來源：電源網(wǎng)

斯圖加特和俄亥俄州立大學(xué)大學(xué)的研究人員進行了一項模擬仿真研究，有機郎肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)能夠回收發(fā)動機在高速路況下產(chǎn)生熱量的10%，而同樣的系統(tǒng)運用在輕型插電式混合動力車上則能夠節(jié)省7%的燃油消耗。

分析研究對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力車，作為初步研究燃油經(jīng)濟性的原型。首先驗證插電式混合動力車仿真模型，研究人員進行了多次分析，用來減少模擬試驗中的誤差，以確定發(fā)動機預(yù)熱回收系統(tǒng)的作用效率，試驗中需要綜合考慮多種駕駛循環(huán)并且保證該車處于電動模式下。

下一步，他們?yōu)镋coCAR原型車設(shè)計了一個經(jīng)過優(yōu)化的郎肯循環(huán)的準靜態(tài)熱力學(xué)模型。仿真研究分別評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)動機技術(shù)變得非常困難，那么如何才能進一步節(jié)省燃油消耗率呢?

眾所周知，內(nèi)燃機中燃油燃燒后有35%的能量都通過廢氣排除艙外。因此，在不大幅度改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)的前提下，回收一定比例的廢氣能量并將它轉(zhuǎn)換成機械能則是提高燃油經(jīng)濟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)動機余熱，然而有機郎肯循環(huán)則是最有效的回收內(nèi)燃機余熱的方法，無論是傳統(tǒng)發(fā)動機還是混合動力車中的發(fā)動機。

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)動機余熱中10%的能量。

利用有機郎肯循環(huán)的EcoCAR原型車采用增壓型1.8升乙醇發(fā)動機，加上一個82千瓦電動機/發(fā)電機，并采用雙離合系統(tǒng)，此外還配備一個后置電動機。通過這種架構(gòu)，車輛能夠在并聯(lián)合串聯(lián)模式下行駛，純電動模式下能夠行駛40英里。

通過實驗，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/時的恒定速度。但是，他們指出，這個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，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。因為只有可逆過程才有可能進行最完全的轉(zhuǎn)換，所以可以認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。

在實際的新歐洲行駛循環(huán)測試下實際能量損耗率為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)將廢氣進行轉(zhuǎn)換成機械能的上限。

有許多工作條件下，特別是在郊外和高速路況下行駛時，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，利用R?245fa冷凝劑作為工作液。在經(jīng)過50種不同工作液的評估選取后，最終確定采用R?245fa。因為它能夠?qū)毫Α⒊杀竞铜h(huán)境因素保持在一個平衡的水平。

他們發(fā)現(xiàn)在新歐洲行駛循環(huán)下，有機郎肯循環(huán)系統(tǒng)能夠回收排放廢氣中1.7%的能量。在發(fā)動機轉(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)，仿真結(jié)果表明有機郎肯循環(huán)能夠回收廢氣能量中的2.7%，并將其儲存在電池中。

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車提供1.9千瓦的功率，相當于普通汽車中節(jié)省了7%的燃油消耗率。

綜上，研究中的仿真實驗表明了有機朗肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)搭載于發(fā)動機上能夠有效的將發(fā)動機廢熱回收并將其能量轉(zhuǎn)換成機械能，能夠提高混動車和插電式混動車在高速路況下的等同燃效。

審核編輯 黃昊宇