車輛供能系統(tǒng)熱力性能數(shù)學(xué)建模分析

摘要： 本文以廢熱回收有機朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)，提出一種車輛供能系統(tǒng)，并對其展開相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模、模擬計算以及熱力性能分析，該系統(tǒng)可以同時執(zhí)行對內(nèi)燃機冷卻廢熱以及煙氣廢熱的回收任務(wù)，實現(xiàn)對車輛不同季節(jié)冷/熱需求的滿足，同時，對于車輛整體熱工轉(zhuǎn)換效率及燃料節(jié)約率的改善均具有積極意義。

Abstract： Based on the organic Rankine cycle for waste heat recovery， a vehicle energy supply system is proposed. And then， the corresponding mathematical modeling， simulation calculation and thermal performance analysis are carried out. The system can recover waste heat of internal combustion engine cooling and waste heat of flue gas， so as to meet the cold/heat demand of vehicles in different seasons. At the same time， it has positive significance to improve the overall thermal conversion efficiency and fuel saving rate of the vehicle.

關(guān)鍵詞： 內(nèi)燃機廢熱回收;車輛供能系統(tǒng);熱力性能

Key words： waste heat recovery of internal combustion engines;vehicle power supply system;thermal performance

中圖分類號：U262.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0064-02

1? 發(fā)動機廢熱可用潛能

在全球石油資源消耗量愈發(fā)增大的宏觀背景下，采取怎樣的措施有效地將燃料利用率提升并達到節(jié)能目標(biāo)已成為當(dāng)前內(nèi)燃機領(lǐng)域的一大研究熱點。不過從內(nèi)燃機效率上來看，在將直噴汽油機以及高壓共軌柴油機引進之后，燃油利用率所受到的挑戰(zhàn)愈發(fā)地嚴(yán)峻。長期以來，汽車發(fā)動機廢熱的研究及其再利用始終在我國汽車工業(yè)節(jié)能中發(fā)揮著不容忽視的重要作用。相關(guān)研究指出，燃燒產(chǎn)生的熱量中，可以轉(zhuǎn)化為有效發(fā)動機輸出功的熱量所占比例僅有25%-35%，剩余的熱量會分別以發(fā)動機排氣余熱或是冷卻液以及潤滑液等形式向周圍的環(huán)境中釋放。對于這3種向周圍環(huán)境釋放的余熱而言，發(fā)動機排氣余熱有很高的溫度，表現(xiàn)出來的能量品質(zhì)最高，應(yīng)用潛能也最大;雖然冷卻液在能量品質(zhì)上的表現(xiàn)并不理想，但其優(yōu)勢體現(xiàn)在流量大以及熱值高上;潤滑劑同樣有非常高的溫度，但總地來說，其在3種余熱中所占比例很小。

2? 基于有機朗肯循環(huán)廢熱回收的車輛功能系統(tǒng)

圖1所示為系統(tǒng)流程圖?？傮w上看，此系統(tǒng)對發(fā)動機熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)、有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)以及車輛空調(diào)子系統(tǒng)予以涉及。其中，有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)通過發(fā)動機冷卻液廢熱，在預(yù)熱器上執(zhí)行對有機工質(zhì)的預(yù)熱操作，之后對煙氣廢熱加以利用，在第一蒸發(fā)器上執(zhí)行蒸發(fā)與過熱的操作，過熱蒸汽在從第一蒸發(fā)器出來之后，會進入透平做功。為保證車輛結(jié)構(gòu)上的緊湊性，有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)和車輛空調(diào)子系統(tǒng)之間所用的是一套相同的冷凝器。在制冷季，有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)的部分輸出功用于車輛空調(diào)子系統(tǒng)運行的維持，如果在這之后仍有輸出功剩余，則可用于為車輛行駛提供動力，接受冷凝器換熱處理之后，所得環(huán)境空氣會直接向大氣排放。在供暖季，有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)輸出功的功能則體現(xiàn)在為車輛行駛提供動力上，接受冷凝器換熱處理之后，所得部分環(huán)境空氣會為車輛供暖，另外一部分則向大氣排放，這時，車輛空調(diào)系統(tǒng)并不會工作。

此系統(tǒng)將季節(jié)適應(yīng)性作為考慮因素，制冷季與供暖季有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)輸出功都可以為車輛提供行駛動力。不僅如此，制冷季環(huán)境下，有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)輸出功還能夠?qū)囕v空調(diào)子系統(tǒng)運行提供支持;供暖季環(huán)境下，冷凝器換熱處理下的環(huán)境空氣又能夠為車輛供暖。

3? 系統(tǒng)熱力性能數(shù)學(xué)建模分析

3.1 預(yù)熱器數(shù)學(xué)方程式

在經(jīng)過預(yù)熱器換熱處理之后，發(fā)動機冷卻液的溫度會降低，這時，有機工質(zhì)的溫度會在加熱條件下升高，公式（1）所示為其具體的關(guān)系式。

式中各字母表示含義分別為：

mc—發(fā)動機冷卻液的實際質(zhì)量流量，單位為kg/s;h1—預(yù)熱器熱端發(fā)動機冷卻液出口比焓，h2—對應(yīng)的進口比焓，兩者單位均為kJ/kg;mw—有機工質(zhì)的實際質(zhì)量流量，單位為kg/s;h5—發(fā)動機冷測有機工質(zhì)進口比焓，h6—對應(yīng)的出口比焓，兩者單位均為kJ/kg。

3.2 第一蒸發(fā)器數(shù)學(xué)方程式

在接受預(yù)熱器預(yù)熱處理之后，有機工質(zhì)會進入第一蒸發(fā)器，同煙氣進行熱量的相互交換，這時，有機工質(zhì)會受到蒸發(fā)與過熱處理，公式（2）所示為其具體的關(guān)系式。

式中各字母表示含義分別為：

me—煙氣的實際質(zhì)量流量，單位為kg/s;h13—第一蒸發(fā)器熱端煙氣出口比焓，h14—對應(yīng)的進口比焓，兩者單位均為kJ/kg;h6—第一蒸發(fā)器冷端有機工質(zhì)進口比焓，h7—對應(yīng)的出口比焓，兩者單位同樣為kJ/kg。

3.3 透平數(shù)學(xué)方程式

在對有機工質(zhì)在透平中的實際膨脹情況進行分析之時，需要將等熵效率指標(biāo)引入，公式（3）所示為其具體的關(guān)系式。

用7-8表示有機工質(zhì)的實際膨脹過程，7-8s表示理想等熵膨脹過程，因而公式（3）中h7、h8、h8s分別為對應(yīng)的各點比焓，3者的單位均為kJ/kg。

3.4 冷凝器數(shù)學(xué)方程式

在接受透平做功處理之后，出口乏氣會進入冷凝器，這時，環(huán)境空氣會對其進行冷凝處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的有機工質(zhì)，公式（4）所示為其具體的關(guān)系式。

式中各字母表示含義分別為：

ma1—冷凝透平出口乏氣的環(huán)境空氣的實際質(zhì)量流量，單位為kg/s;h8—冷凝器熱端有機工質(zhì)進口比焓，h9—對應(yīng)的出口比焓，兩者單位均為kJ/kg;h17—冷凝器冷端環(huán)境空氣進口比焓，h18—對應(yīng)的出口比焓，兩者單位同樣為kJ/kg。

3.5 第二循環(huán)泵數(shù)學(xué)方程式

針對有機工質(zhì)在第二循環(huán)泵上的實際壓縮情況，同樣將等熵效率指標(biāo)引入，公式（5）所示為其具體的關(guān)系式。

用9-5s表示有機工質(zhì)在第二循環(huán)泵的理想等熵壓縮過程，9-5是實際壓縮過程，因而公式（3）中h5、h5s、h9分別為對應(yīng)的各點比焓，3者的單位均為kJ/kg。

因為有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)與車輛空調(diào)子系統(tǒng)所使用的是同一套冷凝器，且前者的循環(huán)工質(zhì)與后者的制冷劑所用工質(zhì)相同，故透平出口乏氣的有機工質(zhì)與壓縮機出口制冷劑在混合以后進入冷凝器，會受到環(huán)境空氣的冷凝處理，實現(xiàn)能量上的平衡。

4? 系統(tǒng)計算基礎(chǔ)與典型季節(jié)工況實驗分析

4.1 系統(tǒng)計算基礎(chǔ)

選用Tianjin FAW TOYOTA 8A-FE型號的汽油機，用T2表示發(fā)動機冷卻劑的溫度，取其值為373K。通常，冷卻劑都有比較大的熱容，且在換熱之前與之后不會出現(xiàn)很大的溫差變化，因而將其視作恒溫?zé)嵩?。在低轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)矩狀態(tài)之下，車輛發(fā)送機的煙氣排放溫度并不高，為了確保有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)在發(fā)動機低負荷狀態(tài)下依舊可以正常運行，用Te表示蒸發(fā)溫度，取其值為433K，另外，用Ts表示過熱度，取其值為10K。為了避免煙氣腐蝕排氣管道現(xiàn)象的發(fā)生，控制排煙溫度在500K以下。

根據(jù)測試，當(dāng)車輛發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)速度不斷加快之時，煙氣耗散廢熱的熱量也會與其相伴隨呈現(xiàn)出逐漸增加之勢。具體的，當(dāng)車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速不超過3000r/min時，試驗數(shù)據(jù)同模擬數(shù)據(jù)之間表現(xiàn)出較為理想的擬合;當(dāng)車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過3000r/min之后，煙氣耗散廢熱的熱量模擬值要小于試驗值，且在轉(zhuǎn)速不斷加快的過程中，煙氣耗散廢熱的熱量模擬值與試驗值之間的差距會呈現(xiàn)出逐漸拉大之勢。

4.2 供暖季

將環(huán)境溫度與冷凝溫度分別設(shè)定為263K與273K，車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6000r/min（此時煙氣耗散廢熱熱量模擬值較之試驗值要低出9.5%的水平），標(biāo)定功率為63kW。此條件下，有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)可達到14.2%的熱效率。當(dāng)?shù)谝徽舭l(fā)器平均換熱溫差不斷增加之時，透平輸出功率會與之相伴隨而呈現(xiàn)出逐漸降低之勢，同時，出口的煙氣溫度變化趨勢則為逐漸增加。究其原因，在于第一蒸發(fā)器平均換熱溫差越大的話，與之相對應(yīng)的出口煙氣溫度就會越小，這會使得第一蒸發(fā)器換熱量越來越大，由此一來，透平輸出功率同樣會越來越大。具體地，當(dāng)?shù)谝徽舭l(fā)器平均換熱溫差達到269.1K水平之時，出口煙氣溫度為500K，此時透平會達到最大的輸出功率。

供暖季條件下，與車輛行駛速度的不斷加快相伴隨，透平輸出功率與燃料節(jié)約率均呈現(xiàn)出逐漸增加之勢，兩者最大值分別為11.1kW與17.3%。另外，在環(huán)境溫度為263K之時，車輛需要的熱負荷大約為12.3kW，如果車輛速度不低于70km/h，冷凝器換熱量便能夠為車輛提供足夠的熱量。

4.3 制冷季

將環(huán)境溫度與冷凝溫度分別設(shè)定為308K與318K，這時有機朗肯循環(huán)熱轉(zhuǎn)功子系統(tǒng)可達到5.2%的熱效率。通過比較，透平輸出功率與燃料節(jié)約率在供暖季要高于制冷季。在最大的車輛運行速度下，最大制冷季透平輸出功率與燃料節(jié)約率分別為7.2kW與11.5%。

5? 結(jié)語

本文研究了以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)的內(nèi)燃機廢熱回收系統(tǒng)，要想實現(xiàn)其實際應(yīng)用，還需采取一系列優(yōu)化措施，如進行更加先進、效率更高的換熱器的設(shè)計，同時，將效率更高、結(jié)構(gòu)上更加緊湊的膨脹機開發(fā)出來，優(yōu)化系統(tǒng)氣密性等。

參考文獻：

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