基于朗肯循環(huán)的發(fā)動機(jī)尾氣余熱回收系統(tǒng)功率控制分析

張曉燕

浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江省杭州市 310023

1 引言

基于朗肯循環(huán)系統(tǒng)的尾氣余熱回收系統(tǒng)，以水為循環(huán)介質(zhì)，膨脹機(jī)作為做功實(shí)體，GT-Power作為模擬平臺，研究系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)影響特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)與尾氣余熱回收系統(tǒng)的功率匹配，確定該朗肯系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)各工況下的最佳工作方案。

2 余熱回收系統(tǒng)性能參數(shù)分析

2.1 初態(tài)溫度分析

朗肯系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)的匹配，首先需對該系統(tǒng)中各參數(shù)在不同工況下進(jìn)行分析研究。朗肯循環(huán)系統(tǒng)在不同吸收熱量和不同初態(tài)溫度下的指示功率與膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速比較圖如圖1所示。橫、縱坐標(biāo)分別為進(jìn)、出氣門的開啟時間。黑色點(diǎn)劃線及箭頭方向?yàn)榕蛎洐C(jī)轉(zhuǎn)速500-4000r·min-1的工作區(qū)域。等高線為各不同氣門開啟時間下的指示功率。Inlet-Factor與Outlet-Factor均為1。初態(tài)溫度的升高既可增加氣缸壓力，又可降低膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速，該兩種影響將對指示功率的增加產(chǎn)生相反作用，而哪種作用更具顯著性將由該系統(tǒng)吸收的熱量決定。當(dāng)吸收熱量較低時，因降低初態(tài)溫度，反之則應(yīng)適量調(diào)高溫度。

2.2 初態(tài)壓力分析

與初態(tài)溫度的影響類似，初態(tài)壓力對膨脹機(jī)指示功率最終影響也將隨著吸收熱量的不同而變化。當(dāng)朗肯循環(huán)系統(tǒng)吸熱分別為2.34kW與6.5kW時，不同初態(tài)壓力對膨脹機(jī)指示功率及轉(zhuǎn)速的影響，不同吸收熱量和不同初態(tài)壓力下對指示功率影響如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)吸收熱量較低時，轉(zhuǎn)速對指示功率影響較平均缸壓更大，因此指示功率隨著初態(tài)壓力升高而降低，當(dāng)系統(tǒng)吸收熱量較高時，應(yīng)通過調(diào)整系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，使得初態(tài)壓力增加，繼而指示功率得以提高。

2.3 工作氣缸數(shù)分析

以汽缸數(shù)為變量對指示功率及膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，Inlet-Factor與Outlet-Factor均為1，該系統(tǒng)吸收總熱量為50kW。為簡化計算，假設(shè)在膨脹過程中，氣態(tài)工質(zhì)等量均勻的分配給各個工作氣缸，每個氣缸具有相同配氣結(jié)構(gòu)及進(jìn)、排氣門的執(zhí)行時間。指示功率在做功氣缸數(shù)為4時達(dá)到最大值，當(dāng)氣缸數(shù)過低時，流入各個氣缸的質(zhì)流偏高，則系統(tǒng)需要通過調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣門的開閉時間進(jìn)行功率調(diào)節(jié)（進(jìn)出氣門均需早開），部分工質(zhì)將在氣門重疊過程中流失，效率降低；當(dāng)汽缸數(shù)過高，流入各個氣缸的工質(zhì)過低，無法實(shí)現(xiàn)各個氣缸膨脹做功的最大效率。

圖1 不同吸收熱量和不同初態(tài)溫度下對指示功率影響

圖2 不同吸收熱量和不同初態(tài)壓力下對指示功率影響

圖3 不同吸收熱量和不同初態(tài)壓力下對指示功率影響

2.4 進(jìn)氣門修正系數(shù)Inlet-Factor分析

膨脹機(jī)進(jìn)氣門流量系數(shù)直接影響氣缸內(nèi)壓力及膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速大小，并且決定曲軸扭矩。進(jìn)氣門流量修正系數(shù)Inlet-Factor的增加將使得膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速降低。在同一初態(tài)溫度及壓力（p=45bar、T=250℃）下，當(dāng)進(jìn)氣門流量系數(shù)由1.1向0.64降低時，導(dǎo)致氣缸充盈度減小且缸內(nèi)氣壓峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初態(tài)壓力，做功效率受到影響。在當(dāng)Inlet-Factor為1附近時，指示效率最高為14.8%。

3 朗肯循環(huán)系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的功率匹配

通過對該朗肯循環(huán)系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行分析之后，將確定其最終模擬規(guī)模，通過熱交換系統(tǒng)而獲得尾氣熱量處于1.56-50kW之間，初態(tài)壓力，初態(tài)溫度，進(jìn)、排氣門開啟角度及流量修正系數(shù)作為可變因素，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速以及相對應(yīng)的指示功率作為模擬結(jié)果進(jìn)行篩選。該模擬將使用科學(xué)試驗(yàn)方法，通過GTPower中的DOE功能，設(shè)置整個朗肯循環(huán)系統(tǒng)中各個輸入?yún)⒘繛檎{(diào)節(jié)目標(biāo)值，對所建GT模型進(jìn)行約625次模擬，剔除設(shè)定轉(zhuǎn)速以外以及非氣態(tài)進(jìn)入缸體兩類無效結(jié)果，將得到該膨脹機(jī)在通過熱交換器提供的不同熱量值中的最高指示效率。

發(fā)動機(jī)各個工況下，朗肯循環(huán)系統(tǒng)不同吸收熱量下的最優(yōu)指示功及指示功率如圖3所示，指示功隨著系統(tǒng)吸收熱量的增加而呈線性增加，指示功率從1.56至20kW時，增長較快，然后增長較為緩慢。工作汽缸數(shù)隨著吸收熱量的增加而增加，此舉將增加系統(tǒng)摩擦損失，從而降低有效功率，并且也增大生產(chǎn)制造成本，因此汽缸數(shù)仍將通過后續(xù)模擬進(jìn)行確定。

4 結(jié)論

對于每個熱能節(jié)點(diǎn)都有唯一系統(tǒng)工作狀態(tài)與之對應(yīng)，整體朗肯系統(tǒng)在給定發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)下，朗肯系統(tǒng)中初態(tài)溫度，初態(tài)壓力決定著循環(huán)工質(zhì)流量。初始溫度和初始壓力以及進(jìn)氣門流量修正系數(shù)對指示功率的作用將隨著整體系統(tǒng)吸收熱量的變化而改變，且工作氣缸數(shù)的正確選擇也直接決定系統(tǒng)的高效性。

本文對整個朗肯循環(huán)系統(tǒng)的功率調(diào)整做了理論上的分析和討論，通過一維模擬軟件GT-Power對朗肯系統(tǒng)中的重要變量進(jìn)行分析研究，最后確定尾氣余熱回收系統(tǒng)中的朗肯系統(tǒng)最佳參數(shù)組合。