HUANG

       内燃机余热能量回收对于提高燃油能量利用效率具有重要意义。目前余热能回收的热点技术，如动力涡轮、朗肯循环和热电转化，均是将内燃机余热能转化为电能储存在蓄电池中[1-2]。但是回收得到的电能只有被有效利用，才能达到道路节油的最终目的。

整车中电能的使用途径多种多样，其中最具潜力的用能途径之一为发动机热管理系统。发动机热管理系统通过利用电能驱动风扇和水泵，实现了冷却系统的独立控制，相比于机械冷却系统，可改善部分负荷下的发动机热状态，提高发动机热效率，并降低热管理系统能耗[3-6]。然而，在柴油机中，电动风扇的驱动面临着电能来源的问题。传统车辆中特别是重型柴油机中电能来源有限，且电压较低（仅在12V-24V），使热管理系统在柴油机上的应用受到限制。为解决热管理电能来源问题，Valeo Cooing 和EMP公司在轻型柴油机中开发了高电压42V车用供电系统，并开发了可变的Fantronic系统，实现了风扇转速的灵活可调[7-8]，但是系统成本随之增加。EMP公司与South Research Institute 公司[9]，利用燃料电池发电，驱动Class8中冷却系统、空调系统、空气压缩系统中的电动水泵、多组电动风扇工作，使得在country-road道路工况下的燃油消耗量降低。因此，在解决电能来源的前提之下，热管理系统才能广泛应用。

利用余热能回收技术为热管理系统供电是具有潜力的一种方案，可在解决热管理系统附件用能来源问题的同时，充分利用余热能回收技术和热管理技术对能量有效利用率的改善作用。因而，本研究据此提出了柴油机动力涡轮发电-热管理用电系统，利用动力涡轮系统发电为热管理系统供电。基于GT-SUITE建立了柴油机动力涡轮发电-热管理用电系统的一维仿真平台，提出了总能效率评价指标。并分析了动力涡轮系统及蓄电池系统的关键参数对总能效率的影响，验证了柴油机动力涡轮发电-热管理用电系统的节能潜力。

本研究以一直列六缸高压共轨增压柴油机作为研究对象，其具体参数如表1所示。

为实现对发动机冷却液温度的灵活控制，降低热管理系统附件能耗，提高发动机效率，首先对原机的机械冷却系统进行改造，搭建热管理系统试验平台，并通过试验获取相关试验数据，为柴油机动力涡轮发电-热管理用电系统的研究提供平台校核的数据支持。图 1为集成后的热管理系统，主要部件包括风扇、水泵、风扇电机、水泵电机、散热器等。

    本研究基于一维软件GT-SUITE建立了柴油机动力涡轮发电-热管理用电系统模型：动力涡轮将发动机尾气能量转化为电能，为热管理系统供电，如图 2所示。柴油机排气经过增压涡轮膨胀后，利用旁通阀进行控制，使部分或全部尾气流经动力涡轮，动力涡轮带动与之相连的高速发电机，实现将尾气能量转换为电能。动力涡轮所产生的电能，优先直接驱动热管理系统附件，电能不经过蓄电池环节，从而减小由于蓄电池充放电效率所带来的能量损耗；蓄电池作为储能环节，在动力涡轮发电盈余时，储存电能，发电不足时，保证热管理系统的用能需求。

模型校核，主要保持与试验相同的发动机转速和喷油量，校核发动机外特性扭矩、发动机排气流量、增压涡轮出口废气温度、散热量、冷却液流量以及风扇、水泵功率。校核结果如图3所示，模型中发动机功率偏差、增压涡轮出口废气温度偏差，废气流量偏差均控制在5%以内，保证了发动机本机与实际发动机基本一致，并保证加入动力涡轮后，进入动力涡轮的废气能量与实际发动机基本一致。冷却液流量偏差小于0.2 kg•s-1，散热量偏差低于4.75kW，风扇、水泵功率的仿真值与试验值吻合较好。因而模型仿真数据与试验值偏差较小，可用该模型开展柴油机动力涡轮发电-热管理用电系统的研究。

结论：

为有效利用动力涡轮回收的能量，并解决热管理系统附件的用电来源问题，本研究建立柴油机动力涡轮发电-热管理用电系统一维仿真平台，提出总能效率评价指标用于对系统的评价。

（1）          在发动机负荷一定时，存在唯一的动力涡轮转速及动力涡轮同流面积系数，使得总能效率最高。通过优化动力涡轮转速及通流面积，实现在1300 r•min-1下提高总能效率2.71%-17.45%。

（2）          在中大负荷区域，相比于利用发动机自带电机发电为热管理系统供电，利用动力涡轮回收尾气能量为热管理系统供电总能效率更高，在小负荷区域则相反。

（1）          动力涡轮发电量在1300r•min-1全负荷下的发电量均高于热管理用电量，且随着负荷的增加，电量盈余越多。

（2）          蓄电池充放电效率对总能效率的影响，在无电电并联的情况下更明显，而电电并联能有效降低蓄电池充放电效率对总能效率的影响。

（3）          在Highway道路工况下，实现降低百公里油耗3.76%，提高总能效率4.48%。