【摘要】：近年來,籠罩在我國大部分地區(qū)的霧霾天氣已經(jīng)嚴重地危害到了人們的身體健康和出行安全,傳統(tǒng)車用內(nèi)燃機作為大氣污染物的主要排放源,其節(jié)能減排的工作任重而道遠。本文基于車用內(nèi)燃機變工況下余熱能流的分布特性,建立了簡單有機朗肯循環(huán)和雙有機朗肯循環(huán)的熱力學模型、傳熱模型、經(jīng)濟性模型和優(yōu)化模型,旨在探明兩種循環(huán)結(jié)構(gòu)中各關(guān)鍵運行參數(shù)之間的協(xié)同變化規(guī)律。構(gòu)建了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的車用內(nèi)燃機有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)性能預測及優(yōu)化模型,較之于傳統(tǒng)的熱力學建模分析方法,預測精度得到了顯著地提升。著眼于解決當前千瓦級膨脹機的技術(shù)瓶頸,對新型非內(nèi)燃式自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機的性能進行了分析和優(yōu)化。通過結(jié)合車用內(nèi)燃機的余熱能分布特性,分別構(gòu)建了簡單有機朗肯循環(huán)和雙有機朗肯循環(huán)的熱力學模型、傳熱模型以及優(yōu)化模型。在車用內(nèi)燃機變工況下,分析了兩種循環(huán)結(jié)構(gòu)中各關(guān)鍵運行參數(shù)對有機朗肯循環(huán)熱力學性能及傳熱特性的影響。采用遺傳算法,以熱力學性能和傳熱特性協(xié)同提升為目標,對有機朗肯循環(huán)的關(guān)鍵運行參數(shù)進行了優(yōu)化。研究表明,對于簡單有機朗肯循環(huán),最優(yōu)蒸發(fā)壓力總的變化趨勢是隨著柴油機轉(zhuǎn)速和負荷的增加而增加。最優(yōu)蒸發(fā)壓力在1MPa-2.97MPa之間,最優(yōu)冷凝溫度幾乎始終保持在298.15K,在柴油機大部分工況下,最優(yōu)過熱度在0K-1K之間。對于雙有機朗肯循環(huán),優(yōu)化得到的高溫循環(huán)蒸發(fā)壓力都大于2.2MPa,優(yōu)化得到的高溫循環(huán)過熱度主要受發(fā)動機工況的影響,高溫循環(huán)冷凝溫度的優(yōu)化結(jié)果受發(fā)動機工況的影響較小,其數(shù)值基本保持在350.15K左右。優(yōu)化得到的低溫循環(huán)蒸發(fā)溫度在339K-343K范圍內(nèi)變化,并且隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的降低而升高,優(yōu)化得到的低溫循環(huán)冷凝溫度變化較小,基本保持在298.15K。優(yōu)化得到的排氣在蒸發(fā)器出口溫度變化較小,在發(fā)動機大部分工況下,其數(shù)值都保持在423.15K。構(gòu)建了簡單有機朗肯循環(huán)和雙有機朗肯循環(huán)的熱力學模型、傳熱模型、經(jīng)濟性模型和優(yōu)化模型,在車用內(nèi)燃機變工況下,分析了兩種循環(huán)結(jié)構(gòu)中各關(guān)鍵運行參數(shù)及不同工質(zhì)對熱經(jīng)濟性的影響規(guī)律。在此基礎之上,采用遺傳算法得到了兩種結(jié)構(gòu)有機朗肯循環(huán)熱力學性能和經(jīng)濟性能的帕累托最優(yōu)解,并進一步確定了與之相對應的最佳參數(shù)運行區(qū)域。研究表明,熱力學性能的提升必然以犧牲經(jīng)濟性為代價,在影響簡單有機朗肯循環(huán)熱經(jīng)濟性的四個關(guān)鍵運行參數(shù)中,蒸發(fā)壓力的升高有利于改善循環(huán)的熱力學性能和經(jīng)濟性能,過熱度對循環(huán)熱力學性能和經(jīng)濟性能的影響較小,隨著冷凝溫度和排氣在蒸發(fā)器出口溫度的升高,循環(huán)熱力學性能和經(jīng)濟性能均逐漸惡化。對于雙有機朗肯循環(huán)中的兩個子系統(tǒng),較高的蒸發(fā)壓力和較低的冷凝溫度均有利于提升其熱力學性能。而工質(zhì)過熱度和排氣在換熱器出口溫度的變化對循環(huán)熱力學性能的影響并不明顯。基于某重型卡車柴油機有機朗肯循環(huán)試驗系統(tǒng)的動態(tài)運行特性,構(gòu)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型,并利用該模型對有機朗肯循環(huán)進行了參數(shù)影響規(guī)律分析。在此基礎之上,以有機朗肯循環(huán)膨脹機輸出功率最大、柴油機排氣出口溫度最低為優(yōu)化目標,聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡模型和遺傳算法,對有機朗肯循環(huán)的關(guān)鍵運行參數(shù)進行了協(xié)同優(yōu)化。研究表明,建立的神經(jīng)網(wǎng)絡模型表現(xiàn)出了較高的預測精度,訓練樣本和測試樣本的相對誤差絕對值都小于5%,可以用于車用柴油機有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的性能預測和優(yōu)化�；谏窠�(jīng)網(wǎng)絡模型的有機朗肯循環(huán)性能優(yōu)化結(jié)果表明,膨脹機輸出功率最大可以達到7.68kW。優(yōu)化結(jié)果傾向于使膨脹機進出口具有較大的壓力差,而不是使循環(huán)工質(zhì)在膨脹機入口處具有較高的過熱度。與熱力學模型的優(yōu)化結(jié)果一致,較低的冷凝器出口溫度有利于減小膨脹機的排氣背壓,進而能夠增加膨脹機的輸出功率。在保證循環(huán)工質(zhì)換熱充分的前提下,增大循環(huán)工質(zhì)的流量有利于提高膨脹機的輸出功率�；谝呀�(jīng)搭建完成的自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機原理性樣機,以壓縮空氣作為驅(qū)動工質(zhì),討論了進氣壓力、運行頻率和外接負載電阻對樣機運行特性的影響。結(jié)果表明,活塞組件的位移和速度隨著進氣壓力的升高而增加,直線電機的峰值電壓和峰值功率也隨著進氣壓力的升高而增加,活塞組件的位移和速度隨著運行頻率的增加而減小,隨著運行頻率的增加,峰值電壓和峰值功率均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢,活塞組件的位移幾乎不受外接負載電阻的影響,但隨著外接負載電阻的增加,活塞組件的速度呈現(xiàn)出小幅增加的趨勢。與此同時,建立了自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機的神經(jīng)網(wǎng)絡模型,用于對樣機的性能進行預測和優(yōu)化。基于神經(jīng)網(wǎng)絡模型的優(yōu)化結(jié)果,在給定的參數(shù)變化區(qū)間內(nèi),自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機的最大輸出功率可以達到100.47W。
【圖文】：

究背景源是現(xiàn)代化的基礎和動力。能源供應和安全事關(guān)我國現(xiàn)代化建設全界政治、經(jīng)濟格局深刻調(diào)整，能源供求關(guān)系深刻變化。我國能源資劇，生態(tài)環(huán)境問題突出，調(diào)整結(jié)構(gòu)、提高能效和保障能源安全的壓，能源發(fā)展面臨一系列新問題新挑戰(zhàn)[1]。而石油作為當今世界最重源之一，，是當代各國經(jīng)濟發(fā)展的血液，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、交，其產(chǎn)量不但是確保國家能源儲備的現(xiàn)實需要，也是提高國際競爭。目前，我國正處于經(jīng)濟發(fā)展的快速增長期，是石油消費大國，年代起，我國石油消費量占世界石油消費量的比例不斷上升。根發(fā)布的《BP 世界能源統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)顯示，我國石油對外依存度中國仍然是世界上最大的能源消費國，占全球能源消費量的 23%國石油消費為 5.78 億噸，比 2015 年增加 3%，占全球石油消費的 1 中給出了近十年我國石油消費量的變化情況，從圖中可以看出，我呈現(xiàn)出逐年遞增的變化趨勢。

北京 業(yè)大學 學博士學位論文碳、一氧化碳、氮氧化物、硫化物以及顆粒物等[4]。近年來，我國：純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車、氫發(fā)動機汽車及增等在內(nèi)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車仍占較大比例展針對傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的節(jié)能減排工作變得十分重要。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U464

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