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摘要:提出一种利用布雷顿(BＲAYTON)循环的坦克装甲车辆发动机排气发电技术方案，对循环过程进行了热力学分析，并探讨了引入循环后对发动机性能的影响及在坦克装甲车辆上实现的可行性，分析研究表明该系统技术适用于坦克装甲车辆的发动机排气发电。
关键词:坦克装甲车辆;布雷顿(BＲAYTON)循环;发动机排气发电
引言：
根据发动机能量分析，燃料燃烧所提供的能量只有30%左右转化为有效功率，其中30%～40%的能量随着发动机尾气的排放进入环境。为了降低燃油消耗率，各个国家都专注于对汽车发动机尾气能量利用的研究。目前排气废热能量的利用主要应用于废气涡轮增压、废热制冷、发电以及取暖等。目前，伴随着热电材料的快速发展，利用汽车尾气的温差发电技术已经成为排气废热利用关注的重点。
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)。
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400kW的增压中冷柴油机，额定工况下的进气量0.6kg/s，涡轮增压后排气温度550℃。
发电系统按照压气机流量0.2kg/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=17.8kW.
考虑系统的综合效率为0.6，则实际收益为10.68kW．即发电系统可以获得10kW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0.2kg/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)=95kW
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95kW．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60W/m2算，采用对数平均温差法计算需要换热面积10m2．板翅式换热器基于冷侧换热面积的紧凑系数按照500m2/m3估算，需要的换热器芯体体积为0.02m3，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。
参考文献：
[1]谷操，张敏，卫继新．坦克装甲车辆发动机尾气余热发电一种新思路［J］．车辆与动力技术，2007，(3):49-51．
[2]张征，曾美琴，司广树．温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用［J］．电力与能源，2004，25(3):120-123
论文作者:孙丽光,高原,武鹏
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/10/2
标签：发动机论文; 换热器论文; 坦克论文; 装甲车辆论文; 温度论文; 过程论文; 体积论文; 《防护工程》2019年第6期论文;