發動機廢熱回收的熱力循環優化

李凡彬，趙金國

（西京學院 機械工程學院，陜西 西安 710123）

現階段如何提高燃油效率，實現節能是內燃機領域的一個研究熱題。在內燃機效率方面，直噴汽油發動機和高壓共軌柴油發動機的引入，這使得提高燃油效率更具挑戰性。發動機余熱回收研究和利用對汽車工業發展中的節能效果具有重要意義。研究統計在燃料燃燒產生的熱量中，發動機輸出有功功率約為 25%～35%，排氣熱約為22%～46%。

本文在已有研究基礎上選擇水作為工質，因為水的能量質量不高，但流量大熱值高。 根據郎肯循環原理，利用蒸發器過熱度控制對廢熱回收系統進行優化，增加了電磁閥控制，用于控制工質泵的轉速和蒸發器的壓力，提高廢熱循環效率，為發動機廢熱回收利用技術提供參考。

1 郎肯循環工作原理

根據理想郎肯循環結構和郎肯循環（-），如圖1、圖2所示。圖2中下標對應圖1中的工質狀態。

圖1 理想郎肯循環

圖2 T-S圖

發動機余熱回收系統的能量轉換是通過工質流動和相變來實現的。由于工質是流動的載體，其熱工性能、環境性能和整體性能隨著不同工質的環境變化都有很大差異，使得非熱回收效率也有不同的差異。從不同廢熱回收系統熱源特點出發，選則經濟價值好的工質非常必要。所選的工質要能保證三相點最低溫度循環環境，避免堵塞或凝結造成的損失，同時還具有安全、環保、較高的化學穩定性和性價比的特性。從發動機工作環境的限制上考慮，臨界點參數不宜過低，在冷凝范圍條件內，避免低溫造成的冷凝困難。

通過研究表明，在不同工質廢熱回收系統中，熱源溫度不同所選擇循環工質亦不同，且蒸發溫度對循環有很大影響，因而選擇水可作為熱源溫度在500 ℃～ 800 ℃之間時的最佳工質。發動機絕大部分余熱位于中溫區，利用朗肯循環回收低溫余熱的方法，無需過熱處理即可獲得可觀的輸出功率。具有化學性質的有機工質性能不穩定、易分解，是不能在高溫高壓環境下長期工作的。水作為濕工質具有成本低、環境性好等優點，與其它工質的臨界壓力、溫度、相變焓等物理性質都有所不同。由于水是典型的濕流體，因此選擇水作為余熱回收系統的循環工質。為了避免后期濕液的液化、沖擊和腐蝕，可采用過熱控制策略。

2 過熱控制原理

液體推進劑氣體被絕熱壓縮后，工作液泵進入蒸發器吸收和蒸發熱量。蒸發器中的蒸汽壓力隨著蒸汽分子數增加而增加，到達一定量便不再增加，此時蒸汽達到飽和狀態。飽和壓力和飽和溫度非相互獨立，當溫度變化時，壓強也隨之變化。工質的臨界溫度即飽和溫度，若工質飽和溫度過高時，就會由液體變為蒸汽，即為過熱蒸汽。

提高朗肯循環效率的有效途徑就是以水作為工質，提高蒸發器的出口溫度和壓力，降低膨脹機出口壓力。在濕液體膨脹過程中，為了避免液滴對膨脹葉片的腐蝕和沖擊，需要一定的過熱度。在蒸發器循環工質過熱控制過程中熱源發生變化時，余熱回收系統的-關系圖，如圖 3所示。工作液體恒壓進入蒸發器吸收熱量，溫度逐漸升高。當液體達到飽和溫度時，由液態變為氣態。工作介質繼續吸收熱量，工作介質變成過熱蒸汽，運行狀態為1－2－3－4－5－6。此時，如果的出口溫度過熱，那么Δ＞Δ。若外熱源溫度較低，蒸發器內的工質不能達到過熱，工質液體進入膨脹機，液滴將會腐蝕并沖擊膨脹機。由此可見，余熱回收系統的效率和穩定運行受蒸發器過熱度直接影響。要達到必須的過熱度，只有改變工質的飽和壓力，并需遵循 1－2－3－4－5'－6'的工作循環狀態。

圖3 T-S關系曲線

工質泵在余熱回收系統中的作用為循環工質的流動提供調節壓力，這樣它就能進入蒸發器。通過變頻器控制普通質量工質泵的轉速，充分利用蒸發器的換熱面積，提高系統余熱換熱效率，實現蒸發器過熱度的控制策略，防止液滴在擴張的葉片上碰撞。通過建立控制模型對離心泵的分析。離心泵頭徑按式（1）計算。

式中，離心泵的軸功率P，軸效率，額定流量，工質密度。揚程與泵額定工況下的關系如下：

蒸發器在額定工況下的排放壓力為

式中，離心泵入口壓力。任意轉速下的蒸發器出口壓力為

根據=60/計算結果，得到了蒸發器出口壓力與頻率的關系式為

式中，額定頻率對應的；電動機極數；與任何速度對應頻率。從而，通過變頻器頻率改變過熱度，充分利用蒸發器的換熱面積和熱效率，將蒸發器出口過熱度控制在額定值，示意框圖如圖4所示。

圖4 過熱度控制圖

當熱源的溫度變化引起過熱度變化時（即控制參數過熱度），從而產生信號偏差。通過過熱度控制器調節轉速信號輸出給泵，實現對電動機的數據控制。當泵工作時所輸出流量以一定的速度運行，同時改變工質壓力，使工質在蒸發器中保持恒定壓力和飽和溫度才能達到過熱度控制效果，使過熱溫度控制在預定值。為使蒸發器的過熱度恢復到額定水平，提高蒸發器的換熱效率，可通過工質泵流量和飽和壓力來改變。

3 發動機廢熱回收系統

經對余熱發電技術的研究和分析，提出了后續朗肯循環如何提高發動機余熱回收系統的效率。余熱回收系統結構如圖 5所示。發動機余熱發電系統主要部件包括儲液箱、膨脹機、蒸發器、冷凝器、電磁閥和工質泵。

圖5 余熱回收系統的結構

廢熱回收系統的工作原理：打開電磁閥 d’，工質液從第二儲液罐流出，隨工質泵進入蒸發器升壓吸熱轉化為高溫高壓蒸汽。蒸發器將工質加熱到干飽和狀態，避免氣液共存對膨脹機產生腐蝕和沖擊。關閉電磁閥e，打開電磁閥c，蒸汽從蒸發器出口回流至第一儲液箱。再由控制循環泵來減少流體的流量，增加并保持穩定蒸發器出口蒸汽過熱度，有效的保護了膨脹機，避免撞液現象。若出口過熱度太高則換熱效果差，還會造成浪費熱源，需關閉電磁閥c，控制循環泵，恢復工質流量和過熱度值。這是因為回流管徑小的限制，可利用蒸氣壓力對第一儲液罐增壓來減小壓差。

在過熱度穩定后，蒸汽進入膨脹機驅動發動機做功發電。膨脹機出口的乏氣經冷凝器冷卻為液體，打開電磁閥a，從第一個儲液箱排氣。當壓力穩定后，打開電磁閥b，冷卻后的液體進入第一儲液箱，完成一個循環。系統中的液位傳感器檢測到液體在第二儲液箱的為下限或液體在第一儲液罐為上限時，由第一儲液箱提供液體，首先打開電磁閥 d和 b’，再關閉電磁閥 d’和 b；其次打開電磁閥 a’，關閉電磁閥 c’，將冷凝后的工作液儲存在第二儲液箱中。實現余熱回收發電可根據過熱度情況控制電磁閥c的開關即可。

4 結論

通過汽車發動機余熱潛能分析，提出了利用發動機作為熱源進行余熱回收系統的研究。根據發動機廢熱高溫能源的特點，結合郎肯循環原理，廢熱回收以水作為工質，建立了蒸發器過熱度控制模型，優化了余熱回收系統蒸發器過熱度控制，避免了膨脹機液體碰撞，過熱穩定性得到有效控制，提高循環效率，達到延長膨脹機使用壽命，實現廢熱再回收的目的。