王鲁峰，李辉，万小利，丁红军，金志刚
摘 要：研究建立了一个模拟多种发动机尾气热源的试验台。通过理论和经验数据相结合的方法确定了试验台的热流量、出口温度及压力等参数。试验台的热源由燃油燃烧提供，能够模拟出和实际发动机工作时尾气特性（温度、压力、流量）相似的热烟气。模拟的发动机尾气热源和吸附制冷系统相结合，可以降低试验成本，并使试验的可信度更高，为给定热源条件下设计吸附发生器提供一定的理论和实验依据。
关键词：发动机；尾气热源；吸附制冷
abstract:in the paper, an experimental bench which simulating multiengine tail gas heat source is researched and built. based on the combination of theory and empirica l data, defined the thermal flux, exit temperature and pressure of the experimen tal bench, and so on. combustion supplies the experimental bench heat sources, w hich could simulate the similar characteristics of tail gas of real engine (temperature, pressure, flux). the harmony of simulating heat source of engine tail gas and adsorption refrigeration system could reduce the cost, and upgrade the de gree of belief, provide certain theory and test reference for adsorption generat or design under the specified heat source terms.
keywords:engine; tail gas; heat source; adsorption refrigerat ion
0引言
吸附式制冷能有效利用太阳能和工业废热等低品位能源而没有环境破坏性，这种新的制冷 技术受到越来越多的重视。WWW.11665.CoM吸附式制冷不用氟里昂作制冷剂，是一种环境友好的制冷技术。吸附式制冷系统可以直接由太阳能、工业废热等低品位能源驱动，是节能和开发利用太阳能等新能源的有效工具，该系统具有结构简单、无运动部件、无噪声、抗振性好、使用寿命长等优点，在船舶制冷、汽车制冷、宇航制冷中有相当好的应用前景。如将它用在发动机尾气驱动的空调系统，能够满足车辆的制冷需求［1，2］。在各种客车、轿车中应用吸附制冷冰箱，可以做到停车后继续制冷12h以上。以解放牌ca15型货运车为例，在部分负载60kw下工作时，可利用的尾气热量为18.28kw左右，在cop为0.2～0.3的情况下（目前吸附式制冷系统完全可以达到此目标），可制得的冷量为3.66～5.48kw，而驾驶室内所需的制冷量一般为3.5kw左右，可见制得的冷量能满足需求。如能成功地将利用余热的吸附式制冷技术用于各类发动机空调和冰箱系统，开发成功性能良好、造价低、体积小、基本无运行费用的发动机尾气余热利用吸附式制冷系统，必将带来巨大的经济和社会效益。
分析汽车发动机的效率和热平衡可知［3，4］，燃油燃烧的总热量只有30%～48%用于汽车的动力输出(见表1)，一半以上的热量以废热的形式排出车外，包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量。其中尾气带走的热量占燃烧总热量的比例，柴油机为25%～45%，汽油机30 %～40%。排气阀门处的温度为400～600℃。考虑到废气中酸性氧化物的露点腐蚀问题，最终排出汽车体外的尾气温度不应低于180℃，一般可以利用的废热量为燃烧总热量的15%～ 20%，能够利用的排气余热是很可观的。
由上述分析可见，发动机尾气的温度较高，废热量较大，是吸附式制冷系统较理想的驱动热源。如果直接用发动机做吸附制冷试验研究，试验本身只能利用30%左右的发动机尾气热量，其余70%左右的能量将白白浪费，且发动机提供的流量和温度基本上不变，对试验研究也有很大的局限。为此，我们考虑建立可模拟多种热源的试验台，输出的热量由燃油燃烧。此台架在研究不同发动机热源以及发动机在不同工况下对吸附发生器性能的影响时都可应用。
1多种发动机尾气热源吸附制冷模拟试验台系统简介
模拟多种发动机尾气热源吸附制冷试验台(见图1)具有以下特点：
(1) 采用两级送风，燃烧器风机进口风道和主风机出口相连接，避免了燃烧器风机直接 从大气抽取空气，导致燃烧器内部积炭而燃烧不完全，影响整个试验台的正常工作。
(2) 主风机在给燃烧器提供燃烧所需的一次空气和二次空气的同时，还提供大量的冷风，保证试验台的排气温度在可控范围内。
(3) 在燃烧器出口处采用一段圆形的后燃管，其内径与燃烧室相同，这样有助于形成射流。
(4) 利用燃烧器出口射流引射冷却风，以提高燃烧烟气的出口压力，弥补主风机风压不足的缺点。
(5) 试验台输出烟气的参数调节采用了以下措施：在主风机进口处加可调节风门；利用变频器调节主风机的转速；调节燃烧器供油泵的压力来调节试验台的燃油量。
(6) 采用两组发生器交替进行制冷，使得系统得到连续的制冷效果。
2试验台的调试
本试验台输出烟气的参数(流量、温度、压力)是可以调节的，即模拟的热源是可以改变的。风量和燃油量决定试验台烟气的出口温度和模拟的热流量，烟气的温度及流量又影响出口压力。通过调节风门开度、改变主风机转速和调节燃烧 器的燃油量，可实现对试验台出口烟气参数温度、压力、质量流量的调节。
在开机前，测得大气压力、温度、湿度等参数。启动主风机，检查整个系统的密封性；调节变频器频率或风门开度，使进口流量计处的压力达到要求值。然后启动燃烧器风机，打开燃烧器输油泵后，启动电动点火使燃油燃烧产生热量，调节供油管内的压力使其达到燃油量的要求。由于出口压力升高，流量计处的压差就会降低，需要重新调节变频器频率及风门开度使流量达到设定值。输入流量和温度一定时，试验台的出口烟气压力基本上保持不变。
3试验台参数计算［3～8］
在模拟试验台中主要是模拟热源的温度和质量流量两个参数。试验台所消耗的燃油量是直接决定试验台烟气的输出热量，它同时也是决定输出温度的一个重要参数。由于烟气在发生器中存在压力损耗，故输出压力也是设计模拟试验台的一个重要参数，它主要是和发生器的结构有关。模拟多种发动机尾气热源吸附制冷试验台设计中的4个设计参数为：温度t、质量流量qm、燃油量qb和压力p。
发动机尾气流量为：qm=nege(l0αj+1)
式中：ne——发动机轴功率；
ge——发动机额定工况下的油耗比；
l0——燃烧1kg油所需理论空气量；
α——过量空气系数；
j——扫气系数。
尾气所含热量为：q=qmcp(t-t0)
式中：cp——尾气的定压比热；
t——排气温度；
t0——外界环境温度，取20℃。
本模拟试验台正常运行时的参数为：烟气流量100～1500 m3/h；出口烟气温度180～600℃；燃油消耗量2～20kg/h；出口烟气压力1200～2000pa。试验台的热源由主风机和燃烧器提供，出口烟气热流量通过调节风机的转速、风门开度及燃油量来改变。烟气流量采用节流降压法测定，温度采用温度传感器测定。
4试验结果
模拟3种同型号发动机的尾气热源进行了试验测试，以考察不同热源对吸附床的脱附影响。三种热源性能见表2，三种热源针对同一种吸附床的脱附氨率变化见图2。可以看出，热源1由于温度低、流量小，与吸附床的换热较慢，导致吸附床的氨脱附率高峰出现在8～21min，最高峰在第14min；热源2加热吸附床后，吸附床的氨脱附率高峰出现在4～18min，最高峰在第8min；热源3加热吸附床后，吸附床的氨脱附率的高峰出现在2～16min，最高峰在第8min。
由于在脱附氨的高峰期过后，吸附床脱附的氨量降低很多，如果还继续加热吸附床，所得到的氨量已经不够经济。所以在热源与吸附床的匹配中，对不同的热源，吸附床间有不同的最佳加热时间，两组吸附床通过交替加热实现连续制冷。吸附床的最佳加热时间与热源性质、热源温度、热源流量、吸附床结构等有关系，寻找吸附床的最佳加热时间对整个吸附制冷系统的经济性和制冷效率有很密切的关系。
5结论
针对吸附制冷试验的需要，设计了模拟发动机实际工作过程中排放尾气热源的吸附制冷试验台。这套试验台能在比较大的调节范围内模拟多种型号的发动机尾气，可大大降低研究成本，缩短研究周期，为给定热源条件下设计吸附发生器提供一定理论和实验依据，为以后的吸附制冷系统的试验研究奠定了基础。
参考文献
[1]姜周曙,王如竹，许煜雄，等．内燃机车司机室吸附式空调器的性能仿真［j］．上海交通大学学报，2002，36（2）：176～179．
[2]whole任宪忠，李爱平．内燃机尾气热量回收在客车采暖上的应用［j］.农机化研究，2001，(2)：121～122．
[3]魏春源，张卫正，葛蕴珊.高等内燃机学[m].北京：北京理工大学出版社，2001．
[4]王建昆．柴油机原理[m]．上海：上海交通大学出版社，1990．
[5]cerkvenik b, poredo a，ziegler f. influence of adsorption cycle limitations on the system performance［j］. international journal of refrigeration, 2001，24 (6)：475-485．
[6]zquierdo m, martin e. the engine exhaust gases as energy source of a n air condensed mobile absorption machine［a］. 19th international conference o f refrigeration［c］. proceedings volume 3a,1995．
[7] 赵建勋，李辉，王瑞君，等．化学吸附制冷系统吸附床强化传热的实验研究［j］．能源工程，2002，(1)：43-45．
[8]李辉，万小利，赵建勋．热能吸附制冷中吸附剂热导率的试验研究[j]．北京理工大学学报，2003，(1)：38-41．
