ORC WHR 系統對柴油機燃油經濟性的影響

ORC WHR 系統對柴油機燃油經濟性的影響

現代重型柴油機通過使用排氣余熱回收（WHR）技術，使發動機的熱效率增加50%，從而減少燃油消耗，降低污染物排放。而使用基于有機朗肯循環（ORC）的余熱回收裝置是實現WHR技術的一種有效途徑。在實現ORC時，ORC WHR系統以柴油機冷卻水和排氣作為熱源加熱其中有機工作流體，工作流體受熱蒸發產生蒸汽，并進入膨脹器膨脹做功，之后再進入冷凝器中凝結完成一個完整的循環。在整個循環過程中，膨脹做功用來為柴油機提供額外的輸出功率。但是，ORC WHR系統會引發柴油機較高的排氣背壓，造成柴油機燃油消耗的增加，這可能抵消掉ORC WHR系統帶來的燃油效率改善。因而，需要對這種影響進行分析，便于確定出ORC WHR系統的設計約束，優化重型柴油機工作效率。

首先，以一臺用于越野車的6缸重型柴油機為例，建立其熱力學模型。之后，建立包含排氣熱交換器模型和一個熱力學傳導模型的ORC WHR系統模型。將發動機熱力學模型與ORC WHR系統模型集成，并基于該模型，改變ORC WHR系統包括質量、表面積、長度和工作流體在內的各項參數，分析不同ORC WHR系統帶來的燃油消耗減少和所引發排氣背壓造成的燃油消耗增加。分析結果表明：①使用ORC WHR系統能夠對汽車的動力性和燃油經濟性同時帶來消極和積極影響；②增加ORC WHR系統中熱交換器的表面積，將得到較高的排氣余熱回收量，相應地，排氣背壓和ORC WHR系統質量也出現增加。因而認為，熱交換器質量的約束是限制ORC WHR系統設計的主要參數；③考慮燃油消耗的影響，減少ORC WHR系統10%的功率質量比，將帶來42.5%的燃油消耗改善；④選擇合適的工作流體十分重要，不僅能改善ORC WHR系統效率，而且能夠實現熱交換器的緊湊設計。

Apostolos Karvountzis-Kontakiotis et al.SAE 2017-01-0136.

編譯：張振偉