要】：隨著能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻,單獨(dú)依靠改進(jìn)缸內(nèi)燃燒過(guò)程已無(wú)法滿足人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)熱效率提出的更高要求。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)余熱回收技術(shù)大多著眼于將余熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能或者電能輸出或存儲(chǔ)起來(lái),即將余熱回收熱功或熱電轉(zhuǎn)化過(guò)程同內(nèi)燃機(jī)循環(huán)過(guò)程分割開(kāi)來(lái),如溫差發(fā)電、復(fù)合渦輪及朗肯循環(huán)。如若能將回收到的余熱能直接用于改進(jìn)整個(gè)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)過(guò)程,則可有效改善扭矩輸出以及燃油經(jīng)濟(jì)性。本文基于渦輪前噴注蒸汽和米勒循環(huán)技術(shù),提出將回收到的排氣余熱能直接用于改進(jìn)缸內(nèi)循環(huán)過(guò)程及燃油效率。圍繞該排氣能量回收系統(tǒng),本文采用熱力循環(huán)分析、仿真計(jì)算及試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,以增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象依次開(kāi)展了熱力系統(tǒng)模型搭建、參數(shù)影響規(guī)律分析、匹配調(diào)節(jié)策略研究以及試驗(yàn)研究。首先從理想循環(huán)角度出發(fā),進(jìn)一步考慮工質(zhì)物性、傳熱損失、燃燒損失、換氣損失等,搭建并校核描述增壓柴油機(jī)實(shí)際熱力循環(huán)過(guò)程的計(jì)算模型。為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)噴注蒸汽后渦輪通流特性變化,基于雙噴嘴串聯(lián)物理模型推導(dǎo)描述渦輪通流特性的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。�?yàn)證了該模型不僅擬合系數(shù)少、形式簡(jiǎn)單、回歸精度高、具有較強(qiáng)的外推及內(nèi)插能力,同時(shí)還能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工質(zhì)組分對(duì)渦輪通流特性的影響。在此基礎(chǔ)上,搭建了整個(gè)排氣能量回收熱力系統(tǒng)分析模型。對(duì)增壓柴油機(jī)實(shí)際熱力循環(huán)研究表明:任意運(yùn)轉(zhuǎn)工況均存在一最佳過(guò)量空氣系數(shù)使循環(huán)效率最高,且該最優(yōu)值隨增壓器總效率升高及負(fù)荷降低而逐漸增大。對(duì)渦輪前噴注蒸汽開(kāi)展能量平衡及?平衡分析表明:噴注蒸汽流量對(duì)渦輪輸出功影響最大,噴注溫度次之,噴注壓力基本無(wú)影響。對(duì)米勒循環(huán)研究表明:為實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)低溫效果同時(shí)保證燃油效率不變,米勒循環(huán)需重新匹配較小截面的高效高壓比渦輪增壓器以及高效中冷器。對(duì)不同增壓器匹配方案下應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)研究表明:渦前噴注蒸汽在過(guò)量空氣系數(shù)較低工況具有較高循環(huán)改進(jìn)效果;單獨(dú)采用米勒循環(huán)在低渦輪增壓器效率以及高過(guò)量空氣系數(shù)工況具有較高改進(jìn)效果;噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)可使最優(yōu)過(guò)量空氣系數(shù)附近工況的循環(huán)效率進(jìn)一步改進(jìn)�；诓裼蜋C(jī)耗氣特性及渦輪增壓器供氣特性匹配圖,開(kāi)展應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)匹配調(diào)節(jié)規(guī)律研究,結(jié)果表明:對(duì)于高轉(zhuǎn)速工況,考慮增壓器阻塞限制,噴注蒸汽需結(jié)合米勒循環(huán)來(lái)限制實(shí)際進(jìn)氣量,使得匹配運(yùn)行點(diǎn)移向高壓比方向;對(duì)于中等轉(zhuǎn)速工況,實(shí)際噴注蒸汽流量需要考慮缸內(nèi)最高壓力限制;由于低轉(zhuǎn)速工況下柴油機(jī)的耗氣特性線斜率較高,同時(shí)渦輪在小流量范圍內(nèi)供氣特性線斜率較小,噴注蒸汽對(duì)進(jìn)氣壓力的改進(jìn)效果不明顯;應(yīng)用能量回收系統(tǒng)后一般需要重新選配高壓比范圍的壓氣機(jī)以防止出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。選用較小截面的渦輪,將HC4132柴油機(jī)匹配點(diǎn)移至最大扭矩轉(zhuǎn)速并應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng),所得仿真結(jié)果驗(yàn)證了圖解法所得匹配調(diào)節(jié)規(guī)律。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架標(biāo)定轉(zhuǎn)速匹配的HC4132柴油機(jī),基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算,指導(dǎo)后期系統(tǒng)部件的選型、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案的擬定。最后對(duì)能量回收系統(tǒng)各部件進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)、加工,搭建HC4132柴油機(jī)排氣能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架。對(duì)試驗(yàn)機(jī)型外特性各工況點(diǎn)依次開(kāi)展熱平衡試驗(yàn)、換熱器性能試驗(yàn)、噴注蒸汽試驗(yàn)、噴注蒸汽參數(shù)影響規(guī)律試驗(yàn)、米勒循環(huán)試驗(yàn)、噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:盡管冷卻系統(tǒng)所含余熱能遠(yuǎn)大于中冷器所帶走余熱能,但兩者所含可用能相當(dāng)且遠(yuǎn)小于廢氣可用能。換熱器蒸發(fā)效率主要取決于蒸汽流量比。對(duì)于高轉(zhuǎn)速工況噴注蒸汽使得泵氣損失及摩擦損失加劇,比油耗略有增大;對(duì)于低轉(zhuǎn)速工況噴注蒸汽使燃燒過(guò)量空氣系數(shù)顯著增加、缸內(nèi)循環(huán)功增大,比油耗可顯著得到改善。更換米勒凸輪軸后,可使得高轉(zhuǎn)速工況下泵氣損失降低,比油耗略有改進(jìn);對(duì)于中低轉(zhuǎn)速工況,進(jìn)氣流量的降低使得柴油機(jī)燃燒惡化、循環(huán)效率顯著降低。在維持原機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)水平的條件下,采用渦前噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)可使泵氣正功增加,比油耗在高轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)可得到進(jìn)一步的改進(jìn)。
【關(guān)鍵詞】：噴注蒸汽 米勒循環(huán) 能量回收 循環(huán)分析 匹配策略
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK423
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-29
• 1.1 引言11-14
• 1.2 內(nèi)燃機(jī)余熱回收技術(shù)介紹14-23
• 1.2.1 溫差發(fā)電14-16
• 1.2.2 復(fù)合渦輪16-17
• 1.2.3 朗肯循環(huán)17-20
• 1.2.4 典型余熱回收技術(shù)對(duì)比20-21
• 1.2.5 其它技術(shù)途徑21-23
• 1.3 注蒸汽渦輪增壓系統(tǒng)23-24
• 1.4 米勒循環(huán)技術(shù)24-26
• 1.5 本文的研究思路和內(nèi)容26-29
• 第二章 柴油機(jī)排氣能量回收熱力系統(tǒng)建模29-55
• 2.1 系統(tǒng)描述29-30
• 2.2 增壓柴油機(jī)實(shí)際熱力循環(huán)模型30-39
• 2.2.1 理想循環(huán)30-32
• 2.2.2 實(shí)際循環(huán)32-35
• 2.2.3 循環(huán)分析建模及校核35-39
• 2.3 噴注蒸汽渦輪通流特性模型39-51
• 2.3.1 物理模型40-44
• 2.3.2 精度校驗(yàn)44-48
• 2.3.3 外推性能評(píng)估48-50
• 2.3.4 噴注蒸汽對(duì)渦輪通流特性影響50-51
• 2.4 排氣能量回收系統(tǒng)模型搭建51-53
• 2.4.1 渦輪前噴注蒸汽51
• 2.4.2 米勒循環(huán)51-53
• 2.4.3 模型搭建53
• 2.5 本章小結(jié)53-55
• 第三章 柴油機(jī)排氣能量回收系統(tǒng)參數(shù)影響規(guī)律分析55-78
• 3.1 增壓柴油機(jī)參數(shù)影響規(guī)律研究55-60
• 3.1.1 渦輪增壓器匹配55-57
• 3.1.2 負(fù)荷57-58
• 3.1.3 廢氣放氣58-60
• 3.2 渦前噴注蒸汽熱力過(guò)程分析60-67
• 3.2.1 系統(tǒng)描述60-62
• 3.2.2 熱力學(xué)模型搭建62-64
• 3.2.3 噴注蒸汽參數(shù)影響規(guī)律64-67
• 3.3 米勒循環(huán)性能分析67-72
• 3.3.1 增壓器匹配對(duì)米勒循環(huán)性能影響67-70
• 3.3.2 米勒循環(huán)程度影響70-72
• 3.4 排氣能量回收熱力系統(tǒng)分析72-77
• 3.4.1 噴注蒸汽對(duì)系統(tǒng)性能影響72-74
• 3.4.2 噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)對(duì)系統(tǒng)性能影響74-76
• 3.4.3 應(yīng)用能量回收系統(tǒng)參數(shù)配合運(yùn)行方案76-77
• 3.5 本章小結(jié)77-78
• 第四章 柴油機(jī)排氣能量回收系統(tǒng)匹配調(diào)節(jié)規(guī)律研究78-103
• 4.1 增壓柴油機(jī)應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)的匹配與調(diào)節(jié)78-86
• 4.1.1 傳統(tǒng)柴油機(jī)與渦輪增壓器匹配78-81
• 4.1.2 噴注蒸汽對(duì)匹配的影響81-83
• 4.1.3 米勒循環(huán)對(duì)匹配的影響83-84
• 4.1.4 噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)的匹配與調(diào)節(jié)84-86
• 4.2 匹配調(diào)節(jié)規(guī)律驗(yàn)證計(jì)算86-91
• 4.2.1 應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)計(jì)算方案86-88
• 4.2.2 匹配調(diào)節(jié)規(guī)律驗(yàn)證88-91
• 4.3 試驗(yàn)機(jī)型應(yīng)用排氣能量回收系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究91-101
• 4.3.1 HC4132柴油機(jī)建模91-92
• 4.3.2 優(yōu)化模型92-97
• 4.3.3 參數(shù)匹配優(yōu)化研究97-101
• 4.4 本章小結(jié)101-103
• 第五章 柴油機(jī)排氣能量回收系統(tǒng)試驗(yàn)研究103-133
• 5.1 系統(tǒng)各部件選型、設(shè)計(jì)、安裝及整機(jī)集成103-115
• 5.1.1 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)103-104
• 5.1.2 水泵104-105
• 5.1.3 換熱器105-108
• 5.1.4 閥門(mén)和管路108-110
• 5.1.5 米勒凸輪軸加工110-111
• 5.1.6 傳感器選型111-113
• 5.1.7 整機(jī)集成及系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)113-115
• 5.2 熱平衡試驗(yàn)研究115-117
• 5.3 渦輪前噴注蒸汽試驗(yàn)研究117-125
• 5.3.1 換熱器性能試驗(yàn)118-119
• 5.3.2 渦輪前噴注蒸汽試驗(yàn)119-123
• 5.3.3 噴注蒸汽參數(shù)影響規(guī)律123-125
• 5.4 噴注蒸汽結(jié)合米勒循環(huán)試驗(yàn)研究125-131
• 5.4.1 米勒循環(huán)原機(jī)試驗(yàn)126-129
• 5.4.2 噴注蒸汽并結(jié)合米勒循環(huán)試驗(yàn)129-131
• 5.5 本章小結(jié)131-133
• 第六章 全文總結(jié)與展望133-136
• 6.1 全文總結(jié)133-134
• 6.2 研究展望134-135
• 6.3 創(chuàng)新點(diǎn)說(shuō)明135-136
• 參考文獻(xiàn)136-145
• 附錄 符號(hào)與縮寫(xiě)145-148
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文148-149
• 攻讀博士學(xué)位期間參與項(xiàng)目與獲得獎(jiǎng)勵(lì)149-150
• 致謝150-152

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本文編號(hào)：764927