内燃机余热利用有机朗肯循环系统分析研究

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1、内燃机余热利用有机朗肯循环系统分析研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：陈韬指导教师：张扬军教授二○一七年五月ResearchontheOrganicRankineCycleSystemfortheWasteHeatRecoveryofInternalCombustionEngineThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofEngineeringinPow

2、erEngineering&EngineeringThermophysicsbyChenTaoThesisSupervisor:ProfessorZhangYangjunMay,2017摘要摘要通过有机朗肯循环回收发动机余热可显著ᨀ升发动机综合热效率，对汽车节能减排具有重要意义。车用内燃机全工况范围内的余热能高效梯级利用是目前内燃机余热利用有机朗肯循环研究的主要难点和瓶颈。当前有机朗肯循环系统研究与各关键部件的性能研究相互独立，部件设计在ᨀ高系统全工况范围内余热利用效率中的作用没有充分体现。论文ᨀ出了从部件设计角度改善有机朗肯循环全工况性能的系统总

3、体设计思路，建立了可以考虑部件几何参数对系统性能影响的有机朗肯循环系统通流分析方法，并研究了部件设计对系统工质选型和系统性能的影响规律。针对某型车用柴油机，设计了汇流梯级膨胀式有机朗肯循环系统，并研究了其在全工况下的性能变化规律。研究了发动机冷却循环温度和排气道隔热程度对余热利用系统性能的影响。论文工作包括以下几点。论文建立了有机朗肯循环系统通流分析方法，以基于关键几何参数的涡轮和换热器通流模型替代传统系统分析模型中的涡轮性能MAP图模型，使得系统优化过程中可以对控制参数和部件几何参数进行协同优化。论文以某型柴油机为研究对象，设计了汇流梯级膨胀式有

4、机朗肯循环系统。对该系统进行了工质选型分析，研究了涡轮膨胀机、换热器关键几何尺寸对系统性能的影响，并对该系统进行了控制参数和部件几何参数的协同优化设计，与传统设计相比有机朗肯循环系统在常用工况区内（发动机转速1100-1400r/min，负荷率50-100%）的性能可ᨀ升4.9-10.4%。论文研究了有机朗肯循环系统在发动机全工况下的运行规律，研究了环境温度对系统性能的影响。采用该有机朗肯循环系统可以使原机在常用工况区内功率ᨀ升4.3-8.2%、油耗降低4.1-7.5%、综合热效率达到45.6-48.3%。论文研究了内燃机冷却循环温度、排气道隔热程

5、度对余热利用有机朗肯循环系统的影响规律。研究表明，ᨀ高冷却循环温度、采用排气道隔热均可进一步ᨀ升有机朗肯循环系统性能，当冷却循环温度ᨀ升30℃、排气道隔热度达75%时，有机朗肯循环系统的常用工况区内净输出功可以ᨀ升41.6-78.7%，此时有机朗肯循环系统可使原机在常用工况区内的输出功率ᨀ升8.0-11.9%、油耗降低7.4-10.6%，联合循环在常用工况区内的综合热效率可达47.4-50.0%。关键词：余热利用；有机朗肯循环；内燃机；通流分析；多工况设计IAbstractAbstractOrganicRankineCycle(ORC)system

6、hasbeenconsideredasthemostpotentialmethodtoimprovethermalefficiencyofenginesandakeywaytoreduceCO2emissions.ItisthemainproblemtodesignacompactORCsystemwithhighefficiencyandmakeitmatchthevariableworkingconditionsofvehicleengines.Thesystemcompactnessandoff-designperformanceofeach

7、componentcannotbetakenintoconsiderationbythetraditionalanalysismethod,sothetraditionalmethodshouldbesubstitutedbyathrough-flowanalysismethodwhichcanconsidertheinfluenceofcomponentgeometricparametersonsystemperformance.Thisworkproposedathrough-flowanalysismethodofORCsystem,whic

8、hcanconsidertheimpactofcomponentmaingeometricparametersonsyst