發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%的石油資源且持續增長，開發一種低污染高功效發動機勢在必行。以現今的發動機技術仍只有40%的燃料轉化率，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利用將是提高能效的另一種重要途徑。發動機尾氣余熱再利用系統可將發動機中通過排氣系統所帶走的部分尾氣熱能回收再利用，如將此熱能通過發電機轉為電能傳入汽車蓄電池，或通過連續可變傳動機構傳回發動機，這是提高發動機的燃油經濟性和動力性的一種重要途徑。利用朗肯循環系統回收汽車尾氣熱能，并通過能量轉化系統提高燃料轉化率。結合燃氣輪機與有機朗肯循環系統進行模擬計算，使得熱效率提高，燃氣機內各項功能也得以提高。

1 基于朗肯循環的尾氣回收系統搭建

基于朗肯循環的尾氣回收系統主要由熱交換器、膨脹機、發電機、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朗肯系統，使循環工質氣化膨脹做功。做功后的低壓蒸汽將進入冷凝管，被冷卻成液態工質流回儲液器，隨后被供給泵加壓進入熱交換器，重新進入下一次循環。采用水為工作介質，并排式活塞膨脹機作為能量轉化單元，將熱能轉為動能。膨脹機中，每個氣缸擁有獨立可變氣門系統，通過控制膨脹機內工作氣缸數量和調節各氣缸內進、出氣門開啟時間及氣門運行軌跡，作為該朗肯循環系統功率調節的重要途徑，實現與發動機各工況匹配。

2 朗肯系統功率調節控制方案設計

通過對該尾氣余熱回收系統的功率調節，實現與發動機的有效結合是整個研發體系的重要環節，直接決定整體循環系統的高效性和安全性。功率控制調節目標為實現從傳熱系統到電能輸出系統的能量最高轉化率，實現該系統與發動機各種工況合理匹配，確保系統安全性與可靠性（圖2）。

圖1 朗肯循環系統

圖2 朗肯系統功率控制和調節方案

3 朗肯循環系統模型建立及設定

整個系統通過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，運用氣門式結構實現對循環工質進、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氣壓變化曲線，繼而決定其工作功率。通過修正因數只對進、排氣門開啟時間進行調節（由于構造限制保持氣門高度與實驗模型一致），從而改變缸內流入工質質量。進、排氣門原始流量因數曲線通過實驗求得，Inlet-Factor 與Outlet-Factor 分別為流經進、排氣門流量修正因數。流量因數隨著修正因數增加而升高（圖3）。

圖3 進、排氣門流量修正

在該朗肯循環系統中，將循環工質的初態溫度、壓力，進排氣門的開啟時間以及流量修正因數作為輸入參數，膨脹機轉速及缸內指示功率作為輸出結果。在各給定發動機工況下，即朗肯循環系統不同吸熱總量下，通過科學試驗方法（Design Of Experiment，DOE）對輸出結果分析判定，最后確定最佳輸入參數組合。模型中運動溫度、壓力及轉速等，通過設定調節器中各參數目標值，使輸出值快速準確接近設定值（表1）。

表1 模擬條件參數設定

4 結論

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