发动机尾气余热再利用模型的设计

2020-11-17张方明

设备管理与维修 2020年20期

张方明

（英思腾（杭州）汽车有限公司，浙江杭州 310020）

0 引言

当今全球污染加剧，能源日益短缺，汽车内燃机作为耗油大户自2006 年以来消耗近60%的石油资源且持续增长，开发一种低污染高功效发动机势在必行。以现今的发动机技术仍只有40%的燃料转化率，其余60%的燃烧热能中一部分通过各自热传递方式被消耗，另一部分直接以尾气形式排出，因此对尾气余热的开发利用将是提高能效的另一种重要途径。发动机尾气余热再利用系统可将发动机中通过排气系统所带走的部分尾气热能回收再利用，如将此热能通过发电机转为电能传入汽车蓄电池，或通过连续可变传动机构传回发动机，这是提高发动机的燃油经济性和动力性的一种重要途径。利用朗肯循环系统回收汽车尾气热能，并通过能量转化系统提高燃料转化率。结合燃气轮机与有机朗肯循环系统进行模拟计算，使得热效率提高，燃气机内各项功能也得以提高。

1 基于朗肯循环的尾气回收系统搭建

基于朗肯循环的尾气回收系统主要由热交换器、膨胀机、发电机、冷凝管和供给泵等装置组成（图1）。尾气中部分热能通过热交换器传递给闭环朗肯系统，使循环工质气化膨胀做功。做功后的低压蒸汽将进入冷凝管，被冷却成液态工质流回储液器，随后被供给泵加压进入热交换器，重新进入下一次循环。采用水为工作介质，并排式活塞膨胀机作为能量转化单元，将热能转为动能。膨胀机中，每个气缸拥有独立可变气门系统，通过控制膨胀机内工作气缸数量和调节各气缸内进、出气门开启时间及气门运行轨迹，作为该朗肯循环系统功率调节的重要途径，实现与发动机各工况匹配。

2 朗肯系统功率调节控制方案设计

通过对该尾气余热回收系统的功率调节，实现与发动机的有效结合是整个研发体系的重要环节，直接决定整体循环系统的高效性和安全性。功率控制调节目标为实现从传热系统到电能输出系统的能量最高转化率，实现该系统与发动机各种工况合理匹配，确保系统安全性与可靠性（图2）。

图1 朗肯循环系统

图2 朗肯系统功率控制和调节方案

3 朗肯循环系统模型建立及设定

整个系统通过GT-Power 仿真软件进行一维模拟分析，膨胀机采用直列多缸式排布，运用气门式结构实现对循环工质进、排入缸体的控制。进、排式气门的开启时间及其运动轨迹直接影响膨胀机内气压变化曲线，继而决定其工作功率。通过修正因数只对进、排气门开启时间进行调节（由于构造限制保持气门高度与实验模型一致），从而改变缸内流入工质质量。进、排气门原始流量因数曲线通过实验求得，Inlet-Factor 与Outlet-Factor 分别为流经进、排气门流量修正因数。流量因数随着修正因数增加而升高（图3）。

图3 进、排气门流量修正

在该朗肯循环系统中，将循环工质的初态温度、压力，进排气门的开启时间以及流量修正因数作为输入参数，膨胀机转速及缸内指示功率作为输出结果。在各给定发动机工况下，即朗肯循环系统不同吸热总量下，通过科学试验方法（Design Of Experiment，DOE）对输出结果分析判定，最后确定最佳输入参数组合。模型中运动温度、压力及转速等，通过设定调节器中各参数目标值，使输出值快速准确接近设定值（表1）。