基于径流式汽轮机的内燃机余热有机朗肯循环优化-研究

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1、参考文献........................................................................................................................................50发表论文和参加科研情况说明....................................................................................................53致谢............................

2、............................................................................................................54第一章绪论第一章绪论1.1课题研究背景中国交通运输部门能源消耗的绝对数量以及占总能源消耗的比重都在逐年增加。2006年交通运输部门能源消耗1.858亿吨标准煤，相比于1980年增加[1][2]763%，相比于2000年增加84.5%，年均增长率9.2%。亚太经合组织（APEC数据显示，随着商务用车以及私家车的快速增长，中国石油消耗激增：2005年交通运

3、输部门消耗石油9800万吨，是1980年的21倍；2007年石油消耗3.46亿[3]吨，相比于2000年增加61%。图1-1显示了石油、煤、电力和天然气四种能[1]源在交通运输部门总能源消耗中所占的比例。煤、电力、天然气所占的份额逐年减少，到2007年交通运输部门能源消耗的98%由石油提供。图1-2显示中国国内生产总值与石油消费随时间的变化关系，从中可以看出，GDP的增长与石油消费的增长具有高度的一致性。中国国内石油生产能力非常有限，人均石油储[4]量只占世界人均储量的3%，石油生产能力只占世界的5%。快速的GDP增长已经使中国成为继美国之后，最大的石油进口国，石油供

4、应充足与否已经影响到国家安全。[1]图1-1交通部门不同类型能源消耗比例1第一章绪论[1]图1-2GDP与石油消费的关系在过去一个世纪里，内燃机（ICE）已经成为汽车、重型卡车、火车以及船舶等的主要动力源。出于规避高油价以及减少对国外石油依赖的目的，内燃机的设计越来越复杂。涡轮增压、可变气门正时、高效空气燃料混合等技术一一被使用以提高热效率。但是仍然有60-70%的燃料化学能通过冷却水以及尾气损失掉[5]。排放法规专注于对一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX）以及微颗粒（PM）的排放限制。压燃式内燃机的后处理系统很难将NOX转化成氮气（N2）、二氧化

5、碳（CO2）和水（H2O），内燃机通常运行在相对较低的燃烧温度下，以减少NOX的产生；点燃式内燃机通过推迟点火时间来完成相应策略。日渐严格的排放法规限制了燃烧温度与压力的进一步提高，这使得通过对内燃机本体的改进以获得更高的热效率变的越来越困难。越来越多的研究人员意识到，通过对内燃机排气的余热回收可以提高热效率而不增加排放。日本文部省在2005年发布的第八次技术预见调查报告中，将余热能利用列为未来30年技术发展的100个重要课题之一。日本丰田、本田等公司将余热能利用作为汽车发动机未来技术而投入重金加以研究。在欧洲，欧盟在第七框架行动计划中，启动了关于汽车发动机余热能利用

6、研究计划，由德国、法国、意大利、瑞典等国家的大学、[6]研究机构和企业参加。内燃机中两种主要的余热源包括尾气排热(中温)和冷却水散热（低温），其它可供利用的余热还包括内燃机废气再循环系统（ExhaustGasRecirculation，[7]EGR）散热和涡轮增压空气中间冷却散热。图1-3为文献中介绍的12L两级涡轮增压重型柴油机的EGR以及增压空气的分布图。按文献数据，EGR散热器的进口温度509℃，出口温度220℃，属于高品位的热能，但是EGR的整个散热量有限，只占内燃机总体散热的12.77%。增压空气的中间冷却器和后冷却器总散2第一章绪论热量占整体散热量的17.

7、79%，中间冷却器进口温度127℃，出口温度53℃，后冷却器进口温度172℃，出口温度49℃，都属于低品位的热能。这两种热源进出口温度参数的变化会影响到内燃机的热效率以及排放，故对它们进行余热回收在控制难度以及系统经济性上都受到限制。冷却水散热占整体散热的39.65%，进口温度85℃，出口温度80℃。虽然热量较多，但是品位太低，热经济性较差，同时出于减轻整车重量这点考虑，也对这部分的热能利用造成了限制。内燃机尾气温度330℃，最低温降可以达到酸露点以上，约占整体散热量的29.79%。这部分的热能数量较多，品位也较高，对其进行余热回收经济性较好，在系统