柴油機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)及能效優(yōu)化策略.pdf

1、朗肯循環(huán)技術(shù)作為回收內(nèi)燃機(jī)余熱能的一種有效手段，受到內(nèi)燃機(jī)研究領(lǐng)域的高度重視。朗肯循環(huán)系統(tǒng)由于自身存在多模式強(qiáng)動(dòng)態(tài)特征，如何在發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜變工況條件下發(fā)揮其節(jié)油潛力，是這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用所面臨的重要問題。本文以重型車用柴油機(jī)為對(duì)象，深入揭示了朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)能源網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)效應(yīng)和耦合效應(yīng)，建立了面向控制的朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率模型，從全歷程總能效率優(yōu)化角度開展了控制策略的研究。研究工作旨在為朗肯循環(huán)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)模型和控制思路。<

2、br>　　首先，建立了用于朗肯循環(huán)系統(tǒng)總能分析的全歷程試驗(yàn)平臺(tái)和仿真平臺(tái)。解決了4萬轉(zhuǎn)高速透平機(jī)與發(fā)電機(jī)的共軸集成設(shè)計(jì)問題，研制了10kW透平膨脹機(jī)-發(fā)電機(jī)功能樣件，選配了工質(zhì)泵、蒸發(fā)器和冷凝器，建立了朗肯循環(huán)系統(tǒng)原理樣件。通過與重型柴油機(jī)的集成，建成了完整的柴油機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)原理性樣機(jī)平臺(tái)。以全歷程能耗仿真分析為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)蒸發(fā)器詳細(xì)機(jī)理動(dòng)態(tài)建模，膨脹機(jī)簡(jiǎn)化機(jī)理動(dòng)態(tài)建模，工質(zhì)泵簡(jiǎn)化機(jī)理均值建模，冷卻能耗簡(jiǎn)化機(jī)理與數(shù)據(jù)建模相結(jié)

3、合等多種建模手段，并結(jié)合柴油機(jī)性能建模、以及司機(jī)和道路工況建模，建立了由朗肯循環(huán)系統(tǒng)、重型柴油機(jī)、重型車輛等構(gòu)成的內(nèi)燃機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收綜合能效分析的全歷程動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)。
　　其次，在原理性樣機(jī)平臺(tái)上研究揭示了朗肯循環(huán)系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)動(dòng)態(tài)變工況條件下的效率特征。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工況波動(dòng)越頻繁，朗肯循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)油效果越差。這種強(qiáng)烈動(dòng)態(tài)效應(yīng)的根源在于朗肯循環(huán)系統(tǒng)的有效做功時(shí)間，以及蒸發(fā)壓力和蒸汽溫度的控制效果與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的波動(dòng)程度直

4、接相關(guān)。在仿真平臺(tái)上，對(duì)比研究了在天津城郊工況、HWFET工況和HD-UDDS工況等三種循環(huán)工況下，朗肯循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)和綜合能效特征。結(jié)果表明：由于動(dòng)態(tài)效應(yīng)的存在，車輛循環(huán)工況變化的頻繁程度對(duì)朗肯循環(huán)-發(fā)動(dòng)機(jī)的總能效率有著顯著的影響。循環(huán)工況的平均車速越高，怠速次數(shù)越少，則朗肯循環(huán)系統(tǒng)的有效做功時(shí)間越多，且蒸發(fā)壓力和蒸汽溫度的控制效果越好，進(jìn)而系統(tǒng)總能效率就越高。反之，則總能效率惡化嚴(yán)重。
　　再次，在原理性樣機(jī)平臺(tái)上研究了朗

5、肯循環(huán)系統(tǒng)冷凝器散熱功耗對(duì)總能效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由于冷凝器的散熱功率來自于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，因此在變工況過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)與朗肯循環(huán)系統(tǒng)之間存在強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)。隨著朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電功率的增加，為了維持其冷源溫度，冷卻系統(tǒng)散熱功耗也迅速增長(zhǎng)。因此，朗肯循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電回收功率和冷凝器散熱消耗功率之間存在盈虧平衡點(diǎn)。越過盈虧平衡點(diǎn)之后，如果再繼續(xù)增加朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電回收功率，則冷凝器散熱消耗功率將超過回收發(fā)電功率，使總能效率為負(fù)。在仿真分析平臺(tái)

6、上系統(tǒng)研究了盈虧平衡點(diǎn)的主要影響因素及其調(diào)控方法。研究表明，盈虧平衡點(diǎn)主要受到冷凝壓力和冷卻水溫度的控制，而系統(tǒng)的最大凈功率主要受到散熱能效比、蒸發(fā)器夾點(diǎn)溫度、以及工質(zhì)選擇的影響。冷凝壓力的控制目標(biāo)應(yīng)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的升高而升高，并且在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)冷卻水溫的控制目標(biāo)，可以同時(shí)避開冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇的高功耗區(qū)，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)總功耗最低。
　　為了建立面向總能效率優(yōu)化控制的效率模型，本文以朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律模型為基礎(chǔ)，提

7、出了蒸發(fā)器動(dòng)態(tài)換熱量的修正模型以及模式切換的工況判定因子，用于描述朗肯循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)；并采用簡(jiǎn)化機(jī)理和數(shù)據(jù)建模相結(jié)合的方法，建立了冷凝器散熱功耗的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以描述朗肯循環(huán)系統(tǒng)的耦合效應(yīng)。采用ESC工況驗(yàn)證了所建立的效率模型與詳細(xì)仿真模型具有較好的逼近程度，絕對(duì)偏差在0.2％以下。
　　最后，提出了面向內(nèi)燃機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)總能效率優(yōu)化的管理-控制遞階模型和能效優(yōu)化策略：在管理中，以蒸發(fā)壓力和冷凝壓力為決策變量，以總能效率為

8、優(yōu)化目標(biāo)；針對(duì)蒸發(fā)壓力響應(yīng)速度快，冷凝壓力響應(yīng)速度慢的特點(diǎn)，將二元優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單變量序列優(yōu)化問題，極大降低了尋優(yōu)計(jì)算的復(fù)雜度。以蒸汽過熱度為參考變量，在目標(biāo)函數(shù)中，引入工況模式的懲罰因子(RC,3)PSH，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量突然不足時(shí)，降低蒸發(fā)壓力維持蒸汽過熱度，避免朗肯循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模型；在控制中采用模型前饋和主動(dòng)擾動(dòng)觀測(cè)的控制方法進(jìn)行隨動(dòng)控制。仿真驗(yàn)證表明：采用所提出的控制模型，朗肯循環(huán)系統(tǒng)的有效做功時(shí)間提高到94%，蒸汽過熱度控