基于朗肯循环的汽油机尾气余热回收模拟与实验研究

摘要

发动机尾气能量占燃料燃烧放热总量的35％左右，采用朗肯循环系统回收尾气能量，是实现发动机节能的有效途径。本文针对基于朗肯循环的汽油机尾气余热回收系统开展了理论和实验研究。
　　利用GT-Power建立了汽油机模型，对尾气能量分布和余热利用潜力进行了分析，研究表明尾气带走的热量与汽油机输出功率相当，尾气最大可利用率在46％以上，具有较大的回收潜力。利用汽油机模型模拟了尾气背压对汽油机功率的影响，以指导朗肯循环系统的设计。从系统回收效率以及设备小型化的角度考虑，选择水为朗肯循环工质，并确定了评价系统性能的指标。
　　建立了单阀膨胀机Matlab/Simulink模型，对朗肯循环热功转化的核心部件单阀膨胀机进行了热力循环过程分析。分析了结构参数（膨胀机的缸径、行程和相对余隙容积系数）、运行参数（进气压力、进气温度和转速）、以及配气相位（进气阀升程和排气口宽度和高度）对膨胀机的输出功率、膨胀机效率、质量流量的影响规律。
　　搭建了朗肯循环余热回收实验系统，确定了实验的控制策略。完成了实验系统性能测试实验，实验表明:在汽油机不同工况下，膨胀机转速为1352r/min-1978r/min，输出功率为2.06kW-3.47kW。当汽油机在转速为5500r/min，功率为76.6kW的稳定工况下，膨胀机的最高压力可以达到6.69MPa，膨胀机的指示功率可以达到5.06kW。朗肯循环的总效率在10％以上，使汽油机功率提高率最大达到5.8％。
　　利用单阀膨胀机的升功率概念，从单位气缸容积做功能力的角度，对膨胀机做出评价。单阀膨胀机的升功率达到35.3kW/L，满足系统小型化的要求，具有良好的工程应用前景。理论分析与实验结果表明单阀膨胀机由于体积小、结构简单，适合小流量、小功率的场合，可以应用到发动机余热回收朗肯循环系统。

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摘要

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表清单

字母注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 发动机余热回收利用的研究概况

1．3 朗肯循环回收发动机尾气余热的研究现状

1．4 主要研究内容

第二章 汽油机朗肯循环余热回收系统理论分析

2．1 汽油机仿真模型简介

2．2 汽油机尾气能量的分析

2．3 尾气背压对汽油机的影响

2．4 朗肯循环系统设计

2．5 本章小结

第三章 单阀膨胀机的热力学分析

3．1 单阀膨胀机的工作原理

3．2 单阀膨胀机工作过程分析

3．3 单阀膨胀机的Matlab／Simulink模型建立

3．4 单阀膨胀机主要参数分析

3．5 本章小结

第四章 朗肯循环余热回收系统实验研究

4．1 实验台架总体布置

4．2 朗肯循环系统

4．3 能量转化与消耗系统

4．4 测试与数据采集系统

4．5 实验的控制策略

4．6 实验测试过程

4．7 实验结果与分析

4．8 实验与模拟的对比分析

4．9 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢