柴油机有机朗肯循环余热回收系统的动态效应

车辆在道路运行过程中,其发动机基本处于动态变工况运行状态,排气流量和温度呈现出强烈的瞬变特征,揭示有机朗肯循环余热回收系统在瞬变热源条件下的动态效应是其实现车用化的关键.基于柴油机有机朗肯循环余热回收系统的试验平台和仿真平台,首先讨论了有机朗肯循环系统在小时间尺度上的瞬态响应特征.研究发现,蒸发器的传热惯性是有机朗肯循环系统阶跃响应的主导特征,可用1阶惯性方程建模,同时受到相变边界移动、蒸发压力与温度耦合作用的影响.其次,研究了有机朗肯循环系统在大时间尺度上的道路运行特征,从宏观层面揭示了有机朗肯循环系统的综合能效与循环工况的关联关系.结果表明,循环工况的平均车速越高,怠速次数越少,则朗肯循环系统的有效做功时间越多,且蒸发压力和蒸气温度的控制效果越好,进而系统的综合能效就越高.

柴油机有机朗肯循环余热回收系统的耦合效应

在基于GT-SUITE的重型柴油机-有机朗肯循环-冷却系统的仿真平台上,首先讨论了朗肯循环系统发电功率与冷却系统散热功率之间的盈亏关系.试验发现:随着朗肯循环系统发电功率的增加,为了维持其冷源温度,冷却系统散热功耗也迅速增长,系统存在盈亏平衡点和净功率峰值点.其次,研究了冷凝压力控制目标的调节对盈亏关系的调控规律.结果表明:冷凝压力的控制目标应随着发动机转速和负荷的增加而升高,从而增大散热温差,抑制冷却系统散热功率的过快增长.最后,分析了冷却系统的功耗特性,定义了有机朗肯循环放热过程的等效能效比,探讨了优化等效能效比对净输出功率的拓展作用,从宏观趋势上预测了系统净功率输出提高的方向、可能性和潜力.

柴油机朗肯循环余热回收系统的效率预测模型

有机朗肯循环(ORC)技术可以有效回收重型车用柴油机的排气热能。但在道路运行过程中,其排气热源不稳定,冷源的维持也需要消耗能量,使得蒸发压力和冷凝压力的在线优化与控制实施均存在严峻挑战。为此,建立了ORC余热回收系统的效率预测模型,以ORC系统的热力学第一定律模型为基础,抓住蒸发器阶跃响应的宏观特征,提出了有效换热量的动态修正模型,以及工况模式切换的预判因子,并采用简化机理和数据建模相结合的方法,建立了冷凝器散热功耗的经验模型;提出了基于效率预测模型的ORC余热回收系统优化控制架构及策略。道路仿真结果表明了效率模型和优化算法的有效性:ORC系统的有效做功时间达到94%,蒸汽过热度控制在5~15 K之间,冷凝器散热功耗与发电功率的比值维持在20%以下。