李凡彬，赵金国

（西京学院 机械工程学院，陕西 西安 710123）

现阶段如何提高燃油效率，实现节能是内燃机领域的一个研究热题。在内燃机效率方面，直喷汽油发动机和高压共轨柴油发动机的引入，这使得提高燃油效率更具挑战性。发动机余热回收研究和利用对汽车工业发展中的节能效果具有重要意义。研究统计在燃料燃烧产生的热量中，发动机输出有功功率约为 25%～35%，排气热约为22%～46%。

本文在已有研究基础上选择水作为工质，因为水的能量质量不高，但流量大热值高。 根据郎肯循环原理，利用蒸发器过热度控制对废热回收系统进行优化，增加了电磁阀控制，用于控制工质泵的转速和蒸发器的压力，提高废热循环效率，为发动机废热回收利用技术提供参考。

1 郎肯循环工作原理

根据理想郎肯循环结构和郎肯循环（-），如图1、图2所示。图2中下标对应图1中的工质状态。

图1 理想郎肯循环

图2 T-S图

发动机余热回收系统的能量转换是通过工质流动和相变来实现的。由于工质是流动的载体，其热工性能、环境性能和整体性能随着不同工质的环境变化都有很大差异，使得非热回收效率也有不同的差异。从不同废热回收系统热源特点出发，选则经济价值好的工质非常必要。所选的工质要能保证三相点最低温度循环环境，避免堵塞或凝结造成的损失，同时还具有安全、环保、较高的化学稳定性和性价比的特性。从发动机工作环境的限制上考虑，临界点参数不宜过低，在冷凝范围条件内，避免低温造成的冷凝困难。

通过研究表明，在不同工质废热回收系统中，热源温度不同所选择循环工质亦不同，且蒸发温度对循环有很大影响，因而选择水可作为热源温度在500 ℃～ 800 ℃之间时的最佳工质。发动机绝大部分余热位于中温区，利用朗肯循环回收低温余热的方法，无需过热处理即可获得可观的输出功率。具有化学性质的有机工质性能不稳定、易分解，是不能在高温高压环境下长期工作的。水作为湿工质具有成本低、环境性好等优点，与其它工质的临界压力、温度、相变焓等物理性质都有所不同。由于水是典型的湿流体，因此选择水作为余热回收系统的循环工质。为了避免后期湿液的液化、冲击和腐蚀，可采用过热控制策略。

2 过热控制原理

液体推进剂气体被绝热压缩后，工作液泵进入蒸发器吸收和蒸发热量。蒸发器中的蒸汽压力随着蒸汽分子数增加而增加，到达一定量便不再增加，此时蒸汽达到饱和状态。饱和压力和饱和温度非相互独立，当温度变化时，压强也随之变化。工质的临界温度即饱和温度，若工质饱和温度过高时，就会由液体变为蒸汽，即为过热蒸汽。

提高朗肯循环效率的有效途径就是以水作为工质，提高蒸发器的出口温度和压力，降低膨胀机出口压力。在湿液体膨胀过程中，为了避免液滴对膨胀叶片的腐蚀和冲击，需要一定的过热度。在蒸发器循环工质过热控制过程中热源发生变化时，余热回收系统的-关系图，如图 3所示。工作液体恒压进入蒸发器吸收热量，温度逐渐升高。当液体达到饱和温度时，由液态变为气态。工作介质继续吸收热量，工作介质变成过热蒸汽，运行状态为1－2－3－4－5－6。此时，如果的出口温度过热，那么Δ＞Δ。若外热源温度较低，蒸发器内的工质不能达到过热，工质液体进入膨胀机，液滴将会腐蚀并冲击膨胀机。由此可见，余热回收系统的效率和稳定运行受蒸发器过热度直接影响。要达到必须的过热度，只有改变工质的饱和压力，并需遵循 1－2－3－4－5'－6'的工作循环状态。

图3 T-S关系曲线

工质泵在余热回收系统中的作用为循环工质的流动提供调节压力，这样它就能进入蒸发器。通过变频器控制普通质量工质泵的转速，充分利用蒸发器的换热面积，提高系统余热换热效率，实现蒸发器过热度的控制策略，防止液滴在扩张的叶片上碰撞。通过建立控制模型对离心泵的分析。离心泵头径按式（1）计算。

式中，离心泵的轴功率P，轴效率，额定流量，工质密度。扬程与泵额定工况下的关系如下：

蒸发器在额定工况下的排放压力为

式中，离心泵入口压力。任意转速下的蒸发器出口压力为

根据=60/计算结果，得到了蒸发器出口压力与频率的关系式为

式中，额定频率对应的；电动机极数；与任何速度对应频率。从而，通过变频器频率改变过热度，充分利用蒸发器的换热面积和热效率，将蒸发器出口过热度控制在额定值，示意框图如图4所示。

图4 过热度控制图

当热源的温度变化引起过热度变化时（即控制参数过热度），从而产生信号偏差。通过过热度控制器调节转速信号输出给泵，实现对电动机的数据控制。当泵工作时所输出流量以一定的速度运行，同时改变工质压力，使工质在蒸发器中保持恒定压力和饱和温度才能达到过热度控制效果，使过热温度控制在预定值。为使蒸发器的过热度恢复到额定水平，提高蒸发器的换热效率，可通过工质泵流量和饱和压力来改变。

3 发动机废热回收系统

经对余热发电技术的研究和分析，提出了后续朗肯循环如何提高发动机余热回收系统的效率。余热回收系统结构如图 5所示。发动机余热发电系统主要部件包括储液箱、膨胀机、蒸发器、冷凝器、电磁阀和工质泵。

图5 余热回收系统的结构

废热回收系统的工作原理：打开电磁阀 d’，工质液从第二储液罐流出，随工质泵进入蒸发器升压吸热转化为高温高压蒸汽。蒸发器将工质加热到干饱和状态，避免气液共存对膨胀机产生腐蚀和冲击。关闭电磁阀e，打开电磁阀c，蒸汽从蒸发器出口回流至第一储液箱。再由控制循环泵来减少流体的流量，增加并保持稳定蒸发器出口蒸汽过热度，有效的保护了膨胀机，避免撞液现象。若出口过热度太高则换热效果差，还会造成浪费热源，需关闭电磁阀c，控制循环泵，恢复工质流量和过热度值。这是因为回流管径小的限制，可利用蒸气压力对第一储液罐增压来减小压差。

在过热度稳定后，蒸汽进入膨胀机驱动发动机做功发电。膨胀机出口的乏气经冷凝器冷却为液体，打开电磁阀a，从第一个储液箱排气。当压力稳定后，打开电磁阀b，冷却后的液体进入第一储液箱，完成一个循环。系统中的液位传感器检测到液体在第二储液箱的为下限或液体在第一储液罐为上限时，由第一储液箱提供液体，首先打开电磁阀 d和 b’，再关闭电磁阀 d’和 b；其次打开电磁阀 a’，关闭电磁阀 c’，将冷凝后的工作液储存在第二储液箱中。实现余热回收发电可根据过热度情况控制电磁阀c的开关即可。

4 结论

通过汽车发动机余热潜能分析，提出了利用发动机作为热源进行余热回收系统的研究。根据发动机废热高温能源的特点，结合郎肯循环原理，废热回收以水作为工质，建立了蒸发器过热度控制模型，优化了余热回收系统蒸发器过热度控制，避免了膨胀机液体碰撞，过热稳定性得到有效控制，提高循环效率，达到延长膨胀机使用寿命，实现废热再回收的目的。