采用有機(jī)朗肯循環(huán)廢熱回收的輕度混合動(dòng)力火花點(diǎn)火渦輪增壓轎車柴油機(jī)

F.B.EKSTROM O.ROLANDSON S.ERIKSSON C.ODENMARCK M.SVENSSON A.ERIKSSON H.OLSEN

摘要：汽車制造商在努力制造更節(jié)油的車輛時(shí)，會(huì)考慮采取一切可能的措施來(lái)提高內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的效率。其中，48 V輕度混合動(dòng)力技術(shù)即是節(jié)油措施之一。采用米勒技術(shù)的火花點(diǎn)火直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和從發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱中回收能量也是節(jié)油措施的一種。研究沃爾沃轎車基于乙醇的有機(jī)朗肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)，圍繞4缸2.0 L的火花點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)成功構(gòu)建，運(yùn)用48 V輕度混合動(dòng)力技術(shù)的同時(shí)考慮了車輛的安裝需求。本研究還為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了專用的控制系統(tǒng)，包括其與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的通信。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)使用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣作為熱源，為此設(shè)計(jì)制造專用的蒸發(fā)器以適合車輛的腔道。乙醇蒸氣的膨脹發(fā)生在軸向活塞式膨脹機(jī)中，該軸向活塞式膨脹機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)，既與混合動(dòng)力系統(tǒng)電氣耦合，又與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸機(jī)械耦合。研究發(fā)現(xiàn)，該膨脹機(jī)的這種雙重動(dòng)力輸出對(duì)于具有瞬態(tài)駕駛的乘用車尤為重要，可以通過(guò)電動(dòng)混合系統(tǒng)的快速響應(yīng)來(lái)克服蒸氣系統(tǒng)的緩慢響應(yīng)，從而提供了更多廢熱能回收的機(jī)會(huì)。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷下，采用化學(xué)計(jì)量比運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)比油耗降低了5%～7%，與模擬結(jié)果一致。這表明組合動(dòng)力總成系統(tǒng)在城市、城郊和高速工況方面均具有優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：有機(jī)朗肯循環(huán);廢熱回收;輕度混合動(dòng)力;能量轉(zhuǎn)換;渦輪增壓;轎車柴油機(jī)

0?前言

自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，從內(nèi)燃機(jī)的廢熱中獲取能量的研究就已經(jīng)開(kāi)展[1]。為了應(yīng)對(duì)即將出臺(tái)的立法，要求主流市場(chǎng)降低燃料消耗，該研究在2000年左右有了進(jìn)一步的發(fā)展[2.4]。

考慮到以碳?xì)淙剂蠟槲ㄒ荒茉吹能囕v，CO2排放量?jī)H取決于在給定的駕駛循環(huán)中執(zhí)行某些運(yùn)輸工作所需的能量及內(nèi)燃機(jī)的燃料轉(zhuǎn)換效率。如圖1所示，大型乘用型車輛所需的平均發(fā)動(dòng)機(jī)效率在幾年內(nèi)趨于50%以上，這也是考慮將廢熱回收技術(shù)用于乘用車的主要原因。

考慮到混合動(dòng)力汽車的發(fā)展，特別是48 V輕度混合動(dòng)力汽車，以及使用米勒原理[5]優(yōu)化渦輪增壓（TC）火花點(diǎn)火（SI）發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)，人們對(duì)研究廢熱能量回收（WHR）系統(tǒng)在這種情形下會(huì)如何表現(xiàn)產(chǎn)生新的興趣。為此，以車輛安裝和混合動(dòng)力集成為約束條件，構(gòu)建了演示發(fā)動(dòng)機(jī)。用作安裝演示發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛均基于沃爾沃可擴(kuò)展平臺(tái)架構(gòu)（SPA），這是所有大型沃爾沃汽車的架構(gòu)基礎(chǔ)。該平臺(tái)上的發(fā)動(dòng)機(jī)是具有前輪驅(qū)動(dòng)（FWD）或四輪驅(qū)動(dòng)（AWD）功能的橫置4缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)[6]，包括汽油機(jī)和柴油機(jī)。

1?用于廢熱回收的車輛條件

1.1?廢熱回收范圍

沃爾沃中型多功能運(yùn)動(dòng)型車（SUV）XC60在車輛的適當(dāng)熱源處（排氣、冷卻液、空氣等）配備了熱電偶[7]，并充分測(cè)量了介質(zhì)流量。該車輛在典型的城市、城郊和高速公路條件下在公共道路上行駛，并記錄了數(shù)據(jù)以進(jìn)行后續(xù)分析。如圖2所示，在車輛數(shù)據(jù)分析中，高速公路上化學(xué)計(jì)量比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱回收的潛力要高。

1.2?廢熱轉(zhuǎn)化

廢熱轉(zhuǎn)化方式有以下幾種選擇：熱聲發(fā)生器（TAG）、熱電發(fā)電機(jī)（TEG）、燃料重整器和熱力學(xué)循環(huán)（有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）、布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán)等）。

TAG可以通過(guò)很少的活動(dòng)部件將熱量轉(zhuǎn)換為電能，但目前仍處于研究階段[8.9]。對(duì)于TEG，目前除了轉(zhuǎn)換效率低[10]之外，還要考慮到在惡劣的汽車環(huán)境中的耐久性，這對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用極具挑戰(zhàn)性。

燃料重整在理論上可將燃料消耗減少約20%，但是對(duì)燃料質(zhì)量、催化劑失活和系統(tǒng)集成有很高的敏感性，挑戰(zhàn)很大。

在熱力學(xué)循環(huán)中，布雷頓循環(huán)通常在高熱源溫度（高于1 200 K）下效率最高。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有低功率質(zhì)量比，這使其對(duì)輕型車輛的吸引力降低。

ORC循環(huán)在演示項(xiàng)目中建立模塊是成熟的。在試驗(yàn)中，ORC循環(huán)被選為將廢熱轉(zhuǎn)化為有用能量的方式。ORC熱力學(xué)循環(huán)包括如圖3所示的4個(gè)狀態(tài)：（1）等熵壓縮;（2）等壓熱量輸入;（3）等熵膨脹;（4）等壓熱量輸出。

1.3?能量轉(zhuǎn)換

對(duì)于燃料重整器TEG和TAG，它們將能量直接轉(zhuǎn)換為可燃燃料或電能。對(duì)于任何通常利用熱機(jī)旋轉(zhuǎn)軸輸出功率的熱力學(xué)循環(huán)，能量輸出的格式并不明顯?；旧?，可以選擇通過(guò)將發(fā)電機(jī)連接至熱力發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)發(fā)電，或者直接使用機(jī)械能或通過(guò)存儲(chǔ)的機(jī)械能來(lái)推動(dòng)車輛。

如果采用電力，可以選擇將WHR發(fā)電機(jī)連接到車輛的12 V/48 V電網(wǎng)，或者使用高壓系統(tǒng)（>60 V），以及相關(guān)的電池尺寸和類型。其中，發(fā)電機(jī)的效率、尺寸和成本起著重要的作用，但是從車輛集成的角度來(lái)看，最重要的方面是車輛中可用的電氣系統(tǒng)如何適合連接WHR系統(tǒng)，以及如何最好地利用廢熱。

如果直接從WHR熱機(jī)利用機(jī)械能，則必須在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中找到合適的位置。連接可以在輔助帶傳動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸、變速箱匹配或直接連接在后橋上。通常，與電氣連接相比，機(jī)械連接提供了更有效的扭矩傳遞路徑，但也給組件包裝帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

1.4?使用轉(zhuǎn)化能源的使用

先前的一些研究指出，將轉(zhuǎn)化能源提供給車載能量12 V電源進(jìn)行使用。盡管乘用車的車載能源需求可能會(huì)繼續(xù)增加，但這仍然將可能的輸出功率限制在1 000 W左右。同樣，車載能源需求波動(dòng)很大，且與WHR系統(tǒng)預(yù)期功率輸出驅(qū)動(dòng)類型不相關(guān)。假設(shè)使用WHR系統(tǒng)可節(jié)省5%～10%的燃油，則意味著在高速公路快速行駛時(shí)可處理高達(dá)5 kW的功率。這對(duì)于12 V系統(tǒng)來(lái)說(shuō)過(guò)載了，但適合在48 V系統(tǒng)范圍內(nèi)使用。本質(zhì)上，任何旨在以電作為能量輸出來(lái)恢復(fù)高速公路速度負(fù)荷（發(fā)動(dòng)機(jī)功率>25 kW）的WHR系統(tǒng)都需要電動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)使用所回收的能量，因此必須考慮電氣路徑中的損耗。在WHR系統(tǒng)中，使用48 V發(fā)電機(jī)，并向混合48 V電機(jī)提供此電能意味著損耗是原來(lái)的2倍。假設(shè)48 V汽車電機(jī)的效率為85%，則意味著在電氣損耗中損失了大約1/3的回收能量。

對(duì)于機(jī)械扭矩傳遞，5 kW的功率水平對(duì)于皮帶或齒輪之類的元件不是問(wèn)題，效率損失微乎其微，但乘用車的瞬時(shí)行駛方式必須考慮在內(nèi)。因?yàn)橹挥性诎l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才有廢熱，因此機(jī)械傳動(dòng)是正確的選擇，然而，預(yù)測(cè)駕駛員所需的實(shí)時(shí)扭矩并不容易。廢熱由于熱源的熱慣性而引起較大的滯后，因此可用的廢能和當(dāng)前扭矩需求在時(shí)間上并不始終匹配。即使在恒定的車速條件下，由于道路坡度和曲率變化，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩也會(huì)發(fā)生巨大變化（圖4）。在扭矩需求為零的情況下，這意味著WHR 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩會(huì)在機(jī)械扭矩傳遞系統(tǒng)中損失。為了解決這種情況，開(kāi)發(fā)人員研究了組合的機(jī)械和電氣扭矩傳遞系統(tǒng)。

2?系統(tǒng)分析

考慮到上述4個(gè)基本問(wèn)題，得出的結(jié)論是，當(dāng)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管路中存在高質(zhì)量的廢熱，考慮到成熟度和車輛集成的可行性，ORC系統(tǒng)是廢熱技術(shù)中最合適的。但是，如何有效利用回收的能量仍然是1個(gè)懸而未決的問(wèn)題。為了闡明這些問(wèn)題，研發(fā)人員對(duì)整個(gè)車輛進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，包括通用的ORC。仿真針對(duì)2輛車進(jìn)行，包括大型轎車和大型SUV，并仿真3個(gè)不同的駕駛循環(huán)，即TP.75、全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)（WLTC）和高速公路省油測(cè)試（HWFET）駕駛循環(huán)，測(cè)試車型的主要參數(shù)如表1所示。用于模擬ORC系統(tǒng)的多種混合動(dòng)力和扭矩傳遞輸出的帶有發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的通用ORC系統(tǒng)如圖5和表2所示。

如圖6和圖7所示，可以看到不同的ORC耦合拓?fù)洳町惙浅Ｐ　Ｖ饕剂舷臏p少來(lái)自于多種能量來(lái)源，而第2次燃料消耗減少則來(lái)自于ORC系統(tǒng)，與電氣或機(jī)械耦合無(wú)關(guān)。這主要是由于在電耦合的情況下，膨脹機(jī)速度及膨脹機(jī)入口壓力可以獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化，而在機(jī)械連接的情況下，尤其是對(duì)于高瞬態(tài)駕駛循環(huán)，膨脹機(jī)速度有時(shí)會(huì)超出設(shè)計(jì)范圍，從而在邁譜圖效率較低的區(qū)域中運(yùn)行。

由于ORC系統(tǒng)的效率會(huì)由于增加的混合動(dòng)力而降低，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)更頻繁地關(guān)閉。從P0混合動(dòng)力與P2混合動(dòng)力之間的差異可以看出，即使在提高車速的情況下，P2混合動(dòng)力表現(xiàn)出更多的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間。但是，總回收廢熱的差異不到10%。在某些駕駛循環(huán)中，由于蒸氣膨脹機(jī)產(chǎn)生了扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)閉時(shí)間可以延長(zhǎng)。這部分解釋了P0和P2配置在油耗效益之間的巨大差異。

當(dāng)然，駕駛方式會(huì)影響到混合動(dòng)力系統(tǒng)和ORC系統(tǒng)，其中混合動(dòng)力系統(tǒng)在頻繁停駛的瞬態(tài)駕駛循環(huán)中更為有利，而ORC系統(tǒng)在高負(fù)荷循環(huán)下（如高速駕駛）往往更高效。如圖8所示，顯示了2種技術(shù)混合動(dòng)力和ORC的燃油耗影響。

如圖8所示，這2種技術(shù)是相互補(bǔ)充的，未來(lái)可能的混合拓?fù)?，可?gòu)建具有機(jī)械和電氣扭矩傳遞組合的系統(tǒng)，以便進(jìn)一步研究組合的聯(lián)接。其中，機(jī)械聯(lián)接將針對(duì)公路駕駛進(jìn)行優(yōu)化，而電氣聯(lián)接則更適合瞬態(tài)城市駕駛。

仿真結(jié)果表明，在法規(guī)駕駛循環(huán)（如WLTC）中，ORC系統(tǒng)的加熱時(shí)間較長(zhǎng)。從蒸氣膨脹機(jī)發(fā)出任何正扭矩之前的加熱時(shí)間超過(guò)10 min，因此幾乎不會(huì)影響到循環(huán)中的燃油消耗。為了改善這一點(diǎn)，將熱交換器分成2部分，其中一小部分移至靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的位置以實(shí)現(xiàn)快速加熱。

3?ORC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖9所示，調(diào)查研究了ORC系統(tǒng)的扭矩傳遞過(guò)程。ORC系統(tǒng)的工作要點(diǎn)可以概括為：以乙醇作為工作介質(zhì)，最大壓力4 000 kPa;膨脹機(jī)低速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速小于6 000 r/min，幾何膨脹比約為10;通過(guò)皮帶傳動(dòng)（FEAD）進(jìn)行機(jī)械耦合;膨脹機(jī)附帶電機(jī);采用分體式換熱器布局;發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液為冷側(cè);采用48 V電動(dòng)泵加壓系統(tǒng)。ORC系統(tǒng)的預(yù)期機(jī)械峰值功率為5 kW，而峰值效率應(yīng)為3 kW左右。

3.1?換熱器開(kāi)發(fā)

在排氣端開(kāi)發(fā)了1個(gè)熱交換器，作為工作流體的鍋爐。傳熱的限制因素發(fā)生在氣體一側(cè)，使用約600 K的溫差，傳熱系數(shù)約為50 W/（m2·K）。經(jīng)過(guò)測(cè)算，從廢氣中大約可以得到50 kW的熱能，氣體側(cè)的熱交換器面積約為1.5 m2，從而確定熱交換器的尺寸。如圖10所示，為沃爾沃SPA車輛平臺(tái)的ORC WHR系統(tǒng)通道區(qū)域布置。

圖11為沃爾沃SPA平臺(tái)采用的完整的熱交換器/蒸發(fā)器，該系統(tǒng)將螺旋管繞排氣管扭曲，然后在其外覆蓋外管的原理，開(kāi)發(fā)了熱交換器。旁路由每條管道中采用蝶閥控制。同樣，通過(guò)用位于下游的電加熱催化劑（EHC）代替標(biāo)準(zhǔn)的緊密耦合催化轉(zhuǎn)化器，可以使熱交換器的一小部分在標(biāo)準(zhǔn)催化轉(zhuǎn)化器的位置處更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)。 這種較小的熱交換器（HX1）約占熱交換器總面積的20%，主要用于在行駛循環(huán)中快速加熱WHR系統(tǒng)。然而，在通道區(qū)域成功包裝這種大型熱交換器的最大促成因素是前消音器和后熱交換器HX2可以組合為整個(gè)單元。總之，通過(guò)以這種方式設(shè)計(jì)蒸發(fā)器，可以滿足要求，但是設(shè)計(jì)是基于將多個(gè)功能集成的，這似乎成為必要的策略，因?yàn)樵谟邢薜能囕v空間中需要安裝更多的組件。

3.2?膨脹機(jī)選擇

考慮到用于汽車ORC系統(tǒng)的膨脹機(jī)主要是渦輪機(jī)、螺桿膨脹機(jī)、渦旋膨脹機(jī)和活塞膨脹機(jī)，包括帶有曲軸的傳統(tǒng)往復(fù)式活塞膨脹機(jī)和軸向活塞膨脹機(jī)?？紤]到組合式機(jī)電耦合的可行性，以及內(nèi)部生產(chǎn)的可能性和產(chǎn)品的外部采購(gòu)成熟度，本應(yīng)用考慮了所有類型。

渦輪機(jī)通常具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、效率高，并且可以在不向工作流體添加潤(rùn)滑劑的情況下運(yùn)行。 渦輪機(jī)對(duì)濕膨脹具有敏感性，即如果膨脹繼續(xù)進(jìn)入兩相區(qū)域，則渦輪葉片上可能發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。然而，對(duì)于應(yīng)用而言，主要的缺點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速，渦輪轉(zhuǎn)速高達(dá)100 000 r/min，這將需要大約1∶50的齒輪比以匹配用于機(jī)械聯(lián)接的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。另外，純電耦合將需要高速發(fā)電機(jī)，這一概念在汽車上仍未得到證實(shí)。

螺桿膨脹機(jī)主要用于功率流量大于10 kW，質(zhì)量流量大且壓力比低的應(yīng)用中，而渦旋膨脹機(jī)可以提供較高的膨脹率，甚至無(wú)需潤(rùn)滑劑，盡管制造公差會(huì)限制實(shí)踐中可達(dá)到的屬性。

活塞式膨脹機(jī)具有要求中的大多數(shù)功能，即低速運(yùn)行、高膨脹比和所需的功率水平。然而，具有曲軸的常規(guī)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于小排量往往顯得笨重，且具有很高的慣性和很高的不均勻性，這使得在考慮發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)的情況下更難以機(jī)械集成。通過(guò)廣泛的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模擬，在考慮到皮帶打滑、張緊力，以及影響摩擦損失的帶輪負(fù)荷情況下，機(jī)械連接最好是由發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)。該模擬的主要結(jié)果是，活塞膨脹機(jī)必須至少為3個(gè)氣缸，并以高于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以在最大膨脹機(jī)功率下減小膨脹機(jī)對(duì)皮帶的應(yīng)力。

表3為使用的軸向活塞式膨脹機(jī)規(guī)格，將其集成到發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)中。軸向活塞式膨脹機(jī)作為空調(diào)壓縮機(jī)在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。膨脹機(jī)配備有2個(gè)皮帶輪（圖12），1個(gè)皮帶輪用于與曲軸的機(jī)械連接，另1個(gè)皮帶輪用于與電機(jī)的連接。與曲軸的連接可以通過(guò)電磁離合器斷開(kāi)，而與電機(jī)的皮帶輪則保持恒定連接。膨脹機(jī)旁路由1個(gè)48 V電磁閥控制。

3.3?工作流體選擇

工作流體的選擇一直是之前許多研究的重點(diǎn)，并且與熱源的溫度水平有著明確的聯(lián)系。顯然，在本研究中，濕流體在高溫下作為熱源具有優(yōu)勢(shì)。水是保持高溫的理想選擇，但明顯的缺點(diǎn)是在0 ℃下凍結(jié)，因此需要防凍設(shè)計(jì)。另外，由于使用了活塞膨脹機(jī)，因此需要對(duì)膨脹機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑。使用水將意味著1個(gè)單獨(dú)的潤(rùn)滑回路，最有可能發(fā)生水/油分離問(wèn)題。與汽車氣候系統(tǒng)類似，使用碳?xì)浠衔锕ぷ髁黧w意味著潤(rùn)滑劑可以溶解在工作流體中。乙醇具有與水相似的濕潤(rùn)特性，并且油可以與乙醇混合。同時(shí)，乙醇也是1種無(wú)毒化合物，這意味著與外來(lái)未知物質(zhì)相比，實(shí)驗(yàn)室和車間的安全措施更易于處理，同時(shí)也考慮到乙醇作為ORC工作流體已廣泛使用，故選擇乙醇作為工作流體。

3.4?系統(tǒng)整合

在研究過(guò)程中，將ORC膨脹機(jī)放置在空調(diào)壓縮機(jī)的位置上，通過(guò)1條皮帶連接到48 V B.ISG上，通過(guò)另1條皮帶連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸皮帶輪上（圖13）。機(jī)械路徑可以通過(guò)電磁離合器斷開(kāi)。該布局主要用于在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試，盡管其包裝也可以在車輛中使用。但是，考慮到可能的混合動(dòng)力運(yùn)行模式，該系統(tǒng)缺少某些功能，因?yàn)殡姍C(jī)僅在膨脹機(jī)運(yùn)行時(shí)才連接到傳動(dòng)系統(tǒng)。另外，必須安裝1個(gè)單獨(dú)的電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)。

ORC系統(tǒng)的速度和扭矩極限如圖14所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液被用作ORC循環(huán)中的冷媒，因此散熱器的剩余性能在較高的扭矩范圍內(nèi)受到限制。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速中，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的上限設(shè)定了機(jī)械連接的極限，但是電能傳遞路徑也可以在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下使用。在較低的扭矩范圍內(nèi)，可用熱量設(shè)定極限。盡管如此，對(duì)于大型SUV，ORC系統(tǒng)的操作范圍可設(shè)定在車速60～160 km/h。該系統(tǒng)的預(yù)期車輛安裝如圖15所示。

4?結(jié)論

目前，沃爾沃已成功設(shè)計(jì)并制造了用于2.0 L 4缸增壓乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)的ORC廢熱回收系統(tǒng)。ORC系統(tǒng)使用廢熱作為熱源，乙醇作為工作介質(zhì)通過(guò)3缸軸向活塞式膨脹機(jī)進(jìn)行功率輸出。該膨脹機(jī)既通過(guò)皮帶機(jī)械地連接到曲軸，又通過(guò)電氣連接到48 V系統(tǒng)。盡管在包裝和成本方面帶來(lái)了挑戰(zhàn)，但從膨脹機(jī)到傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械和電氣扭矩傳遞的結(jié)合提供了很高的靈活性和效率。

完整的系統(tǒng)構(gòu)建如圖16所示。此系統(tǒng)設(shè)置是為進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試而進(jìn)行的，因此必須進(jìn)行一些修改才能適合發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架。ORC的安裝通常需要在測(cè)試臺(tái)架內(nèi)進(jìn)行懸置工作，因?yàn)镺RC系統(tǒng)中的某些組件是車載的（如水泵、冷凝器、膨脹箱等）。但是，為避免不必要的安裝工作時(shí)間，將整個(gè)ORC系統(tǒng)安裝在測(cè)試單元中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)架上。發(fā)動(dòng)機(jī)和ORC系統(tǒng)已經(jīng)在測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行了初步測(cè)試，主要用于ORC控制系統(tǒng)的校準(zhǔn)。如圖17所示，使用48 V電機(jī)作為膨脹制動(dòng)器的燃油消耗的初步結(jié)果與模擬結(jié)果一致。在高速公路功率水平下，燃油消耗降低了6%～7%。

參考文獻(xiàn)

[1]MORGAN D， PATEL P， DOYLE E， et al. Laboratory test results low emission Rankine.cycle engine with organic.based working fluid and reciprocating expander for automobiles[C]. 8th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference， AIAA， 1973：158.164.

[2]KADOTA M，YAMAMOTO K. Advanced transient simulation on hybrid vehicle using Rankine cycle system[C].SAE Paper 2008.01.?0310.

[3]RINGLER J， SEIFERT M， GUYOTOT V， et al. Rankine cycle for waste heat recovery of IC engines[C].SAE Paper 2009.01.?0174.

[4]ZHOU F， DEDE E， JOSHI S. Application of Rankine cycle to passenger vehicle waste heat recovery.A review[C]. SAE Paper 2016.01.0178.

[5]SCHEIDT M， BRANDS C， KRATZSCH M， u. a. Kombinierte Miller.Atkinson.strategie fur downsizing.?konzepte[J].Motortechnische Zeitschrift， 2014，75：14.21.

[6]CRABB D， FLEISS M， LARSSON J， u. a. Neue modulare motorenplattform von Volvo[J]. Motortechnische Zeitschrift （MTZ）， 2013（9）： 633.642.

[7]CALLEN H B. Thermodynamics and an introduction to thermostatistics second edition[M]. Wiley， 1985.

[8]FRITZSCHE J， DRUCKHAMMER J， KAPPNER C， u a. Thermoacoustics as an alternative technology for waste heat recovery in automotive and （heavy） duty applications[C]. 24th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology， 2015.

[9]ZHOU J， KARLSSON M， ABOM M. Study of thermoacoustic engine for automotive exhaust waste heat recovery[C]. SAE Paper 2019.01.1257.

[10]HUSSAIN Q， BRIGHAM D， MARANVILLE C. Thermoelectric exhaust heat recovery for hybrid vehicles[C].SAE Paper 2009.01.1327.