基于朗肯循环的发动机余热回收系统理论计算_吴志军.pdf

2 0 2 3年第5期基于朗肯循环的发动机余热回收系统理论计算吴志军,柴晓霖,邓 俊,吴静涛,高 敏(同济大学 汽车学院,上海 2 0 1 8 0 4)摘 要:为了有效利用乘用车内燃机尾气中的余热,针对一台汽油机,利用P y t h o n程序及R e f p r o p热力学参数库对朗肯循环换热过程进行建模。输入多种工况,计算所选的几种工质在不同的系统运行最高压力、不同的循环流量的余热回收系统中工作时的热效率和输出功率等特性,分析各工质的工作特点、适用工况等。最后对各工质进行比较,结果表明:在所选用的乘用车发动机各个工况下,当输入相同时,在水、乙醇、R 2 4 5 f a、R 1 2 3 4 z e四种工质中,R 1 2 3 4 z e均能输出最高的功率,但需要的工质流量较大;而水的效率始终最高。结合需要的工质流量考虑,水是更合适的工质选择。关键词:发动机;余热回收;朗肯循环;理论计算 中图分类号:U 4 6 4.1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 3 0-0 4T h e o r e t i c a lC a l c u l a t i o no fE n g i n eW a s t eH e a tR e c o v e r yS y s t e mB a s e do nR a n k i n eC y c l eWuZ h i-j u n,C h a iX i a o-l i n,D e n gJ u n,WuJ i n g-t a o,G a oM i n(S c h o o l o fA u t o m o t i v eS t u d i e s,T o n g j iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t ou t i l i z e t h ew a s t eh e a t i n t h e e x h a u s t g a s o f i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e e f f e c t i v e l y,p r o g r a mm e dt om o d e l t h eh e a t t r a n s f e r p r o c e s s o fR a n k i n e c y c l eo nag a s o l i n e e n g i n e.U n d e r d i f f e r e n t h e a t s o u r c e i n p u t s,t h e t h e r m a le f f i c i e n c ya n do u t p u t p o w e r o f t h ew a s t e h e a t r e c o v e r y s y s t e ma r e c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t h em a x i m u mo p e r a t i n gp r e s s u r ea n d f l o wa l l o w e db ye a c hw o r k i n gm e d i u m,i no r d e r t oa n a l y z e t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n da p p l i c a b l ew o r k i n gc o n d i-t i o n so f e a c hw o r k i n g f l u i d.R e s u l t s h o w s t h a tw h e n t h eh e a t s o u r c e i n p u t i s t h e s a m e,b e t w e e nw a t e r,e t h a n o l,R 2 4 5 f aa n dR 1 2 3 4 z e,R 1 2 3 4 z e o u t p u t s t h e h i g h e s t p o w e r,b u tw i t h l a g e rw o r k i n g f l u i d f l o wr e q u i r e d;w a t e r a l w a y s h a s t h e h i g h-e s t e f f i c i e n c y.U n d e r t h e t y p i c a l e n g i n ew o r k i n g c o n d i t i o no f 3 0 0 0r p m/m i n,w a t e r c a no u t p u t u p t o 1.1 8 7 1 k Ww i t h1 1.6 7 4 6%e f f i c i e n c y,u n d e r 1 0 1 k P a,3 0 k g/hc i r c u l a t i n g f l o w;R 1 2 3 4 z e c a no u t p u t u p t o1.4 6 2 3 k Ww i t h9.8 5 0 4%e f f i c i e n-c y,u n d e r 2 0 2 k P a,7 0 k g/hc i r c u l a t i n g f l o w.C o n s i d e r i n gc o m p r e h e n s i v e l y,w a t e r i s am o r e a p p r o p r i a t e c h o i c e.K e yw o r d s:E n g i n e;W a s t eh e a t r e c o v e r y;R a n k i n ec y c l e;T h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n基金项目:氩气循环氢发动机超稀薄燃烧特性和爆震抑制机理研究,上海市自然科学基金项目(2 2 Z R 1 4 6 3 0 0 0)作者简介:柴晓霖(1 9 9 7),男,山西省长治市,同济大学硕士研究生,主要研究方向为内燃机燃料喷射及燃烧。通讯作者:吴志军(1 9 7 2),男,博士,教授,同济大学汽车学院,主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制、燃烧及喷雾光学诊断、湍流燃烧、混合动力汽车动力系统。1 概述在全球变暖持续加剧的今天,人类在探索、尝试各种各样的方法减少温室气体的排放,以延缓全球变暖。交通运输行业是温室气体排放的主要贡献者之一,在美国,2 0 2 0年交通运输产生的温室气体占总温室气体排放的2 7%1,在欧盟这个数字也超过了2 0%,其中有1 2%由乘用车贡献。但受限于内燃机的结构及燃烧效率以及传热损失,仅有三分之一左右能量被有效利用,其它能量被废气、冷却水等带走。对发动机废气中的能量进行回收利用可以提高发动机输出功率和燃油经济性。本田2和宝马3曾对有机朗肯循环在发动机的余热回收系统中的应用进行了研究。本田所采用的朗肯循环系统可以在高速工况提升3.8%的发动机热效率;宝马的研究则表明在低速工况下,冷却剂是理想的朗肯循环系统热源,当车速较高时,废气所带有的热量更高。赵智博4对硅氧烷类物质在内燃机废气余热回收有机朗肯循环系统中的研究拓展了该种系统工质的选择范围,并提出了一套工质优选的具体流程方法。王涤非5以重型柴油机为研究对象,利用E E S和G T-P o w e r软件对朗肯循环余热回收系统进行仿真计算,得出朗肯循环系统输出功率与效率均随发动机转速的升高而增加的结论。吕登科6选择水作为循环工质,对所设计的基于天然气发动机的朗肯循环系统进行性能分析,在所选择的发动机标定工况下实现了3.1%的发动机热效率提升,证明了利用朗肯循环回收利用发动机废气能量是一 种 行 之 有 效 的 方 法。李 广 华7以2.0 D C V V T汽油机为研究对象,根据试验结果对斯特林机模型和朗肯循环系统的回收效果进行了比较,结果表明朗肯循环在提高功率、效率和减小系统体积等方面更具优势。冯黎明8的各项参数对柴油机理想朗肯循环影响的研究表明,系统回收效率随蒸发压力的升高先增大后减小,随着废气进口温度的升高而增大;当排气温度较高时,使用水作为工质效率更高,排气温度较低时,R 2 4 5的效率更高。文献9 1 01 1分别研究了小分子碳氢与C O2混合物、小分子烷烃与C O2混合物、制冷剂与C O2混合物和烷烃与C O2混合物作为柴油机朗肯循环系统中混合工质的可行性与性能研究。秦金龙1 2对汽油机朗肯循环的理论计算表明,适当提高蒸发压力可以提高系统性能,但是过高的蒸发压力会增大换热器负荷,另外提升过热度也03DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.034内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n对系统热效率的提升有轻微帮助。汪律辰1 3对一款天然气发动机的朗肯循环余热回收系统进行了系统仿真,结果表明蒸发压力恒定时,随着工质流量增加,系统总效率先增大后减小;当工质流量恒定时,随着蒸发压力的上升,系统总效率先增加后减小。当前对于汽油机实际工况下,朗肯循环余热回收系统的研究仍然较少,本文在前人研究基础上,利用c a n t e r a、r e f-p r o p、p y t h o n等工具对有机朗肯循环换热系统进行建模,在实际的乘用车发动机工况下,对所选的各工质的输出功率和系统效率进行理论计算,分析各工质在确定的蒸发器换热效率、工质泵效率和膨胀机等熵效率及膨胀比下的性能表现,为汽油机余热回收系统的工质选择提供参考。2 系统模型构建朗肯循环系统主要包括工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器四个组件组成。车用朗肯循环系统运行时,工质先在工质泵内被加压为过冷工质后送至蒸发器,在蒸发器内吸收发动机废气的热量变为过热蒸汽,然后被送入膨胀机进行做功,最后进入冷凝器,被冷凝液冷凝后返回工质泵,加压开始下一次循环。在实际的朗肯循环过程中,无法做到等熵加压、等熵膨胀。理想与实际的朗肯循环温熵图如下所示。图1 理想朗肯循环温熵图 图2 实际朗肯循环温熵图2.1 热力学模型建立1-2加压过程,工质泵消耗的功率:WpWp=mw(h1-h7)=mw(h1s-h7)/p2-5吸热过程,蒸发器的换热量Qe:Qe=mw(h4-h1)=cpme x h(Te x h,i n-Te x h,o u t)4-5膨胀放热过程,膨胀机的输出功率:Wt=mw(h4-h5)=mw(h4-h5s)e x p5-7冷凝过程,冷凝器的换热量Qc:Qc=mw(h5-h7)=mc w(hc w,o u t-hc w,i n)系统的净输出功率Wn e t:Wn e t=Wt-Wp将蒸发器中吸收的热量转化为功的能力称为朗肯循环的热效率R,可用下式计算:R=WtQe2.2 系统输入在计算朗肯循环系统功率与效率时需要确定一系列系统参数。对于工质,要确定所选用的工质种类、工质输入系统时的初始温度、初始压力以及系统运行的工质质量流量;对于热源,即发动机产生的废气,需要确定废气的初始温度、初始压力以及质量流量;对于系统组件,则需要确定的有等熵工质泵的加压效率、换热器的换热效率、膨胀剂的做功效率和膨胀比。对于系统工质的选择,根据工质的温熵图中饱和蒸汽线的斜率,可分为湿流体、干流体和等熵流体三种。其中,湿流体的饱和蒸汽线斜率为负,水是典型的湿流体,湿流体作为系统循环工质时可能会产生液击现象;等熵流体的饱和蒸汽线斜率为无穷大,如R 1 2 3,考虑到朗肯循环中的膨胀过程是等熵膨胀,倾向于选择等熵流体;干流体的饱和蒸汽线斜率为正,如R 2 4 5 f a,干流体在膨胀做功之后仍未高温过热蒸汽,会造成较大的能量浪费。根据