混合動(dòng)力車輛郎肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)的模擬仿真研究

來(lái)源：電源網(wǎng)

斯圖加特和俄亥俄州立大學(xué)大學(xué)的研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)模擬仿真研究，有機(jī)郎肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)能夠回收發(fā)動(dòng)機(jī)在高速路況下產(chǎn)生熱量的10%，而同樣的系統(tǒng)運(yùn)用在輕型插電式混合動(dòng)力車上則能夠節(jié)省7%的燃油消耗。

分析研究對(duì)象為俄亥俄州立大學(xué)的EcoCAR環(huán)保汽車，它是一款插電式混合動(dòng)力車，作為初步研究燃油經(jīng)濟(jì)性的原型。首先驗(yàn)證插電式混合動(dòng)力車仿真模型，研究人員進(jìn)行了多次分析，用來(lái)減少模擬試驗(yàn)中的誤差，以確定發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱回收系統(tǒng)的作用效率，試驗(yàn)中需要綜合考慮多種駕駛循環(huán)并且保證該車處于電動(dòng)模式下。

下一步，他們?yōu)镋coCAR原型車設(shè)計(jì)了一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化的郎肯循環(huán)的準(zhǔn)靜態(tài)熱力學(xué)模型。仿真研究分別評(píng)估在模擬的城市路況和高速路況下，郎肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)能夠回收多少能量。

內(nèi)燃機(jī)的工作效率在過(guò)去幾十年內(nèi)已經(jīng)被多次優(yōu)化，特別是在采用了汽油直噴技術(shù)、電氣化、精簡(jiǎn)化以及渦輪增壓技術(shù)之后。發(fā)展到目前為止，再開(kāi)發(fā)新的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)變得非常困難，那么如何才能進(jìn)一步節(jié)省燃油消耗率呢?

眾所周知，內(nèi)燃機(jī)中燃油燃燒后有35%的能量都通過(guò)廢氣排除艙外。因此，在不大幅度改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，回收一定比例的廢氣能量并將它轉(zhuǎn)換成機(jī)械能則是提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少二氧化碳排放的有效解決方案。

理論上有許多方法能夠回收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，然而有機(jī)郎肯循環(huán)則是最有效的回收內(nèi)燃機(jī)余熱的方法，無(wú)論是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)還是混合動(dòng)力車中的發(fā)動(dòng)機(jī)。

早前的研究表明只要成本和排熱率能夠平衡，采用郎肯循環(huán)能夠回收發(fā)動(dòng)機(jī)余熱中10%的能量。

利用有機(jī)郎肯循環(huán)的EcoCAR原型車采用增壓型1.8升乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)，加上一個(gè)82千瓦電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，并采用雙離合系統(tǒng)，此外還配備一個(gè)后置電動(dòng)機(jī)。通過(guò)這種架構(gòu)，車輛能夠在并聯(lián)合串聯(lián)模式下行駛，純電動(dòng)模式下能夠行駛40英里。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這兩原型車在新歐洲行駛循環(huán)下平均能量損失為3.9千瓦，在保持使用27千瓦功率的情況下保持65英里/時(shí)的恒定速度。但是，他們指出，這個(gè)值并不能代表郎肯循環(huán)可回收的能量，與廢氣能量相關(guān)的火用能要低得多。

所謂火用，當(dāng)系統(tǒng)由一任意狀態(tài)可逆地變化到與給定環(huán)境相平衡的狀態(tài)時(shí)，理論上可以無(wú)限轉(zhuǎn)換為任何其他能量形式的那部分能量，稱之為火用。因?yàn)橹挥锌赡孢^(guò)程才有可能進(jìn)行最完全的轉(zhuǎn)換，所以可以認(rèn)為火用是在給定的環(huán)境條件下，在可逆過(guò)程中，理論上所能作出的最大有用功或消耗的最小有用功。與此相對(duì)應(yīng)，一切不能轉(zhuǎn)換為火用的能量，稱之為火無(wú)。任何能量E均由火用和火無(wú)兩部分所組成，即E=Ex An。

在實(shí)際的新歐洲行駛循環(huán)測(cè)試下實(shí)際能量損耗率為1.5千瓦，在高速路況下為13千瓦。這些數(shù)值代表廢熱回收系統(tǒng)將廢氣進(jìn)行轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的上限。

有許多工作條件下，特別是在郊外和高速路況下行駛時(shí)，特別適合在排氣系統(tǒng)中采用廢熱回收系統(tǒng)。

郎肯循環(huán)中包含蒸發(fā)器、冷凝器、水泵和汽輪機(jī)，利用R?245fa冷凝劑作為工作液。在經(jīng)過(guò)50種不同工作液的評(píng)估選取后，最終確定采用R?245fa。因?yàn)樗軌驅(qū)毫?、成本和環(huán)境因素保持在一個(gè)平衡的水平。

他們發(fā)現(xiàn)在新歐洲行駛循環(huán)下，有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)能夠回收排放廢氣中1.7%的能量。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩較低的情況下，該系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換率則降低。在穩(wěn)定的高速路況下(65英里/時(shí))，仿真結(jié)果表明有機(jī)郎肯循環(huán)能夠回收廢氣能量中的2.7%，并將其儲(chǔ)存在電池中。

結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)郎肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)的重量在幾乎不會(huì)影響到車輛的能耗數(shù)據(jù)，特別是在高速行駛的情況下。

仿真結(jié)果表明有機(jī)郎肯循環(huán)回收并轉(zhuǎn)換的能量可以在高速路況下給電動(dòng)車提供1.9千瓦的功率，相當(dāng)于普通汽車中節(jié)省了7%的燃油消耗率。

綜上，研究中的仿真實(shí)驗(yàn)表明了有機(jī)朗肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)搭載于發(fā)動(dòng)機(jī)上能夠有效的將發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱回收并將其能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，能夠提高混動(dòng)車和插電式混動(dòng)車在高速路況下的等同燃效。

審核編輯 黃昊宇