摘 要：基于发动机一维性能仿真计算和试验相结合的方法，对某型轿车用柴油机的废气涡轮增压系统能量流分布规律进行了研究.通过研究发动机排气能量在涡轮机压气机中冷器中的传递过程，得出了涡轮机回收排气能量的潜力和增压系统的能量流特性.结果表明：增压系统能量流分布和排气能量回收效率主要取决于发动机和增压器的运行工况；外特性下，在增压器低效率区和高效率区涡轮机分别回收约6%和13%的排气能量；其中，增压器大约只利用了2%的排气能量用于提高进气压力能.研究结果为发动机节能和采用复合涡轮增压回收排气能量提供了理论依据.

关键词：发动机；废气涡轮增压；能量流；余热回收；GT-power

中图分类号：TK402 文献标识码：A

A Study on the Energy Flow of Diesel Engine Turbocharged System

LIU Jing-ping1,2，FU Jian-qin1,2，FENG Kang1,2，ZHAO Zhi-chao1,2，WANG Shu-qing1,2

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan Univ, Changsha，Hunan 410082, China;

2. Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan Univ, Changsha，Hunan 410082, China)

Abstract:Presented in this paper is the energy flow distribution of a diesel engine turbocharged system, on the basis of a combined method of one-dimensional gas dynamics simulation and dyno tests. By analyzing the flow path of exhaust gas energy flow from turbine to compressor and then intercooler, the exhaust gas energy recovery potential by turbocharging was obtained, and the energy flow characteristics in the diesel engine turbocharged system was analyzed. The results have shown that the energy recovery potential is strongly dependent on the engine"s and the turbo"s operational conditions. About 13% of engine exhaust gas energy could be recovered by the turbocharger when the latter works in the high efficiency domain, while only about 6% could be recovered in the low efficiency domain. Under all operational conditions, around 2% of the recovered exhaust gas energy is used to boost the intake gas pressure, and the rest is taken away by the intercooler. The results have provided theoretical basis and fundamental data for engine fuel saving through exhaust gas energy recovery by turbocharging or turbo-compounding.

Key words:engines; exhaust turbocharged; energy flow; energy recovery; GT-power

由发动机热平衡分析可知，排气带走了很大一部分能量.如何有效回收这部分能量，将是提高发动机热效率的一个重要突破口[1]，这也成为科学家和工程师们一直追求的目标.目前国际上已经提出了多种回收发动机排气能量的方法[2-3]，其中采用排气二次膨胀的废气涡轮增压方式比较成熟并且已经实现了产业化.研究表明，废气涡轮增压能有效回收部分发动机排气能量[4-5].虽然废气涡轮增压技术比较成熟，但是目前还尚未见到对增压系统能量流进行系统研究的报道，更没有对废气涡轮增压系统回收排气能量的潜力进行研究.本文针对一台国内自主开发的车用增压柴油机，详细研究了增压系统的能量流分布规律，完成对废气涡轮增压回收发动机排气能量潜力的评估，为对各种发动机排气能量回收方式进行横向比较提供基础数据.

1 废气涡轮增压的能量转换理论基础

1.1 废气涡轮增压系统的能量转换过程

发动机废气涡轮增压系统由涡轮机、压气机和中冷器组成，整个系统的能量流如图1所示.发动机排出的具有很高温度与一定压力的废气流入涡轮机，在涡轮机中膨胀并推动其高速旋转，由此实现废气的余压、余热能向涡轮机动能的转化，最终转化成涡轮轴旋转的机械能.同时，旋转的涡轮轴带动同轴相连的压气机旋转并压缩进气，由此实现涡轮机机械能向进气压力能和热力学能的转化.然而，为了降低发动机的进气温度，必须对进气进行冷却，于是一部分进气能量又被中冷器带走.

1.2 废气涡轮增压系统能量流的研究方法

涡轮机和压气机由传动轴连接，二者转速相等，稳定工况下功率近似相等，组成一个增压器系统.发动机与增压器只有气动连接而无机械连接，但二者相互影响、相互制约：压气机提高进气压力，但同时涡轮机增大了排气背压.此外，压气机与中冷器同管相连，二者进行能量和质量的传递.

为简化研究过程，本文将涡轮机、压气机和中冷器分开考虑[6]，分别研究其流入和流出的能量（焓流），在此基础上建立各子系统的能量平衡方程.其中，这三个部分都可以看作开口系统，采用控制容积法分别对其进行研究.结合气体在进排气系统管道内的一维流动理论，针对上述三个子控制容积系统，分别建立质量守恒方程和能量守恒方程[7-8] ，如式（1）和式（2）所示：

δm1=δm2；(1)

δq=dh+12dc2f+gdz+δWs.(2)

式中：δm1和δm2分别为控制容积系统进出口质量流量，kg/s；δq为系统与外界的热交换量，J；dh为系统的进出口焓降，J；dcf为进出口流速差，m/s；g为重力加速度，m/s2；dz为系统进出口高度差，m；δWs为系统对外输出的轴功，J.由于气体的密度和各系统进出口高度差都很小，在后面的研究中将位势能这项忽略.

1.3 各子系统能量平衡的计算方法

1.3.1 涡轮机的能量平衡

发动机的高温、高压（相对环境压力）排气在涡轮机中进行二次膨胀，输出轴功.根据能量守恒定律，结合图1所示的进排气系统内气体状态参数变化示意图，得出涡轮机输出功率的计算公式：

PT=excpex(T3－T4)=

excpexT3ηT［1－(p4p3)1－γγ］.(3)

其中，ηT为涡轮机的等熵效率:

ηT=T03－T04T3［1－(p4p3)γ－1γ］.(4)

式中：ex为进入涡轮机的排气质量流量，kg/s；cpex为排气的定压比热容，J/(kg•K)；T3和T4分别为涡轮机进出口气体温度，K；T03和T04分别为涡轮机进出口气体的滞止温度，K；p3和p4分别为涡轮机进出口压力，Pa；γ为气体绝热指数，空气取1.4，发动机排气的γ值随废气成分和温度变化，通过经验公式插值求解.

1.3.2 压气机的能量平衡

如果单独考虑压气机控制容积，不计传热损失与压气机出口动能损失，压气机消耗的功率为：

Pc=incpin(T2-T1)=incpinT1ηb［(p2p1)γ-1γ-1］.(5)

其中，ηb为压气机的等熵效率:

ηb=T1T2-T1［(p2p1)γ－1γ－1］.(6)

式中：in为流过压气机的气体质量流量，kg/s；cpin为进气定压比热容，J/(kg•K)；T1和T2分别为压气机进出口气体温度，K；p1和p2分别为压气机进出口压力，Pa.

实际上，由于涡轮机和压气机同轴相连，涡轮机对压气机做功，稳态工况下二者功率平衡：

PT=Pcηm. (7)

式中，ηm为传动轴的机械效率，通常增压器厂家发表的涡轮机效率是ηT•ηm而不单独考虑ηm.

1.3.3 中冷器的能量平衡

为进一步提高发动机的进气密度，增压发动机通常利用中冷器对压缩后的高温气体进行冷却.于是，气体的一部分能量被中冷器带走，从而使其产生温降.进气经中冷器后焓降可以由下式计算：

Δ=incpin(T2′－T2″).(8)

式中，T2′和T2″分别为中冷器进口和出口气体温度，K.

2 计算模型的搭建和实验验证

2.1 数值仿真模型的搭建

本文研究对象为一款国内自主开发的、排量为1.6 L的轿车用废气涡轮增压柴油机，其基本参数如表1所示.按照该发动机的几何结构参数和管道布置形式，并参考性能试验数据，建立其GT-power仿真模型，建模时对某些复杂的管道进行了相应的简化处理.GT-power是基于有限体积法的发动机一维气体动力学软件.大量实验数据表明，GT-power对求解管内气体的流动和传热具有很高的精度.这就避免了管内进、排气压力和温度测量难的问题.

该仿真模型由进气系统、气缸和曲轴箱、排气系统三大块构成，如图2所示.其中，模型进出口边界条件（压力和温度）设置为标准环境大气状态.机械摩擦损失、燃烧效率、空燃比、进排气阀流量系数等由实验数据标定.

该发动机设计开发时，增压器与整机性能匹配是难点之一，因为要实现发动机在全转速范围内性能匹配的最佳折中.以预定增压压力为目标，以增压器工作特性为参考依据，通过自行开发的基于通流特性的发动机与增压器预匹配软件对增压器进行初选，然后通过GT-power软件进行计算验证，最终选用了Honeywell公司的GT15增压器.外特性下增压器与发动机性能匹配良好.以压气机为例，在低流量时接近喘振线，在中高流量时大部分工况点工作在高效率区域（大部分工况效率在0.7以上）.这样可以保证增压器经常工作在高效率区，优化发动机的性能，同时还有利于回收更多的排气能量.其中，匹配好的压气机MAP图如图3所示.

相对质量流量/［（kg/s)-K0.5/kPa］

2.2 模型的实验验证

限于篇幅，本文只研究外特性下增压系统的性能及能量流分布.将外特性下发动机功率和扭矩的计算结果与实测数据进行对比，分别如图4和图5所示.通过比较发现计算值和实验数据基本吻合，最大误差在2%左右.这说明了该GT-power计算模型具有足够的精度和可信度，满足计算要求.

3 研究结果分析

根据部分已有的发动机台架性能试验数据（功率、排温等），以及性能模拟计算得到的外特性下发动机进、排气系统内气流的全部状态参数，基于EXCEL 编写计算程序对各子系统的能量平衡进行二次计算，得出外特性下增压系统的能量流以及涡轮机回收的能量.

需要说明的是，进气比热按照空气温度插值得到；排气比热按照气体组分和温度插值，其中气体组分可以根据发动机油气混合气空燃比计算得到.

3.1 涡轮机的能量流

图6所示为外特性下涡轮机进出口压力随发动机转速的变化关系.可以看到，涡轮机进口压力在全转速范围内有明显变化：低速时呈急剧上升趋势，中高转速时相对比较平稳.涡轮机出口压力在全转速范围内比较平稳，最小值为0.103 MPa，与环境大气压力很接近；最大值也只有0.123 MPa.

图7所示为外特性下涡轮机进出口温度随发动机转速的变化.从图中可以看到，除个别转速外，涡轮机进口温度总体趋势是随转速的增加而上升，涡轮机出口温度曲线形态与进口温度曲线基本一致，二者维持一个比较稳定的、90 Ｋ左右的温度差.

由能量方程计算得出涡轮机回收的能量如图8所示.排气能量可以分解为余压能、余热能和余动能，排气通过在涡轮机中膨胀，分别将以上各种形式的能量传递给涡轮机.从图中可以看到，涡轮机回收的能量主要是余热能，在中高速时大概是余压能的2倍.相比余压能和余热能，回收的余动能可以忽略不计（最大值只占回收能量的1.3%），所以后面对压气机和中冷器研究时就忽略了余动能.

3.2 压气机的能量流

压气机的进出口压力如图9所示，其出口压力控制在0.2 MPa（即增压比为2）.压气机进出口的温度变化如图10所示.可以看出，温度的变化和压力的变化趋势基本一致，这是由气体状态方程决定的.但增长的比例不一样（温度升高率只有30%左右，而压力升高率约为100%）.在涡轮机压气机中冷器系统中，压气机起着能量传递与转换的作用.在理想情况下，涡轮机的输出功率全部用于带动压气机做功，于是涡轮机的能量全部流向压气机.压气机又将能量传给进气，使进气压力和温度升高.

3.3 中冷器的能量流

由图11可知，进气经中冷器后经历的是近似等压放热过程.进气冷却后温度控制在313 K，如图12所示.这样，通过增压、中冷，使发动机的进气压力提高并使温度维持在目标值.中冷器带走的热量可以由进出口焓差计算得出.如图13所示为中冷器带走的能量流随发动机转速的变化关系.由图可知，压气机传给进气的能量绝大部分被中冷器带走.这是因为气体能量的主要表现形式是热力学能，所以通过冷却后绝大部分能量又被散失掉.

3.4 增压系统回收的排气能量

整合以上数据和结果，可以得出增压系统各部分能量流变化情况.如图14所示为外特性下发动机增压系统各部分能量流分布随转速的变化关系.可以看到，在全转速范围内排气能量与发动机功率相当.涡轮机只回收了很少一部分的排气能量，这是因为废气在涡轮机中膨胀不够充分，废气温度下降得不够多，以至于大部分余热能没有释放出来而随排气带走.

外特性下不同转速时对应的发动机排气能量流分布如图15所示.在中高速工况下（这时增压器运行在高效率区域，如图3所示），涡轮机大概只回收12%~13%的排气能量，而这部分回收的排气能量大部分被中冷器带走，余下2%左右的排气能量转化为进气的压力能；发动机转速为1 000 r/min时，涡轮机只回收6%左右的排气能量（这时增压器运行在低效率区域，且工作不稳定）.在转速大于2 000 r/min以后，虽然涡轮机回收的排气能量百分比增加了近一倍，但是净回收的能量百分比并没有增加（大约为2%）.这是因为限制了进气的增压比和温度，多余的能量只能通过中冷器带走.由此可见，涡轮机回收排气能量的效率受增压器运行工况的影响，而增压系统净回收能量的百分比还受进气增压压力和温度的制约.

4 结 论

1）联合发动机台架试验和性能模拟计算进行研究，可以比较精确而详细地得出发动机增压系统的能量流分布规律.

2）废气涡轮增压系统回收的主要是排气余热能和余压能；在外特性下、中高转速时回收的余热能约为余压能的2倍，余动能基本上可以忽略.

3）在中高转速工况下，涡轮机大约能回收13%的排气能量，而这部分能量大部分被中冷器带走，余下2%左右的排气能量转化为进气压力能.

4）从能量转换的角度来看，废气涡轮增压系统并没有很好地利用排气能量，这不仅受增压器与发动机匹配及运行工况的影响，还受进气增压压力和温度的制约.

参考文献

［1］ YUKSEL F, CEVIZ M A. Thermal balance of a four stroke SI engine operating on hydrogen as a supplementary fuel[J]. Energy, 2003, 28（11):1069-1080.

［2］ HUNG T C, SHAI T Y, WANG S K. A review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heat[J]. Energy, 1997, 22(7):661-667.

［3］ HUNG T C. Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids[J]. Energy Conversion and Management, 2001, 42 (5):539-553.

［4］ ARNOLD STEVE, SLUPSKI KEVIN, GROSKREUTZ MARK, et al. Advanced turbocharging technologies for heavy-duty diesel engines[C]//Detroit. SAE Paper 2001-01-3260, 2001.

［5］ HINDI GUSTAVO, ZABEU CLAYTON B, LANGEANI MARCOS. Turbocharged vs. turbo-compounded ethanol engine: fuel-air equivalence ratio impact[C]//Detroit. SAE Paper 2009-36-0050, 2009.

［6］ PLINT MICHAEL, MARTYR ANTHONY. Engine testing theory and practice[M]. London: Butterworth Heinemann, 1995.

［7］ JONES J B, DUGAN R E. Engineering thermodynamics[M]. New Jersey: Presey Hall Inc, 1996.

［８］ MORAN MICHAEL J, SHPIRO HOWARD N. Fundamentals of engineering thermodynamics[M]. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons Inc, 1995.