張紅光，王宏進(jìn)，楊凱，楊富斌，宋松松，常瑩，貝晨，孟凡驍

?

基于粒子群算法的車用柴油機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

張紅光1,2，王宏進(jìn)1,2，楊凱1,2，楊富斌1,2，宋松松1,2，常瑩1,2，貝晨1,2，孟凡驍1,2

（1北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124；2北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100124）

為了有效回收柴油機(jī)排氣余熱能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了一臺(tái)車用柴油機(jī)排氣能量變化規(guī)律，進(jìn)而設(shè)計(jì)有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)回收該柴油機(jī)的排氣余熱能，并基于粒子群算法，以凈輸出功率和?效率為目標(biāo)函數(shù)，選取蒸發(fā)壓力、過(guò)熱度和膨脹機(jī)膨脹比為優(yōu)化變量，對(duì)ORC系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。優(yōu)化結(jié)果表明，在柴油機(jī)不同運(yùn)行工況條件下，存在最佳的蒸發(fā)壓力、過(guò)熱度和膨脹機(jī)膨脹比，從而使ORC系統(tǒng)的凈輸出功率和?效率最優(yōu)。根據(jù)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，分析了ORC系統(tǒng)和車用柴油機(jī)-ORC聯(lián)合系統(tǒng)（聯(lián)合系統(tǒng)）的性能。研究結(jié)果表明，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1，轉(zhuǎn)矩為1215 N·m時(shí)，ORC系統(tǒng)的凈輸出功率可達(dá)30.61 kW，聯(lián)合系統(tǒng)的有效輸出功提升率（POIR）可達(dá)9.86%；當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r·min-1，轉(zhuǎn)矩為1131 N·m時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)的有效燃油消耗率（BSFC）為175.0 g·(kW·h)-1。

車用柴油機(jī)；ORC；余熱回收；熱力學(xué)過(guò)程；傳熱；優(yōu)化

引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)汽車保有量逐年增長(zhǎng)，同時(shí)也消耗了大量的能源，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-2]。而車用內(nèi)燃機(jī)的熱效率通常只有30%～45%（柴油機(jī)）、20%～30%（汽油機(jī)），燃料燃燒后的大部分能量通過(guò)內(nèi)燃機(jī)排氣和冷卻水被排放到大氣中[3]。因此，將內(nèi)燃機(jī)的余熱能高效回收再利用是降低能源消耗、減少污染物排放的有效途徑。

內(nèi)燃機(jī)排氣余熱能品位較低，回收困難，而ORC系統(tǒng)在回收中低品位熱能方面表現(xiàn)出良好的性能。近年來(lái)，利用ORC系統(tǒng)回收車用內(nèi)燃機(jī)余熱能的技術(shù)得到了廣泛的研究[4-9]。舒歌群等[10-11]指出內(nèi)燃機(jī)排氣能量具有較高的回收潛力，并研究了利用ORC系統(tǒng)回收內(nèi)燃機(jī)的排氣能量。何雅玲等[12]針對(duì)14種綜合性能較好的工質(zhì)，采用退火算法對(duì)比分析了兩種不同形式ORC系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。魏名山等[13]針對(duì)重型柴油機(jī)設(shè)計(jì)了一套中溫ORC系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)壓力和工質(zhì)質(zhì)量流量進(jìn)行了分析研究。

雖然已有很多學(xué)者在研究利用ORC系統(tǒng)回收內(nèi)燃機(jī)的余熱能，但針對(duì)柴油機(jī)變工況條件下，利用優(yōu)化算法對(duì)ORC系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析的研究較少。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究了一臺(tái)車用柴油機(jī)變工況條件下排氣能量的變化規(guī)律，并利用粒子群優(yōu)化算法對(duì)車用柴油機(jī)變工況條件下ORC系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)多參數(shù)優(yōu)化[14-15]，以凈輸出功率和?效率為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)優(yōu)化ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力、過(guò)熱度和膨脹機(jī)的膨脹比；進(jìn)而基于優(yōu)化結(jié)果研究了變工況條件下車用柴油機(jī)-ORC聯(lián)合系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

1 柴油機(jī)排氣能量

為實(shí)現(xiàn)變工況條件下車用柴油機(jī)排氣能量的高效回收利用，必須首先研究車用柴油機(jī)變工況條件下排氣能量的變化規(guī)律。本文選用一臺(tái)6缸4沖程車用柴油機(jī)進(jìn)行研究，表1是此臺(tái)柴油機(jī)的技術(shù)參數(shù)。圖1是車用柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

表1 柴油機(jī)的技術(shù)參數(shù)

圖1 柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

由圖1可知，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括1臺(tái)柴油機(jī)、測(cè)控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、增壓中冷系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)及供油系統(tǒng)均由湘儀動(dòng)力提供。其中，柴油機(jī)型號(hào)為WP10.336NCB；測(cè)控系統(tǒng)包括測(cè)功機(jī)、控制柜、數(shù)據(jù)采集儀和ECU等部件，用于控制和測(cè)量柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率、排氣溫度、油耗量和進(jìn)氣量等數(shù)據(jù)；冷卻系統(tǒng)主要包括水箱和板式冷凝器，用于控制柴油機(jī)冷卻水溫度；供油系統(tǒng)主要包括油箱和油耗儀，為柴油機(jī)提供燃油；增壓中冷系統(tǒng)主要包括渦輪、壓氣機(jī)和中冷器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得柴油機(jī)85個(gè)工況點(diǎn)的性能數(shù)據(jù)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為600～2200 r·min-1，取值間隔為100 r·min-1，柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩范圍為0～1500 N·m。

圖2是變工況條件下車用柴油機(jī)有效輸出功率的變化情況。從圖中可以看出，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加，車用柴油機(jī)有效輸出功率逐漸增加；當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1，轉(zhuǎn)矩為1215 N·m時(shí)，柴油機(jī)有效輸出功率最大，為279.9 kW。

圖2 柴油機(jī)有效輸出功率

圖3和圖4分別為變工況條件下車用柴油機(jī)有效燃油消耗率（BSFC）和排氣溫度的變化情況。從圖3中可以看出，當(dāng)柴油機(jī)在中低轉(zhuǎn)速、中高轉(zhuǎn)矩區(qū)域運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)的BSFC較優(yōu)。由圖4可知，柴油機(jī)排氣溫度隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩的增加而升高，最高可達(dá)818.0 K。

圖3 柴油機(jī)有效燃油消耗率

圖4 柴油機(jī)排氣溫度

利用式（1）計(jì)算柴油機(jī)的最大可用排氣能量。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和排氣能量的計(jì)算公式，計(jì)算得出柴油機(jī)最大可用排氣能量的變化情況如圖5所示，圖中的紅線代表柴油機(jī)的等輸出功率線，從圖中可以看出，此臺(tái)柴油機(jī)的最大可用排氣能量的變化規(guī)律與有效輸出功率的變化規(guī)律相似，最大可用排氣能量的最高值為290.0 kW。

由圖5可知，當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩小于300 N·m時(shí)，其最大可用排氣能量較小，所以在本文之后的分析當(dāng)中只考慮柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩不小于300 N·m的情況。

圖5 柴油機(jī)最大可用排氣能量

2 聯(lián)合系統(tǒng)模型

根據(jù)車用柴油機(jī)排氣能量的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了一套ORC系統(tǒng)，并以柴油機(jī)工作循環(huán)為頂循環(huán)，ORC系統(tǒng)工作循環(huán)為底循環(huán)，構(gòu)建了車用柴油機(jī)-ORC聯(lián)合系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱：聯(lián)合系統(tǒng)），如圖6所示。

圖6 車用柴油機(jī)-ORC聯(lián)合系統(tǒng)

柴油機(jī)排氣作為ORC系統(tǒng)的高溫?zé)嵩?，通過(guò)蒸發(fā)器將熱量傳遞給有機(jī)工質(zhì)。有機(jī)工質(zhì)吸收柴油機(jī)的排氣能量變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，并進(jìn)入膨脹機(jī)中膨脹做功。做功后的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器被冷卻為飽和液體流回儲(chǔ)液罐。工質(zhì)泵將有機(jī)工質(zhì)從儲(chǔ)液罐中抽出，加壓后送入蒸發(fā)器。

3 ORC系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算

3.1 計(jì)算條件

ORC系統(tǒng)各參數(shù)之間存在非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法只針對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，無(wú)法顧及參數(shù)之間的相互影響。本文采用一種群體智能優(yōu)化算法——粒子群算法，以系統(tǒng)凈輸出功率和?效率為目標(biāo)函數(shù)，凈輸出功率是評(píng)價(jià)ORC系統(tǒng)做功能力的重要指標(biāo)，本文設(shè)定凈輸出功率和?效率的權(quán)重系數(shù)分別為0.8和0.2；以蒸發(fā)壓力、過(guò)熱度和膨脹機(jī)膨脹比為優(yōu)化變量，在柴油機(jī)變工況條件下，對(duì)ORC系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了優(yōu)化分析。

有機(jī)工質(zhì)的物性是影響ORC系統(tǒng)運(yùn)行性能的一個(gè)重要因素，相對(duì)于純工質(zhì)，非共沸混合工質(zhì)由于有溫度滑移的存在，可以減小由于傳熱溫差導(dǎo)致的不可逆損失[17]。本文選擇非共沸混合工質(zhì)R416A作為系統(tǒng)工質(zhì)，R416A具有良好的安全性能和熱力學(xué)性能。表2是R416A的基本物性參數(shù)。

表2 有機(jī)工質(zhì)R416A的物性參數(shù)

在對(duì)ORC系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，忽略管路中的壓力損失和熱損失，計(jì)算邊界條件如下：①蒸發(fā)壓力取1～2.5 MPa；②過(guò)熱度取0～10 K；③膨脹機(jī)的膨脹比取3～6；④蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)取0.85；⑤膨脹機(jī)和工質(zhì)泵的等熵效率取0.8；⑥工質(zhì)在冷凝器中放熱后變?yōu)轱柡鸵簯B(tài)；⑦環(huán)境溫度取293 K。

3.2 熱力學(xué)模型

根據(jù)質(zhì)量守恒、熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，建立ORC系統(tǒng)熱力學(xué)模型，圖7為ORC系統(tǒng)的圖。

圖7 ORC系統(tǒng)T-s圖

①過(guò)程（1-2） 工質(zhì)泵的壓縮過(guò)程，工質(zhì)泵的耗功為

②過(guò)程（2-3） 有機(jī)工質(zhì)吸熱過(guò)程。有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中的吸熱量為

③過(guò)程（3-4） 膨脹機(jī)做功過(guò)程。膨脹機(jī)的輸出功率為

④過(guò)程（4-1） 有機(jī)工質(zhì)放熱過(guò)程。有機(jī)工質(zhì)在冷凝器中的放熱量為

ORC系統(tǒng)凈輸出功率

ORC系統(tǒng)的熱效率

ORC系統(tǒng)的?效率

式中，H為高溫?zé)嵩礈囟?，取Hexh；L為低溫?zé)嵩礈囟?，取L115，1為冷凝溫度。

對(duì)于聯(lián)合系統(tǒng)，定義有效燃油消耗率（BSFC）和有效輸出功提升率（POIR）的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下。

聯(lián)合系統(tǒng)的BSFC

聯(lián)合系統(tǒng)的POIR

3.3 粒子群算法

粒子群算法最早是由Eberhart和Kennedy于1995年提出，通過(guò)模擬鳥(niǎo)類群體行為而發(fā)展起來(lái)的一種基于群體協(xié)作的隨機(jī)搜索智能優(yōu)化算法，該算法思想直觀、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且具有很高的執(zhí)行效率，因而被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域[18-20]，圖8為粒子群算法的計(jì)算流程。

圖8 粒子群算法計(jì)算流程

計(jì)算過(guò)程中，為每個(gè)粒子迄今為止自身所達(dá)到的最優(yōu)解，gbest為整個(gè)粒子群迄今為止所達(dá)到的最優(yōu)解，本文中最優(yōu)解即為優(yōu)化變量的最優(yōu)值。其中，粒子群的pbest和gbest是根據(jù)適應(yīng)值的大小確定，本文設(shè)定凈輸出功率和?效率按照權(quán)重系數(shù)的加和為適應(yīng)值。

9為適應(yīng)值的最大值隨迭代次數(shù)和種群數(shù)量的變化情況。設(shè)定種群數(shù)量分別為10、20、30和40，最大迭代次數(shù)為50。由于初次迭代粒子群的速度和位移是隨機(jī)生成的，所以在各個(gè)種群數(shù)量條件下分別優(yōu)化計(jì)算5次。由圖9可知，若最大迭代次數(shù)為50，在設(shè)定的4種種群數(shù)量條件下，優(yōu)化計(jì)算均完全收斂。當(dāng)種群數(shù)量為10和20時(shí)，5次計(jì)算得到的適應(yīng)值的最大值并不完全相同，說(shuō)明在該種群數(shù)量條件下，優(yōu)化計(jì)算可能陷入局部最優(yōu)。而當(dāng)種群數(shù)量為30和40時(shí)，5次計(jì)算得到的適應(yīng)值的最大值完全相同，說(shuō)明種群數(shù)量設(shè)定為30和40可以滿足優(yōu)化計(jì)算的要求。由于種群數(shù)量越大，迭代所需的時(shí)間越長(zhǎng)，因此，本文在優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中選取種群數(shù)量為30，最大迭代次數(shù)為50。

圖9 適應(yīng)值的最大值隨迭代次數(shù)和種群數(shù)量的變化情況

3.4 優(yōu)化結(jié)果及分析

本文采用粒子群算法在柴油機(jī)變工況條件下，將ORC系統(tǒng)凈輸出功率和?效率作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如下。

圖10是ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力最優(yōu)值隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化情況，圖中的紅線代表柴油機(jī)的等輸出功率線。由圖可以看出，ORC系統(tǒng)蒸發(fā)壓力最優(yōu)值隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加而減?。?77.5 kW時(shí)，系統(tǒng)蒸發(fā)壓力最優(yōu)值變化范圍較小，處于2.47～2.50 MPa。

通過(guò)研究可知，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)處于何種運(yùn)行工況，ORC系統(tǒng)最優(yōu)過(guò)熱度和膨脹機(jī)最優(yōu)膨脹比均為所選參數(shù)范圍內(nèi)的最大值。

圖11是運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化后的ORC系統(tǒng)凈輸出功率隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化情況。從圖中可以看出，系統(tǒng)凈輸出功率的變化規(guī)律與柴油機(jī)有效輸出功率的變化規(guī)律相似，均隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的增加而增加。這主要是因?yàn)椋S著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加，排氣能量增加，ORC系統(tǒng)可以回收利用的排氣能量就會(huì)增加，因而，ORC系統(tǒng)凈輸出功率隨之增加。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為1215 N·m，轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)，ORC系統(tǒng)的凈輸出功率達(dá)到最大值，為30.61 kW。

圖12是ORC系統(tǒng)的熱效率隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化情況。從圖中可以看出，ORC系統(tǒng)的熱效率隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加而增加，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為1215 N·m，轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)，ORC系統(tǒng)的熱效率可達(dá)12.17%。且在柴油機(jī)不同工況條件下，ORC系統(tǒng)的熱效率變化范圍較小，在12.13%～12.17%之間。根據(jù)式（3）、式（4）、式（5）、式（7）和式（8）可知，ORC系統(tǒng)的熱效率主要受有機(jī)工質(zhì)在圖7中1、2、3和4狀態(tài)點(diǎn)焓值的影響，而狀態(tài)點(diǎn)的焓值主要受蒸發(fā)壓力、膨脹比和過(guò)熱度的影響。所以，在膨脹比和過(guò)熱度為定值、蒸發(fā)壓力的變化范圍較小時(shí)，ORC系統(tǒng)的熱效率變化范圍也較小。

圖10 蒸發(fā)壓力優(yōu)化結(jié)果

圖11 ORC系統(tǒng)凈輸出功率

圖12 ORC系統(tǒng)熱效率

圖13是運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化后的ORC系統(tǒng)?效率隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化情況，圖中的紅線代表柴油機(jī)的等輸出功率線。從圖中可以看出，ORC系統(tǒng)?效率隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和有效輸出功率的增加而減小。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為300 N·m，轉(zhuǎn)速為1900 r·min-1時(shí)，ORC系統(tǒng)的?效率達(dá)到最大值，為31.67%。這主要是由于ORC系統(tǒng)的?效率為其熱效率與卡諾循環(huán)效率的比值。而由圖12可知，ORC系統(tǒng)的熱效率變化范圍較小，且低溫?zé)嵩礈囟鹊淖兓秶策h(yuǎn)遠(yuǎn)小于高溫?zé)嵩礈囟鹊淖兓秶?，?dǎo)致系統(tǒng)?效率主要受高溫?zé)嵩礈囟燃磁艢鉁囟鹊挠绊懀瑥亩墒剑?）可知，?效率隨排氣溫度的降低而增加。

圖13 ORC系統(tǒng)?效率

圖14是聯(lián)合系統(tǒng)的BSFC隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化情況。與圖3對(duì)比可知，在柴油機(jī)變工況條件下，聯(lián)合系統(tǒng)BSFC變化規(guī)律與原柴油機(jī)BSFC的變化規(guī)律相似，但聯(lián)合系統(tǒng)的BSFC數(shù)值明顯降低，與原柴油機(jī)相比其最大可以降低9.86%。這主要是因?yàn)椋c原柴油機(jī)的BSFC相比，聯(lián)合系統(tǒng)的BSFC除受柴油機(jī)ORC系統(tǒng)凈輸出功率的影響，而由圖11可知，ORC系統(tǒng)凈輸出功率與柴油機(jī)有效輸出功率的變化規(guī)律相似。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r·min-1，轉(zhuǎn)矩為1131 N·m時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)的BSFC值最小，為175.0 g·(kW·h)-1。

圖14 聯(lián)合系統(tǒng)有效燃油消耗率

圖15是聯(lián)合系統(tǒng)POIR隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化情況，圖中紅線是柴油機(jī)等輸出功率線。從圖中可以看出，當(dāng)柴油機(jī)有效輸出功率大于134.1 kW時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)的POIR隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的增加而增加；當(dāng)柴油機(jī)有效輸出功率小于134.1 kW時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)的POIR變化情況較復(fù)雜。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為1215 N·m，轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)的POIR達(dá)到最大值，為9.86%。

圖15 聯(lián)合系統(tǒng)有效輸出功提升率

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，車用柴油機(jī)的排氣余熱能量與其有效輸出功率相當(dāng)，最大可用排氣能量最高可達(dá)290.0 kW，具有較大的回收利用價(jià)值。采用ORC系統(tǒng)后，可有效回收柴油機(jī)的排氣余熱能量，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為1215 N·m，轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1時(shí)，ORC系統(tǒng)凈輸出功率最高可達(dá)30.61 kW，其熱效率最高可達(dá)12.17%。

（2）由優(yōu)化結(jié)果可知，在柴油機(jī)不同運(yùn)行工況條件下，存在著最優(yōu)的蒸發(fā)壓力、過(guò)熱度和膨脹機(jī)膨脹比，從而使ORC系統(tǒng)的凈輸出功率和?效率最優(yōu)；其中蒸發(fā)壓力最優(yōu)值變化范圍為2.13～2.50 MPa，過(guò)熱度最優(yōu)值均為10 K，膨脹機(jī)的膨脹比最優(yōu)值均為6。

（3）在柴油機(jī)變工況條件下，聯(lián)合系統(tǒng)有利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性能。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r·min-1，轉(zhuǎn)矩為1131 N·m時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)的BSFC為175.0 g·(kW·h)-1；當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1，轉(zhuǎn)矩為1215 N·m時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)的POIR可達(dá)9.86%。

符 號(hào) 說(shuō) 明

BSFC——有效燃油消耗率，g·(kW·h)-1 cp——比定壓熱容，J·kg-1·K-1 ——耗油量，g·h-1 h——比焓，kJ·kg-1 ——質(zhì)量流量，kg·s-1 ——換熱量，kW s——比熵，kJ·kg-1·K-1 T——溫度，K ——功率，kW η——效率，% ηe——蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，% 下角標(biāo) bs——BSFC c——冷凝器 cs——聯(lián)合系統(tǒng) e——蒸發(fā)器 eng——柴油機(jī) ex——? exh——排氣 H——高溫?zé)嵩?L——低溫?zé)嵩?net——凈輸出功率 o——ORC系統(tǒng) out——蒸發(fā)器出口 pu——工質(zhì)泵 po——POIR s——膨脹機(jī)

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Parametric optimization of organic Rankine cycle for vehicle diesel engine based on particle swarm optimization

ZHANG Hongguang1,2, WANG Hongjin1,2, YANG Kai1,2, YANG Fubin1,2, SONG Songsong1,2,CHANG Ying1,2, BEI Chen1,2, MENG Fanxiao1,2

(1College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing 100124, China)

Based on the particle swarm optimization, the operating parameters including evaporation pressure, superheat degree, and expansion ratio of ORC systems were optimized with net power output and exergy efficiency selected as objective functions. The optimization results show that, for a certain operating condition of the diesel engine, the optimal values for evaporating pressure, superheat degree, and expansion ratio can be determined. According to the optimization, the ORC system and vehicle diesel engine-ORC combined system are studied. The results show that, at the diesel engine speed of 2200 r·min-1and engine torque of 1215 N·m, the net power output of the ORC system is 30.61 kW and the power output increasing rate of the combined system is 9.86%. At the diesel engine speed of 1200 r·min-1and engine torque of 1131 N·m, the brake specific fuel consumption of combined system is 175.0 g·(kW·h)-1.

vehicle diesel engine; organic Rankine cycle; waste heat recovery; thermodynamic process; heat transfer; optimization

2015-05-27.

Prof. ZHANG Hongguang, zhanghongguang@ bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150734

supported by the Natural Science Foundation of Beijing (3152005), the National Natural Science Foundation of China (51376011) and the Scientific Research Key Program of Beijing Municipal Commission of Education (KZ201410005003).

TK 406

A

0438—1157（2015）12—5031—09

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（3152005）；國(guó)家自然科學(xué) 基金項(xiàng)目（51376011）；北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（KZ201410005003）。

2015-05-27收到初稿，2015-09-05收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：張紅光（1970—），男，博士，教授。