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基于朗肯循环的发动机废热回收理论与试验研究

冯黎明  
【摘要】:内燃机燃料燃烧所放出的能量仅有三分之一左右被有效利用,其它能量通过废气、冷却水等散发掉。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CO2排放。本文从能量平衡的角度分析了发动机的能量分布,分析对比了各部分能量的可用能。 提出使用废热回收系统总效率估算废热回收系统将废气能量转化为输出功能力的方法。分析了膨胀机进口温度、蒸发压力、冷凝温度等参数对使用不同工质的废热回收系统总效率的影响规律。结果表明,水作为工质,过热温度越高系统效率越高,干式工质则相反;存在一个最佳蒸发压力使废热回收总效率达到最大;水作为工质适用于废气温度较高的系统,而有机工质在废气温度较低时更有优势。 根据某一发动机工况,设计了废热回收系统的加热器和冷凝器,通过建立换热器的计算模型,分析了工质流量对换热器换热性能的影响规律。随工质流量的增大,废热回收总效率先增大后减小,存在最佳工质流量使废热回收系统总效率达到最大。 利用能量守恒方程、连续性方程、气体流动方程及传热方程,建立了活塞式膨胀机的Matlab/Simulink计算模型,计算分析了不同设计参数和工质运行参数对活塞式膨胀机输出功、效率以及工质流量的影响规律。结果表明,膨胀机缸径、行程增大会使工质流量增大,但对膨胀机卡诺循环完成效率影响不大;工质进口压力的增大也会提高工质流量,但是会减小膨胀机卡诺循环完成效率;工质进口温度的增大会减小工质流量,同时提高膨胀机的卡诺循环完成效率;配气相位中,进气门关闭时刻对膨胀机的热力循环影响最大,进气门关闭时刻越晚,工质的流量越大,膨胀机的卡诺循环完成效率越小。进气门开启角度应在-10~-20之间为宜,排气门开启角对膨胀机热力循环影响不大,排气门关闭时刻与进气门的开启时刻接近或相同较为合适。以上结论为膨胀机的设计奠定了重要的理论基础。 针对某一发动机常用工况,使用所建立的换热器和活塞式膨胀机模型进行仿真计算,优化了膨胀机结构参数及工质工作参数(蒸发压力和流量等)。同时,研究了当发动机工况发生变化时,系统效率的变化规律。研究表明,在设计工况下,废热回收系统输出功最大,当偏离设计工况时废热回收系统输出功下降较快。但排气可用能的利用率保持在20%到30%之间。 使用GT-POWER软件模拟分析了发动机废热回收系统对输出功率的影响规律。得出废热回收系统对发动机本身效率的影响很小,而且能使发动机系统的总功率输出提高5%~12%的结论。 建立了发动机废气能量回收试验系统并进行了性能试验,验证了理论分析模型与分析结论,发现了所建试验系统存在的问题,并提出进一步改进方向。为废热回收系统的应用打下良好的基础。


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