混合工質對車用內燃機余熱回收系統的影響

周啟順, 楊 凱, 張紅光

(1. 北京汽車動力總成有限公司， 北京 101108； 2. 北京工業大學環境與能源工程學院， 北京 100124)

混合工質對車用內燃機余熱回收系統的影響

周啟順1, 楊 凱2, 張紅光2

(1. 北京汽車動力總成有限公司， 北京 101108； 2. 北京工業大學環境與能源工程學院， 北京 100124)

通過試驗對1臺標定功率為280 kW的車用內燃機全工況范圍內排氣能量的變化規律進行了分析，設計了一套有機朗肯循環余熱回收系統，研究了車用內燃機不同工況下有機朗肯循環余熱回收系統的工作性能。以典型干工質R245fa和典型濕工質R152a為組元，配制了3種不同類型的非共沸混合工質，研究了變濃度非共沸混合工質對車用內燃機有機朗肯循環余熱回收系統性能的影響。研究結果表明，隨著車用內燃機轉速和扭矩的增加，有機朗肯循環余熱回收系統的凈輸出功率、余熱回收效率及所需的非共沸混合工質的質量流量均逐漸增加；R152a含量最高的非共沸混合工質性能最優。

內燃機； 余熱回收； 有機朗肯循環； 非共沸混合工質

目前，我國石油對外依存度已接近60%，存在嚴重的能源安全隱患。大部分石油資源被內燃機消耗，然而，內燃機的熱效率并不理想，大量燃料燃燒后的能量通過內燃機的排氣和冷卻介質釋放到大氣中，造成了嚴重的能源浪費和環境污染問題。所以，對內燃機排氣、冷卻介質等余熱能進行回收利用，可以有效地提高內燃機的能量利用效率，進而實現內燃機節能減排的目的。

有機朗肯循環系統可以將中低溫余熱能轉化為動力輸出，在眾多領域均得到了深入的研究[1-3]。通過改變有機朗肯循環系統的結構、選配適合的有機工質等可以提高有機朗肯循環系統的工作性能[4-7]。近年來，利用有機朗肯循環系統回收內燃機余熱能也受到了廣泛的關注[8-11]。然而，車用內燃機的最大特點是運行工況瞬時變化，所以其余熱能會隨著內燃機工況的變化而變化，若想實現車用內燃機余熱能的高效回收利用，必須針對其余熱能的變化規律設計有機朗肯循環余熱回收系統。

本研究通過試驗，研究了1臺車用柴油機全工況范圍內排氣能量的變化規律，進而設計了一套有機朗肯循環余熱回收系統，研究了車用柴油機全工況范圍內有機朗肯循環余熱回收系統性能的變化規律。以典型干工質R245fa和典型濕工質R152a為組元配制了3種非共沸混合工質[12]，分析了不同濃度非共沸混合工質對車用柴油機有機朗肯循環余熱回收系統性能的影響。

1 模型

1.1 有機朗肯循環系統

圖1示出了車用柴油機有機朗肯循環余熱回收系統。該系統主要由柴油機、蒸發器、膨脹機、冷凝器、儲液罐以及工質泵組成。有機工質在蒸發器中吸收柴油機的排氣能量被蒸發為高溫高壓氣體，高溫高壓氣體進入膨脹機并推動膨脹機做功，膨脹后的乏氣進入冷凝器被冷卻為飽和液體，液態有機工質流回儲液罐，工質泵將有機工質抽出加壓后送入蒸發器。

1.2 非共沸混合工質的選配

本研究以典型干工質R245fa和典型濕工質R152a為組元，配制了3種不同的非共沸混合工質M1，M2和M3，R152a與R245fa的質量比分別為0.1/0.9,0.26/0.74,0.7/0.3。圖2示出了配制的3種非共沸混合工質的溫熵圖，從圖中可以看出，非共沸混合工質M1是干工質，非共沸混合工質M2近似等熵工質，非共沸混合工質M3是濕工質。表1示出了R245fa和R152a的基本特性。

工質臨界溫度/K臨界壓力/MPa臨界密度/kg·m-3大氣壽命/a臭氧消耗潛值全球變暖潛能值R245fa427．163．651516．087．20．0950R152a386．414．517368．001．40．0120

1.3 熱力學模型

圖3示出了有機朗肯循環余熱回收系統的T-s圖。圖中a-b是非共沸混合工質定壓蒸發過程的溫度“滑移”現象；c-1是非共沸混合工質定壓冷凝過程的溫度“滑移”現象；1-2s是等熵加壓過程；1-2是實際加壓過程；2-3是等壓蒸發過程；3-4是實際膨脹過程；3-4s是等熵膨脹過程；4-1是等壓冷凝過程。以下給出每個過程的能量傳遞(能量轉化)和損率的計算公式，式中表示熱量；表示功率；表示損率；T表示溫度；表示質量流量；η表示效率；h表示比焓；s表示比熵；下角標c指放熱過程，p指增壓過程，e指吸熱過程，s指膨脹過程，H指高溫熱源，L指低溫熱源，1，2，2s，3，4，4s分別指圖3中的各狀態點，gas指柴油機的排氣。

1-2過程：

(1)

(2)

2-3過程：

(3)

(4)

3-4過程：

(5)

(6)

4-1過程：

(7)

(8)

有機朗肯循環系統的凈輸出功率：

(9)

有機朗肯循環系統的熱效率：

(10)

(11)

(12)

此外，針對車用內燃機有機朗肯循環余熱回收系統，引入了余熱回收效率的評價指標——余熱回收效率：

(13)

針對車用柴油機有機朗肯循環余熱回收系統的計算模型，作出如下假設：

a) 忽略系統各部件和管路中的熱損失和壓力損失；

b) 膨脹機和工質泵的等熵效率分別取0.8和0.85；

c) 膨脹機膨脹比取6；

d) 蒸發壓力取2.0 MPa，過熱度取10 K；

e) 環境溫度取298.15 K，低溫熱源溫度等于冷凝溫度減10 K，高溫熱源溫度為柴油機的排氣溫度。

2 柴油機的排氣能量

本研究使用的內燃機是1臺6缸四沖程柴油機，其排量為9.726 L。通過試驗，測得了柴油機全工況范圍內的試驗數據，分析了柴油機排氣能量的變化規律。圖4示出了柴油機排氣能量的MAP圖，圖中虛線及數字代表柴油機輸出功率的等高線及數值。彩色MAP圖為柴油機排氣能量隨柴油機轉速和扭矩的變化情況。從圖中可以看出，隨著柴油機轉速和扭矩的增加，其輸出功率和排氣能量均逐漸增加，最大柴油機輸出功率約為280 kW，最大柴油機排氣能量約為293 kW。所以，對柴油機排氣能量進行回收利用具有較大的研究意義。

3 計算結果及分析

3.1 動力性能參數

車用柴油機通常在變工況下運行，其排氣能量也會隨之變化，若想充分吸收柴油機的排氣能量，必須對有機朗肯循環余熱回收系統中有機工質的質量流量進行調節。圖5示出了3種非共沸混合工質質量流量隨柴油機工況的變化情況。從圖中可以看出，隨著柴油機轉速和扭矩的增加，3種非共沸混合工質的質量流量均逐漸增加，這主要是因為，隨著柴油機轉速和扭矩的增加，柴油機排氣能量增加，更多的有機工質蒸發。隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，相同柴油機工況下，非共沸混合工質的質量流量逐漸減小。

圖6示出了不同柴油機工況下，有機朗肯循環余熱回收系統凈輸出功率的MAP圖。從圖中可以看出，隨著柴油機轉速和扭矩的增加，采用3種非共沸混合工質的有機朗肯循環余熱回收系統凈輸出功率均逐漸增加，最大分別為28.20 kW(M1)，29.10 kW(M2)，31.30 kW(M3)。這主要是因為，隨著柴油機轉速和扭矩的增加，柴油機的排氣能量增加，有機朗肯循環余熱回收系統可回收利用的能量增加。隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，相同柴油機工況下，有機朗肯循環余熱回收系統的凈輸出功率逐漸增加。結合圖5可以得出，隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，相同柴油機工況下，所需的非共沸混合工質的質量流量逐漸減小，然而，有機朗肯循環余熱回收系統的凈輸出功率卻逐漸增加，這說明，隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，非共沸混合工質的單位工質輸出能量(單位工質輸出能量是指單位質量非共沸混合工質可以輸出的能量)逐漸增加，不僅有利于有機朗肯循環余熱回收系統結構的緊湊化設計，還可以有效地降低有機工質污染環境的隱患。

3.2 效率參數

圖7示出了相同柴油機工況下，采用3種非共沸混合工質的有機朗肯循環余熱回收系統熱效率的變化情況。從圖中可以看出，隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，相同柴油機工況下，有機朗肯循環余熱回收系統的熱效率逐漸增加。這主要取決于有機朗肯循環余熱回收系統各狀態點的焓值，當有機朗肯循環余熱回收系統中各部件的性能確定后，系統各狀態點的焓值主要受工質自身物性的影響。

圖8示出了不同柴油機工況下，采用3種非共沸混合工質的有機朗肯循環余熱回收系統效率的變化情況。從圖中可以看出，當柴油機輸出功率大于150.5 kW時，隨著柴油機轉速和扭矩的增加，有機朗肯循環余熱回收系統效率逐漸減小；當柴油機輸出功率小于150.5 kW時，隨著柴油機工況的變化，效率的變化規律比較復雜。當柴油機扭矩大于300 N·m時，相同柴油機工況下，隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，效率先減小后增加；當柴油機扭矩小于300 N·m時，相同柴油機工況下，隨著R152a含量的增加，效率逐漸減小。這主要是因為，當有機朗肯循環余熱回收系統中各部件的工作性能確定后，余熱回收系統的效率主要受柴油機排氣溫度和工質自身物性的影響：當柴油機扭矩大于300 N·m時，工質自身的物性為主要影響因素(主要受工質溫度“滑移”特性的影響)；當柴油機扭矩小于300 N·m時，柴油機排氣溫度為主要影響因素。當柴油機轉速為1 900 r/min，扭矩為100 N·m時，3種非共沸混合工質效率均達到最大值，分別為40.30%(M1)，37.80%(M2)，36.95%(M3)。

圖9示出了不同柴油機工況下，車用柴油機有機朗肯循環余熱回收系統余熱回收效率的變化情況。從圖中可以看出，當柴油機輸出功率大于150.5 kW時，隨著柴油機轉速和扭矩的增加，系統余熱回收效率逐漸增加；當柴油機輸出功率小于150.5 kW時，隨著柴油機工況的變化，余熱回收效率的變化規律比較復雜。相同柴油機工況下，隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，余熱回收效率逐漸增加。當柴油機轉速為2 200 r/min，扭矩約為1 200 N·m時，3種非共沸混合工質的余熱回收效率均達到最大值，分別為9.78%(M1)，10.06%(M2)，10.82%(M3)。

4 結論

a) 隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，有機朗肯循環余熱回收系統的凈輸出功率、熱效率、余熱回收效率均逐漸增加，然而，有機朗肯循環余熱回收系統所需的非共沸混合工質的質量流量逐漸減小，這說明，隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，單位工質輸出能量逐漸增加，有利于系統結構的緊湊化設計和降低有機工質可能的泄漏量；

b) 當柴油機處于大扭矩工況時，隨著非共沸混合工質中R152a含量的增加，有機朗肯循環余熱回收系統的效率先減小后增加，此時，非共沸混合工質自身的物性對有機朗肯循環余熱回收系統效率的影響較大；

c) 隨著柴油機轉速和扭矩的增加，有機朗肯循環余熱回收系統的凈輸出功率、余熱回收效率及所需的非共沸混合工質的質量流量均逐漸增加；當柴油機轉速為1 900 r/min，扭矩為100 N·m時，有機朗肯循環余熱回收系統的效率最大；

d) 當柴油機轉速為2 200 r/min，扭矩約為1 200 N·m時，非共沸混合工質M3的凈輸出功率、熱效率、余熱回收效率最大，分別為31.30 kW，12.41%，10.82%。

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[編輯： 姜曉博]

Influences of Mixture Composition on Waste Heat Recovery System for Vehicle Internal Combustion Engine

ZHOU Qi-shun1, YANG Kai2, ZHANG Hong-guang2

(1. BAIC MOTOR POWERTRAIN Co., Ltd., Beijing 101108, China; 2. College of Environmental and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China)

The exhaust energy of 280 kW vehicle internal combustion engine in the whole conditions was analyzed by the experiment. A set of organic Rankine cycle system was designed and its working performance was analyzed under different engine operating conditions. Based on R245fa dry substance and R152a wet substance, three zeotropic mixtures were prepared. The influence of zeotropic mixtures with different composition on the organic Rankine cycle waste heat recovery system performance was investigated. The results showed that the net power output, waste heat recovery efficiency and required zerotropic mixture mass flow of organic Rankine cycle system increased gradually with the increase of engine speed and torque. The performance of zeotropic mixture containing the highest content of R152a was optimal.

internal combustion engine; waste heat recovery; organic Rankine cycle; zeotropic mixture

2013-12-13；

2014-02-18

國家自然科學基金資助項目(51376011); 北京市自然科學基金項目和北京市教育委員會科技計劃重點項目(KZ201410005003); 國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)資助項目(2011CB707202)

周啟順(1962—)，男，高級工程師，主要研究方向為內燃機設計與試驗測試；zhouqishun@baicmotor.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.03.012

TK115

B

1001-2222(2014)03-0050-05