不同工况柴油机排气余热回收系统试验与仿真.pdf

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1、2014年2月农业机械学报第45卷第2期doi：10．6041／j．issn．1000—1298．2014．02．001不同工况柴油机排气余热回收系统试验与仿真木涂鸣李刚炎胡剑(武汉理工大学机电工程学院，武汉430070)摘要：基于有机朗肯循环(Organicrankinecycle，ORC)设计了柴油机排气余热回收系统。建立了ORC热力学仿真模型预测系统回收性能，并对某款柴油发动机在有、无ORC作用下分别进行试验，对比了试验数据与仿真结果，验证了模型的有效性。将模型应用于不同工况下，观察不同工质流量对ORC

2、净功率及热效率的影响，结果表明ORC净功率随着转速的增加而增加，不同工况下最大热效率均为12．1％，且对应的工质流量选择区间随着转速的提高而扩大，此区间的确定可为ORC试验时工质流量范围的选择提供参考依据。关键词：柴油机有机朗肯循环热力学模型排气余热回收系统试验仿真．中图分类号：TK40；TH11文献标识码：A文章编号：1000—1298(2014)02-0001·05(过程1—2)，进入冷凝器，与冷却剂进行等压热交引言换后成为饱和液工质(过程2—3)，随后经冷却剂冷发动机在燃烧过程的不可逆性导致了燃油能却后

3、的饱和液通过泵等熵压缩后成为压缩饱和液输量20％～30％的损失，虽然均质混合气压燃、缸内送到换热器(过程3—4)，与发动机废气排放的废热直喷技术可使得其热效率增加，但已经逐渐接近热经等压热交换后再度成为过热蒸汽(过程4—1)，如力学定律所限制的最大值，所以必须开发其他技术此循环，实现将废热转化成有用功的过程。来提高发动机热效率。利用涡轮增压、涡轮复合及热发电技术，将发动机排气口及尾气余热能量转化为有用功可提高热效率，其中朗肯循环可最大限度地利用发动机废气及冷却剂能量。岳晨等分别结合汽油、柴油发动机、EGR技术

4、、Qj5，’’燃油经济性和混合动力汽车研究了排气余热回收对发动机热效率的影响，研究表明基于朗肯循环可提高有效燃油消耗率2．6％～8．0％、动力输出0．7～2．0kW。本文首先搭建有机朗肯循环(Organicrankinecycle，ORC)试验平台，对某款柴油机进行试验得到有、无ORC作用下发动机热效率及ORC系俞统性能，随后建立ORC换热器及系统模型，对比仿图1有机朗肯循环示意图真结果与试验测量结果，最后将模型应用在不同工Fig．1SchemeofORCsystem况下，观测工作介质在不同流量时对ORC性能

5、及发有机朗肯循环热效率为动机热效率的影响。W一Wph2一h3⋯．1叼百一1有机朗肯循环式中——工质对外做功热量有机朗肯循环通常由涡轮机、冷凝器、泵和换热W——工质接受外功热量器4个部分组成，如图1所示。换热器出口处过热Qi——工质吸收热量蒸汽工质进入涡轮机等熵膨胀推动其做功后排出——不同状态点时工质焓值，i=1，2，3，4收稿日期：2013一O9—3O修回日期：2013—10—21}国家自然科学基金资助项目(51305313)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2012一IV一035)、武汉市国际科技合

6、作计划资助项目(201231234463)和武汉市青年晨光计划资助项目(2013070104010004)作者简介：涂鸣，博士生，主要从事发动机排放控制和车辆制动研究，E-mail：tumingo728@gmail．tom2农业机械学报通过对比多种有机工质”，选用R245fa(I，表1发动机全负荷试验参数及测量结果Tab．1Resultsofdieselenginetestatfullload1，1，3，3-五氟丙烷)作为有机朗肯循环工作介质，R245fa是常见不易燃低压HFC制冷剂，其沸点为参数转速／(r·

7、min)15．3oC，对臭氧无危害，属于干流体，在有机朗肯循有效转矩／(N·m)环膨胀时不会蒸发为饱和气态，不会腐蚀涡轮机叶有效功率／kW片。其温熵示意见图2。燃油消耗率／(kg·h)排气流量／(kg·h)排气热流／kW发动机热效率／％排气温度／。cORC工质流量／(kg·h)涡轮机进口压力／MPa比熵／(kJ·(kg·K)一)图2R245fa在2．05MPa时温熵最大净功率有着重要影响，而在试验环境中不容易Fig．2R245fatemperature—entropydiagramat2．O5MPa找出最合适

8、的流量，通过热力学对ORC建模是一个相对容易预测其性能及对发动机热效率影响的方2排气余热有机朗肯循环试验式。换热器效能与工作介质R245fa流量和发动机2．1平台组成及试验结果排气流量有关，对换热器采用效能一传热单元数法进试验主要由排量为1．9L，压缩比为17．5的柴行建模，逆流壳管式换热器其效能与传热单元数油发动机及测功机、有机朗肯循环系统、控制及数据Ⅳ、热容比G，的关系为¨采集系统3个部分组成。