高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究

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1、项目名称：高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究首席科学家：舒歌群天津大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部天津市科委二、预期目标3.1项目总体目标（1）通过本项目的研究，将内燃机的总能效率在现有基础上提高15%以上为目标，在内燃机余热能高效转化和高效利用的关键科学问题上取得突破，并结合原理性样机，验证新理论、新方法。为有效降低石油消耗、降低CO2排放，为我国能源可持续发展战略和实现节能减排的目标作出贡献。（2）建立“内燃机联合热力循环能流耦合与协调可控”的余热能梯级利用的理论框架

2、，提出内燃机余热能高效转化和利用的系统设计方法和集成优化理论，形成高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用的新方法，在新技术原理和新技术上取得突破。为我国内燃机工业在围绕节能减排新技术的竞争中，提高自主创新能力和国际竞争力提供理论和技术基础。（3）形成一支在内燃机节能减排领域具有国际竞争力的研究团队，增强承担国家重大科研攻关任务的能力；建成培养内燃机节能减排领域高素质、多学科交叉的创新人才培养基地。3.2五年预期目标理论层面的目标1）在底循环吸热的内燃机余热能联合热力循环优化组合的新理论和新方法的研究中取得突

3、破。提出新型循环工质、新型工质与循环系统的匹配理论，提出典型循环系统的集成原理方法，提出新颖的正逆耦合循环系统。2）在排气余压动能充分膨胀作功的气动循环高效转化的新理论、新方法和新技术的研究中取得突破。3）在新型高效热电转化器件的优化设计理论和方法研究上取得突破。4）提出内燃机混合动力系统多目标能量管理的建模与控制理论，在内燃机全工况范围的余热能高效转化—回收能高效利用的控制方法和策略上取得突破。技术层面的目标1）研制4种技术途径的内燃机余热能利用的原理性装置，使内燃机经济性提高5-10%。2）完成汽油机

4、、柴油机余热能高效转化和利用的新技术原理样机，内燃机总能转化效率提高15%，为产业化提供新技术方案。3）掌握高效化、集成化、小型化热力系统核心零部件（包括膨胀机、换热器、涡轮机、发电机）等的设计能力，为中低品位能的高效利用提供技术手段。优秀成果和人才培养目标：1）在本项目研究过程中形成的成果，拟出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著1～2部，在国内外学术刊物上发表学术论文200篇，其中三大检索占80%以上；申请发明专利25项以上；软件著作权登记5-7项。2）培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的能源领域

5、的基础与高技术研究队伍，包括2-3名具有国际影响力的科学家、1～2名国家级人才计划获得者、中青年学术带头人8～10名。3）培养博士生40－50人，博士后10-15人。博士生和博士后参加国外有影响的学术会议，与国外高水平大学加强实质性学术交流，并发表论文10－15篇。三、研究方案4.1总体思路本项目提出“内燃机联合热力循环能流耦合与协调可控”的核心学术思想来寻求对关键技术瓶颈问题的解决办法。以Diesel循环（柴油机）和Otto循环（汽油机）为特征的内燃机，其余热能的主要表现形式为热能流和动能流等。对余热能

6、的热能流和动能流的高效转化利用的核心思想是针对不同形式、不同品位的能量流，选择各种热力循环（朗肯循环、Kalina循环、布雷顿循环、斯特林循环等）或热电转化材料等来提升能源的品位、实现余热能的高效转化。“能流耦合”反映了内燃机余热能转化过程中低品位能向高品位能转化的过程特征，体现为联合热力循环系统的参数耦合，“能流耦合”的联合热力循环的优化是实现高效转化的途径。“协调可控”就是能流耦合的联合热力循环系统能够满足内燃机余热能随运行工况变化的瞬变脉动性和梯度特性，实现高效转化；同时，回收的能量能够满足内燃机运

7、行工况的用能需要，实现高效利用。“协调可控”是实现新技术原理创新的要素。本项目的总体研究思路是：以核心学术思想为指导，从包括热力学、传热学、流体力学、材料学、动力机械工程等学科交叉协同的角度，以揭示内燃机余热能转换过程的传递、转化规律为切入点，得到“能流耦合”的热力循环系统的能量高效转化关系；设计性能强化的热力单元和工质材料，以保障提“能流耦合”的联合热力循环系统的实施。从动力机械工程、力学、机械设计、控制理论与工程等多门工程科学的角度，以内燃机总能转化效率为目标，对于热能到功的转化利用的热力学循环系统模

8、式、一体化集成建模和能量管理策略进行研究，提出非稳态能量流“协调可控”的能量管理策略和控制方法。在热力学、传热学与材料科学、动力机械等学科边缘上取得“内燃机联合热力循环能流耦合与协调可控”理论思想的突破，为内燃机余热能高效转化和利用的新技术提供理论依据。针对内燃机余热能中热能流和动能流形式的高效转化和高效利用的关键技术瓶颈问题和关键科学问题，设计不同的技术路线；开展循环模拟优化、试验装置系统测试分析、原理样机设计和集成优化等研