基于朗肯循環的發動機尾氣余熱回收系統功率控制分析

張曉燕

浙江長征職業技術學院 浙江省杭州市 310023

1 引言

基于朗肯循環系統的尾氣余熱回收系統，以水為循環介質，膨脹機作為做功實體，GT-Power作為模擬平臺，研究系統內各參數影響特點及實現發動機與尾氣余熱回收系統的功率匹配，確定該朗肯系統在發動機各工況下的最佳工作方案。

2 余熱回收系統性能參數分析

2.1 初態溫度分析

朗肯系統和發動機的匹配，首先需對該系統中各參數在不同工況下進行分析研究。朗肯循環系統在不同吸收熱量和不同初態溫度下的指示功率與膨脹機轉速比較圖如圖1所示。橫、縱坐標分別為進、出氣門的開啟時間。黑色點劃線及箭頭方向為膨脹機轉速500-4000r·min-1的工作區域。等高線為各不同氣門開啟時間下的指示功率。Inlet-Factor與Outlet-Factor均為1。初態溫度的升高既可增加氣缸壓力，又可降低膨脹機轉速，該兩種影響將對指示功率的增加產生相反作用，而哪種作用更具顯著性將由該系統吸收的熱量決定。當吸收熱量較低時，因降低初態溫度，反之則應適量調高溫度。

2.2 初態壓力分析

與初態溫度的影響類似，初態壓力對膨脹機指示功率最終影響也將隨著吸收熱量的不同而變化。當朗肯循環系統吸熱分別為2.34kW與6.5kW時，不同初態壓力對膨脹機指示功率及轉速的影響，不同吸收熱量和不同初態壓力下對指示功率影響如圖2所示。當系統吸收熱量較低時，轉速對指示功率影響較平均缸壓更大，因此指示功率隨著初態壓力升高而降低，當系統吸收熱量較高時，應通過調整系統輸入參數，使得初態壓力增加，繼而指示功率得以提高。

2.3 工作氣缸數分析

以汽缸數為變量對指示功率及膨脹機轉速產生影響，Inlet-Factor與Outlet-Factor均為1，該系統吸收總熱量為50kW。為簡化計算，假設在膨脹過程中，氣態工質等量均勻的分配給各個工作氣缸，每個氣缸具有相同配氣結構及進、排氣門的執行時間。指示功率在做功氣缸數為4時達到最大值，當氣缸數過低時，流入各個氣缸的質流偏高，則系統需要通過調節進、排氣門的開閉時間進行功率調節（進出氣門均需早開），部分工質將在氣門重疊過程中流失，效率降低；當汽缸數過高，流入各個氣缸的工質過低，無法實現各個氣缸膨脹做功的最大效率。

圖1 不同吸收熱量和不同初態溫度下對指示功率影響

圖2 不同吸收熱量和不同初態壓力下對指示功率影響

圖3 不同吸收熱量和不同初態壓力下對指示功率影響

2.4 進氣門修正系數Inlet-Factor分析

膨脹機進氣門流量系數直接影響氣缸內壓力及膨脹機轉速大小，并且決定曲軸扭矩。進氣門流量修正系數Inlet-Factor的增加將使得膨脹機轉速降低。在同一初態溫度及壓力（p=45bar、T=250℃）下，當進氣門流量系數由1.1向0.64降低時，導致氣缸充盈度減小且缸內氣壓峰值遠遠低于初態壓力，做功效率受到影響。在當Inlet-Factor為1附近時，指示效率最高為14.8%。

3 朗肯循環系統與發動機的功率匹配

通過對該朗肯循環系統各參數進行分析之后，將確定其最終模擬規模，通過熱交換系統而獲得尾氣熱量處于1.56-50kW之間，初態壓力，初態溫度，進、排氣門開啟角度及流量修正系數作為可變因素，膨脹機轉速以及相對應的指示功率作為模擬結果進行篩選。該模擬將使用科學試驗方法，通過GTPower中的DOE功能，設置整個朗肯循環系統中各個輸入參量為調節目標值，對所建GT模型進行約625次模擬，剔除設定轉速以外以及非氣態進入缸體兩類無效結果，將得到該膨脹機在通過熱交換器提供的不同熱量值中的最高指示效率。

發動機各個工況下，朗肯循環系統不同吸收熱量下的最優指示功及指示功率如圖3所示，指示功隨著系統吸收熱量的增加而呈線性增加，指示功率從1.56至20kW時，增長較快，然后增長較為緩慢。工作汽缸數隨著吸收熱量的增加而增加，此舉將增加系統摩擦損失，從而降低有效功率，并且也增大生產制造成本，因此汽缸數仍將通過后續模擬進行確定。

4 結論

對于每個熱能節點都有唯一系統工作狀態與之對應，整體朗肯系統在給定發動機工況點下，朗肯系統中初態溫度，初態壓力決定著循環工質流量。初始溫度和初始壓力以及進氣門流量修正系數對指示功率的作用將隨著整體系統吸收熱量的變化而改變，且工作氣缸數的正確選擇也直接決定系統的高效性。

本文對整個朗肯循環系統的功率調整做了理論上的分析和討論，通過一維模擬軟件GT-Power對朗肯系統中的重要變量進行分析研究，最后確定尾氣余熱回收系統中的朗肯系統最佳參數組合。