汽车发动机可用能（㶲能）最大化的研究外文翻译资料

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汽车发动机可用能（㶲能）最大化的研究

摘要

从㶲能的角度研究汽车发动机的使用废热应用兰金循环。为了恢复热量高品质能源、散热，控制发动机的排气口换成了一个创新的蒸发设备。用这个引擎,高温高压蒸汽(400度C,8 mpa)可以产生大量的排气损失。此外,高温水(189度)是获得冷却损失。因此,系统从废热回收更多的(㶲能)成立。验证系统,兰金循环系统是安装在混合动力汽车和自动控制系统根据负载改变蒸汽温度和压力变化。车辆检测的结果,热效率从28.9%上升到32.7%(增长13.2%)以100 km / h恒定车速。本文得出兰金循环使用废热在汽车发动机非常有效的(㶲能)最大化。

1.介绍

为了保护环境和节约自然资源,近年来已经有越来越需要减少废气的排放,提高汽车的燃油消耗。作为技术来提高燃油经济性的一个例子,一个混合系统,使用内燃机的最有效的操作范围再生能源汽车减慢时取得了快速的技术进步,混合动力汽车是全世界越来越流行。然而,大约130年后出生的汽油发动机,热效率的增加几乎已经见顶,超过60 - 70%的能量会转化为热丢弃到大气中不被使用。如果技术收集这种浪费能源和高效地转化为动能可以建立,进一步提高燃油经济性会成为可能。

大规模设施,将热能转化为动能,兰金(蒸发)周期[1]被称为一种外部燃烧发动机在稳态操作取得了高效率发电厂(热、核和地热)。规模相对较小,有使用废热发电系统在工厂和一些原型废热回收系统结合引擎[2],但这些技术是有限的固定模式。汽车的发动机负荷变化,全球汽车制造商刚刚宣布启动研究适应使用兰金循环废热回收。然而,还没有报告表明,应用和控制系统实际上是一个实际的车辆,和引擎研究恢复热能,提高质量的热量除了将热能转化为动能。

本文使用兰金循环废热回收的有效性提高汽车燃油经济性的角度验证了热回收以及热量转换为动能与瞬态控制。

2. 汽车能源的实际应用

2.1 有效利用㶲能

(㶲能)(3、4)意味着能源转换成可用的类型,如动力或电能。易于转换成不同类型而言,电力能源的最高质量其次是动能和热能。热机的功能是将热能转换为动能与高质量。因此,从㶲能的角度来看,与少量高温热能源质量高于大量低温时的总热量是一样的,因为它可以更有效地使用具有较高理论热机的效率。

图1显示了一个梯级利用概念图(多步连接)的不同的热引擎。纵轴表示各种引擎分类运行温度有高温,中温和低温,横轴表示热流从高到低的温度。燃料的热能可以有效地利用这总(㶲能)如果多个热引擎,可以在不同的温度区域相连的地方增加操作。汽车发动机的最高温度T1瞬间达到超过2000度,废气动能转换后仍保持高温T2。这个温度几乎等于兰金或英镑的进气温度循环发动机在低温地区。因此,无论哪种类型的引擎可以有效地用于级联与汽车发动机在考虑废热回收系统。兰金循环引擎已广泛应用于电厂和换热器可以小于斯特林发动机,它更适用于汽车、废热回收的船上安装是至关重要的。

图2显示了一个示例常规热平衡的引擎。从排气冷却系统中引擎失去了同样数量的热量。即使冷却损失恢复,也由于低温冷却转换成动能的效率低。然而,如果冷却损失可以恢复使用高温水和更高的(㶲能),这将有助于提高燃油经济。

2.2汽车废热回收系统的技术问题和方法

在郎肯循环应用到汽车废热回收系统,除了减少整个系统的大小,需要考虑以下问题:

1.热回收技术,包括发动机和蒸发器[4]从废热恢复更多的能量,同时保持发动机的性能。

2.转换技术从热动能,组成的系统配置,将能源有效地操作范围宽,郎肯循环的控制系统符合发动机大负荷的变化。

对于第一个问题,热管理引擎的汽缸结合蒸发器(一个蒸汽发生器)原型。这使热流的控制汽缸复苏所需的大量的能源在高温下不允许热量

对于第二个问题,兰金循环系统是安装在车辆上,和一个蒸汽瞬态控制技术开发。扩张器[4]有一个显著的影响整个系统的响应和效率特性。因此,较低的体积膨胀机操作的速度和效率相对平坦的特征选择在一个串联复合高速涡轮机通常用于发电厂。蒸发器是外部安装最小化修改引擎。此外,系统是安装在混合动力汽车使用的输出兰金循环系统作为电力具有良好的可控性。

3散热控制引擎

3.1恢复排气损失

图3显示的配置散热控制引擎和温度分布的计算结果。蒸发器的发展的关键问题是紧凑设计车辆安装以及效率高。增加表面积,人口分层多片鳍片采用传热板。此外,单位与汽缸综合降低热损失和大小。

在图3中，高温废气离开排气阀沿着实线流动,被逐渐冷却蒸发器的热量交换。图3虚线所示,冷却介质(纯水)相反的方向流动的废气,这样可以实现更高的热交换效率。最小化的散热系统,气体通道的弯曲,下游部分冷却气体流量除外。此外,增加传热系数[5]各缸的排气脉动,废气进入蒸发器没有合并到排气口装置,可以保持脉动流。在传统引擎,高温燃烧气体或废气会引起热变形或损坏汽缸头,因此在汽缸内使用冷却水。由于排气口结合汽缸被冷却水冷却,高温热排气口流入气缸盖冷却系统在较低的温度下,这是能量损失的主要原因[6]废气。因此,排气端口(右下角无花果。3和4),发动机的最高温度区域和燃烧室热隔离冷却系统。热回收低温流动介质的一部分通过冷却通道的墙壁排气端口与一个蒸发器的函数。

图5显示了一个比较新的配置生成的蒸汽的数量与排气口与蒸发器冷却和标准汽缸。无论发动机负荷的变化差异产生蒸汽的数量几乎是常数。这种差异与热通量的数量从排气口缸头和证实了热通量是常数无论发动机负载。发动机载荷越小,增加率越大产生的蒸汽,甚至生成蒸汽在低负载(发动机输出功率= 5千瓦)。因此预计新配置的使用可以提高燃油经济性的实际负载较低的练习场。

如图6所示,排气压力影响发动机输出功率较低与批量生产的发动机相比,催化转化器。认为减少废气的密度是由于蒸发器内温度降低和气体通道横截面积的增加和由于蒸发器的长方形的结构导致减少气体的流动速度。

3.2恢复冷却损失

暴露的燃烧室燃烧气体冷却表面保持均匀温度以避免异常燃烧和加热和冷却损失浪费。同时实现冷却和废热回收,像质类型换热器、低温冷却水进入外层的低温水套，所示的三层水套配置开发Figure.7因为温度降低燃烧室的距离增加。水逐渐加热,直到达到最里面的一层,最后冷却燃烧室的墙壁。为了提高传热系数增加表面积和流量,狭窄蜿蜒的流体通道的横截面积对应于设计直径3毫米。此外,以防止损失的恢复热能通过热传导,热水从四个气缸第一合并成一个管没有接触汽缸和出来的引擎。

图8显示了测量数据的气缸盖冷却水流量和出口水温度。气缸壁的温度随水流速降低。面对火花塞的条件下保持座位约140度作为一个标准温度,可以降低水流率0.5 L / min(标准引擎需要3 L / min。至少)和获得高温加热的水189度在1.22 MPa。表面温度的燃烧室被证实是制服,低于标准的发动机,而表示燃油消耗率(ISFC)和废气特点等于这些测量标准引擎。这证实了冷却系统的变化对燃烧没有造成不利影响。

3.3热平衡

图9显示了热平衡以散热控制引擎。测试条件被设定一个引擎的输出15 kW经常用于实际驾驶模式。其中可用的浪费能源(排气损失 冷却损失),57%来自废气高压蒸汽和17%来自冷却高温加热水被恢复为热能损失可转化为动能。结果恢复的的废气热能的一部分冷却损失标准引擎的汽缸和将它转换为高温蒸汽冷却系统没有损失,蒸汽能量超过标准发动机废气的损失可能会生成。作为参考,理论计算的转换(㶲能)的蒸汽和热水获得热能转化为动能使用兰金循环图9显示在右侧。这些结果表明,控制热流在散热控制引擎的汽缸启用有效的从废热回收㶲能的发动机高温蒸汽和热水。

4车辆系统

4.1系统的配置

图10显示的概述兰金循环系统安装在一个试验车辆。从发动机废气的能量恢复高温高压蒸汽的热量转换的蒸发器。这蒸汽旋转一个扩张器,结合发电机,发电是用于混合动力系统。扩张器的蒸汽疲惫转换回水冷凝器。基地车采用的是本田2.0 l发动机流。为了防止热辐射,三层中使用了管道排气港口和排气歧管热隔离高温区域。降低蒸发器的大小,结合的催化剂,直接设置在排气歧管。扩张器采用了体积轴向活塞式,并与发电机集成。

如图11所示,兰金循环系统是安装在机舱。混合动力系统使用发电机电机位于后方。电能从郎肯循环系统和能源再生减速存储期间,和运动帮助时用来驱动车辆加速度。

每个系统的性能分析元素特别关注低收入到中等负荷区(发动机输出功率:5 - 30 kW),这是非常重要的在现实世界的燃料消耗。效率从理论的角度来看,这是比有更高的温度和压力的蒸汽膨胀机进口的,但500度的限制和9 MPa的热量和压力阻力考虑每个系统元素。

4.2车辆系统中蒸发器

在实际车辆系统中,蒸发器安装在发动机舱内,因此它应该不大于两倍的体积的大规模生产汽车的催化剂。一般来说,换热器的效率会降低它的大小减少。在这种情况下,蒸发器效率的目标设定在90%,相当于换热器通用。在这里,蒸发器的效率被定义为能量比生成的蒸汽的废气进入蒸发器。为了实现这一目标,使用了两种技术:一个是高度密集的传热管道设计;另一个是与催化剂反应提供热集成。

在低到中等负荷的地区,需要一个大的传热面积达到效率很高,因为废气的温度很低,小数量的热能。图12显示了使用的管子和鳍结构的蒸发器。两个管道反复弯曲180度形成蜿蜒的形状结合起来,折叠鳍片夹在薄板之间插入管道,使传热面积大。

集成的蒸发器催化剂转换器是必要的,以使催化剂床的面积,从而达到大约250度的温度超过催化剂活化(下限),相当于一个批量生产的转换器。图13显示了蒸发器内的温度分布。

水进入到蒸发器的温度增加是由于热交换和在达到饱和温度,蒸发潜热使温度上升停止。当水完全蒸发,变成干蒸汽,温度开始再次上升。作为管道和鳍的温度等于蒸汽管道内的鳍可以用作催化剂床因为鳍在饱和温度成为活化温度下催化剂的温度比蒸汽压力超过4 MPa。总传热系数的优化通过改变翅片的高度在每个部分调整蒸发器内的面积的比值达到饱和温度。这提供了足够的鳍的面积将加热催化剂活化温度。

上述方法使开发的蒸发器的效率超过90%,如图14所示短背的大约1.8倍体积的催化剂用于批量生产的汽车。此外,通过使用支持提高效率验证反应所产生的热催化净化催化剂被用来产生蒸汽。

4.3扩展器

在各种容量扩展器,旋转斜盘轴向活塞式膨胀机是用于研究大小的减少。表1显示了膨胀机的主要规范,和图15显示了一个扩展单元的横截面。

旋转斜盘角度和膨胀率的测定提供的成就高膨胀比和低摩擦。密实度,齿轮油泵和发电机电机单元恢复动能在扩张器单元安装同轴相连。蒸汽从进气口进入由经销商分成圆筒阀。紧凑的扩张器流量低,甚至微小的泄漏和摩擦阀门对效率产生重大影响。泄漏的数量最小化,将蒸汽室前阀,采用浮动阀的配置都施加在阀蒸汽的压力成正比。如图16所示,蒸发器的革命的速度特征线性热蒸汽输入量达到4到10 MPa的压力。这表明压力可控性的革命的速度。

图17显示了膨胀机的热效率蒸汽的热量输入。膨胀机的热效率是决定扩张器的输出输入的数量比蒸汽热量。理论效率取决于国家在进口和扩大的数量比例。在这里讨论的单位是25%,但记录的最大效率实际上是13%,报22.9千瓦蒸汽热量的输入。这是几乎相同的理论之间的关系和实际汽油发动机的效率。进一步提高效率,减少摩擦损失、泄漏损失和热损失是重要的问题。和新扩张器研究也是必需的,例如,增加膨胀率以增加效率理论。

4.4系统郎肯循环的控制

为增加兰金循环系统的总效率,有必要控制蒸汽的温度和压力在膨胀机入口(EXP)的最优值包括在瞬态负载变化。

蒸汽的温度控制是通过调节水量的蒸发器(执行)。当蒸汽的温度降低到饱和温度(304度9 MPa),成为气液多相控制变得不稳定,因为蒸汽的状态量不仅取决于温度和压力。因此,我们决定避免饱和温度区域与气液多相和控制范围内的温度400 - 500度C . 500度之所以被选中是因为它是上限的耐热性而效率高可以达到无论负载变化。

因为蒸汽温度变化的响应的水量供应延迟是由于大型蒸发器的热容单独反馈控制系统不稳定。因此,如图18所示,水供应的数量是由前馈控制、废气能量的计算基于废气温度、注入燃料的发动机转速和数量从引擎获得控制器(FI-ECU),然后乘以蒸发器的效率来确定目标的水供应,加上控制反馈目标和测量蒸汽温度之间的差别。

利用体积膨胀机的特点,体积流量与转速成正比,蒸汽压力控制的革命的速度扩张器。确定目标压力随着供水最大化扩展器输出在不同负载和旨在控制在plusmn;1 MPa。

图19显示了蒸汽压力控制的算法。革命的速度扩张器是由改变发电机(创)电子负载,使用前馈控制的结合,目标值的蒸汽压力和膨胀机转速计算了一定量的水供应,和反馈控制,目标和测量蒸汽压力之间的差异做出反馈。前馈控制是基于关系的供水、蒸汽温度和膨胀机速度,如图20所示。

5车辆测试的结果

5.1可控制性的蒸汽

图21显示了驾驶考试的结果在EPA公路燃油经济性测试模式。这是证实该系统有效控制目标范围内的蒸汽的温度400 - 500度无论车辆速度变化。蒸汽压力也控制在目标范围内的7 MPa在这种模式下,发动机的负荷是比较高。图22显示了驾驶考试的结果在日本10 - 15模式。虽然发动机负荷很低在这种模式下,蒸汽温度是有效控制在目标范围内的400 - 500度c .蒸汽压力也控制最优压

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