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车用发动机涡轮联合循环技术研究进展

文档作者：刘刚诸葛伟林黄开胜张扬军文档来源： 1．清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室 2．军事交通学院军用车辆系		点击数：	更新时间： 2026年01月25日
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第5期(总第214期)
2014年1O月
车用发动机
VEHICLE ENGINE
No．5(Serial No．214)
0ct．2014
· 综合评述·
车用发动机涡轮联合循环技术研究进展
刘 刚 ，诸葛伟林 ，黄开胜 ，张扬军
(1．清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；
2．军事交通学院军用车辆系，天津300161)
摘要：以涡轮增压、涡轮复合、涡轮组合3种联合循环技术为对象，分析了各自理论循环特点并指出：涡轮增压
联合循环技术实现了底循环与顶部循环的初级联合，底循环用来加强顶部循环但不对外输出功率；涡轮复合联合
循环技术实现了底循环与顶部循环的有机结合，底循环除用来完善顶部循环外还参与对外输出功率并达到了较高
的能量利用效率；涡轮组合循环技术实现了底循环与顶部循环的组合运行，底循环与顶部循环之间实现了模块化
组合运行，使动力输出模式可按车辆的需求而变化。总结了各项技术的最新研究成果并对车用发动机联合循环技
术的发展方向进行了展望。
关键词：车用发动机；涡轮联合循环技术；涡轮增压；涡轮复合；涡轮组合
DOI：10．3969／j．issn．1001—2222．2014．05．001
中图分类号：TK44；TK421．8 文献标志码：A 文章编号：1001-2222(2014)05—0001—07
近年来，日益迫切的节能减排需求对车用发动
机升功率以及燃油经济性指标提出了更高要求[1 ]。
传统往复活塞式内燃机可转化为有效功的能量最高
只占燃料燃烧释放总能量的1／3，另外2／3的能量
主要以排气、散热等方式浪费掉了，导致活塞式内燃
机功率输出密度相对较低，燃油消耗率较高 ]。根
据热能梯级利用理论_4 ]，将单一活塞式内燃机热力
循环与其他热机循环进行联合，可促进对传统往复
活塞内燃机余热的有效回收和利用，提高系统的
性能。
联合热力循环l7]一般由顶部循环和底循环耦合
而成，顶部循环运行在温度较高的区域，充当底循环
的高温热源。叶轮机械由于具有流量大、体积小、能
量密度高等特点，在车用发动机联合循环技术领域
得到广泛应用。目前与车用活塞式内燃机热力循环
进行联合的底循环主要是以涡轮为核心做功部件的
Brayton循环(即燃气轮机循环)和Rankine循环
(即蒸汽轮机循环)。按发展阶段和特点不同，车用
发动机联合循环技术可分为涡轮增压(Turbocharg—
ing)技术、涡轮复合(Turbo—compounding)技术以及
涡轮组合(Turbo-combined)技术3个层次。本研究
分别分析了3个层次联合循环技术各自特点并介绍
了相应研究成果，对车用发动机联合循环技术发展
方向进行了展望。
1 涡轮增压技术
涡轮增压技术 ]可视为将省略了燃烧室的微型
燃气轮机(即增压器)与往复活塞式内燃机的排气系
统进行流动耦合与匹配的联合循环技术。该技术通
过联合循环使增压器回收内燃机排气部分余热能
量，并将之转化为内燃机进气压缩功，提高了进气密
度，改善了缸内燃烧过程，使内燃机性能得到提高。
但是在涡轮增压联合循环中，增压器不直接输出功
率，而是通过增压匹配来改善和提高内燃机动力循
环的完善程度，是一种初级的联合热力循环。
由于往复活塞式内燃机与旋转叶轮机械的流量
特性不同，内燃机与增压器二者之间流动匹配很难
完全满足车用发动机对全工况性能的要求_9叫。另
外，增压器与内燃机之间气流耦合作用和增压器转
子机械惯性也造成了车用涡轮增压内燃机瞬态性能
一直难以满足车用动态工况的需求口 ]。全工况
性能和瞬态性能共同决定车用增压内燃机的工况适
应性，因此，有效提高涡轮增压发动机的工况适应性
成为车用发动机涡轮增压技术关注的焦点。
为提高车用涡轮增压发动机的工况适应性，通
过采用各种主被动技术措施以改善增压器与内燃机
之间的变工况匹配特性成为涡轮增压技术发展的目
标。目前主要技术_1 有涡轮废气旁通增压、可变几
收稿日期：2014—03—14；修回日期：2014—05—20
作者简介：刘刚(1981～)，男，讲师，博士，主要研究方向为发动机流体力学和新型循环；liugang120681@126．com。
车用发动机 2014年第5期
何涡轮增压、两级增压、补燃增压以及电辅助增压技
术等。这些涡轮增压技术的特点各不相同，在车辆
上应用也有所侧重。值得一提的是，传统增压器部
件(压气机、涡轮)的设计方法主要基于设计工况展
开，受叶轮机单工况设计方法的约束，全工况适应性
很难从本质上得到提升。目前，清华大学Lg ¨。 提
出的车用涡轮增压发动机全工况通流匹配理论和总
能优化设计方法改变了单工况设计带来的系统匹配
瓶颈效应，在国内外增压技术领域具有一定影响力。
2 涡轮复合技术
涡轮复合技术是指在涡轮增压技术基础上，对
底循环进行改造，添加新的核心部件— — 动力涡轮，
但动力涡轮不能脱离内燃机循环而单独工作，仍由
处于顶部循环的内燃机提供工作热源。涡轮复合技
术可分为Brayton涡轮复合循环技术 和Rankine
涡轮复合循环技术_3]。
2．1 Brayton涡轮复合循环技术
受单级涡轮效率影响，传统涡轮增压技术很难
使内燃机排气充分膨胀到大气环境条件，并且传统
涡轮增压技术通过增压涡轮回收的排气能量只能作
用于驱动增压压气机，在排气能量过多的高速等工
况下不能及时回收多余排气能量。据研究[1 ，由于
受涡轮增压器与发动机匹配、进排气压力和温度的
限制，普通涡轮增压柴油机在外特性下，处于增压器
低效率区和高效率区时涡轮机分别只回收了约6
和13 的排气能量；同时，增压器压气机大约只利
用了2 的排气能量用于提高进气压力。
在涡轮增压技术基础上，通过在排气管道中合
理布置燃气动力涡轮，可进一步吸收和回收排气通
过增压涡轮后的低温余热能量，提高系统总能利用
率 。 叩；另外，由于排气管道中存在多级涡轮，可在
保证总膨胀比不变的前提下减小原增压器涡轮膨胀
比，对提高增压器的全工况性能和瞬态性能有
利[1 。如图1所示，如何合理分配排气系统中增压
涡轮和动力涡轮的膨胀比成为影响Brayton涡轮复
合循环发动机性能的关键问题[】 船]。
燃气涡轮复合技术起源于2O世纪5O年代的航
空发动机技术_2 ，经过多年发展，目前国际上Vol—
VO，Scania，Cummins，John Deere和Caterpillar等
公司均已开发了不同类型商业化Brayton涡轮复合
循环发动机。瑞典Scania公司_2 ]开发的11 L 6缸
柴油机是机械涡轮复合技术的经典，标定功率比原
普通增压柴油机提高约13 ，燃油消耗率降低了
5～1O g／(kW ·h)，有效热效率提高了约4 ；美国
John Deere公司 则是以电涡流复合增压技术见
长，其开发的全电功率输出柴油机的动力涡轮带动
发电机最大可以回收约5O kw 的废气能量，代表了
电涡轮复合技术的较高水平 值得一提的是，作为
一款加装了补燃室的特殊Brayton涡轮复合循环发
动机，美国人Hope于20世纪80年代发明的Giesel
发动机[26-27]可在起动和加速等工况时开启补燃室，
瞬时使动力涡轮拥有较高膨胀比，使发动机具有出
色的冷起动、加速性能和燃油经济性，在坦克等特种
车辆上得到一定应用。
图1 动力涡轮性能与涡轮增压内燃机流量特性的关系
从2O世纪8O年代开始，国内相关研究机
构_2 曾对船用涡轮复合发动机的方案进行了热
力学分析和试验研究。近年来，以国家“973”项目
“高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究”
为牵引，清华大学 引、湖南大学 等机构分别
对车用Brayton涡轮复合循环技术进行了深入研
究，为技术的产业化奠定了基础。其中，湖南大学提
出了采用Brayton空气循环回收内燃机废气余热的
方法，使系统的废气能量回收效率达到4 ；采用回
热技术对该方法进行改进，实现了底循环废热能的
二次回收，在排气温度为755。C、环境温度为l0℃
时，最大废气能量回收效率为7．2 。清华大学在
车用发动机涡轮复合系统全工况通流匹配理论和设
计方法方面进行了深入研究，提出了增压涡轮与动
力涡轮对转的设计方案，对DCI 11发动机进行了涡
轮复合改造，使外特性油耗最低下降幅度达8 。
2．2 Rankine涡轮复合循环技术
如图2所示，Rankine涡轮复合循环技术主要
通过换热器中对流传热的方式，将Rankine循环和
内燃机循环联合起来，实现了对内燃机排气能量的
回收利用。这种循环耦合方式可在一定程度上克服
Brayton涡轮复合循环中由于燃气动力涡轮中流动
阻力带来的整机系统动态响应差以及热量存储能力
差等问题嘲。研究表明l3引，在相同的条件下，基于
Rankine循环的内燃机涡轮复合循环技术相比
2014年1O月 刘 刚，等：车用发动机涡轮联合循环技术研究进展
Brayton涡轮复合循环技术可以提升约2 的功率、
节省20 的燃油消耗量。
基于Rankine循环的车用涡轮复合循环技术研
究始于20世纪70年代的全球能源危机，并首先在
重型卡车发动机领域开展L3 。 。近年来，由于Ran—
kine循环系统具有出色的热量存储性能和低速响
应性_3]以及以ORC(Organic Rankine Cycle，即有机
朗肯循环)技术为代表的低温热能回收技术的快速
发展，Rankine循环技术在车用内燃机余热回收领
域的作用凸显。
图2 Rankine涡轮夏合循环基本结构不意
图3示出Rankine涡轮复合循环中的对流传热
耦合示意。由图3可知，Rankine循环可回收的内
燃机余热温度基本覆盖了从冷却液到高温EGR较
宽范围(100～700℃)。理论上，在内燃机结构和型
式确定后，影响Rankine涡轮复合循环系统性能的
关键因素为热交换器、膨胀机等关键部件的性
能_3 36_、Rankine循环工质的热物性[3,37-39 以及整机
系统的优化匹配_4 。
图3 Rankine循环与内燃机循环余热的传热耦合示意
近年来，国内外在Rankine涡轮复合循环技术
的应用和研究上取得较大进展，在车用发动机Ran—
kine涡轮复合循环技术方面也取得了较多的研究
成果。在国外，Srinivasan等人[4 利用Rankine循
环回收1台柴油引燃天然气内燃机的排气余热能并
回馈到内燃机曲轴功率中，当发动机工作在中等负
荷工况时，在保持NO 排放维持在较低的水平时，
可提升热效率约1O ；Yamada等人l4 建立了应用
于车用氢内燃机排气余热回收发电的Rankine循环
系统，不使用冷凝器时系统热效率整体提高了
2．9 ～3．7 ；德国BMW 公司 3_研发了针对乘用
车小功率内燃机的双Rankine循环技术，通过两套
Rankine循环同时分别吸收发动机排气中的高温余
热能量和冷却水循环中的低温余热能量并转换为机
械功回馈给发动机曲轴，有效改善了发动机的输出
功率。在国内，随着国家节能减排政策力度的加大，
目前国内针对Rankine涡轮复合循环技术的研究也
受到了重视。以“973”项目“高效、节能、低碳内燃机
余热能梯级利用基础研究”为牵引，天津大
学 ， 、西安交通大学 、北京工业大
学 。 、北京理工大学[ 引、清华大学_4 。 等研究机
构已在该领域取得了较多的成果，相关技术的产业
化也即将实现。
今后，随着对循环耦合方案 引、高效膨胀机设
计技术和具有优良热物性工质的研究不断深入，
Rankine涡轮复合循环技术将在车用内燃机低温余
热回收方面发挥越来越重要作用，在混合动力发动
机 、燃料电池发动机 等新型车用动力领域
将得到广泛应用。
3 涡轮组合技术
涡轮组合技术是通过对内燃机循环与Brayton
循环进行组合改造而形成的一种新型联合热机循环
技术，底循环(Brayton循环)既可脱离顶部循环单
独工作，又能与顶部循环联合工作。与涡轮增压技
术和涡轮复合技术相比，涡轮组合技术的优势或特
点是能在整机系统中将内燃机模块与燃气轮机模块
的结构和功能根据使用工况进行灵活组合与切换，
分别发挥柴一燃联合循环在高功率密度，燃气轮机循
环在冷起动、加速性能以及内燃机循环在低燃油消
耗等方面的优势。这些特点能够满足工程机械发动
机等需经常在经济性空载行走和高功率密度作业工
况等运行、切换以及上装和底盘均需要动力输出的
特种车用发动机对动力的需求。
内燃机与燃气轮机组合循环的概念最早出现于
21世纪初国外有关分布式发电技术的相关文
献 删中，但没有涉及变循环切换或工作模式转换
的内容。车用发动机涡轮组合循环技术的概念是近
年来由国内相关研究机构提出的【6 盯]，但目前公开
的资料中只提出了几种涡轮组合循环方案和相应的
车用发动机 2014年第5期
参数影响规律仿真研究，还没有试验研究的资料公
开发表。
图4示出国内清华大学提出的一种涡轮组合发
动机方案— — “Diesel—Brayton涡轮组合循环发动
机”的系统结构示意。该发动机可根据整机运行需
要通过控制进排气系统中的阀门和内燃机与燃气轮
机燃烧室喷油使发动机在“Diesel循环”、“Brayton
循环”以及“Diesel—Brayton联合循环”3种工作模式
运行及切换。
图4 “Diesel—Brayton涡轮组合循环发动机”系统结构示意
当涡轮组合循环发动机运行在联合循环模式
时，进气先经过大压气机c1由阀门分流分为两部
分，分别流人燃气轮机燃烧室和内燃机燃烧室(理论
热力循环见图5)，热力过程依次为：燃气轮机压气
机中等熵压缩过程(1-2)；内燃机中冷器中定压放热
过程(2—3)；内燃机气缸内等熵压缩过程(3-3a)；内
燃机气缸内等容加热过程(3a一3b)；内燃机气缸内等
压加热过程(3b一3c)；内燃机气缸内等熵膨胀过程
(3c一3d)；内燃机气缸内等容放热过程(3d一3)；燃气
轮机排气和内燃机排气混合前，内燃机排气管中的
等压升温过程(3—4)；燃气轮机燃烧室中等压加热过
程(2-5)；内燃机排气和燃气轮机排气混合过程
((4+5)一6)；燃气轮机增压涡轮和动力涡轮中的等
熵膨胀过程(6-7—8)；燃气轮机向环境等压排气过程
(8一1)。
针对以上涡轮组合发动机方案，分析得到[6 ：
对涡轮组合发动机联合循环性能影响较大的参数主
要有“燃气轮机和内燃机的质量流量分配系数”、“燃
气轮机燃烧室的增温比”以及“燃气轮机的压气机压
比”。在内燃机结构参数基本确定的前提下，燃气轮
机的选型和设计主要通过对这3个参数的优化来实
现。目前，针对该方案的原理样机工程研制正在进
行中。
P
图5 涡轮组合发动机联合循环时的理论热力循环
4 结论与展望
a)涡轮增压技术、涡轮复合技术以及涡轮组合
技术是以不断提高发动机能量利用效率和性能为目
标而相继出现和发展而来的；涡轮增压联合循环技
术实现了底循环与顶部循环简单联合，底循环用来
加强顶部循环且不对外输出功率；涡轮复合联合循
环技术实现了底循环与顶部循环有机结合，底循环
除被用来完善顶部循环还可同时对外输出功率，从
而达到了更高的能量利用效率；涡轮组合循环技术
实现了底循环与顶部循环之间自由组合运行，满足
了特殊车用发动机对动力输出模式可变的要求；
b)车用发动机涡轮联合循环技术通过将往复
活塞式内燃机热力循环与其他热机循环进行联合达
到使系统的能量利用效率较高或动力输出模式灵活
可变的目的，充分体现了联合循环技术在热能梯级
利用方面的优势；随着微燃机技术、先进叶轮机械设
计与流动控制和匹配技术不断发展，未来车用发动
机联合循环技术对系统效率和性能的提升还有较大
发展潜力；
c)联合循环技术主要针对发动机热能梯级利
用问题，由相关文献I6 。 可知，从燃料化学能的释
放机理着手，从燃料的总能综合梯级利用角度出发
合理设计联合循环方案，车用发动机的能量利用效
率和性能还有较大提升空间。例如，以甲醇燃料燃
烧过程为例，如果不选择直接高温燃烧，而与
200~300℃的低温放热相结合，既能使低温热的品
位有较大幅度提升，还能使间接燃烧导致的化学炯
损失大幅减小；因此，车用发动机联合循环技术还存
在许多值得研究的新领域，例如，对于车用燃料电池
发动机来说，燃料化学能释放与余热能回收之间联
合循环的匹配与优化设计将会成为新的研究方向。
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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
[编辑：袁晓燕]

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