ORC WHR 系統(tǒng)對柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

現(xiàn)代重型柴油機(jī)通過使用排氣余熱回收（WHR）技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率增加50%，從而減少燃油消耗，降低污染物排放。而使用基于有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）的余熱回收裝置是實(shí)現(xiàn)WHR技術(shù)的一種有效途徑。在實(shí)現(xiàn)ORC時(shí)，ORC WHR系統(tǒng)以柴油機(jī)冷卻水和排氣作為熱源加熱其中有機(jī)工作流體，工作流體受熱蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，并進(jìn)入膨脹器膨脹做功，之后再進(jìn)入冷凝器中凝結(jié)完成一個(gè)完整的循環(huán)。在整個(gè)循環(huán)過程中，膨脹做功用來為柴油機(jī)提供額外的輸出功率。但是，ORC WHR系統(tǒng)會(huì)引發(fā)柴油機(jī)較高的排氣背壓，造成柴油機(jī)燃油消耗的增加，這可能抵消掉ORC WHR系統(tǒng)帶來的燃油效率改善。因而，需要對這種影響進(jìn)行分析，便于確定出ORC WHR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束，優(yōu)化重型柴油機(jī)工作效率。

首先，以一臺用于越野車的6缸重型柴油機(jī)為例，建立其熱力學(xué)模型。之后，建立包含排氣熱交換器模型和一個(gè)熱力學(xué)傳導(dǎo)模型的ORC WHR系統(tǒng)模型。將發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型與ORC WHR系統(tǒng)模型集成，并基于該模型，改變ORC WHR系統(tǒng)包括質(zhì)量、表面積、長度和工作流體在內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，分析不同ORC WHR系統(tǒng)帶來的燃油消耗減少和所引發(fā)排氣背壓造成的燃油消耗增加。分析結(jié)果表明：①使用ORC WHR系統(tǒng)能夠?qū)ζ嚨膭?dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性同時(shí)帶來消極和積極影響；②增加ORC WHR系統(tǒng)中熱交換器的表面積，將得到較高的排氣余熱回收量，相應(yīng)地，排氣背壓和ORC WHR系統(tǒng)質(zhì)量也出現(xiàn)增加。因而認(rèn)為，熱交換器質(zhì)量的約束是限制ORC WHR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)；③考慮燃油消耗的影響，減少ORC WHR系統(tǒng)10%的功率質(zhì)量比，將帶來42.5%的燃油消耗改善；④選擇合適的工作流體十分重要，不僅能改善ORC WHR系統(tǒng)效率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)熱交換器的緊湊設(shè)計(jì)。

Apostolos Karvountzis-Kontakiotis et al.SAE 2017-01-0136.

編譯：張振偉