周啟順, 楊 凱, 張紅光

(1. 北京汽車動力總成有限公司， 北京 101108； 2. 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124)

混合工質(zhì)對車用內(nèi)燃機余熱回收系統(tǒng)的影響

周啟順1, 楊 凱2, 張紅光2

(1. 北京汽車動力總成有限公司， 北京 101108； 2. 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124)

通過試驗對1臺標(biāo)定功率為280 kW的車用內(nèi)燃機全工況范圍內(nèi)排氣能量的變化規(guī)律進行了分析，設(shè)計了一套有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，研究了車用內(nèi)燃機不同工況下有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的工作性能。以典型干工質(zhì)R245fa和典型濕工質(zhì)R152a為組元，配制了3種不同類型的非共沸混合工質(zhì)，研究了變濃度非共沸混合工質(zhì)對車用內(nèi)燃機有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著車用內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的凈輸出功率、余熱回收效率及所需的非共沸混合工質(zhì)的質(zhì)量流量均逐漸增加；R152a含量最高的非共沸混合工質(zhì)性能最優(yōu)。

內(nèi)燃機； 余熱回收； 有機朗肯循環(huán)； 非共沸混合工質(zhì)

目前，我國石油對外依存度已接近60%，存在嚴(yán)重的能源安全隱患。大部分石油資源被內(nèi)燃機消耗，然而，內(nèi)燃機的熱效率并不理想，大量燃料燃燒后的能量通過內(nèi)燃機的排氣和冷卻介質(zhì)釋放到大氣中，造成了嚴(yán)重的能源浪費和環(huán)境污染問題。所以，對內(nèi)燃機排氣、冷卻介質(zhì)等余熱能進行回收利用，可以有效地提高內(nèi)燃機的能量利用效率，進而實現(xiàn)內(nèi)燃機節(jié)能減排的目的。

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)可以將中低溫余熱能轉(zhuǎn)化為動力輸出，在眾多領(lǐng)域均得到了深入的研究[1-3]。通過改變有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、選配適合的有機工質(zhì)等可以提高有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作性能[4-7]。近年來，利用有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收內(nèi)燃機余熱能也受到了廣泛的關(guān)注[8-11]。然而，車用內(nèi)燃機的最大特點是運行工況瞬時變化，所以其余熱能會隨著內(nèi)燃機工況的變化而變化，若想實現(xiàn)車用內(nèi)燃機余熱能的高效回收利用，必須針對其余熱能的變化規(guī)律設(shè)計有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)。

本研究通過試驗，研究了1臺車用柴油機全工況范圍內(nèi)排氣能量的變化規(guī)律，進而設(shè)計了一套有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，研究了車用柴油機全工況范圍內(nèi)有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)性能的變化規(guī)律。以典型干工質(zhì)R245fa和典型濕工質(zhì)R152a為組元配制了3種非共沸混合工質(zhì)[12]，分析了不同濃度非共沸混合工質(zhì)對車用柴油機有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)性能的影響。

1 模型

1.1 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)

圖1示出了車用柴油機有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由柴油機、蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器、儲液罐以及工質(zhì)泵組成。有機工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收柴油機的排氣能量被蒸發(fā)為高溫高壓氣體，高溫高壓氣體進入膨脹機并推動膨脹機做功，膨脹后的乏氣進入冷凝器被冷卻為飽和液體，液態(tài)有機工質(zhì)流回儲液罐，工質(zhì)泵將有機工質(zhì)抽出加壓后送入蒸發(fā)器。

1.2 非共沸混合工質(zhì)的選配

本研究以典型干工質(zhì)R245fa和典型濕工質(zhì)R152a為組元，配制了3種不同的非共沸混合工質(zhì)M1，M2和M3，R152a與R245fa的質(zhì)量比分別為0.1/0.9,0.26/0.74,0.7/0.3。圖2示出了配制的3種非共沸混合工質(zhì)的溫熵圖，從圖中可以看出，非共沸混合工質(zhì)M1是干工質(zhì)，非共沸混合工質(zhì)M2近似等熵工質(zhì)，非共沸混合工質(zhì)M3是濕工質(zhì)。表1示出了R245fa和R152a的基本特性。

工質(zhì)臨界溫度/K臨界壓力/MPa臨界密度/kg·m-3大氣壽命/a臭氧消耗潛值全球變暖潛能值R245fa427．163．651516．087．20．0950R152a386．414．517368．001．40．0120

1.3 熱力學(xué)模型

圖3示出了有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的T-s圖。圖中a-b是非共沸混合工質(zhì)定壓蒸發(fā)過程的溫度“滑移”現(xiàn)象；c-1是非共沸混合工質(zhì)定壓冷凝過程的溫度“滑移”現(xiàn)象；1-2s是等熵加壓過程；1-2是實際加壓過程；2-3是等壓蒸發(fā)過程；3-4是實際膨脹過程；3-4s是等熵膨脹過程；4-1是等壓冷凝過程。以下給出每個過程的能量傳遞(能量轉(zhuǎn)化)和損率的計算公式，式中表示熱量；表示功率；表示損率；T表示溫度；表示質(zhì)量流量；η表示效率；h表示比焓；s表示比熵；下角標(biāo)c指放熱過程，p指增壓過程，e指吸熱過程，s指膨脹過程，H指高溫?zé)嵩矗琇指低溫?zé)嵩矗?，2，2s，3，4，4s分別指圖3中的各狀態(tài)點，gas指柴油機的排氣。

1-2過程：

(1)

(2)

2-3過程：

(3)

(4)

3-4過程：

(5)

(6)

4-1過程：

(7)

(8)

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的凈輸出功率：

(9)

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱效率：

(10)

(11)

(12)

此外，針對車用內(nèi)燃機有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，引入了余熱回收效率的評價指標(biāo)——余熱回收效率：

(13)

針對車用柴油機有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的計算模型，作出如下假設(shè)：

a) 忽略系統(tǒng)各部件和管路中的熱損失和壓力損失；

b) 膨脹機和工質(zhì)泵的等熵效率分別取0.8和0.85；

c) 膨脹機膨脹比取6；

d) 蒸發(fā)壓力取2.0 MPa，過熱度取10 K；

e) 環(huán)境溫度取298.15 K，低溫?zé)嵩礈囟鹊扔诶淠郎囟葴p10 K，高溫?zé)嵩礈囟葹椴裼蜋C的排氣溫度。

2 柴油機的排氣能量

本研究使用的內(nèi)燃機是1臺6缸四沖程柴油機，其排量為9.726 L。通過試驗，測得了柴油機全工況范圍內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)，分析了柴油機排氣能量的變化規(guī)律。圖4示出了柴油機排氣能量的MAP圖，圖中虛線及數(shù)字代表柴油機輸出功率的等高線及數(shù)值。彩色MAP圖為柴油機排氣能量隨柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩的變化情況。從圖中可以看出，隨著柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，其輸出功率和排氣能量均逐漸增加，最大柴油機輸出功率約為280 kW，最大柴油機排氣能量約為293 kW。所以，對柴油機排氣能量進行回收利用具有較大的研究意義。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 動力性能參數(shù)

車用柴油機通常在變工況下運行，其排氣能量也會隨之變化，若想充分吸收柴油機的排氣能量，必須對有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)中有機工質(zhì)的質(zhì)量流量進行調(diào)節(jié)。圖5示出了3種非共沸混合工質(zhì)質(zhì)量流量隨柴油機工況的變化情況。從圖中可以看出，隨著柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，3種非共沸混合工質(zhì)的質(zhì)量流量均逐漸增加，這主要是因為，隨著柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，柴油機排氣能量增加，更多的有機工質(zhì)蒸發(fā)。隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，相同柴油機工況下，非共沸混合工質(zhì)的質(zhì)量流量逐漸減小。

圖6示出了不同柴油機工況下，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)凈輸出功率的MAP圖。從圖中可以看出，隨著柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，采用3種非共沸混合工質(zhì)的有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)凈輸出功率均逐漸增加，最大分別為28.20 kW(M1)，29.10 kW(M2)，31.30 kW(M3)。這主要是因為，隨著柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，柴油機的排氣能量增加，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)可回收利用的能量增加。隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，相同柴油機工況下，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的凈輸出功率逐漸增加。結(jié)合圖5可以得出，隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，相同柴油機工況下，所需的非共沸混合工質(zhì)的質(zhì)量流量逐漸減小，然而，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的凈輸出功率卻逐漸增加，這說明，隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，非共沸混合工質(zhì)的單位工質(zhì)輸出能量(單位工質(zhì)輸出能量是指單位質(zhì)量非共沸混合工質(zhì)可以輸出的能量)逐漸增加，不僅有利于有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計，還可以有效地降低有機工質(zhì)污染環(huán)境的隱患。

3.2 效率參數(shù)

圖7示出了相同柴油機工況下，采用3種非共沸混合工質(zhì)的有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)熱效率的變化情況。從圖中可以看出，隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，相同柴油機工況下，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的熱效率逐漸增加。這主要取決于有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)各狀態(tài)點的焓值，當(dāng)有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)中各部件的性能確定后，系統(tǒng)各狀態(tài)點的焓值主要受工質(zhì)自身物性的影響。

圖8示出了不同柴油機工況下，采用3種非共沸混合工質(zhì)的有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)效率的變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)柴油機輸出功率大于150.5 kW時，隨著柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)效率逐漸減?。划?dāng)柴油機輸出功率小于150.5 kW時，隨著柴油機工況的變化，效率的變化規(guī)律比較復(fù)雜。當(dāng)柴油機扭矩大于300 N·m時，相同柴油機工況下，隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，效率先減小后增加；當(dāng)柴油機扭矩小于300 N·m時，相同柴油機工況下，隨著R152a含量的增加，效率逐漸減小。這主要是因為，當(dāng)有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)中各部件的工作性能確定后，余熱回收系統(tǒng)的效率主要受柴油機排氣溫度和工質(zhì)自身物性的影響：當(dāng)柴油機扭矩大于300 N·m時，工質(zhì)自身的物性為主要影響因素(主要受工質(zhì)溫度“滑移”特性的影響)；當(dāng)柴油機扭矩小于300 N·m時，柴油機排氣溫度為主要影響因素。當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，扭矩為100 N·m時，3種非共沸混合工質(zhì)效率均達到最大值，分別為40.30%(M1)，37.80%(M2)，36.95%(M3)。

圖9示出了不同柴油機工況下，車用柴油機有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)余熱回收效率的變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)柴油機輸出功率大于150.5 kW時，隨著柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，系統(tǒng)余熱回收效率逐漸增加；當(dāng)柴油機輸出功率小于150.5 kW時，隨著柴油機工況的變化，余熱回收效率的變化規(guī)律比較復(fù)雜。相同柴油機工況下，隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，余熱回收效率逐漸增加。當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，扭矩約為1 200 N·m時，3種非共沸混合工質(zhì)的余熱回收效率均達到最大值，分別為9.78%(M1)，10.06%(M2)，10.82%(M3)。

4 結(jié)論

a) 隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的凈輸出功率、熱效率、余熱回收效率均逐漸增加，然而，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)所需的非共沸混合工質(zhì)的質(zhì)量流量逐漸減小，這說明，隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，單位工質(zhì)輸出能量逐漸增加，有利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計和降低有機工質(zhì)可能的泄漏量；

b) 當(dāng)柴油機處于大扭矩工況時，隨著非共沸混合工質(zhì)中R152a含量的增加，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的效率先減小后增加，此時，非共沸混合工質(zhì)自身的物性對有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)效率的影響較大；

c) 隨著柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩的增加，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的凈輸出功率、余熱回收效率及所需的非共沸混合工質(zhì)的質(zhì)量流量均逐漸增加；當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，扭矩為100 N·m時，有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的效率最大；

d) 當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，扭矩約為1 200 N·m時，非共沸混合工質(zhì)M3的凈輸出功率、熱效率、余熱回收效率最大，分別為31.30 kW，12.41%，10.82%。

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[編輯： 姜曉博]

Influences of Mixture Composition on Waste Heat Recovery System for Vehicle Internal Combustion Engine

ZHOU Qi-shun1, YANG Kai2, ZHANG Hong-guang2

(1. BAIC MOTOR POWERTRAIN Co., Ltd., Beijing 101108, China; 2. College of Environmental and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China)

The exhaust energy of 280 kW vehicle internal combustion engine in the whole conditions was analyzed by the experiment. A set of organic Rankine cycle system was designed and its working performance was analyzed under different engine operating conditions. Based on R245fa dry substance and R152a wet substance, three zeotropic mixtures were prepared. The influence of zeotropic mixtures with different composition on the organic Rankine cycle waste heat recovery system performance was investigated. The results showed that the net power output, waste heat recovery efficiency and required zerotropic mixture mass flow of organic Rankine cycle system increased gradually with the increase of engine speed and torque. The performance of zeotropic mixture containing the highest content of R152a was optimal.

internal combustion engine; waste heat recovery; organic Rankine cycle; zeotropic mixture

2013-12-13；

2014-02-18

國家自然科學(xué)基金資助項目(51376011); 北京市自然科學(xué)基金項目和北京市教育委員會科技計劃重點項目(KZ201410005003); 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)資助項目(2011CB707202)

周啟順(1962—)，男，高級工程師，主要研究方向為內(nèi)燃機設(shè)計與試驗測試；zhouqishun@baicmotor.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.03.012

TK115

B

1001-2222(2014)03-0050-05