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車(chē)用發(fā)動(dòng)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(kāi)勝張揚(yáng)軍文檔來(lái)源： 1．清華大學(xué)汽車(chē)工程系汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2．軍事交通學(xué)院軍用車(chē)輛系		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2026年01月25日
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第5期(總第214期)
2014年1O月
車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)
VEHICLE ENGINE
No．5(Serial No．214)
0ct．2014
· 綜合評(píng)述·
車(chē)用發(fā)動(dòng)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(kāi)勝 ，張揚(yáng)軍
(1．清華大學(xué)汽車(chē)工程系汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；
2．軍事交通學(xué)院軍用車(chē)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(duì)象，分析了各自理論循環(huán)特點(diǎn)并指出：渦輪增壓
聯(lián)合循環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)的初級(jí)聯(lián)合，底循環(huán)用來(lái)加強(qiáng)頂部循環(huán)但不對(duì)外輸出功率；渦輪復(fù)合聯(lián)合
循環(huán)技術(shù)實(shí)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(lái)完善頂部循環(huán)外還參與對(duì)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(shí)現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)的組合運(yùn)行，底循環(huán)與頂部循環(huán)之間實(shí)現(xiàn)了模塊化
組合運(yùn)行，使動(dòng)力輸出模式可按車(chē)輛的需求而變化。總結(jié)了各項(xiàng)技術(shù)的最新研究成果并對(duì)車(chē)用發(fā)動(dòng)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(chē)用發(fā)動(dòng)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(lèi)號(hào)：TK44；TK421．8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2222(2014)05—0001—07
近年來(lái)，日益迫切的節(jié)能減排需求對(duì)車(chē)用發(fā)動(dòng)
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(fèi)掉了，導(dǎo)致活塞式內(nèi)燃
機(jī)功率輸出密度相對(duì)較低，燃油消耗率較高 ]。根
據(jù)熱能梯級(jí)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(duì)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(yùn)行在溫度較高的區(qū)域，充當(dāng)?shù)籽h(huán)
的高溫?zé)嵩础Ｈ~輪機(jī)械由于具有流量大、體積小、能
量密度高等特點(diǎn)，在車(chē)用發(fā)動(dòng)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(chē)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(diǎn)不同，車(chē)用
發(fā)動(dòng)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(gè)層次。本研究
分別分析了3個(gè)層次聯(lián)合循環(huán)技術(shù)各自特點(diǎn)并介紹
了相應(yīng)研究成果，對(duì)車(chē)用發(fā)動(dòng)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(dòng)耦合與匹配的聯(lián)合循環(huán)技術(shù)。該技術(shù)通
過(guò)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(guò)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(guò)增壓匹配來(lái)改善和提高內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力循
環(huán)的完善程度，是一種初級(jí)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(dòng)匹配很難
完全滿足車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(chē)用渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)性能
一直難以滿足車(chē)用動(dòng)態(tài)工況的需求口 ]。全工況
性能和瞬態(tài)性能共同決定車(chē)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(dòng)機(jī)的工況適應(yīng)性
成為車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓技術(shù)關(guān)注的焦點(diǎn)。
為提高車(chē)用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工況適應(yīng)性，通
過(guò)采用各種主被動(dòng)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(jiǎn)介：劉剛(1981～)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)流體力學(xué)和新型循環(huán)；liugang120681@126．com。
車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī) 2014年第5期
何渦輪增壓、兩級(jí)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(diǎn)各不相同，在車(chē)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(jì)方法主要基于設(shè)計(jì)工況展
開(kāi)，受葉輪機(jī)單工況設(shè)計(jì)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(chē)用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)全工況通流匹配理論和總
能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法改變了單工況設(shè)計(jì)帶來(lái)的系統(tǒng)匹配
瓶頸效應(yīng)，在國(guó)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(duì)
底循環(huán)進(jìn)行改造，添加新的核心部件— — 動(dòng)力渦輪，
但動(dòng)力渦輪不能脫離內(nèi)燃機(jī)循環(huán)而單獨(dú)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(jí)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(guò)增壓渦輪回收的排氣能量只能作
用于驅(qū)動(dòng)增壓壓氣機(jī)，在排氣能量過(guò)多的高速等工
況下不能及時(shí)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(dòng)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(shí)渦輪機(jī)分別只回收了約6
和13 的排氣能量；同時(shí)，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(guò)在排氣管道中合
理布置燃?xì)鈩?dòng)力渦輪，可進(jìn)一步吸收和回收排氣通
過(guò)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(jí)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(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)機(jī)技術(shù)_2 ，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前國(guó)際上Vol—
VO，Scania，Cummins，John Deere和Caterpillar等
公司均已開(kāi)發(fā)了不同類(lèi)型商業(yè)化Brayton渦輪復(fù)合
循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。瑞典Scania公司_2 ]開(kāi)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(guó)
John Deere公司 則是以電渦流復(fù)合增壓技術(shù)見(jiàn)
長(zhǎng)，其開(kāi)發(fā)的全電功率輸出柴油機(jī)的動(dòng)力渦輪帶動(dòng)
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(dòng)機(jī)，美國(guó)人Hope于20世紀(jì)80年代發(fā)明的Giesel
發(fā)動(dòng)機(jī)[26-27]可在起動(dòng)和加速等工況時(shí)開(kāi)啟補(bǔ)燃室，
瞬時(shí)使動(dòng)力渦輪擁有較高膨脹比，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有出
色的冷起動(dòng)、加速性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，在坦克等特種
車(chē)輛上得到一定應(yīng)用。
圖1 動(dòng)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(kāi)始，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)
構(gòu)_2 曾對(duì)船用渦輪復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)的方案進(jìn)行了熱
力學(xué)分析和試驗(yàn)研究。近年來(lái)，以國(guó)家“973”項(xiàng)目
“高效、節(jié)能、低碳內(nèi)燃機(jī)余熱能梯級(jí)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(duì)車(chē)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(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)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(shí)，最大廢氣能量回收效率為7．2 。清華大學(xué)在
車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪復(fù)合系統(tǒng)全工況通流匹配理論和設(shè)
計(jì)方法方面進(jìn)行了深入研究，提出了增壓渦輪與動(dòng)
力渦輪對(duì)轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)DCI 11發(fā)動(dòng)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(guò)換熱器中對(duì)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(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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?dòng)力渦輪中流動(dòng)
阻力帶來(lái)的整機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差以及熱量存儲(chǔ)能力
差等問(wèn)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(chē)用發(fā)動(dòng)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(chē)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域開(kāi)展L3 。 。近年來(lái)，由于Ran—
kine循環(huán)系統(tǒng)具有出色的熱量存儲(chǔ)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(chē)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(duì)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(lái)，國(guó)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(chē)用發(fā)動(dòng)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(guó)外，Srinivasan等人[4 利用Rankine循
環(huán)回收1臺(tái)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(dòng)機(jī)工作在中等負(fù)
荷工況時(shí)，在保持NO 排放維持在較低的水平時(shí)，
可提升熱效率約1O ；Yamada等人l4 建立了應(yīng)用
于車(chē)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(shí)系統(tǒng)熱效率整體提高了
2．9 ～3．7 ；德國(guó)BMW 公司 3_研發(fā)了針對(duì)乘用
車(chē)小功率內(nèi)燃機(jī)的雙Rankine循環(huán)技術(shù)，通過(guò)兩套
Rankine循環(huán)同時(shí)分別吸收發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)曲軸，有效改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出
功率。在國(guó)內(nèi)，隨著國(guó)家節(jié)能減排政策力度的加大，
目前國(guó)內(nèi)針對(duì)Rankine渦輪復(fù)合循環(huán)技術(shù)的研究也
受到了重視。以“973”項(xiàng)目“高效、節(jié)能、低碳內(nèi)燃機(jī)
余熱能梯級(jí)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(shí)現(xiàn)。
今后，隨著對(duì)循環(huán)耦合方案 引、高效膨脹機(jī)設(shè)
計(jì)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(chē)用內(nèi)燃機(jī)低溫余
熱回收方面發(fā)揮越來(lái)越重要作用，在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)
機(jī) 、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī) 等新型車(chē)用動(dòng)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(guò)對(duì)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(dú)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(shì)或特
點(diǎn)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(dòng)、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(shì)。這些特點(diǎn)能夠滿足工程機(jī)械發(fā)動(dòng)
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(yùn)行、切換以及上裝和底盤(pán)均需要?jiǎng)恿敵龅?
特種車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)動(dòng)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(guó)外有關(guān)分布式發(fā)電技術(shù)的相關(guān)文
獻(xiàn) 刪中，但沒(méi)有涉及變循環(huán)切換或工作模式轉(zhuǎn)換
的內(nèi)容。車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪組合循環(huán)技術(shù)的概念是近
年來(lái)由國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提出的【6 盯]，但目前公開(kāi)
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(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī) 2014年第5期
參數(shù)影響規(guī)律仿真研究，還沒(méi)有試驗(yàn)研究的資料公
開(kāi)發(fā)表。
圖4示出國(guó)內(nèi)清華大學(xué)提出的一種渦輪組合發(fā)
動(dòng)機(jī)方案— — “Diesel—Brayton渦輪組合循環(huán)發(fā)動(dòng)
機(jī)”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。該發(fā)動(dòng)機(jī)可根據(jù)整機(jī)運(yùn)行需
要通過(guò)控制進(jìn)排氣系統(tǒng)中的閥門(mén)和內(nèi)燃機(jī)與燃?xì)廨?
機(jī)燃燒室噴油使發(fā)動(dòng)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(yùn)行及切換。
圖4 “Diesel—Brayton渦輪組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
當(dāng)渦輪組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在聯(lián)合循環(huán)模式
時(shí)，進(jìn)氣先經(jīng)過(guò)大壓氣機(jī)c1由閥門(mén)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(jiàn)圖5)，熱力過(guò)程依次為：燃?xì)廨啓C(jī)壓氣
機(jī)中等熵壓縮過(guò)程(1-2)；內(nèi)燃機(jī)中冷器中定壓放熱
過(guò)程(2—3)；內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)等熵壓縮過(guò)程(3-3a)；內(nèi)
燃機(jī)氣缸內(nèi)等容加熱過(guò)程(3a一3b)；內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)等
壓加熱過(guò)程(3b一3c)；內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)等熵膨脹過(guò)程
(3c一3d)；內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)等容放熱過(guò)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(guò)程(3—4)；燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中等壓加熱過(guò)
程(2-5)；內(nèi)燃機(jī)排氣和燃?xì)廨啓C(jī)排氣混合過(guò)程
((4+5)一6)；燃?xì)廨啓C(jī)增壓渦輪和動(dòng)力渦輪中的等
熵膨脹過(guò)程(6-7—8)；燃?xì)廨啓C(jī)向環(huán)境等壓排氣過(guò)程
(8一1)。
針對(duì)以上渦輪組合發(fā)動(dòng)機(jī)方案，分析得到[6 ：
對(duì)渦輪組合發(fā)動(dòng)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(jì)主要通過(guò)對(duì)這3個(gè)參數(shù)的優(yōu)化來(lái)實(shí)
現(xiàn)。目前，針對(duì)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(dòng)機(jī)聯(lián)合循環(huán)時(shí)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(dòng)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(lái)的；渦輪增壓聯(lián)合循環(huán)技
術(shù)實(shí)現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)簡(jiǎn)單聯(lián)合，底循環(huán)用來(lái)
加強(qiáng)頂部循環(huán)且不對(duì)外輸出功率；渦輪復(fù)合聯(lián)合循
環(huán)技術(shù)實(shí)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(lái)完善頂部循環(huán)還可同時(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)了底循環(huán)與頂部循環(huán)之間自由組合運(yùn)行，滿足
了特殊車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)動(dòng)力輸出模式可變的要求；
b)車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪聯(lián)合循環(huán)技術(shù)通過(guò)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(dòng)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(jí)
利用方面的優(yōu)勢(shì)；隨著微燃機(jī)技術(shù)、先進(jìn)葉輪機(jī)械設(shè)
計(jì)與流動(dòng)控制和匹配技術(shù)不斷發(fā)展，未來(lái)車(chē)用發(fā)動(dòng)
機(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)對(duì)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱能梯級(jí)利
用問(wèn)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(jí)利用角度出發(fā)
合理設(shè)計(jì)聯(lián)合循環(huán)方案，車(chē)用發(fā)動(dòng)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(guò)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(chē)用發(fā)動(dòng)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(duì)于車(chē)用燃料電池
發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，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(jì)將會(huì)成為新的研究方向。
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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]

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