1、书书书内燃机与配件 设计研究基于朗肯循环的发动机余热回收系统数值模拟吕宇航，吴志军，邓俊，冀蒙（同济大学 汽车学院，上海 ）摘要：基于发动机排气余热回收系统，在 中搭建朗肯循环模型，根据仿真结果挑选最优工质，分析不同发动机工况下余热回收系统的热效率和输出功率等特性。结果表明：对比 、水三种工质，选择 作为最优工质对不同排气工况进行仿真。在低功率运转工况下，排气能量较低，膨胀机输出功率较低，达不到回收利用的价值。在中高功率运转工况下，排气能量显著增加，膨胀机输出功率可达 ，具有较高的回收利用价值。关键词：发动机；余热回收；朗肯循环；仿真分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；基
2、金项目：氩气循环氢发动机超稀薄燃烧特性和爆震抑制机理研究，上海市自然科学基金项目（）作者简介：吕宇航（），男，江苏省盐城市，同济大学硕士研究生，主要研究方向为内燃机燃料喷射及燃烧。通讯作者：吴志军（），男，博士，教授，同济大学汽车学院，主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制、燃烧及喷雾光学诊断、湍流燃烧、混合动力汽车动力系统。概述随着能源枯竭和严苛法规要求，发动机节能减排成为研究热点，内燃机燃料能量只有三分之一得到有效利用，缸套水和排气排放的余热总量超过。余热回收技术得到广泛运用，等对三种复合余热回收系统进行分析，提高锅炉热效率约。等在水平管束烟气余热回收器中利用 水将烟温降至。瑞典三所一流大学开
3、展内燃机余热回收的联合研究。日本丰田公司等将余热能利用作为汽车发动机未来技术。目前，国内外汽车发动机余热利用技术从热源的角度来看，主要有利用发动机排气余热和发动机冷却水余热两种。朗肯循环使用低沸点的制冷剂作为工质，在余热利用领域具有发展潜力。年，美国 项目首次将朗肯循环应用于内燃机中，使用有机朗肯循环作为底循环回收利用发动机废气能量。本田公司开发了一套基于朗肯循环的废热回收利用系统，废热回收系统能够将发动机的热效率从 提高到 。采用朗肯循环回收内燃机废气热量，能提高发动机的有效输出功率，同时降低燃料消耗和 排放。基于朗肯循环对排气能量进行回收具有较大前景，不需要对发动机做较大改动，废气利用率较
4、高，是一种可行且有效的方案，本文搭建朗肯循环仿真模型对分析发动机余热回收系统的热效率和输出功率等特性。仿真模型建立与标定针对发动机不同工况下的尾气能量进行回收，采用 对其进行仿真计算，建立朗肯循环系统模型，通过宋松松论文中的实验数据进行标定。仿真模型建立图朗肯循环一维仿真模型系统DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.001 年第期作为车用朗肯循环系统，要考虑其重量和体积的影响。朗肯循环的系统主要包括工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器，使用 软件对朗肯循环进行建模仿真计算，仿真模型如图所示。仿真模型标定仿真模型主要包含四个部件：蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵，需
5、要着重对这四个部件进行标定。四个部件标定完成后，按照朗肯循环原理并添加储液罐组成系统模型，根据不同边界条件，与参考论文的实验结果进行对比，最终确定系统标定是否完成，标定及模拟过程如图所示，本次标定采用 作为工质进行仿真。图一维仿真流程示意图根据仿真结果，蒸发器模型标定的工质出口温度、换热量结果偏差均在之内；膨胀机模型标定的出口温度结果偏 差 在之 内，输 出 功 率 标 定 结 果 误 差 最 大 为；冷凝器的换热量标定结果偏差最大为，工质泵的功耗标定偏差最大为。因此，朗肯循环四个核心部件仿真模型标定符合要求。添加 的储液罐后，对朗肯循环系统进行标定，标定参数主要为蒸发器出口温度，另外需要满足
6、窄点温差大于 ，冷却液温升不高于 。设置的边界参数如下：（）蒸发压力：到 ；（）的裂解温度为 ，为防止其在蒸发器出口处 温 度 过 高 而 导 致 裂 解，设 置 工 质 质 量 流 量 为 到 ，取值间隔为 ；（）冷却液质量流量为 ，此时对应的冷却液温升不应该超过；（）选定内燃机工况点：转速 、转矩 、功 率 、排 气 温 度 、排 气 流 量 、排气可用能量 。图排气在蒸发器出口温度标定结果系统模型的标定结果如图至图所示，排气在蒸发器出口温度的标定偏差控制在 以内；内燃机排气与工质在蒸发器的换热过程中二者的温差均大于 ，即窄点温差满足要求；冷却液温升为 ，不超过 满足要求。由此可见，该仿真
7、模型可以模拟朗肯循环的过程。图窄点温差标定结果仿真结果及分析根据实验测得不同发动机工况下的排气流量和排气温度如表所示。标定完成后对发动机 输出的排气工况下进行仿真，分析 、水三种工质的输出功率以及热效率，根据仿真结果挑选出最优的工质，并使用该种工质对其余工况进行仿真。表发动机不同工况下尾气参数转速 转矩 排气流量 排气温度 工质评估结果及分析 以 为工质图以 为工质的膨胀机输出功率图以 为工质的循环热效率 仿 真 计 算 设 置 膨 胀 机 转 速 范 围 为 ，工质泵转速范围为 ，间隔均为 。图、分别为膨胀机输出功率、循环热效率结果。朗肯循环热效率与膨胀机输出功率变化规律一致，膨内燃机与配件
8、 胀机转速越低，膨胀机输出功率和循环热效率越高，工质泵转速越高，膨胀机输出功率和循环热效率越低。膨胀机的最高输出功率为 ，最高热效率为 。以 为工质 仿真计算设置工质泵转速范围为 、，膨胀机转速范围为 ，仿真结果如图、所示。膨胀机转速越高，膨胀机输出功率越低；工质泵转速越高，膨胀机输出功率越低，输出功率最高可达 。朗肯循环热效率的变化规律与膨胀机输出功率一致，最高热效率达到。图以 为工质的膨胀机输出功率图以 为工质的循环热效率 以水为工质设置不同工质泵转速以及膨胀机转速进行仿真。由于不同转速对于系统影响较大，因此在膨胀机输出功率、热效率较高点进行密集仿真，取膨胀机、工质泵转速间隔为 。图为膨胀
9、机输出功率、循环热效率结果。不同膨胀机转速对输出功率影响明显高于工质泵转速，输出功率随 膨 胀 机 转 速 升 高 而 增 加，但 在 工 质 泵 转 速 为 情况下，膨胀机转速升高到 时，膨胀机输出功率开始下降，输出功率随着工质泵转速上升而下降，膨胀机输出功率最高可达 。循环热效率与膨胀机输出功率变化规律一致，热效率最高为。图以水为工质的膨胀机输出功率根据仿真结果可以得出，使用 可以获得较高的输出功率，最高可达 ；对于循环热效率而言，采用水作为工质最高，可以达到 ，作为循环工质热效率比水略低。故选择 作为工质对其余不同排气工况进行仿真。热源评估结果及分析 排气流量 、排气温度 尽管此排气工况
10、下的排气温度达到 ，但由于排气流量只有 ，从而导致蒸发器换热量过低，膨胀机最高输出功率只有 ，而工质泵需要 ，再结合其它部件消耗，最终可能获得的能量有限，故考虑不使用朗肯循环系统回收此排气工况下的能量。排气流量 、排气温度 此排气工况与 相比，蒸发器的换热量提升至 。图、为膨胀机输出功率以及循环热效率结果。膨胀机输出功率、循环热效率随着膨胀机转速的升高而下降，工质泵转速变化对于膨胀机输出功率以及循环热效率影响不大，最高输出功率为 ，最高热效率为，此时的工质泵功耗为 。此排气工况下的输出功率较前两个工况有明显提升，而工质泵的功耗增加较少。图 排气流量 、排气温度 工况下的膨胀机输出功率图 排气流
11、量 、排气温度 工况下的循环热效率 排气流量 、排气温度 此排气工况与 的工况类似，排气流量与温度均有略有下降，蒸发器的换热量下降至 左右。根据系统仿真结果，膨胀机输出功率、循环热效率随着膨胀机转速、工质泵转速的升高而下降，仿真系统的最高输出功率为 ，最 高 热 效 率 为 ，此 时 的 工 质 泵 功 耗 为 ，如图、所示。年第期图 排气流量 、排气温度 工况下的膨胀机输出功率图 排气流量 、排气温度 工况下的循环热效率 排气流量 、排气温度 此排气工况为所有工况中排气能量最大的工况，流量与温度均为最高，蒸发器的换热量也最高，达到 。根据系统仿真结果，在此排气工况下，膨胀机输出功率、循环热效
12、率随着膨胀机转速的升高而下降，膨胀机输出功率随工质泵转速升高略有下降，仿真系统的最高输出功率 ，最高热效率为 ，此时的工质泵功耗也较高达到 。在发动机低功率运转工况下，排气能量较低，最终膨胀机输出功 率 较 低，达 不 到 回 收 利 用 的 价 值。排 气 流 量 、排 气 温 度 工 况 下，最 高 输 出 功 率 为 ，最高热效率为 ，工质泵功耗为 ，此排气工况下的输出功率较前两个工况有明显提升。排气流量 、排 气 温 度 工 况 下，最 高 输 出 功 率 为 ，最高热效率为 ，工质泵功耗为 ，此排气工况下虽工质泵的功耗增加，但增加幅度明显没有输出功率高。排气流量 、排气温度 工况下，
13、蒸发器的换热量下降至 左右，最高输出功率为 ，最高热效率为 ，此时的工质泵功耗为 。排气流量 、排气温度 工况下，蒸发器的换热量可达到 ，最高输出功率 ，最高热效率为 ，此时的工质泵功耗也较高达到 。因此，可以考虑在发动机中高负荷工作下，使用朗肯循环系统回收排气能量，而在小负荷工作下，不使用朗肯循环系统回收排气能量。结论（）选取 、水三种工质在同一发动机排气工况下进行仿真，可获得较高的输出功率，最高可达 ；对于循环热效率而言，采用水作为工质最高，可以达到，采用 作为循环工质热效率比水略低。综合考虑，选择 作为工质继续对不同排气工况进行仿真。（）根据发动机的不同排气工况进行仿真，在低功率运转工况
14、下，发动机排气流量与温度较低，排气能量较低，最终膨胀机输出功率较低，可回收的能量达不到利用的价值。因此，在小负荷工作下，不使用朗肯循环系统回收排气能量。（）在中高功率运转工况下，发动机排气流量与温度得到明显提升，排气能量显著增加，最终可使膨胀机输出功率较高，可回收的更多的排气能量，具有较高的回收利用价值。因此，可以考虑在发动机中高负荷工作下，使用朗肯循环系统回收排气能量。参考文献：，：舒歌群内燃机界的创新 余热能回收技术大科技，（）：，：，：冯黎明基于朗肯循环的发动机废热回收理论与试验研究 天津大学，朱智富，汽车废热利用的有效途径，黑龙江工程学院学报，（）：；，（）：，：，：邱观福，罗向龙，陈健勇，等考虑环境温度变工况的分 液冷凝有机朗肯循环系统优化设计广东工业大学学报，（）：，宋松松车用内燃机有机朗肯循环联合系统的集成仿真与运行模式研究北京工业大学，
