柴油机朗肯循环余热回收系统动态耦合效应及能效优化策略

摘要

朗肯循环技术作为回收内燃机余热能的一种有效手段，受到内燃机研究领域的高度重视。朗肯循环系统由于自身存在多模式强动态特征，如何在发动机复杂变工况条件下发挥其节油潜力，是这项技术应用所面临的重要问题。本文以重型车用柴油机为对象，深入揭示了朗肯循环余热回收系统在内燃机能源网络中的动态效应和耦合效应，建立了面向控制的朗肯循环系统效率模型，从全历程总能效率优化角度开展了控制策略的研究。研究工作旨在为朗肯循环技术的工业应用提供基础模型和控制思路。
　　首先，建立了用于朗肯循环系统总能分析的全历程试验平台和仿真平台。解决了4万转高速透平机与发电机的共轴集成设计问题，研制了10kW透平膨胀机-发电机功能样件，选配了工质泵、蒸发器和冷凝器，建立了朗肯循环系统原理样件。通过与重型柴油机的集成，建成了完整的柴油机朗肯循环余热回收系统原理性样机平台。以全历程能耗仿真分析为出发点，通过对蒸发器详细机理动态建模，膨胀机简化机理动态建模，工质泵简化机理均值建模，冷却能耗简化机理与数据建模相结合等多种建模手段，并结合柴油机性能建模、以及司机和道路工况建模，建立了由朗肯循环系统、重型柴油机、重型车辆等构成的内燃机朗肯循环余热回收综合能效分析的全历程动态仿真平台。
　　其次，在原理性样机平台上研究揭示了朗肯循环系统在内燃机动态变工况条件下的效率特征。研究发现，发动机的工况波动越频繁，朗肯循环系统的节油效果越差。这种强烈动态效应的根源在于朗肯循环系统的有效做功时间，以及蒸发压力和蒸汽温度的控制效果与发动机运行工况的波动程度直接相关。在仿真平台上，对比研究了在天津城郊工况、HWFET工况和HD-UDDS工况等三种循环工况下，朗肯循环系统的动态效应和综合能效特征。结果表明：由于动态效应的存在，车辆循环工况变化的频繁程度对朗肯循环-发动机的总能效率有着显著的影响。循环工况的平均车速越高，怠速次数越少，则朗肯循环系统的有效做功时间越多，且蒸发压力和蒸汽温度的控制效果越好，进而系统总能效率就越高。反之，则总能效率恶化严重。
　　再次，在原理性样机平台上研究了朗肯循环系统冷凝器散热功耗对总能效率的影响。研究发现，由于冷凝器的散热功率来自于发动机冷却系统，因此在变工况过程中，发动机与朗肯循环系统之间存在强烈的耦合效应。随着朗肯循环系统发电功率的增加，为了维持其冷源温度，冷却系统散热功耗也迅速增长。因此，朗肯循环系统的发电回收功率和冷凝器散热消耗功率之间存在盈亏平衡点。越过盈亏平衡点之后，如果再继续增加朗肯循环系统发电回收功率，则冷凝器散热消耗功率将超过回收发电功率，使总能效率为负。在仿真分析平台上系统研究了盈亏平衡点的主要影响因素及其调控方法。研究表明，盈亏平衡点主要受到冷凝压力和冷却水温度的控制，而系统的最大净功率主要受到散热能效比、蒸发器夹点温度、以及工质选择的影响。冷凝压力的控制目标应随着发动机转速和负荷的升高而升高，并且在一定范围内调节冷却水温的控制目标，可以同时避开冷却水泵和冷却风扇的高功耗区，实现冷却系统总功耗最低。
　　为了建立面向总能效率优化控制的效率模型，本文以朗肯循环系统的热力学第一定律模型为基础，提出了蒸发器动态换热量的修正模型以及模式切换的工况判定因子，用于描述朗肯循环系统的动态效应；并采用简化机理和数据建模相结合的方法，建立了冷凝器散热功耗的经验模型，以描述朗肯循环系统的耦合效应。采用ESC工况验证了所建立的效率模型与详细仿真模型具有较好的逼近程度，绝对偏差在0.2％以下。
　　最后，提出了面向内燃机朗肯循环余热回收系统总能效率优化的管理-控制递阶模型和能效优化策略：在管理中，以蒸发压力和冷凝压力为决策变量，以总能效率为优化目标；针对蒸发压力响应速度快，冷凝压力响应速度慢的特点，将二元优化问题转化为单变量序列优化问题，极大降低了寻优计算的复杂度。以蒸汽过热度为参考变量，在目标函数中，引入工况模式的惩罚因子(RC,3)PSH，在发动机排气能量突然不足时，降低蒸发压力维持蒸汽过热度，避免朗肯循环系统进入保护模型；在控制中采用模型前馈和主动扰动观测的控制方法进行随动控制。仿真验证表明：采用所提出的控制模型，朗肯循环系统的有效做功时间提高到94%，蒸汽过热度控制在5-15K之间，散热功耗与发电功率的比值维持在20%以下，百公里油耗降低了2.2%—2.8%（包含起动工况）；如果与电动冷却系统同时使用，百公里油耗可降低5.7%。这一结果表明了基于效率模型的总能效率优化控制模型及策略的有效性。

目录

声明

字母注释表

第一章绪论

1.1 引言

1.2 国际上对余热能回收利用的看法

1.3 典型的余热能回收利用技术

1.4 朗肯循环回收内燃机余热能的节油潜力

1.5 朗肯循环系统能效优化的研究进展

1.6 研究内容及意义

第二章原理性试验样机的研制与动态仿真模型的构建

2.1 原理性试验样机的研制

2.2 全历程动态仿真模型的建立

2.3 本章小结

第三章柴油机朗肯循环余热回收系统的动态效应

3.1 稳态工况下理想底循环系统的节油潜力

3.2 变工况条件下朗肯循环系统的效率特征

3.3 瞬态工况中朗肯循环系统的动态行为规律

3.4 朗肯循环系统的动态效应及节油效果研究

3.5 本章小结

第四章柴油机朗肯循环余热回收系统的耦合效应

4.1 冷凝器散热功耗对系统效率的影响

4.2 盈亏关系的影响因素及调控方法

4.3 系统最大净功率的影响因素及拓展

4.4 本章小结

第五章面向总能效率优化控制的朗肯循环系统效率模型

5.1 朗肯循环余热回收系统总能效率优化控制模型

5.2 面向总能效率优化控制的朗肯循环系统效率模型

5.3 本章小结

第六章柴油机朗肯循环余热回收系统的能效优化策略

6.1 基于效率模型的朗肯循环系统能效优化策略

6.2 能效优化策略在道路工况条件下的仿真验证

6.3 本章小结

第七章全文总结及展望

7.1 全文总结

7.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢