第5期（总第226期） 2016年10月
车用发动机 VEHICLEENGINE
No 5(Serial No 226)
Oct2016
基于双有机朗肯循环的CNG发动机余热回收
系统参数优化及工质选择崔雁清"，尤琦，汤传琦"，杨富斌12，张红光1-
(1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124；2.北京电动车辆协同创新中心，北京100124）
摘要：为了充分利用CNG发动机的余热能量，根据CNG发动机的余热能分布特性设计了双有机朗肯循环系统，用来回收CNG发动机的排气能量、进气中冷能量以及冷却系统具有的能量。该双有机朗肯循环系统包括高温循环和低温循环，高温循环采用R245fa作为工质，用于回收CNG发动机排气能量；低温循环分别采用R245fa R1234ze和R1234yf作为工质，用于回收进气中冷能量、高温循环冷凝过程中释放的能量以及发动机冷却系统的能量。在CNG发动机标定工况下，对双有机朗肯循环系统的参数敏感度进行了分析。结果表明：较高的高温循环蒸发压力和低温循环蒸发温度，较低的高温循环冷凝温度和低温循环冷凝温度可以提升双ORC系统的净输出功率和热效率；高、低温循环均选择R245fa的方案可以使系统具有较优的热力学性能。
关键词：天然气发动机；有机朗肯循环系统；余热回收；参数优化
DOI: 10 3969 /j issn 1001-2222 2016 05 012 中图分类号：TK406文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2016)05-0061-08
随着汽车工业的快速发展，汽车保有量越来越
大，汽车所消耗的能源也随之增加。从自前车用内燃机的热平衡来看，用于动力输出的能量一般只占燃料燃烧总能量的30%左右，这不仅会造成能源的浪费，其排出的燃烧产物还会对环境产生严重的污染。因此：开展针对传统内燃机的余热利用研究是提高内燃机的总能利用率以及减少污染物排放的有效途径2-4]。有机朗肯循环（OrganicRankineCy-cle，ORC)技术被认为是实现低品位能量回收的有效途径之一，并且在内燃机余热回收领域得到了广泛的研究与应用5-汀。
简单ORC系统仅能用于回收单一余热源能量，因此其净输出功率通常较低。双有机朗肯循环系统由于其结构上的优势，能够实现余热能量的梯级利用8-9]。运行参数的设置和有机工质的选择对 ORC系统的性能有着重要影响,尤其是对于双有机朗肯循环系统，其涉及到的运行参数更多，并且高、低温循环可以选取不同的有机工质10-1，因此，有必要从这两方面对双有机朗肯循环系统的性能进行分析。
本研究针对1台车用CNG发动机在标定工况收稿日期：2016-04-18；修回日期：2016-06-09
点的余热能分布特性，设计了双有机朗肯循环系统用于回收CNG发动机排气能量、进气中冷能量及冷却液能量，分析了双有机朗肯循环系统主要运行参数和工质选择对系统性能的影响。
1双有机朗肯循环系统工作原理
图1示出车用CNG发动机双有机朗肯循环余热回收系统结构。该系统主要由高温循环和低温循环两部分组成，高温循环用于回收CNG发动机排气能量，低温循环用于回收进气中冷能量、高温循环冷凝过程中释放的能量以及冷却系统具有的能量。
高温循环中，工质泵将有机工质加压后送入蒸发器，有机工质在蒸发器中吸收CNG发动机排气能量后变为蒸气状态。随后，工质蒸气进入膨胀机并推动膨胀机做功，做功后的之气在热交换器中与低温循环工质换热后变为饱和液体，最后回到储液罐中。低温循环中，有机工质经工质泵加压后首先被送到中冷器中，在吸收CNG发动机进气能量后变为对冷状态。随后，在热交换器中吸热后变为气液两相状态。之后，在蒸发器中吸收CNG发动机冷却液能量后变为饱和蒸气，饱和蒸气推动膨胀机
基金项目：2016年度国家自然科学基金委员会与英国皇家学会合作交流项目（5151101376)；国家自然科学基金(51376011）作者简介：崔雁清（1994一），男，本科，主要研究方向为内燃机余热利用技术；1193240469@qqcom，
通讯作者：张红光（1970一），男，教授，主要研究方向为车用内燃机余热利用技术;xhanghongguang@bjuteducn