摘要:以排量1.599L的G4ED型车用汽油机为研究对象，运用废气涡轮发电技术进行发动机排气能量回收利用研究。利用GT-POWER软件搭建废气涡轮发电系统热力学仿真模型，进行相关试验研究。结果表明:在该型车用汽油机上应用废气涡轮发电系统，发电机最大发电功率为997.7W，经济性提高1.3%，发动机整体工作效率提高2.8%，可为车用发动机能量回收利用提供借鉴。
关键词:车用汽油机;废气涡轮发电系统;能量回收;燃油经济性
0引言
随着国民经济的快速增长、人民生活水平的不断提高，汽车保有量不断增加，交通与建筑用能已经成为我国终端能源消费增长的主要驱动力[1]。据公安部交管局公布，截止到2017年底全国机动车保有量达3.10亿辆，其中汽车2.17亿辆，是机动车的主要构成部分，另外还有大量的其他发电设备。
目前，汽车消耗的主要能源是石油，其燃料的燃烧产物又会对环境造成极大的污染[2]。由此可见，随着汽车产业的迅猛发展，能源和环境污染问题将日益突出，提高对燃料的有效利用和降低环境污染具有十分重要的意义。由于发动机燃料燃烧产生的热量中有1/3是以排气的方式释放到大气中，即造成了能量的浪费又造成了环境的污染[3-5]。
如果能有效回收这一部分废气能量，将有助于提高发动机燃油经济性和减少环境污染。采用发动机与废气涡轮发电技术联合来回收发动机排气余热，是提高发动机总能效率、降低油耗的一个有效途径[6-8]。本文以自然吸气式G4ED型车用发动机为研究对象，在排气管后增加一个废气涡轮发电系统[9-11]，建立发动机热力学计算模型并进行相关试验，研究废气涡轮发电系统对发动机排气能量回收具有现实意义[12]。
1废气涡轮发电系统搭建及试验
1.1废气涡轮发电系统建模
发动机建模使用GammaTechnologies公司开发的一款具有发动机工业标准的模拟仿真工具—GTPOWER。该软件是GT-SUITE系列软件中的一部分，主要包括发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构以及配气机构等模块[13]。
发动机转速影响内燃机循环热效率和排气参数，空燃比影响发动机内气体工质的绝热指数，喷油提前角影响汽油机燃烧过程的等容度，排气门开启时刻影响高温气体能量在气缸和废气涡轮之间的分配[14-15]。这些参数直接影响发动机和废气涡轮的匹配及废气涡轮系统的发电性能。发动机废气涡轮发电系统仿真主要参数设置见表1。热力学仿真模型局部模块如图1所示
1.2废气涡轮发电系统试验
本文依据GB/T18298—2001《汽车发动机性能试验方法》进行发动机废气涡轮发电相关试验，图1为热力学仿真模型局部模块。图2为废气涡轮发电装置试验台架。
试验中测量发动机不同工况下涡轮转速及对应的电机发电量，数据测量通过测量仪器实时监测、采集，如图3所示。
台架试验中所使用的废气涡轮发电装置[16]是由60型增压器和发电机改装而来。试验台架废气涡轮发电装置中主要包括两个快接头、废气涡轮、发电机、电线若干、涡轮进气管道等。快接头是为了拆装方便，两个快接头分别是装置的进油口和出油口。图3中温度仪的设定温度为100℃，超过这一温度，仪器会自动预警。图4为发动机废气涡轮发电台架示意图。
2仿真与试验结果验证
搭建发动机热力学计算模型，在外特性范围内进行空燃比、平均有效压力、比油耗和缸内爆发压力仿真结果与试验结果校核。发动机性能参数曲线如图5～9所示。
在外特性范围内，台架试验结果与仿真结果对比。从图5、图6可以看出，在整个测试速度范围内，仿真计算结果与试验测试结果比较吻合，误差不超过3%。汽油机油耗性能曲线如图8所示，试验测试最低燃油消耗率对应的发动机转速在2800r/min左右，与仿真参数设置的2800r/min基本吻合，燃油消耗率误差最大值为3.01%，最小误差为0.17%。图8为缸内爆发压力曲线，实测结果与仿真计算结果吻合程度较好，在最高爆发压力点曲轴转角位置有良好的吻合，数值误差为2.79%。在整个测试转速范围内，计算结果与试验结果有一个比较好的吻合。
废气涡轮和发电机均属于高速旋转机械，在试验中得到相对理想的输出电流跟电压所对应的涡轮和发电机转速均在100000r/min以上，试验中涡轮和发电机转速、所对应的电压、电流及发电量如表2所示。
软件中发动机转速设置从800、1300、1800r/min依次递增到额定转速(5800r/min)，这里取满负荷工况条件下发动机800r/min和额定转速时发电机输出电流和输出电压随曲轴转角的变化曲线如图9和图10所示，其中电流曲线的负号代表电流输出。
发动机800r/min时对应的发电机电流输出值在1.01～1.38A范围内波动，电压输出值在61.03～98.76V范围内波动。额定转速(5800r/min)下对应的发电机电流输出值在2.56A～3.26A范围内波动，电压输出值在347.23～394.43V范围内波动。
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通过试验结果与仿真结果的对比可以看出，满负荷工况下发动机800r/min时对应发电量与涡轮转速32832r/min时对应发电量比较接近，误差在23.28～26.51W范围内波动;额定转速(5800r/min)下对应发电量与涡轮达到152630r/min时比较接近，误差在23.48～267.75W范围内波动。从图9和图10曲线上可以看出电流、电压数值一直处于波动中，以上存在的误差均在正常范围内，仿真结果与试验结果有较好的吻合。
3经济效益分析
在出租车上安装废气涡轮发电装置可用于空调制冷节能。每天正常行驶400～500km可减少油耗约7L，制冷情况下按照行驶150天计算，节省油耗约1050L，节省油款6825元。一台设备投入4250元，94天左右即可回收成本。同时，每辆车一年可减少排碳2.41t(汽油密度0.73kg/L，节约1kg汽油=减排3.15kg“二氧化碳”=减排0.86kg“碳”)。
车用涡轮增压器是以提高发动机效率为目的，只有在发动机启动后才开始工作。由于其工作的滞后性，发动机启动前涡轮增压器没有动力。而发动机废气能量回收装置的使用为发动机增压器增加了电动和发电功能，使增压器工作不再滞后，其工作转速在32000r/min以上，高于现有车型自带涡轮增压器转速。汽车发动机采用此装置回收排气能量进行发电可以代替现有发动机上安装的发电机，效率提高2.8%。
同时，废气涡轮发电装置也可适用于混合动力汽车发动机，装置回收利用排气能量在不损失曲轴功率的前提下为蓄电池充电，提高混合动力汽车行驶里程，增加了续航能力。
4结语
本文针对某车用汽油机采用GT-POWER软件建立了废气涡轮发电系统热力学模型并进行了相关试验，并利用试验数据对仿真结果进行验证，结果基本吻合。试验中测得废气涡轮发电系统最大发电量为997.7W，经济性提高1.3%，发动机整体工作效率提高2.8%。车用发动机上采用废气涡轮发电系统在一定程度上回收了排气能量，但是发动机与废气涡轮之间的最佳匹配及高速电机的选型仍是面临的突出难题。为更好的利用发动机排气能量，还需对发动机及废气涡轮发电系统做进一步的优化和改进。
