基于有机朗肯循环的车用柴油机尾气余热利用系统的分析研究

摘要

随着汽车保有量的不断增加和能源危机的日益加剧,开展对车用内燃机余热能的回收利用,是提高内燃机热效率、减少污染物排放和节约能源的有效途径。近年来,利用有机朗肯循环技术回收车用内燃机余热能得到了广泛的研究,并且具有广阔的应用前景。
　　本文围绕车用内燃机尾气余热能的回收利用,对比分析了三种不同结构的有机朗肯循环系统的余热回收性能,包括:基本有机朗肯循环系统、再热式有机朗肯循环系统和回热式有机朗肯循环系统。基于柴油机的尾气余热特性,研究了有机工质蒸发温度和膨胀机膨胀比对系统性能的影响。结果表明:再热式有机朗肯循环系统和回热式有机朗肯循环系统具有更高的净输出功率,但结构复杂。因此,应根据具体的情况,选择适用于回收柴油机尾气余热的有机朗肯循环系统。
　　针对车用柴油机运行时的变工况特性,利用设计的有机朗肯循环系统对柴油机的尾气余热能进行回收利用。研究了有机工质蒸发压力、工质过热度以及柴油机工况变化对有机朗肯循环系统性能的影响,以系统净输出功率和热效率为优化目标,确定了变工况下适用于有机朗肯循环系统的最佳蒸发压力。分析表明:当工质蒸发压力为1.8MPa时,有机朗肯循环余热回收系统具有最大的净输出功率和热效率以及较低的(火用)损率。将工质加热到过热状态并不能明显提高余热回收系统的净输出功率和热效率,反而会使系统的(火用)损率明显增加,并对系统换热部件的加工制造提出了更高的要求。
　　基于车用柴油机在变工况下的余热能分布特性,构建了双有机朗肯循环系统的热力学模型,用来回收柴油机排气能量、冷却系统能量和进气中冷的能量。该双有机朗肯循环系统包括高温循环和低温循环,均采用 R245fa作为工质。研究表明:在柴油机绝大部分工况下,低温循环的净输出功率大于高温循环的净输出功率。当柴油机在额定工况点运行时,低温循环净输出功率为17.85kW,高温循环净输出功率为10kW。在柴油机全工况范围内,车用柴油机-双有机朗肯循环联合系统的余热能回收效率最高可以达到5.47％。
　　最后,针对实验室现有的一款车用柴油机,设计并搭建了基于有机朗肯循环的车用柴油机尾气余热利用系统。通过系统部件选型、试验系统搭建及试验系统测试,完成了对车用柴油机有机朗肯循环系统的初步试验研究。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 车用内燃机余热利用技术的发展动态

1.2 有机朗肯循环系统在余热能回收领域的研究现状

1.3 论文的主要研究内容

2 不同结构有机朗肯循环余热回收方案比较

2.1 柴油机余热能特性

2.2 循环工作条件

2.3 基本有机朗肯循环系统

2.4 再热式有机朗肯循环系统

2.5 回热式有机朗肯循环系统

2.6 本章小结

3 柴油机变工况下有机朗肯循环系统的参数优化

3.1 柴油机变工况下排气能量分布特性

3.2 柴油机-有机朗肯循环系统模型

3.3 变工况下有机朗肯循环系统的参数优化

3.4 工质过热度对有机朗肯循环余热回收系统性能的影响

3.5 本章小结

4 柴油机变工况下双有机朗肯循环系统的性能分析

4.1 柴油机余热能特性分析

4.2 双有机朗肯循环系统

4.3 计算结果及分析

4.4 本章小结

5 系统试验台搭建及初步试验研究

5.1 试验系统方案的确定

5.2 柴油机及其测控系统试验台搭建

5.3 有机朗肯循环及其数据采集系统试验台搭建

5.4 初步的试验结果及分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢