坦克装甲车辆发动机排气发电技术研究

谷 操， 李源浩， 张 敏

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

坦克装甲车辆的动力及电力能源都来自发动机，目前，发动机转变为有效功的热当量占燃料燃烧发热量(输入热量)的30%～40%，排气带走的热量也要占30%～40%[1].如何实现对高温尾气余热的利用以提高发动机的热效率，一直是各国都在努力研究的一个课题，特别是对于混合动力车辆，对于该方面的研究需求尤为迫切.目前对于发动机的余热发电技术的研究，主要集中在应用热电材料进行发电[2]和传统的内能—动能—电能的热电转换模式等方面，并取得了一定的进展.笔者也在利用有机朗肯循环进行发动机排气余热发电方面进行了一定的研究，通过研究发现存在一系列问题不好解决，这些问题直接制约了在车辆上的应用，主要表现在：系统中压缩机、冷凝器均需要耗能，直接影响了能量回收效率，系统部件多、占用的空间大，工质侧是封闭式循环，其工作压力高、对流动阻力匹配的要求苛刻等方面.结合对坦克装甲车辆实际情况的分析，并在前期研究的基础上，提出了利用布雷顿循环[3]在坦克装甲车辆上实现发动机排气余热发电的技术方案.

1 布雷顿循环的发动机排气发电系统原理

布雷顿循环的发动机排气发电系统原理如图1所示.由压气机压缩空气达到一定的温度、压力并驱动空气单向流动，压缩空气经过热交换器，通过吸收发动机排气的热能进一步提高空气的温度和体积流速，高温高速压缩空气驱动涡(气)轮发电机旋转进行发电.

图1 布雷顿循环的发动机排气发电系统原理图

2 循环系统的热力学分析

如图2所示，空气在压气机压缩是绝热压缩(定熵压缩)过程(1→2)，在此过程中空气的温度压力升高，体积流速增加，需要消耗外界的输入功；通过换热器吸收发动机排气热量是定压加热过程(2→3)，在此过程空气的温度升高，体积流速增大；高温高速空气驱动涡(气)轮机旋转的过程是定熵膨胀过程(3→4)，空气的温度、压力均下降，并带动发电机发电对外做功；空气排到大气中的过程是定压放热过程(4→1).

图2 循环过程热力学状态参数图

按照理想循环[3-5]进行分析(设定空气流量为1 kg/s)，定熵压缩过程(1→2)方程如式(1)式(2)所示，定压加热过程(2→3)方程如式(3)所示，定熵膨胀过程(3→4)方程如式(4)所示，定压放热过程(4→1)方程如式(5)所示。

dQ=0，dS=0;Wc=Cp(T2-T1)；

(1)

(2)

Q=Cp(T3-T2)，

(3)

dQ=0，dS=0；WT=Cp(T3-T4)；

(4)

Q=-Cp(T4-T1).

(5)

式中：Q为热量；S为熵；WC为压气机内消耗功；WT为输出功；CP为气体比热；T1、T2、T3、T4为温度；P1、P2为压力；k为换热系数.

由式(1)～式(5)可得：

(6)

当且仅当式(6)的结果大于零时，系统运行是有效的，即对外输出功大于系统消耗功.

3 对发动机性能影响分析

换热器串联在发动机的涡轮的出口管路中.排气经过换热器将部分热量传递给压缩空气，是定容放热过程.排气经过换热器后排放到大气中，温度、压力均降低，另一方面排气进入换热器时会有扩压过程以及流过换热器时会增加流动阻力，而定容放热过程引起的压力降低可以起到一定抵消扩压和流动阻力所带来的影响，因此只要在换热器设计时合理考虑好二者的平衡关系，就可以保证不会对发动机的性能带来不利的影响.同时，排气的温度、压力降低，会有效减小排气噪声的能量，有益于降低排放噪音，可以起到消音器的作用，如原设计考虑安装有消音器，此时则可以取消消音器.

4 在坦克装甲车辆上实施的可行性分析

利用发动机排气的余热进行发电，能够提高发动机的燃料能量利用率进而提高发动机的性能以及整车的性能，并且会起到降低排气噪音、降低排气温度的效果，也有利于提高坦克装甲车辆的降噪、降低红外特性等性能.

分析评估该技术能否在坦克装甲车辆上应用，关键就在于其效能和安装空间是否合适.下面基于某发动机进行评估分析.

发动机基本参数：额定功率400 kW的增压中冷柴油机，额定工况下的进气量0.6 kg/s，涡轮增压后排气温度550 ℃.

发电系统按照压气机流量0.2 kg/s、压比2.5、经过换热器后温度升高到500 ℃.环境按标准工况核算.

此时温度比

τ=2.59.

按照式(6)计算可得，WT=17.8 kW.

考虑系统的综合效率为0.6，则实际收益为10.68 kW.即发电系统可以获得10 kW左右的效能收益.

该系统构成简单，只有压气机、涡轮发电机、换热器和少量连接管路，其中体积较大的是换热器部分，因此本研究仅就换热器的体积进行分析评估.

将0.2 kg/s的空气由环境温度升高到500 ℃时需要吸收的热量：

Q=mCpΔt.

经计算，Q=0.2×1.005×(500-25)=95 kW

在压气机中空气被压缩时也要升温，故实际的换热能力不需要95 kW.按此指标设计换热器可以保证足够的换热能力.

采用板翅式换热器，空-空换热系数按照60 W/m2算，采用对数平均温差法计算需要换热面积10 m2.

板翅式换热器基于冷侧换热面积的紧凑系数按照500 m2/m3估算，需要的换热器芯体体积为0.02 m3，这与卡车的消音器相当.因此该体积需求在坦克装甲车辆上是可以接受的，而压气机、涡轮发电机的体积不会大于同样出力的辅机的体积.

综上分析该系统用在坦克装甲车辆上是可行的.

5 结 论

提出一种利用布雷顿循环的坦克装甲车辆发动机排气发电技术方案.该方案涉及的部件少结构简单占用空间小.通过对循环过程进行热力学分析，并基于某发动机进行了具体的效能评估分析计算，分析研究表明该技术方案可以用于坦克装甲车辆的发动机排气发电，能够提高发动机的燃料能量利用率进而提高了发动机的性能以及整车的性能.系统还可以发挥降低排气噪音、降低排气温度的效果，有利于提高坦克装甲车辆的降噪、降低红外特性等性能.