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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

電子設(shè)計(jì) ? 來源:電子設(shè)計(jì) ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2020-10-12 01:57 ? 次閱讀
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來源: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^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。任何能量E均由火用和火無兩部分所組成,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Α⒊杀竞铜h(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

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