变工况下车用柴油机排气余热有机朗肯循环回收系统

杨凯，张红光，宋松松,2，姚宝峰



变工况下车用柴油机排气余热有机朗肯循环回收系统

杨凯1，张红光1，宋松松1,2，姚宝峰1

（1北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124；2承德石油高等专科学校汽车工程系, 河北承德067000）

为回收车用柴油机的排气余热设计了一套带回热器有机朗肯循环系统，采用纯工质R245fa作为工作介质。通过实验研究了车用柴油机变工况下排气余热的变化规律，分析了不同工况下带回热器有机朗肯循环系统的运行性能，讨论了过热度对带回热器有机朗肯循环系统运行性能的影响。针对车用柴油机-有机朗肯循环联合系统提出了余热回收效率、发动机热效率提升率、单位工质输出能量密度3个评价指标。研究表明，带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率、余热回收效率、发动机热效率提升率最大分别可以达到43.74 kW、14.93%、13.58%。

余热回收；有机朗肯循环；变工况；热力学过程；蒸发；传热

引 言

内燃机不仅消耗大量的石油资源，还造成严重的环境污染。内燃机汽缸内燃料燃烧释放的部分能量被排气和冷却介质带走并浪费，所以，对内燃机余热能进行回收利用可以提高内燃机的热效率，减少能源消耗，降低污染物排放[1-2]。有机朗肯循环（ORC）系统可以将中低温余热能转化为有用功输出，在众多领域均得到了广泛的研究和应用[3-9]。对于不同的应用领域，选用不同结构的有机朗肯循环系统或选取合适的有机工质有助于提高能源的利用效率[10-14]。近年来，利用有机朗肯循环系统回收内燃机的余热能受到了研究者的关注[15-18]。

虽然有很多学者研究利用有机朗肯循环系统回收内燃机的余热能，但很少有学者考虑车用内燃机变工况下的有机朗肯循环系统性能，更少有学者提出如何控制有机朗肯循环系统的运行参数来实现车用内燃机全工况范围内余热能的高效回收利用。对于车用柴油机-有机朗肯循环联合系统缺少有效的性能评价体系。

本研究通过实验和理论计算分析了一台车用柴油机变工况下排气余热的变化规律，以排气余热作为高温热源设计了一套带回热器的有机朗肯循环系统。针对车用柴油机-有机朗肯循环联合系统（以下简称联合系统）提出了余热回收效率、发动机热效率提升率、单位工质输出能量密度3个评价指标，研究了车用柴油机变工况下有机朗肯循环系统运行性能的变化特性，讨论了变工况下联合系统的运行性能，分析了过热度对有机朗肯循环系统运行性能的影响。

1 系统介绍

1.1 系统描述

图1是车用柴油机-有机朗肯循环联合系统的结构。联合系统主要由柴油机、蒸发器、膨胀机、回热器、冷凝器、储液罐和工质泵组成。有机工质储存在储液罐中，工质泵将有机工质加压后送入回热器，有机工质在回热器中预热后进入蒸发器，柴油机排气在蒸发器中与有机工质进行换热，吸热后的有机工质变为高温高压气体后推动膨胀机做功，膨胀后的有机工质进入回热器将剩余热量传递给液态有机工质，膨胀放热后的气态有机工质进入冷凝器被冷却为液态有机工质并流回储液罐。

采用纯工质R245fa作为有机朗肯循环系统的工作介质[19-20]。表1给出了纯工质R245fa的基本物性，纯工质R245fa被众多学者认为是较为理想的有机工质。

表1 R245fa基本物性Table 1 Main properties of R245fa

1.2 热力学模型

图2是带回热器有机朗肯循环系统温熵图。1-2是实际加压过程，1-2s是等熵加压过程，2-3是有机工质在回热器中的预热过程，3-4是等压吸热过程，4-5s是等熵膨胀过程，4-5是实际膨胀过程，5-6是有机工质在回热器中的放热过程，6-1是等压冷凝过程，exh_in-exh_out是柴油机排气在蒸发器中的放热过程。1、2s、2、3、4、5、5s、6是带回热器有机朗肯循环系统的各状态点。

带回热器有机朗肯循环系统各个过程的换热量和㶲损率的计算公式如下。

过程1-2

过程2-3和过程5-6

过程3-4

过程4-5

过程6-1

带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率由式（12）计算

此外，为了评价联合系统的运行性能，提出了余热回收效率（WHRE）、发动机热效率提升率（ETEIR）和单位工质输出能量密度（OEDWF）3个评价指标。3个评价指标分别由式（13）～式（15）计算。

计算分析时做出如下假设：

（1）忽略系统各部件及管路中的热损失和压力损失；

（2）蒸发压力为2.0 MPa，冷凝温度为308 K；

（3）过热度在10～40 K之间变化，间隔为10 K；

（4）回热器的有效度为0.9，膨胀机和工质泵的等熵效率均为0.8；

（5）柴油机排气为有机朗肯循环系统的高温热源，低温热源的温度等于300 K，环境温度为293 K。

2 柴油机排气余热

车用柴油机通常在变工况下运行，其排气余热随其运行工况变化。要想实现变工况下车用柴油机排气余热的高效回收利用，需要对柴油机排气余热的变化规律进行研究。选用一台6缸4冲程车用柴油机进行研究，表2是此台柴油机的基本技术参数。

表2 柴油机基本技术参数Table 2 Main parameters of diesel engine

通过实验测得此台柴油机不同工况下的排气温度、燃油消耗率、进气量等，这些参数均随柴油机的运行工况变化。最大可用排气余热()可由式（16）计算。

式中，c为柴油机排气的比定压热容，由式（17）计算；为柴油机的排气质量流量，等于柴油机的进气量与燃油消耗量之和，kg·s-1；exh_in为柴油机排气进入蒸发器时的温度，K；min为柴油机排气通过蒸发器后能够到达的最小温度，K。

c=0.00025exh_in+0.99 (17)

图3是变工况下车用柴油机最大可用排气余热的变化情况。随着柴油机转速和转矩的增加，最大可用排气余热逐渐增加。当柴油机转矩为1200 N·m、转速为2200 r·min-1时，最大可用排气余热可达293 kW。从表2可以得出此台柴油机的额定功率为280 kW，所以对其排气余热进行回收利用有助于实现燃油的高效利用。

3 结果及分析

研究表明，当柴油机转矩大于300 N·m时，柴油机排气与有机工质之间窄点温差通常出现在蒸发器的有机工质侧进口处，即图2所示的exh_out与3之间。当柴油机转矩小于300 N·m时，柴油机排气与有机工质之间窄点温差出现的位置可能发生变化，所以下述分析中将不讨论柴油机转矩小于300 N·m的情况。

图4是不同过热度时柴油机不同工况下带回热器有机朗肯循环系统净输出功率的变化情况。随着柴油机转速和转矩的增加，带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率逐渐增加。这主要因为，随着柴油机转速和转矩的增加，柴油机最大可用排气余热增加。随着过热度的增加，带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率增加。因为冷凝温度恒定，随着过热度的增加，蒸发温度（膨胀机进口温度）增加，所以净输出功率增加。当过热度为40 K，柴油机转矩为1200 N·m、转速为2200 r·min-1时，带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率最大，约为43.74 kW。

排气余热随柴油机的运行工况变化，为实现不同工况下排气余热的高效回收利用，应根据排气余热的变化规律适当调节有机朗肯循环系统的运行参数。图5是不同过热度时柴油机不同工况下有机工质质量流量的变化情况。当过热度相同时，随着柴油机转速和转矩的增加，有机工质质量流量逐渐增加。这主要受柴油机排气余热的影响，当柴油机运行工况相同时，随着过热度的增加，有机工质质量流量逐渐减小。在该质量流量下，发动机各工况的排气余热回收效率均为最大值。

从图4和图5可以看出，当柴油机运行工况恒定时，随着过热度的增加，带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率逐渐增加，而有机工质质量流量却逐渐减小。这说明随着过热度的增加较小的有机工质质量流量可以输出较大的功率。图6是不同过热度时单位工质输出能量密度（OEDWF）的变化情况。随着过热度的增加，单位工质输出能量密度逐渐增加。较大的单位工质输出能量密度有助于减少有机朗肯循环系统中有机工质的充装量，可有效降低有机工质的潜在泄漏量。

从上述分析可以得出，当过热度为40 K时，带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率和单位工质输出能量密度均到达最大值，所以下述分析只考虑过热度为40 K的情况。

有机朗肯循环系统的热效率只能用于评价有机工质在蒸发器中吸收热量的利用程度，不能反映柴油机排气余热的回收利用程度，所以提出余热回收效率（WHRE）评价指标。图7是过热度为40 K时柴油机不同工况下余热回收效率的变化情况。当柴油机转速相同时，随着柴油机转矩的增加，余热回收效率增加。当柴油机输出功率小于185.6 kW时，随着柴油机转速的增加，余热回收效率的变化情况比较复杂；当柴油机输出功率大于185.6 kW时，随着柴油机转速的增加，余热回收效率逐渐增加。当柴油机转矩为1200 N·m、转速为2200 r·min-1时，余热回收效率最大，约为14.93%。余热回收效率主要受柴油机排气和带回热器有机朗肯循环系统净输出功率的影响。

为评价加装带回热器有机朗肯循环系统后车用柴油机热效率的改善程度，提出了发动机热效率提升率（ETEIR）评价指标。图8是过热度为40 K时柴油机变工况下发动机热效率提升率的变化情况。当柴油机输出功率小于185.6 kW时，发动机热效率提升率的变化情况比较复杂；当柴油机输出功率大于185.6 kW时，随着柴油机转矩和转速的增加，发动机热效率提升率逐渐增加。当柴油机转矩为1200 N·m、转速为2200 r·min-1时，发动机热效率提升率最大，约为13.58%。发动机热效率提升率主要受柴油机输出功率和带回热器有机朗肯循环系统净输出功率的影响。

图9是柴油机转速为1600 r·min-1时，随着柴油机转矩的变化，带回热器有机朗肯循环系统各部件㶲损率的变化情况。随着柴油机转矩的增加，各部㶲损率均逐渐增加。当柴油机转矩相同时，各部件㶲损率依次减小的顺序为：蒸发器、膨胀机、冷凝器、回热器、工质泵。当柴油机转矩较大时，蒸发器的㶲损率远大于其他4个部件的㶲损率。所以蒸发器性能的提高有助于带回热器有机朗肯循环系统性能的改善。

4 结 论

（1）相同柴油机工况下，随着过热度的增加，带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率、单位工质输出能量密度均逐渐增加；较大的单位工质输出能量密度有助于降低有机工质的潜在泄漏量。

（2）柴油机转矩为1200 N·m、转速为2200 r·min-1时、带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率、余热回收效率、发动机热效率提升率均达到最大值，分别为43.74 kW、14.93%、13.58%。

（3）根据柴油机排气余热的变化规律，可调节有机工质的质量流量，以便实现柴油机全工况范围内排气余热高效回收利用。

（4）当柴油机的转矩较大时，蒸发器的㶲损率远大于其他部件的㶲损率，所以蒸发器的设计及性能的改进是影响有机朗肯循环系统性能的一个关键因素。

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Waste heat organic Rankine cycle of vehicle diesel engine under variable working conditions

YANG Kai1, ZHANG Hongguang1, SONG Songsong1,2, YAO Baofeng1

(School of Environmental and Energy EngineeringBeijing University of TechnologyBeijingChina；Department of Automotive EngineeringChengde Petroleum CollegeChengdeHebeiChina

An organic Rankine cycle system with recuperator was designed for recycling waste heat of a vehicle diesel engine and R245fa was used as workingmedium. The change of waste heat from vehicle diesel engine under variableworkingconditions was studied. The operating performance of the organic Rankine cycle system with recuperator was analyzed under variableworkingconditions and the influence of degree of superheat on the organic Rankine cycle system with recuperator was discussed. Three evaluation indices, waste heat recovery efficiency (WHRE), engine thermal efficiency increasing ratio (ETEIR) and output energy density of working fluid (OEDWF) were presented for the vehicle diesel engine-organic Rankine cycle combined system. The net power output, WHRE and ETEIR could reach maximum values of 43.74 kW, 14.93% and 13.58%.

waste heat recovery; organic Rankine cycle; variableworkingconditions; thermodynamics process; evaporation; heat transfer

2014-07-24.

ZHANG Hongguang, zhanghongguang@bjut. edu. cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141119

TK 406

A

0438—1157（2015）03—1097—07

北京市自然科学基金项目（3152005）；国家自然科学基金项目(51376011)；北京市教育委员会科技计划重点项目(KZ201410005003)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(3C005015201301)。

2014-07-24收到初稿，2014-12-01收到修改稿。

联系人：张红光。第一作者：杨凯（1987—），男，博士研究生。

supported by the Natural Science Foundation of Beijing (3152005), the National Natural Science Foundation of China (51376011)，the Scientific Research Key Program of Beijing Municipal Commission of Education (KZ201410005003) and the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (3C005015201301)