基于朗肯循环的发动机尾气余热回收系统功率控制分析

张晓燕

摘 要：发动机尾气余热回收系统可以提高发动机的燃油的经济性和节能性。本文通过一维模拟软件GT-Power对整个朗肯尾气余热回收系统进行模拟计算和功率调节分析，研究各工况下的各输入参数对系统指示功率及膨胀机转速的影响并定量计算各工况下的最佳输入参数组合，确保整体尾气回收系统在发动机各个工况下的安全性以及高效性。

关键词：朗肯循环系统;功率控制;GT-Power;余热回收

1 引言

基于朗肯循环系统的尾气余热回收系统，以水为循环介质，膨胀机作为做功实体，GT-Power作为模拟平台，研究系统内各参数影响特点及实现发动机与尾气余热回收系统的功率匹配，确定该朗肯系统在发动机各工况下的最佳工作方案。

2 余热回收系统性能参数分析

2.1 初态温度分析

朗肯系统和发动机的匹配，首先需对该系统中各参数在不同工况下进行分析研究。朗肯循环系统在不同吸收热量和不同初态温度下的指示功率与膨胀机转速比较图如图1所示。横、纵坐标分别为进、出气门的开启时间。黑色点划线及箭头方向为膨胀机转速500-4000r·min-1的工作区域。等高线为各不同气门开启时间下的指示功率。Inlet-Factor与Outlet-Factor均为1。初态温度的升高既可增加气缸压力，又可降低膨胀机转速，该两种影响将对指示功率的增加产生相反作用，而哪种作用更具显著性将由该系统吸收的热量决定。当吸收热量较低时，因降低初态温度，反之则应适量调高温度。

2.2 初态压力分析

与初态温度的影响类似，初态压力对膨胀机指示功率最终影响也将随着吸收热量的不同而变化。当朗肯循环系统吸热分别为2.34kW与6.5kW时，不同初态压力对膨胀机指示功率及转速的影响，不同吸收热量和不同初态压力下对指示功率影响如图2所示。当系统吸收热量较低时，转速对指示功率影响较平均缸压更大，因此指示功率随着初态压力升高而降低，当系统吸收热量较高时，应通过调整系统输入参数，使得初态压力增加，继而指示功率得以提高。

2.3 工作气缸数分析

以汽缸数为变量对指示功率及膨胀机转速产生影响，Inlet-Factor与Outlet-Factor均为1，该系统吸收总热量为50kW。为简化计算，假设在膨胀过程中，气态工质等量均匀的分配给各个工作气缸，每个气缸具有相同配气结构及进、排气门的执行时间。指示功率在做功气缸数为4时达到最大值，当气缸数过低时，流入各个气缸的质流偏高，则系统需要通过调节进、排气门的开闭时间进行功率调节（进出气门均需早开），部分工质将在气门重叠过程中流失，效率降低;当汽缸数过高，流入各个气缸的工质过低，无法实现各个气缸膨胀做功的最大效率。

2.4 进气门修正系数Inlet-Factor分析

膨胀机进气门流量系数直接影响气缸内压力及膨胀机转速大小，并且决定曲轴扭矩。进气门流量修正系数Inlet-Factor的增加将使得膨胀机转速降低。在同一初态温度及压力（p=45bar、T=250℃）下，当进气门流量系数由1.1向0.64降低时，导致气缸充盈度减小且缸内气压峰值远远低于初态压力，做功效率受到影响。在当Inlet-Factor为1附近时，指示效率最高为14.8%。

3 朗肯循环系统与发动机的功率匹配

通过对该朗肯循环系统各参数进行分析之后，将确定其最终模拟规模，通过热交换系统而获得尾气热量处于1.56-50kW之间，初态压力，初态温度，进、排气门开启角度及流量修正系数作为可变因素，膨胀机转速以及相对应的指示功率作为模拟结果进行筛选。该模拟将使用科学试验方法，通过GT-Power中的DOE功能，设置整个朗肯循环系统中各个输入参量为调节目标值，对所建GT模型进行约625次模拟，剔除设定转速以外以及非气态进入缸体两类无效结果，将得到该膨胀机在通过热交换器提供的不同热量值中的最高指示效率。

发动机各个工况下，朗肯循环系统不同吸收热量下的最优指示功及指示功率如图3所示，指示功随着系统吸收热量的增加而呈线性增加，指示功率从1.56至20kW时，增长较快，然后增长较为缓慢。工作汽缸数随着吸收热量的增加而增加，此举将增加系统摩擦损失，从而降低有效功率，并且也增大生产制造成本，因此汽缸数仍将通过后续模拟进行确定。

4 结论

对于每个热能节点都有唯一系统工作状态与之对应，整体朗肯系统在给定发动机工况点下，朗肯系统中初态温度，初态压力决定着循环工质流量。初始温度和初始压力以及进气门流量修正系数对指示功率的作用将随着整体系统吸收热量的变化而改变，且工作气缸数的正确选择也直接决定系统的高效性。

本文对整个朗肯循环系统的功率调整做了理论上的分析和讨论，通过一维模拟软件GT-Power对朗肯系统中的重要变量进行分析研究，最后确定尾气余热回收系统中的朗肯系统最佳参数组合。

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