混合动力车辆郎肯循环废热回收系统的模拟仿真研究

来源：电源网

斯图加特和俄亥俄州立大学大学的研究人员进行了一项模拟仿真研究，有机郎肯循环余热回收系统能够回收发动机在高速路况下产生热量的10%，而同样的系统运用在轻型插电式混合动力车上则能够节省7%的燃油消耗。

分析研究对象为俄亥俄州立大学的EcoCAR环保汽车，它是一款插电式混合动力车，作为初步研究燃油经济性的原型。首先验证插电式混合动力车仿真模型，研究人员进行了多次分析，用来减少模拟试验中的误差，以确定发动机预热回收系统的作用效率，试验中需要综合考虑多种驾驶循环并且保证该车处于电动模式下。

下一步，他们为EcoCAR原型车设计了一个经过优化的郎肯循环的准静态热力学模型。仿真研究分别评估在模拟的城市路况和高速路况下，郎肯循环废热回收系统能够回收多少能量。

内燃机的工作效率在过去几十年内已经被多次优化，特别是在采用了汽油直喷技术、电气化、精简化以及涡轮增压技术之后。发展到目前为止，再开发新的发动机技术变得非常困难，那么如何才能进一步节省燃油消耗率呢?

众所周知，内燃机中燃油燃烧后有35%的能量都通过废气排除舱外。因此，在不大幅度改变发动机结构的前提下，回收一定比例的废气能量并将它转换成机械能则是提高燃油经济性和减少二氧化碳排放的有效解决方案。

理论上有许多方法能够回收发动机余热，然而有机郎肯循环则是最有效的回收内燃机余热的方法，无论是传统发动机还是混合动力车中的发动机。

早前的研究表明只要成本和排热率能够平衡，采用郎肯循环能够回收发动机余热中10%的能量。

利用有机郎肯循环的EcoCAR原型车采用增压型1.8升乙醇发动机，加上一个82千瓦电动机/发电机，并采用双离合系统，此外还配备一个后置电动机。通过这种架构，车辆能够在并联合串联模式下行驶，纯电动模式下能够行驶40英里。

通过实验，发现这两原型车在新欧洲行驶循环下平均能量损失为3.9千瓦，在保持使用27千瓦功率的情况下保持65英里/时的恒定速度。但是，他们指出，这个值并不能代表郎肯循环可回收的能量，与废气能量相关的火用能要低得多。

所谓火用，当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量，称之为火用。因为只有可逆过程才有可能进行最完全的转换，所以可以认为火用是在给定的环境条件下，在可逆过程中，理论上所能作出的最大有用功或消耗的最小有用功。与此相对应，一切不能转换为火用的能量，称之为火无。任何能量E均由火用和火无两部分所组成，即E=Ex An。

在实际的新欧洲行驶循环测试下实际能量损耗率为1.5千瓦，在高速路况下为13千瓦。这些数值代表废热回收系统将废气进行转换成机械能的上限。

有许多工作条件下，特别是在郊外和高速路况下行驶时，特别适合在排气系统中采用废热回收系统。

郎肯循环中包含蒸发器、冷凝器、水泵和汽轮机，利用R−245fa冷凝剂作为工作液。在经过50种不同工作液的评估选取后，最终确定采用R−245fa。因为它能够将压力、成本和环境因素保持在一个平衡的水平。

他们发现在新欧洲行驶循环下，有机郎肯循环系统能够回收排放废气中1.7%的能量。在发动机转速和扭矩较低的情况下，该系统的能量转换率则降低。在稳定的高速路况下(65英里/时)，仿真结果表明有机郎肯循环能够回收废气能量中的2.7%，并将其储存在电池中。

结果中还发现郎肯循环废热回收系统的重量在几乎不会影响到车辆的能耗数据，特别是在高速行驶的情况下。

仿真结果表明有机郎肯循环回收并转换的能量可以在高速路况下给电动车提供1.9千瓦的功率，相当于普通汽车中节省了7%的燃油消耗率。

综上，研究中的仿真实验表明了有机朗肯循环废热回收系统搭载于发动机上能够有效的将发动机废热回收并将其能量转换成机械能，能够提高混动车和插电式混动车在高速路况下的等同燃效。

审核编辑 黄昊宇