基于遗传算法的汽油机朗肯循环余热回收系统的优化

为了更加高效利用汽油机排气余热,分析了某款汽油机排气余热回收潜力,建立了基于蒸发器和活塞式膨胀机的汽油机-朗肯循环联合余热回收系统模型。利用遗传算法,同时考虑膨胀机输出功、排气利用率、蒸发器效率和膨胀机绝热效率,以膨胀机输出功和系统总效率为优化目标,以蒸发压力和膨胀机转速为优化变量,对汽油机4个工况下朗肯循环系统的最佳运行参数进行了研究。结果表明,在整个发动机转速范围内,排气最大可利用效率均高于46%,转速越高则排气品质越高。在不同工况下存在最优的膨胀机转速和蒸发压力。经过优化,在选取的4个工况下,功率提高率均在6%以上,最高达到7.08%。     

基于斯特林循环的汽油机尾气余热回收系统设计与试验研究

建立了基于斯特林循环的汽油机尾气余热回收的试验及数据采集系统以提高汽油机能量利用率。针对2.0DCVVT汽油机某一常用转速下,低、中、高负荷下进行试验,确定了斯特林机转速与输出电压及转速与负载电阻之间的线性关系,便于循环系统工作过程中负载电阻的选取及斯特林机转速的控制。试验结果表明:斯特林机输出功率随着斯特林机转速呈先增大后减小的趋势,斯特林机在工作过程中存在最佳工作转速,且最佳工作转速随着工质压力的升高逐渐增大;在汽油机3 000r/min、90%负荷下,工质压力为1.4MPa时斯特林机输出功率最大达到254W;对应斯特林机转速为810r/min,汽油机尾气排气温度由720℃降为415℃,系统回收功率相当于汽油机功率的0.62%,而在30%负荷时回收功率可以达到汽油机功率的1.03%。     

汽油机与斯特林联合循环系统性能分析

依据2.0DCVVT汽油机全负荷的试验数据,对不同转速下尾气能量的数量及品质进行分析和评价。结合排气温度及可用能特点,建立了斯特林机与汽油机联合循环模型。采用二阶简单分析法对汽油机与斯特林联合循环工作过程进行建模及仿真,分析了汽油机的转速、排气温度,斯特林发动机的转速、压力等参数对斯特林机的回收功率及联合循环输出功率的影响规律。针对汽油机3000r/min,30%、60%、90%负荷工况下进行联合循环试验,得到一定工作压力下斯特林机最佳工作转速,联合循环系统总功率提高了0.210~0.254kW,相当于汽油机功率的0.6%~1.37%,尾气经过回收利用后排气温度大幅度降低,改善了排气情况。     

柴油机不同主机工况下水蒸气朗肯循环和有机工质朗肯循环性能对比

为了充分利用柴油机的余热能量,根据余热分布特性设计了水蒸气朗肯循环系统和有机工质朗肯循环系统,用来回收柴油机排气能量、进气中空气冷却能量以及冷却系统的能量,并利用Aspen Plus软件对这两种循环系统进行流程模拟,比较水蒸气朗肯循环系统和有机工质朗肯循环系统在不同的柴油机主机工况下,这三种指标的变化曲线。结果表明这两种循环系统的净输出功率、热效率、热回收效率都随着柴油机主机工况的增大而增大;在相同的柴油机主机工况下,有机工质朗肯循环系统的净输出功率、热回收效率大于水蒸气朗肯循环系统,而有机工质朗肯循环系统热效率小于水蒸气朗肯循环系统。     

某柴油机排气能量热力学计算分析

根据热力学第一定律和热力学第二定律对某柴油机排气能量进行计算分析。随着转速和负荷的增加,排气能量不断增大,在标定工况排气能量功率达到最大值为176.40 k W,而最大扭矩工况时排气能量功率约为144.80 k W,同时发动机转速和负荷的增加,排气可用能也不断增加,在标定工况点,可用能功率达到最大值约74.19 k W,而最大扭矩工况点的排气可用能功率约61.46 k W。在全工况范围内,理论上利用排气能量可用能最大可以提高发动机热效率6.8%~11.5%。     

车用柴油机-有机朗肯循环联合系统的设计及分析

针对一台车用柴油机全工况范围内排气能量的变化规律,设计了一套有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)余热回收系统,进而与车用柴油机耦合形成了车用柴油机-有机朗肯循环联合系统。ORC余热回收系统采用非共沸混合工质R416A,以高效回收柴油机的排气能量。采用螺杆膨胀机作为有机朗肯循环系统的动力输出部件,通过试验测试确定螺杆膨胀机的最优工况点(进气压力1.7MPa、膨胀比8、等熵效率0.65),进而设定有机朗肯循环系统的最优运行参数。研究结果表明:加装有机朗肯循环系统后,与原柴油机相比,车用柴油机-有机朗肯循环联合系统的输出功率最大提升了30.6kW,热效率最大提升了10.99%,余热回收效率最高可达10.61%,有效燃油消耗率最大降低了35g/(kW·h)。     

有机朗肯循环系统损实验研究

可再生能源及余热发电是低品位能源一种高效利用模式,有机朗肯循环发电系统比水蒸气发电机组更适用于低温热源发电。设计并搭建了热源功率为100kW的导热油模拟热源的有机朗肯循环发电系统,研究冷热源参数恒定不变、膨胀机转速变化时发电系统主要设备的损失和所占比例。主要结论为:当膨胀机转速增加时,蒸发器、膨胀机和工质泵的损失增大,而冷凝器设备损失减少;定量分析膨胀机转速为3000r/min时,蒸发器损失为51.8%,占有机朗肯循环系统损失的1/2以上,工质泵损失最小,仅为1.8%。     

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.     

总能利用系统中的100kW-ORC发动机

<正> 据荷兰报道:采用有机朗肯循环(ORC)的发动机,是把中等温度和中等功率(最高温度为300℃,功率为500kW)时的热能转变为电能的一种最有效的能量转换装置。这种发动机的转速为3000r/min,功率为100W。朗肯循环的工质是二氯苯,蒸发温度为150～200℃,凝缩温度为80℃以上,从凝缩器放出的热量供暖房加热和其他热源用。在使用超音速二级轴流式涡轮时,综合效率超过13％,而由ORC发动机发出的机械功率和电功率,为市     

内燃机余热驱动的储热式有机朗肯循环试验研究

为了提高尾气余热利用率并削弱热源波动对有机朗肯循环的影响,提出了一种集成相变储热换热器的有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统,利用相变材料削弱尾气余热波动并储存热量。搭建了内燃机尾气余热直接驱动的储热式有机朗肯循环试验台架,开展了内燃机稳态工况和阶跃变工况下储热式有机朗肯循环的热力学性能和动态性能试验研究。结果表明,内燃机稳态工况下尾气平均温度和平均流量为342℃和0.142kg/s,蒸发压力为0.75MPa条件下储热式ORC系统平均输出功率约3.43kW,平均热效率可达到12.7%,平均尾气余热回收率可达40.1%。内燃机阶跃工况下,工质出口温度、蒸发压力和过热度均呈现快速下降的趋势。试验结果还表明储热式ORC具备完全抵御发动机工况小幅波动的能力。在发动机工况阶跃变化比例过大时,储热换热器可以实现对尾气的补热,从而延长储热式ORC的安全工作时间。     

基于有机朗肯循环的低温余热发电系统设计与分析

设计了基于有机朗肯循环的低温余热发电系统,并对其进行详细的分析与研究。实验主要采用涡旋膨胀机与永磁同步发电机,工质采用R600a,实验分析了整个系统的运行特性和有机朗肯循环的性能,研究了永磁同步发电机转速、热源温度、工质泵频率对系统电能、质量流量、热电转换效率的影响,分析了影响有机朗肯循环系统的主要因素。通过数据分析得出低温余热发电系统的热机转换效率为7.2%、最大输出电能为440 W、发电机的最佳转速为2 150 r/min。     

1000t/d石灰窑余热发电系统分析及优化

针对1000t/d石灰窑生产线余热发电系统进行建模分析及优化。计算结果表明:采用传统朗肯循环发电系统,实际发电功率低于900k W,进汽轮机蒸汽最佳压力范围为0.35~0.5MPa,最佳温度范围为190~220℃;采用双工质有机朗肯循环发电系统发电功率大幅度提高,以R123作为有机工质为例,进汽轮机蒸汽最佳压力3.0MPa、蒸汽温度173.3℃,理论最大输出功率1391k W。同时对有机朗肯循环系统中广泛采用的有机工质ORC循环系统进行了对比分析,为活性石灰低温余热的高效利用提供了理论基础。     

全可变液压气门机构对汽油机泵气损失及机械效率的影响

设计一种全可变液压气门机构(fully hydraulic variable valve system,FHVVS),实现气门最大升程、开启持续角和配气相位的连续可变,通过进气门早关方式取代传统节气门来控制发动机的负荷。试验结果表明:与传统节气门汽油机相比,无节气门汽油机可以显著降低中小负荷工况下的平均泵气损失压力,大幅度降低泵气损失、提高机械效率。在小于等于50%负荷工况点,发动机转速为2000 r/min时无节气门汽油机的机械效率可以提高3. 6%～10. 2%,3000 r/min时机械效率可以提高2. 8%～7. 1%。     

车用内燃机变工况下有机朗肯循环系统性能的分析

通过试验和理论研究,得出了一台车用柴油机在全工况范围内可用排气能量的变化规律,据此设计了一套有机朗肯循环余热回收系统,分别采用纯工质R245fa和非共沸混合工质R416A作为系统的工作介质。针对车用柴油机有机朗肯循环联合系统,提出了有用功提升率评价指标。通过数值计算,研究了不同柴油机工况下,有机朗肯循环系统和联合系统工作性能的变化规律,得出了有机工质质量流量与柴油机可用排气能量的对应关系。研究结果表明:随着柴油机转速和转矩的增加,两种工质(纯工质R245fa和非共沸混合工质R416A)的有机朗肯循环系统的净输出功率均逐渐增加,最大值分别为30.39kW和28.03kW;两种工质的车用柴油机有机朗肯循环联合系统的有用功提升率最大分别为9.00%(纯工质R245fa)和9.70%(非共沸混合工质R416A);采用非共沸混合工质R416A的性能优于采用纯工质R245fa。     

4-kW有机朗肯循环系统运行特性实验研究

针对分布式发电系统的多工况运行需求,测试了采用R123工质的4.0 kW级有机朗肯循环实验机组在150℃热源条件下,基于工质流量和膨胀机转速控制的多工况运行特性和输出性能。结果表明：机组在膨胀机转速1 000～1 200 r/min性能最佳,提高工质流量可明显改善机组性能;膨胀机输出功和净功效率随工质流量变化趋势相反,在大流量下获得最大输出功3.7 kW,在小流量下取得最大热效率6.41%。涡旋膨胀机内容积比相对较小,机组在测试工况下均运行于欠膨胀状态,其等熵效率在50.0%～60.0%,随工质流量和膨胀机转速的增大而增大。     

基于气道喷射的汽油机全负荷工况燃油喷射控制策略研究

通过对一台气道喷射式汽油机应用模拟仿真方法,研究了喷油器参数对混合气形成过程的影响;通过试验分析,研究了不同燃油喷射时刻对全负荷工况下动力性与排放的影响。仿真与试验结果表明:喷油器改进设计后,通过对喷油器喷雾角度、安装角度及安装位置的调整,能够形成开阀喷射所需要的均质混合气;通过对燃油喷射时刻的寻优发现,在全负荷工况,转速为1 200~5 600r/min下,存在最佳开阀喷射的喷油结束角(EOI),EOI为420°曲轴转角时,发动机动力性与闭阀喷射相比能够提升了1%~2%,且THC排放保持不变。而转速为6 000r/min时,闭阀喷射的动力性较佳。     

烟气余热驱动复叠式非共沸工质有机朗肯循环系统热力学分析

文章构建了复叠式非共沸工质有机朗肯循环系统模型,并利用该模型对复叠式非共沸工质有机朗肯循环系统的热力学性能进行分析,得到了高温级循环质量流量、低温级循环质量流量、冷却水质量流量、高温级循环净输出功率、低温级循环净输出功率、冷却水泵功耗和系统净输出功率等随工质摩尔组分的变化规律。分析结果表明,高温级循环蒸发泡点温度和高温级蒸发器夹点位置会影响复叠式非共沸工质有机朗肯循环各项性能参数随工质摩尔组分的变化趋势,当高温级循环混合物中环戊烷的摩尔组分为0.8,低温级循环混合物中异丁烷摩尔的组分为0.1时,复叠式非共沸工质有机朗肯循环系统的净输出功率达到最大值,为92.79 kW,比复叠式纯工质有机朗肯循环系统提高了3.83%。     

汽油机动力性能试验设计与多目标优化研究

针对某高速汽油机中低转速工况下动力性能较差的实际问题，分别建立发动机一维模型和三维模型，计算分析导致汽油机在中低转速工况下动力性能差的原因并确定优化参数。在此基础上利用试验设计方法（design of experiment， DOE）分析了多影响因素共同作用对发动机动力性能的影响，随后采用遗传算法对原发动机动力性能进行多目标优化。优化结果显示汽油机在目标转速工况下的转矩和功率都有10%以上的提升，在中低转速工况下的动力性能得到较大提升。最后根据优化结果试制样机并进行台架试验，结果显示在5 000 r/min转速工况下，样机的转矩和功率分别提升29.7%和28.1%，样机相较于原机在中低转速工况下动力性能有较大提升，解决了原发动机在中低转速工况下动力性能较差的实际工程问题。     

深度冷热冲击条件下工程机械用柴油机的可靠性研究

以某型工程机械用柴油机为研究对象,采用深度冷热冲击方法进行了柴油机可靠性试验,测量了零部件磨损情况,考察了柴油机的燃油消耗量、功率、扭矩、活塞漏气量、润滑油消耗等参数的变化规律,分析可靠性试验过程中柴油机最低油耗区的迁移规律。研究结果表明,冷热冲击试验后,柴油机转速为1500r/min时的燃油消耗率上升约5g/k W·h,标定工况点燃油消耗率约上升3g/(k W·h);各工况下柴油机功率和扭矩均有所下降;随着试验时间的延长,各工况下柴油机的活塞漏气量均有所上升,柴油机的润滑油消耗呈先上升再下降,然后逐步缓慢下降的趋势;柴油机的最低油耗区分布在转速1600~2100r/min范围内的中等负荷区域,最低油耗区的覆盖面积缩小。     

有机朗肯循环系统布置及参数优化对低速柴油机余热利用的影响及经济性分析

利用Aspen Plus建立计算模型,分析运行参数及系统布置形式对有机朗肯循环性能的影响,并以净输出功率和系统所需的总换热面积的比值作为经济性指标分析其经济性。结果表明:蒸发温度、蒸发压力和有机工质流量对有机朗肯循环的净输出功率均有一定的影响,其中改变有机工质流量影响最大,蒸发温度次之;综合考虑经济性和净输出功率,柴油机全负荷下系统在蒸发温度160℃、蒸发压力2.5MPa、有机工质流18kg/s时性能最优。工质流量影响最大且易控制,在不同柴油机运行工况下只需改变有机工质流量就可适应负荷变化,负荷越大回收的能量越多,其净输出功率均占柴油机主机功率的8%左右。添加内回热器使系统热效率提高2.65%,效率提高4.5%,再增加一个低温循环,净输出功率可增加94.90kW。