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原文传递重载卡车内燃机余热回收有机朗肯循环系统设计及实验研究

论文题名：	重载卡车内燃机余热回收有机朗肯循环系统设计及实验研究
关键词：	重载卡车;余热回收;全局面工况;系统设计;样机搭建
摘要：	内燃机作为主要动力装备，其节能减排对缓解能源紧缺和环境保护问题有重大意义。基于有机朗肯循环的内燃机余热回收系统作为提升内燃机总能效的一种关键技术手段,可有效回收内燃机余热能并将其转化为有用功。而当应用于重载卡车领域时，如何满足余热回收系统对内燃机不同工况的较强适应性以及如何满足其自身的集成化和小型化是该技术上车应用所面临的两大挑战。本文以重载卡车内燃机为研究对象，开展了提高余热回收系统全局面工况适应性的综合设计方法研究，并以该方法为指导，设计并搭建了集成化余热回收系统实验样机。　　基于重载卡车内燃机复杂多变余热特性的余热回收系统设计，本文提出了一种基于OFF-DESIGN（非设计）的车载余热回收有机朗肯循环系统综合设计方法，该方法以选取系统最佳设计工况和最佳形式换热器组合为目标，分为系统设计与优化阶段、非设计工况性能评估阶段、全局综合性能评估阶段等三个不同阶段，可以在系统设计阶段同时将部件结构、重量、压降等因素的影响和系统的非设计性能影响考虑在内，有利于实现余热回收系统的集成轻量化设计以及对热源波动的强鲁棒性。对于将综合设计方法在指定目标发动机上的案例实施，本文利用全局综合性能评估模型对余热回收系统在目标发动机全局面工况下进行综合性能评估，通过对最佳换热器选型和最佳设计工况范围选择的分析可得针对目标发动机，余热回收系统最佳换热器可选择PFS组合，最佳设计工况可在发动机中等负荷工况、发生概率较高的范围内选取,为后续的实验系统设计和搭建提供理论指导。另外通过对综合设计方法与额定工况设计方法的对比分析，结果表明，综合设计方法具有更强的工况适应性，相比于额定工况设计方法其工况适应性提升51.5%，同时综合设计方法设计的系统在可行非设计工况下的综合能量利用率更高，较额定工况设计方法平均高出13.7%。　　对于集成化实验样机的设计与搭建，本文以综合设计方法为指导，对实验样机的最佳设计工况和各换热器形式进行了优化选择，并对实验样机进行了合理的结构布置，最终完成集成化实验样机的整体搭建，完成后整体实验样机的尺寸为80cm×75cm×62cm，重量控制在200kg左右，具有一定的小型化优势和上车应用的潜力。通过对实验样机以及系统主要部件包括工质泵、膨胀机及各换热器等的运行可靠性实验，证明蒸发器由于自身结构原因，烟气侧换热量总是大于工质侧换热量，平均差值为6.5kW，平均热损失约为18%，除此之外实验样机整体都具有较好的稳定性和可靠性能。通过发动机不同负荷工况下系统性能实验可得出结论，膨胀机的实际轴效率受发动机工况影响不大，始终维持在36%左右的较低水平，而系统热效率随发动机负荷增大逐渐增大，最后维持在6%左右。通过发动机固定负荷工况下系统性能实验可得出结论，系统过热度的增大对膨胀机实际轴效率的提升有积极作用，对系统热效率的提升影响较小，随着过热度的增大，系统净输出功呈先增大后减小的变化趋势，对系统净输出功来讲，最佳过热度在10-25℃范围内选取，而膨胀机最佳转速可在1100-1500rpm范围内选取。通过对系统最大输出功性能实验可得出结论，在发动机转速1350rpm、扭矩650Nm工况下，工质流量0.1716kg/s，蒸发压力1.32MPa，膨胀机运行转速为1456rpm时，对应的最大输出功率为2.64kW，在该工况下余热回收系统可有效提高发动机相对热效率3.79%，同时提高发动机燃油经济性3.65%。　　实验研究发现最大输出功率与设计最大功率的误差主要是由于蒸发器的热量损失大和膨胀机实际轴效率较低导致的。因此下一步应开展实验样机关键部件的优化研究，一方面对换热损失较大的蒸发器做进一步高强化、高集成的优化设计，另一方面重点研究和开发小型高效的膨胀机。另外要对实验系统进行基于重载卡车车身结构的布置形式研究，进一步探索ORC余热回收系统上车应用的可行性。
作者：	石晓磊
专业：	动力机械及工程
导师：	舒歌群
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2021