英语原文共 14 页
不同发动机工况下余热回收系统的建模及效果
Ming Tu, Gangyan Li, and Jian Hu
School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China
Correspondence should be addressed to Ming Tu; tumingds@gmail.com
Received 14 October 2013; Revised 27 March 2014; Accepted 28 March 2014; Published 10 July 2014
Academic Editor: Liyuan Sheng
Copyright copy; 2014 Ming Tu et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which
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摘要 采用热力学循环-有机朗肯循环(ORC)方法，对发动机废气余热进行了二次利用，建立了发动机余热回收系统的数学模型。对模型进行了验证，并应用于不同的工况。从结果可以看出，工作流体质量流量、发动机转速和系统压力将决定输出功率和热效率；工作液质量流量不需要固定在某一点，随着发动机转速的增加，可以选择更大范围的质量流量；系统压力可以提高系统热效率，从而提高发动机热效率。此外，该模型还应用于发动机非固定工况下的试验循环，显示了WHR系统的效果。该系统可以在不同于混合动力汽车(HEV)的再生制动系统的加减速下工作，并为HEV为使用再生制动系统的电池充电提供了另一种选择。
1引言
随着全球能源需求的增长和原油价格的上涨，汽车的节能环保已成为各行业关注的焦点。到2015年，我国乘用车的平均油耗需要达到5.9 L/km的要求，中国政府将于2018年在[1]实施《轻型车辆排放限值及测量方法》，使能效成为研究热点。任何能够利用汽车或发动机所排放的能量并从中提取能量的方法，都会降低燃料消耗，减轻温室气体排放的影响。
由于发动机热效率低，约为30%，其余70%的总输入能量为余热，包括冷却剂热流和废气热流。因此，在废热中可转化为可用功率的能量流是相当重要的。由于这个原因，科学家和工程师正在进行许多项目，以提高内燃机的效率，利用技术将废热流转化为电能或机械能[2-3]。余热从车辆推进系统中喷射出来，在不重复利用焓的情况下消散到大气中。·体的选择和膨胀机的问题，并对技术约束和优化方法进行了广泛的描述和讨论，最后对当前的研究趋势和介绍了下一代ORC的发展。Larsen等人提出了一种基于自然选择原则的通用方法，用于确定与船舶发动机热回收相关场景的最佳工作流体、锅炉压力和Rankine循环过程布局。结果表明，在设计点，工艺简单、操作压力低、危害小的要求导致循环效率的累积降低;此外，结果表明，不燃流体在回收高压过程中能够产生接近最优的效率。研究[10-11]表明，Rankine循环是一个可以使最大值的热力学循环 利用废热的热回收系统,提供了另一种选择,可以把能量从余热来产生电能,因此电源可用于混合电动汽车的电池充电,然后结合兰金循环与现有的混合动力汽车再生制动系统,以提高整体效率。增加的部件重量相对较轻，没有造成重大的燃油损失，特别是对重型车辆[12]。文献[13-14]为提高内燃机余热回收效率，对废气进行了实验、能量平衡和火用分析，并利用有机朗肯循环回收了不同工质的低品位余热。
上述研究表明，在对热力学循环以及废热与变工况之间的关系进行建模方面的实验工作较少。
蓄热式制动系统是混合动力汽车中给电池充电的常用方式，但这一技术并未被考虑回收发动机余热，需要将污染物排放纳入发动机管理系统，严格降低油耗会增加排放;此外，以降低成本、降低油耗、最大化全电动行驶里程为目标也是十分重要的，这些都取决于驾驶条件。
在本文中，我们设计了一个发动机控制和数据采集系统与WHR系统相结合，利用热力学分析，并对系统进行建模;为验证该模型的有效性，在一台有/无WHR系统的柴油机上进行了试验;然后，我们对不同排气温度和工作流体压力下的WHR系统的热效率和净输出功率进行预测，然后利用WHR系统进行循环测试，预测HEV中与再生制动系统相结合的输出功率和热效率。
2发动机结合WHR的试验
实验平台由一台排量为1.9 L，压缩比为1:17 .5的四缸柴油机组成，并配以测功机、WHR系统和控制/数据采集系统。WHR系统采用ORC, ORC由涡轮、冷凝器、泵、锅炉和有机工质组成。R245fa (1,1,1,3,3 pentafluor丙烷)[15]是一种常见的氢氟碳制冷剂，将用作工作流体。它有许多吸引人的特质可以在ORC身上使用。它是不易燃的，沸点略低于室温，没有臭氧损耗的潜力和一个低的全球变暖的潜力，几乎是无毒的；它显示了一个高临界温度(154℃),这意味着更高的制冷循环的效率。这种工作流体已经在许多其他ORC研究中使用，并被发现具有良好的循环性能和稳定性。它也是一种干流体，这意味着正常的膨胀在膨胀机之后将保持流体的饱和蒸汽状态，即使膨胀开始于饱和蒸汽线。这在基于涡轮的ORC中非常重要，这样涡轮就不会遇到两相流[12，16]。
WHR系统采用热力学循环、有机朗肯循环，该循环的主要功和传热如图1所示。为了简单起见，假设不可避免的杂散传热发生在植物的组成部分和他们的周围被忽略以及动能和势能的变化，我们认为每个分量都在稳态下工作。利用质量守恒和能量守恒原理以及这些理想化给出如下图1所示的流程：
图1 ORC的主功和传热
过程1-2：工作流体在涡轮中的等熵膨胀，从状态1的饱和蒸汽到冷凝器压力。
工艺流程2-3:工作流体恒压流经冷凝器，状态3为饱和液体时的传热。
过程3-4:泵内等熵压缩至压缩液区状态4。从冷凝器泵入高压锅炉的液体在3点离开冷凝器。
工艺4-1:当工作流体恒压通过锅炉完成循环时，传热至工作流体。状态4时离开泵的工作流体称为锅炉给水，加热到饱和后在锅炉中蒸发考虑
式中m为工作流体的质量流量，为通过涡轮和泵所做的功，q为从能量源到工作流体，Qout是通过热量从工作流体传递到冷却水的能量，h是它的焓。
热效率测量通过锅炉的工作流体的能量输入转换成网络输出的程度，热效率是：
网络输出等于净热输入。因此，热效率可以交替表示为：
锅炉分为预热器、蒸发器和过热器，其中预热器和蒸发器出口的工作流体达到饱和液体和蒸汽，采用逆流壳管换热器，并在ORC系统中设计了汽轮发电机。国家仪器公司提供闭环控制/数据采集系统；可以改变发动机转速;火花点火正时与过量空气比；日志制动转矩；制动平均有效压力，废气的质量流量，以及不同状态点的温度。通过图2所示的控制/数据采集系统工作流程，以及笔者所进行的发动机与ORC联合运行的实验工况，总体热效率为41.9%，净输出功率为3.72 kW，如表1所示：
表1 实验发动机运行情况
名称 标准
发动机转速rpm 2100
制动转矩/ n - m 317.4
制动功率/ 千瓦 66.5
燃油消耗 /公斤sdot;hrminus;1 14.02
排气的质量流量/公斤sdot;hrminus;1 272.5
排气热流/kW 37.9
制动热效率 39.5%
排气温度/℃ 424
工作流体质量流量/公斤sdot;hrminus;1 308.6
涡轮进口压力/MPa 2.05
净输出功率/kW 4.0
综合热效率 41.9%
图2 控制/数据采集系统工作流
3废热回收系统的建模
3.1 锅炉和冷凝器模型。
ORC的性能与工作流体的质量流量和压力有关;然而，如果不进行大量的实验，很难找出在不同条件下能够产生最大净输出功率和热效率的某一质量流量，因此对WHR建模成为最简单的预测方法。最大程度的传热，表达的是：
其中C是热容比，T是温度，和下标h和C指的是冷热流体，而i和o指定流体进口和出口条件和Cmin等于或哪个比较小，有效性,作为实际传热速率的比值最大可能的换热器传热率和本文使用热效率-NTU方法逆流壳管式换热器，根据有效性的定义，它是无量纲的，必须在范围内。它是有用的，因为如果，和;已知，实际传热速率很容易由式(5)确定。
其中传递单元数(NTU)为无量纲参数，U为总传热系数，A为总表面积，UA可表示为：
式中h为对流换热系数，设污垢系数为0, , ，方程简化为：
Dittus-Boelter方程和雷诺数的首选形式如下：
式中NuD为努塞尔数，为雷诺数，为普朗特，换热器受热时n= 0.4，换热器受冷时n= 0.3。D为直径，u为粘度，k为导热系数。由此可以得出质量流量与对流换热系数的关系：
对于发动机，传热速率为：
工作流体传热速率由实验得到的质量流量和不同温度下状态4和状态5的焓决定。选择最小传热速率为Cm
资料编号：[3264]
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