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摘要
在典型的天然气发动机中,仅有35%～45%的燃料能量被曲轴转化为有用功对外输出,剩余的能量则作为废热被排放到大气中,造成了巨大的能量浪费与环境污染。国Ⅵ天然气发动机采用当量比燃烧技术导致排气温度高,热负荷大,引起了一系列可靠性差、冷却系统设计困难等问题。因此,回收利用天然气发动机余热能量不仅能降低发动机高温过热引起的可靠性问题,也是实现汽车节能,降低CO2排放的有效途径。为充分利用发动机各部分余热能量,本文对国Ⅵ天然气发动机朗肯循环余热回收系统展开了研究。本文以YC6K13N-50型国Ⅵ天然气发动机为研究对象,开展热平衡试验,研究了发动机余热能量的分布规律和回收潜力,为后续朗肯循环系统的设计与选择提供了依据。针对国Ⅵ天然气发动机多品味、温差梯度大的余热特性,提出了一种双级有机朗肯循环系统,该系统包括高温循环和低温循环:其中高温循环采用高效、稳定、不易分解的水依次回收排气余热、EGR废气余热;低温循环采用热力学性能较优的有机工质依次回收冷却水余热、高温循环冷凝热负荷,以实现多种余热的高效回收利用。根据热力学第一定律和热力学第二定律,建立了系统的热力学模型,并对模型进行了验证。选取发动机额定工况作为系统设计始点,分析了不同工质、循环模式、系统操作参数（高温循环蒸发温度、高温循环膨胀机进口温度、低温循环蒸发压力）对系统性能的影响规律。分析结果表明,对于每种给定的工质和循环模式,都存在一个最优操作参数使朗肯循环系统净输出功最大。低温循环采用亚临界循环比采用跨临界循环的净输出功要高。在亚临界循环工质组合中,R123在最优操作参数下的净输出功最高,其次是R1233zd、R601a、R245fa、R600、R600a;在跨临界循环工质组合中,R32在最优操作参数下的净输出功最高,其次是R143a、R404a、R507a、R125a、R218。比较了各工质组合的总净输出功、工质流量、蒸发压力、系统UA值和系统（?）损等评价指标。对比结果表明,低温循环采用R601a和亚临界循环组合时,可以较好兼顾系统性能与经济性。当高温循环采用水和亚临界循环,低温循环采用R601a和亚临界循环,高温循环膨胀机进口温度为735K,蒸发温度为520K时,系统的综合性能最优。此时双级循环的最大净输出功约为74.93k W,高温循环工质水的流量约为0.08kg/s,低温循环工质R601a的流量约为0.82kg/s,系统（?）损约为79.91k W,系统UA值约为68.36k W.K-1。为获取朗肯循环余热回收系统回收能量的最大限度,选取了外特性下五个常用工况点（1000r/min、1200r/min、1400r/min、1700r/min、2100r/min）进行仿真计算。计算结果表明,在全负荷下,随着转速的升高,加装双级有机朗肯循环系统的发动机功率逐渐增加,在接近最高转速时有所下降。当发动机转速为1700r/min时,改装后发动机最大功率约为410k W,功率提升了约22%,热效率由原机38%提高到46.4%。排气、EGR废气出口温度均有明显下降,平均降幅分别约为400K和500K。
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