ORC WHR 系统对柴油机燃油经济性的影响

ORC WHR 系统对柴油机燃油经济性的影响

现代重型柴油机通过使用排气余热回收（WHR）技术，使发动机的热效率增加50%，从而减少燃油消耗，降低污染物排放。而使用基于有机朗肯循环（ORC）的余热回收装置是实现WHR技术的一种有效途径。在实现ORC时，ORC WHR系统以柴油机冷却水和排气作为热源加热其中有机工作流体，工作流体受热蒸发产生蒸汽，并进入膨胀器膨胀做功，之后再进入冷凝器中凝结完成一个完整的循环。在整个循环过程中，膨胀做功用来为柴油机提供额外的输出功率。但是，ORC WHR系统会引发柴油机较高的排气背压，造成柴油机燃油消耗的增加，这可能抵消掉ORC WHR系统带来的燃油效率改善。因而，需要对这种影响进行分析，便于确定出ORC WHR系统的设计约束，优化重型柴油机工作效率。

首先，以一台用于越野车的6缸重型柴油机为例，建立其热力学模型。之后，建立包含排气热交换器模型和一个热力学传导模型的ORC WHR系统模型。将发动机热力学模型与ORC WHR系统模型集成，并基于该模型，改变ORC WHR系统包括质量、表面积、长度和工作流体在内的各项参数，分析不同ORC WHR系统带来的燃油消耗减少和所引发排气背压造成的燃油消耗增加。分析结果表明：①使用ORC WHR系统能够对汽车的动力性和燃油经济性同时带来消极和积极影响；②增加ORC WHR系统中热交换器的表面积，将得到较高的排气余热回收量，相应地，排气背压和ORC WHR系统质量也出现增加。因而认为，热交换器质量的约束是限制ORC WHR系统设计的主要参数；③考虑燃油消耗的影响，减少ORC WHR系统10%的功率质量比，将带来42.5%的燃油消耗改善；④选择合适的工作流体十分重要，不仅能改善ORC WHR系统效率，而且能够实现热交换器的紧凑设计。

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

编译：张振伟