基于有機朗肯循環的柴油機穩態工況廢熱回收的探討

韓永強王先鋒張雷王虎劉洪濤

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.長春一汽四環發動機制造有限公司）

基于有機朗肯循環的柴油機穩態工況廢熱回收的探討

韓永強1王先鋒1張雷1王虎1劉洪濤2

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.長春一汽四環發動機制造有限公司）

為了探究可變膨脹比往復活塞式膨脹機有機朗肯循環系統對柴油機尾氣余熱利用的影響程度，基于某6缸增壓柴油機構建GT-power仿真模型，在13工況下仿真并分析有機工質蒸發壓力、膨脹比等與余熱回收系統膨脹機效率和當量回收效率的關系。結果表明，膨脹比一定時，膨脹機輸出的功率、效率及當量回收效率隨蒸發壓力的上升而提升；蒸發壓力一定時，，膨脹機效率和當量回收效率隨膨脹比上升先升高后降低；最佳的蒸發壓力和膨脹比匹配可充分發揮有機朗肯循環余熱回收系統潛力。

1 前言

汽車尾氣攜帶的熱量約占總燃油消耗量的40%。若對汽車排氣能量進行回收，可提升汽車功率與熱效率，提高燃料利用率，降低排放[1]。因此，汽車尾氣余熱的回收利用已成為節能領域的研究熱點[2,3]。有機朗肯循環余熱回收技術以其能量利用率高而具有巨大的應用前景[4～7]，是汽車柴油機余熱回收的主要方式。對于重型柴油機，加權13工況能表征其實際運行狀態，因此成為其標準評價循環[8]。為了分析可變膨脹比往復活塞式膨脹機有機朗肯循環余熱回收系統對重型柴油機的適用性和分析其最大潛力，本文在CA6DL重型柴油機基礎上探究13工況尾氣狀態下有機工質蒸發壓力、膨脹比等對余熱回收系統中膨脹機效率和當量回收效率的影響規律，分析影響有機朗肯循環余熱回收系統發揮潛力的敏感因素。

2 研究對象及尾氣余熱計算

2.1 研究對象

CA6DL柴油機采用歐美主流先進技術，配合頂置凸輪軸四氣門結構，對稱結構氣缸體，具有良好的經濟性和動力性，達到了歐Ⅲ排放標準，具備國IV、國V潛力[9]，其主要作為重型載貨汽車和大型高檔客車的動力源。該柴油機主要技術參數如表1所列。

表1 CA6DL柴油機主要技術參數

2.2 尾氣余熱計算方法

柴油機廢氣平均比熱容[11]：

換熱器前、后尾氣溫差由以下方式確定：渦輪增壓柴油機在實際工作中其尾氣須經過渦輪機，為了更加直觀表達實際運行工況中尾氣余熱的利用，試驗仿真時以渦輪后溫度作為計算依據；柴油機尾氣的溫度低于100℃時將會有露珠出現，這會使尾氣中的硫化物附著于換熱器管內壁上，因此假設柴油機尾氣通過有機朗肯循環系統后的出口溫度為110℃[12]。

尾氣質量流量通過CA6DL重型柴油機臺架試驗測得，該柴油機不同工況下排放流量和渦后溫度如表2所列。

表2 CA6DL主要排放參數

中等轉速負荷具有柴油機工況的代表性，且為驗證模型的可行性提供數據支持，因此選擇b75工況進行具體計算。柴油機在b75工況下為1340.2 kg/h、T為 392.5℃，等壓條件下尾氣通過整個系統后的出口溫度為110℃，則由公式(1)可得b75工況尾氣能量為114.332 kW，考慮到換熱器的換熱效率大致為60%～90%，則經過換熱器后尾氣極限能量為68.599 kW。由于怠速工況下尾氣渦后溫度低于110℃，該工況下尾氣能量不再應用于朗肯循環余熱回收系統；其余各工況下的尾氣極限能量如表3所列。不同工況下柴油機尾氣溫度不同，系統換熱器的最小傳熱溫差為10℃[13]，經過換熱器工質蒸發溫度也不同，并且工質蒸發溫度應高于飽和溫度；根據不同壓力下的飽和溫度，本文設定工質蒸發溫度如表3所列。

表3 不同工況的能量

3 仿真模型的建立與驗證

3.1 往復活塞式膨脹機模型構建

往復活塞式膨脹機在有機朗肯循環余熱回收系統中起關鍵作用，其結構如圖1所示。工作原理：有機工質經過換熱器形成高溫高壓的熱工質，控制模塊控制進氣閥的開啟時序使熱工質噴入膨脹機腔內，熱工質膨脹做功，推動活塞向下運動，進而將往復功轉化為旋轉功對外輸出。根據圖1并利用GT-power構建往復活塞式膨脹機模型，該模型主要包括兩大模塊：往復活塞式膨脹機模塊和PID控制加載模塊。其中，往復活塞模塊包括進氣模塊、排氣模塊、曲柄滑塊機構和氣缸模塊；PID控制加載模塊包括扭矩加載器和PID控制器。PID控制模塊通過不斷調整扭矩加載器，使往復活塞式膨脹機最終趨于穩定狀態。

為了充分發揮不同工況下有機朗肯循環余熱回收系統最大的潛力，提出一種可變膨脹比往復活塞式膨脹機余熱回收系統，其中控制模塊控制進排氣閥的開閉時刻，實現膨脹機的可變膨脹比。設置膨脹機余隙容積V0=0.01 L，行程L1=72 mm，連桿長L=150 mm，活塞直徑d=60 mm，由公式（3）和公式（4）依據噴射角度計算出對應的膨脹比ρ：

式中，X為活塞位移；R為曲軸半徑；為連桿比；α為噴射角。

3.2 模型分析及驗證

為了分析可變膨脹比往復活塞式膨脹機尾氣余熱回收系統的特性，對膨脹機和其模型的可行性進行驗證。往復活塞式膨脹機與氣體柴油機具有相同的工作模式，則基于相似系統理論往復活塞式膨脹機余熱回收系統具有可行性，將通過進、出口流量相等和活塞軌跡合理性兩方面來驗證模型的可行性。選取0.6 MPa、117℃作為循環工質R245ca初始熱力狀態，膨脹機膨脹比為18，往復活塞式膨脹機模型的目標轉速為1 500 r/min（輔助驅動配氣機構）。

圖2為膨脹機模型的加載過程?？芍ㄟ^PID的不斷加載使膨脹機模型的轉速趨于1 500 r/min，與此同時模型的輸出扭矩也趨于穩定。圖3為活塞的運動軌跡，其中活塞的運動行程設置為72 mm，在上止點對應為0，在下至點時對應為-72 mm。由圖3仿真結果可以看出，活塞的運動軌跡完全符合設置要求。

圖4為進氣質量流量，有機工質的進氣流量由控制模塊控制進氣閥開度和持續時間來實現。圖5為排氣質量流量。由圖2可知循環初期系統未穩定，則進出口流量存在一定的誤差；隨著PID的不斷加載，系統逐漸趨于穩定，在時間上對進排氣量積分得到平均流量均為0.01738 kg/s，滿足進出口質量守恒定律。

因此，往復活塞式膨脹機模型達到穩定狀態時仿真結果驗證了模型的可行性，為以后分析可變膨脹比往復活塞式膨脹機有機朗肯循環系統對柴油機尾氣余熱利用潛力奠定了理論基礎。

4 蒸發壓力、膨脹比對余熱回收系統的影響

4.1 蒸發壓力對膨脹機效率和當量回收效率的影響

在實際有機朗肯循環余熱回收系統中，有機工質蒸發壓力對整個循環系統的熱效率具有較大影響，因此對每個工況點下不同蒸發壓力對膨脹機效率和當量回收效率的影響規律進行分析。其中，膨脹機效率表示膨脹機對尾氣能量的利用程度，其可由膨脹機對外輸出功W與進出口的焓值差?H的比值表示：

所建模型中膨脹機轉速與膨脹比一定，為便于模型收斂及后期分析，對輸出扭矩進行PID控制，使之趨于穩定，以使膨脹機輸出功率維持一定，因此在特定工作狀態下工質做功后焓降為定值。在實際工況下，當尾氣極限能量足以彌補且多于工質做功后焓降時，以等能量原則通過管道平均分配到多個并聯的膨脹機以充分利用尾氣余熱。因此，每個工況所滿足的多個膨脹機輸出功率之和稱為該工況下膨脹機輸出的總功率Ptot,exp。

式中，N為膨脹機數目；Pexp為單一膨脹機對外輸出功率。

為了探究可變膨脹比往復活塞式膨脹機的效率及特定工況下膨脹機輸出功率對柴油機動力性能的影響，暫不考慮工質泵消耗的功率、渦輪機發出的功率、冷凝器損失的功率以及換熱器的效率等，僅分析膨脹機效率及輸出功率在柴油機尾氣余熱利用方面的影響。采用運用當量回收效率表征尾氣回收對柴油機動力性和經濟性的影響。每個工況下能夠對外輸出的總功率Ptot,exp占該工況下柴油機輸出功率Pe的比值表示當量回收效率ηequ。

根據實際應用中有機朗肯循環有機工質蒸發壓力范圍[14]，選取6個壓力狀態（0.6～1.1 MPa）仿真分析每個工況下工質蒸發壓力對ηexp和ηequ的影響。

圖6所示為單一膨脹機輸出功率仿真結果?？芍?，在每個工況下單一膨脹機輸出功率隨著有機工質蒸發壓力的增加而增加。當柴油機轉速一定、有機工質蒸發壓力相同且小于1.1 MPa時，單一膨脹機輸出功率隨著柴油機尾氣輸出能量（負荷）的變化不明顯；有機工質蒸發壓力為1.1 MPa，單一膨脹機輸出功率隨柴油機尾氣輸出能量（負荷）的增加先增加后降低。

圖7所示為膨脹機效率仿真結果?？芍?，在每個穩態工況下，膨脹機效率基本都是隨著有機工質蒸發壓力的升高而升高；當柴油機轉速和有機工質蒸發壓力一定時，膨脹機效率隨著負荷的增加而降低；在c25工況、1.1 MPa蒸發壓力下，膨脹機效率最高，其值為84.44%。

圖8為膨脹機輸出總功率仿真結果?？芍?，在每個工況下，膨脹機輸出總功率隨有機工質蒸發壓力升高略微增加；在有機工質蒸發壓力一定時，輸出總功率隨著負荷的增加而增加；在c100工況、1.1 MPa蒸發壓力下膨脹機輸出的總功率為最高，其值為83.442kW。

圖9所示為當量回收效率仿真結果?？芍?，當量回收效率隨著有機工質蒸發壓力增加而略微增加；當量回收效率隨著負荷的增加逐漸降低，在小負荷時當量回收效率比較高；在c25工況、1.1 MPa蒸發壓力下當量回收效率最高，即柴油機的功率提升33.81%。

因此，往復活塞式膨脹機有機朗肯循環余熱回收系統在c100工況、1.1 MPa蒸發壓力時對外輸出的總功率最高，在c25工況、1.1 MPa蒸發壓力時膨脹機效率和當量回收效率最優；在0.6～1.1 MPa的范圍內，隨著有機工質蒸發壓力的增加，可變膨脹比膨脹機有機朗肯循環系統對尾氣余熱的利用潛力有所增加。

因加權13工況能表征重型柴油機實際運行狀態，為了綜合評價有機工質蒸發壓力對有機朗肯循環的柴油機穩態工況廢熱回收的影響，對膨脹機效率和當量回收效率進行13工況加權得其加權效率。圖10表示加權效率隨蒸發壓力的變化關系?？芍?，在一定蒸發壓力范圍內，膨脹機加權效率和加權當量回收效率隨著蒸發壓力的增加而增加，由此可見蒸發壓力最大時可變膨脹比膨脹機有機朗肯循環余熱回收系統對柴油機尾氣余熱可發揮最大的潛力。

4.2 膨脹比對膨脹機效率和當量回收效率的影響

選擇c25工況、1.1 MPa蒸發壓力狀態下分析不同膨脹比對膨脹機效率和當量回收效率的影響規律。通過控制單元控制有機工質噴射角度，選取10個膨脹比分析不同膨脹比對柴油機尾氣余熱利用的潛力。

圖11為膨脹機輸出功率和效率隨膨脹比的變化關系。可知，在c25工況下，膨脹機對外輸出功率和膨脹機效率隨膨脹比的增加先升高后降低；膨脹比由2變化到4，膨脹機的輸出功率和效率迅速上升；膨脹比為6時，膨脹機對外輸出的功率和效率都到達最大值，分別為489.76 W和77.97%。

圖12為輸出總功率和當量回收效率與膨脹比的關系?？芍蛎洐C對外輸出總功率和當量回收效率隨著膨脹比的增加先升高后降低；膨脹機的膨脹比由2變化到4，輸出總功率和當量回收效率也迅速上升；在膨脹比為6時，輸出總功率和當量回收效率達到最優，分別為19.894 kW和31.221%；膨脹比大于6時，輸出總功率和當量回收效率變化比較平緩。

圖13為流量和焓降隨膨脹比的變化關系?？芍?，膨脹比由2變化到4，有機工質的質量流量略微增加，而焓降增加較為迅速，因此膨脹機的輸出功率和效率迅速上升；膨脹比大于6時，有機工質質量流量急劇下降，有機工質在膨脹過程過膨脹，排出時做部分負功，同時焓降表現為下降趨勢，使得輸出功率下降；焓降和質量流量的共同作用導致膨脹機效率和當量回收效率隨著膨脹比的增加而降低。

5 結束語

以CA6DL重型柴油機為研究對象,探討了可變膨脹比往復活塞式膨脹機有機朗肯循環尾氣余熱回收系統的可行性，并基于GT-power模型在穩態13工況下討論了工質蒸發壓力、膨脹比對余熱回收系統膨脹機效率和當量回收效率的影響規律，得出結論如下。

a.仿真結果表明，進出口質量流量滿足質量守恒定律，活塞運動軌跡符合膨脹機沖程設計要求，一定程度上驗證了可變膨脹比往復活塞式膨脹機模型的正確性。

b.在0.6～1.1 MPa蒸發壓力范圍內，膨脹機效率和當量回收效率隨著有機工質蒸發壓力的上升而升高；在特定蒸發壓力下，隨著柴油機尾氣余熱增加，膨脹機輸出總功率逐漸升高，但膨脹機效率和當量回收效率逐漸降低；在柴油機c25工況下，工質蒸發壓力1.1 MPa時余熱回收系統對余熱利用率較高，此時膨脹機效率為84.44%，當量回收效率為33.81%。

c.在柴油機c25工況、工質蒸發壓力1.1 MPa時膨脹機效率和當量回收效率隨著膨脹機膨脹比的上升先升高后降低；與膨脹比為2時相比，最佳膨脹比為6時膨脹機效率增幅12.78%、當量回收效率增加11.86%，可知可變膨脹比能充分發揮有機朗肯循環余熱回收系統對柴油機尾氣余熱利用潛力。

1 Vaja I,Gambarotta A.Internal Combustion Engine(ICE) Bottoming with Organic Rankine Cycle(ORCs).Energy, 2010,35(2):1084～1093.

2 顧偉,翁一武,曹廣益,等.低溫熱能發電的研究現狀和發展趨勢.熱能動力工程,2007(02):115～119.

3 李海燕,劉靜.低品位余熱利用技術的研究現狀、困境和新策略.科技報道,2010,28(17):112～117.

4 王滌非.基于朗肯循環廢氣余熱回收技術的研究:[學位論文].長春：吉林大學,2013.

5 Champagne C,Weiss L.Performance analysis of a miniature free piston expander for waste heat energy harvesting.Ener?gy Conversion and Management，2013,76:883～892.

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13 Dong hong Wei,Xue sheng Lu,Zhen Lu,etal.Performance Analysis and Optimization of Organic Rankine Cycle (ORC)for Waste Heat Recovery.Energy Conversion and Management,2007,48:1113～1119.

14 張杰.基于朗肯循環的車用汽油機排氣余熱回收系統性能的研究:[學位論文].天津：天津大學,2012.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2015年2月1日。

Investigation on the Recovery of Waste Heat Based on Steady State of Rankine Cycle in Diesel Engine

Han Yongqiang1,Wang Xianfeng1,Zhang Lei1,Wang Hu1,Liu Hongtao2
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University;2.Changchun FAW Sihuan Automobile Engine Manufacturing Co.,Ltd.,Changchun）

In order to study the effect of organic Rankine cycle system of reciprocating piston expansion engine with variable expansion ratio on the exhaust gas waste heat utilization,a GT-power simulation model is built based on a 6-cylinder turbocharged diesel engine to analyze the relationship between the organic working medium evaporation pressure and expansion ratio on the expansion engine efficiency and equivalent recovery efficiency of the waste heat recovery system.Results show that with the specific expansion ratio,the output power,efficiency and recovery efficiency of the expansion engine increase with the rise of evaporation pressure.While with the specific evaporation pressure, efficiency and equivalent recovery efficiency of the expansion engine increase firstly and then decrease with the rise of expansion ratio.Thus,the optimum matching between evaporating pressure and expansion ratio can make full use of the potential of waste heat recovery system of organic Rankine cycle.

Diesel engine,Tail gas,Waste heat utilization,Organic Rankine cycle,Steady state

柴油機 尾氣 余熱利用 有機朗肯循環 穩態工況

U464

A

1000-3703（2015）06-0050-06