發(fā)動機尾氣余熱再利用模型的設計

張方明

（英思騰（杭州）汽車有限公司，浙江杭州 310020）

0 引言

當今全球污染加劇，能源日益短缺，汽車內(nèi)燃機作為耗油大戶自2006 年以來消耗近60%的石油資源且持續(xù)增長，開發(fā)一種低污染高功效發(fā)動機勢在必行。以現(xiàn)今的發(fā)動機技術(shù)仍只有40%的燃料轉(zhuǎn)化率，其余60%的燃燒熱能中一部分通過各自熱傳遞方式被消耗，另一部分直接以尾氣形式排出，因此對尾氣余熱的開發(fā)利用將是提高能效的另一種重要途徑。發(fā)動機尾氣余熱再利用系統(tǒng)可將發(fā)動機中通過排氣系統(tǒng)所帶走的部分尾氣熱能回收再利用，如將此熱能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)為電能傳入汽車蓄電池，或通過連續(xù)可變傳動機構(gòu)傳回發(fā)動機，這是提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性和動力性的一種重要途徑。利用朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收汽車尾氣熱能，并通過能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)提高燃料轉(zhuǎn)化率。結(jié)合燃氣輪機與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)進行模擬計算，使得熱效率提高，燃氣機內(nèi)各項功能也得以提高。

1 基于朗肯循環(huán)的尾氣回收系統(tǒng)搭建

基于朗肯循環(huán)的尾氣回收系統(tǒng)主要由熱交換器、膨脹機、發(fā)電機、冷凝管和供給泵等裝置組成（圖1）。尾氣中部分熱能通過熱交換器傳遞給閉環(huán)朗肯系統(tǒng)，使循環(huán)工質(zhì)氣化膨脹做功。做功后的低壓蒸汽將進入冷凝管，被冷卻成液態(tài)工質(zhì)流回儲液器，隨后被供給泵加壓進入熱交換器，重新進入下一次循環(huán)。采用水為工作介質(zhì)，并排式活塞膨脹機作為能量轉(zhuǎn)化單元，將熱能轉(zhuǎn)為動能。膨脹機中，每個氣缸擁有獨立可變氣門系統(tǒng)，通過控制膨脹機內(nèi)工作氣缸數(shù)量和調(diào)節(jié)各氣缸內(nèi)進、出氣門開啟時間及氣門運行軌跡，作為該朗肯循環(huán)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)的重要途徑，實現(xiàn)與發(fā)動機各工況匹配。

2 朗肯系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)控制方案設計

通過對該尾氣余熱回收系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)與發(fā)動機的有效結(jié)合是整個研發(fā)體系的重要環(huán)節(jié)，直接決定整體循環(huán)系統(tǒng)的高效性和安全性。功率控制調(diào)節(jié)目標為實現(xiàn)從傳熱系統(tǒng)到電能輸出系統(tǒng)的能量最高轉(zhuǎn)化率，實現(xiàn)該系統(tǒng)與發(fā)動機各種工況合理匹配，確保系統(tǒng)安全性與可靠性（圖2）。

圖1 朗肯循環(huán)系統(tǒng)

圖2 朗肯系統(tǒng)功率控制和調(diào)節(jié)方案

3 朗肯循環(huán)系統(tǒng)模型建立及設定

整個系統(tǒng)通過GT-Power 仿真軟件進行一維模擬分析，膨脹機采用直列多缸式排布，運用氣門式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對循環(huán)工質(zhì)進、排入缸體的控制。進、排式氣門的開啟時間及其運動軌跡直接影響膨脹機內(nèi)氣壓變化曲線，繼而決定其工作功率。通過修正因數(shù)只對進、排氣門開啟時間進行調(diào)節(jié)（由于構(gòu)造限制保持氣門高度與實驗模型一致），從而改變缸內(nèi)流入工質(zhì)質(zhì)量。進、排氣門原始流量因數(shù)曲線通過實驗求得，Inlet-Factor 與Outlet-Factor 分別為流經(jīng)進、排氣門流量修正因數(shù)。流量因數(shù)隨著修正因數(shù)增加而升高（圖3）。

圖3 進、排氣門流量修正

在該朗肯循環(huán)系統(tǒng)中，將循環(huán)工質(zhì)的初態(tài)溫度、壓力，進排氣門的開啟時間以及流量修正因數(shù)作為輸入?yún)?shù)，膨脹機轉(zhuǎn)速及缸內(nèi)指示功率作為輸出結(jié)果。在各給定發(fā)動機工況下，即朗肯循環(huán)系統(tǒng)不同吸熱總量下，通過科學試驗方法（Design Of Experiment，DOE）對輸出結(jié)果分析判定，最后確定最佳輸入?yún)?shù)組合。模型中運動溫度、壓力及轉(zhuǎn)速等，通過設定調(diào)節(jié)器中各參數(shù)目標值，使輸出值快速準確接近設定值（表1）。

表1 模擬條件參數(shù)設定

4 結(jié)論

本文對整個朗肯循環(huán)系統(tǒng)的尾氣余熱回收模型做了理論上的分析和討論，對朗肯系統(tǒng)中的重要變量進行分析研究，對調(diào)節(jié)這些變量得到的膨脹機工作效率做了計算和模擬，最后確定各個發(fā)動機工況下的朗肯系統(tǒng)最佳參數(shù)組合，為該模型與發(fā)動機GT-Power 模型耦合提供了研究基礎。