混合工质对车用内燃机余热回收系统的影响

周启顺, 杨 凯, 张红光

(1. 北京汽车动力总成有限公司， 北京 101108； 2. 北京工业大学环境与能源工程学院， 北京 100124)

混合工质对车用内燃机余热回收系统的影响

周启顺1, 杨 凯2, 张红光2

(1. 北京汽车动力总成有限公司， 北京 101108； 2. 北京工业大学环境与能源工程学院， 北京 100124)

通过试验对1台标定功率为280 kW的车用内燃机全工况范围内排气能量的变化规律进行了分析，设计了一套有机朗肯循环余热回收系统，研究了车用内燃机不同工况下有机朗肯循环余热回收系统的工作性能。以典型干工质R245fa和典型湿工质R152a为组元，配制了3种不同类型的非共沸混合工质，研究了变浓度非共沸混合工质对车用内燃机有机朗肯循环余热回收系统性能的影响。研究结果表明，随着车用内燃机转速和扭矩的增加，有机朗肯循环余热回收系统的净输出功率、余热回收效率及所需的非共沸混合工质的质量流量均逐渐增加；R152a含量最高的非共沸混合工质性能最优。

内燃机； 余热回收； 有机朗肯循环； 非共沸混合工质

目前，我国石油对外依存度已接近60%，存在严重的能源安全隐患。大部分石油资源被内燃机消耗，然而，内燃机的热效率并不理想，大量燃料燃烧后的能量通过内燃机的排气和冷却介质释放到大气中，造成了严重的能源浪费和环境污染问题。所以，对内燃机排气、冷却介质等余热能进行回收利用，可以有效地提高内燃机的能量利用效率，进而实现内燃机节能减排的目的。

有机朗肯循环系统可以将中低温余热能转化为动力输出，在众多领域均得到了深入的研究[1-3]。通过改变有机朗肯循环系统的结构、选配适合的有机工质等可以提高有机朗肯循环系统的工作性能[4-7]。近年来，利用有机朗肯循环系统回收内燃机余热能也受到了广泛的关注[8-11]。然而，车用内燃机的最大特点是运行工况瞬时变化，所以其余热能会随着内燃机工况的变化而变化，若想实现车用内燃机余热能的高效回收利用，必须针对其余热能的变化规律设计有机朗肯循环余热回收系统。

本研究通过试验，研究了1台车用柴油机全工况范围内排气能量的变化规律，进而设计了一套有机朗肯循环余热回收系统，研究了车用柴油机全工况范围内有机朗肯循环余热回收系统性能的变化规律。以典型干工质R245fa和典型湿工质R152a为组元配制了3种非共沸混合工质[12]，分析了不同浓度非共沸混合工质对车用柴油机有机朗肯循环余热回收系统性能的影响。

1 模型

1.1 有机朗肯循环系统

图1示出了车用柴油机有机朗肯循环余热回收系统。该系统主要由柴油机、蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐以及工质泵组成。有机工质在蒸发器中吸收柴油机的排气能量被蒸发为高温高压气体，高温高压气体进入膨胀机并推动膨胀机做功，膨胀后的乏气进入冷凝器被冷却为饱和液体，液态有机工质流回储液罐，工质泵将有机工质抽出加压后送入蒸发器。

1.2 非共沸混合工质的选配

本研究以典型干工质R245fa和典型湿工质R152a为组元，配制了3种不同的非共沸混合工质M1，M2和M3，R152a与R245fa的质量比分别为0.1/0.9,0.26/0.74,0.7/0.3。图2示出了配制的3种非共沸混合工质的温熵图，从图中可以看出，非共沸混合工质M1是干工质，非共沸混合工质M2近似等熵工质，非共沸混合工质M3是湿工质。表1示出了R245fa和R152a的基本特性。

工质临界温度/K临界压力/MPa临界密度/kg·m-3大气寿命/a臭氧消耗潜值全球变暖潜能值R245fa427．163．651516．087．20．0950R152a386．414．517368．001．40．0120

1.3 热力学模型

图3示出了有机朗肯循环余热回收系统的T-s图。图中a-b是非共沸混合工质定压蒸发过程的温度“滑移”现象；c-1是非共沸混合工质定压冷凝过程的温度“滑移”现象；1-2s是等熵加压过程；1-2是实际加压过程；2-3是等压蒸发过程；3-4是实际膨胀过程；3-4s是等熵膨胀过程；4-1是等压冷凝过程。以下给出每个过程的能量传递(能量转化)和损率的计算公式，式中表示热量；表示功率；表示损率；T表示温度；表示质量流量；η表示效率；h表示比焓；s表示比熵；下角标c指放热过程，p指增压过程，e指吸热过程，s指膨胀过程，H指高温热源，L指低温热源，1，2，2s，3，4，4s分别指图3中的各状态点，gas指柴油机的排气。

1-2过程：

(1)

(2)

2-3过程：

(3)

(4)

3-4过程：

(5)

(6)

4-1过程：

(7)

(8)

有机朗肯循环系统的净输出功率：

(9)

有机朗肯循环系统的热效率：

(10)

(11)

(12)

此外，针对车用内燃机有机朗肯循环余热回收系统，引入了余热回收效率的评价指标——余热回收效率：

(13)

针对车用柴油机有机朗肯循环余热回收系统的计算模型，作出如下假设：

a) 忽略系统各部件和管路中的热损失和压力损失；

b) 膨胀机和工质泵的等熵效率分别取0.8和0.85；

c) 膨胀机膨胀比取6；

d) 蒸发压力取2.0 MPa，过热度取10 K；

e) 环境温度取298.15 K，低温热源温度等于冷凝温度减10 K，高温热源温度为柴油机的排气温度。

2 柴油机的排气能量

本研究使用的内燃机是1台6缸四冲程柴油机，其排量为9.726 L。通过试验，测得了柴油机全工况范围内的试验数据，分析了柴油机排气能量的变化规律。图4示出了柴油机排气能量的MAP图，图中虚线及数字代表柴油机输出功率的等高线及数值。彩色MAP图为柴油机排气能量随柴油机转速和扭矩的变化情况。从图中可以看出，随着柴油机转速和扭矩的增加，其输出功率和排气能量均逐渐增加，最大柴油机输出功率约为280 kW，最大柴油机排气能量约为293 kW。所以，对柴油机排气能量进行回收利用具有较大的研究意义。

3 计算结果及分析

3.1 动力性能参数

车用柴油机通常在变工况下运行，其排气能量也会随之变化，若想充分吸收柴油机的排气能量，必须对有机朗肯循环余热回收系统中有机工质的质量流量进行调节。图5示出了3种非共沸混合工质质量流量随柴油机工况的变化情况。从图中可以看出，随着柴油机转速和扭矩的增加，3种非共沸混合工质的质量流量均逐渐增加，这主要是因为，随着柴油机转速和扭矩的增加，柴油机排气能量增加，更多的有机工质蒸发。随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，相同柴油机工况下，非共沸混合工质的质量流量逐渐减小。

图6示出了不同柴油机工况下，有机朗肯循环余热回收系统净输出功率的MAP图。从图中可以看出，随着柴油机转速和扭矩的增加，采用3种非共沸混合工质的有机朗肯循环余热回收系统净输出功率均逐渐增加，最大分别为28.20 kW(M1)，29.10 kW(M2)，31.30 kW(M3)。这主要是因为，随着柴油机转速和扭矩的增加，柴油机的排气能量增加，有机朗肯循环余热回收系统可回收利用的能量增加。随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，相同柴油机工况下，有机朗肯循环余热回收系统的净输出功率逐渐增加。结合图5可以得出，随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，相同柴油机工况下，所需的非共沸混合工质的质量流量逐渐减小，然而，有机朗肯循环余热回收系统的净输出功率却逐渐增加，这说明，随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，非共沸混合工质的单位工质输出能量(单位工质输出能量是指单位质量非共沸混合工质可以输出的能量)逐渐增加，不仅有利于有机朗肯循环余热回收系统结构的紧凑化设计，还可以有效地降低有机工质污染环境的隐患。

3.2 效率参数

图7示出了相同柴油机工况下，采用3种非共沸混合工质的有机朗肯循环余热回收系统热效率的变化情况。从图中可以看出，随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，相同柴油机工况下，有机朗肯循环余热回收系统的热效率逐渐增加。这主要取决于有机朗肯循环余热回收系统各状态点的焓值，当有机朗肯循环余热回收系统中各部件的性能确定后，系统各状态点的焓值主要受工质自身物性的影响。

图8示出了不同柴油机工况下，采用3种非共沸混合工质的有机朗肯循环余热回收系统效率的变化情况。从图中可以看出，当柴油机输出功率大于150.5 kW时，随着柴油机转速和扭矩的增加，有机朗肯循环余热回收系统效率逐渐减小；当柴油机输出功率小于150.5 kW时，随着柴油机工况的变化，效率的变化规律比较复杂。当柴油机扭矩大于300 N·m时，相同柴油机工况下，随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，效率先减小后增加；当柴油机扭矩小于300 N·m时，相同柴油机工况下，随着R152a含量的增加，效率逐渐减小。这主要是因为，当有机朗肯循环余热回收系统中各部件的工作性能确定后，余热回收系统的效率主要受柴油机排气温度和工质自身物性的影响：当柴油机扭矩大于300 N·m时，工质自身的物性为主要影响因素(主要受工质温度“滑移”特性的影响)；当柴油机扭矩小于300 N·m时，柴油机排气温度为主要影响因素。当柴油机转速为1 900 r/min，扭矩为100 N·m时，3种非共沸混合工质效率均达到最大值，分别为40.30%(M1)，37.80%(M2)，36.95%(M3)。

图9示出了不同柴油机工况下，车用柴油机有机朗肯循环余热回收系统余热回收效率的变化情况。从图中可以看出，当柴油机输出功率大于150.5 kW时，随着柴油机转速和扭矩的增加，系统余热回收效率逐渐增加；当柴油机输出功率小于150.5 kW时，随着柴油机工况的变化，余热回收效率的变化规律比较复杂。相同柴油机工况下，随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，余热回收效率逐渐增加。当柴油机转速为2 200 r/min，扭矩约为1 200 N·m时，3种非共沸混合工质的余热回收效率均达到最大值，分别为9.78%(M1)，10.06%(M2)，10.82%(M3)。

4 结论

a) 随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，有机朗肯循环余热回收系统的净输出功率、热效率、余热回收效率均逐渐增加，然而，有机朗肯循环余热回收系统所需的非共沸混合工质的质量流量逐渐减小，这说明，随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，单位工质输出能量逐渐增加，有利于系统结构的紧凑化设计和降低有机工质可能的泄漏量；

b) 当柴油机处于大扭矩工况时，随着非共沸混合工质中R152a含量的增加，有机朗肯循环余热回收系统的效率先减小后增加，此时，非共沸混合工质自身的物性对有机朗肯循环余热回收系统效率的影响较大；

c) 随着柴油机转速和扭矩的增加，有机朗肯循环余热回收系统的净输出功率、余热回收效率及所需的非共沸混合工质的质量流量均逐渐增加；当柴油机转速为1 900 r/min，扭矩为100 N·m时，有机朗肯循环余热回收系统的效率最大；

d) 当柴油机转速为2 200 r/min，扭矩约为1 200 N·m时，非共沸混合工质M3的净输出功率、热效率、余热回收效率最大，分别为31.30 kW，12.41%，10.82%。

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[编辑： 姜晓博]

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

国家自然科学基金资助项目(51376011); 北京市自然科学基金项目和北京市教育委员会科技计划重点项目(KZ201410005003); 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)资助项目(2011CB707202)

周启顺(1962—)，男，高级工程师，主要研究方向为内燃机设计与试验测试；zhouqishun@baicmotor.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.03.012

TK115

B

1001-2222(2014)03-0050-05