吴玉庭  王伟  张红光  马重芳
（北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室暨传热与能源利用北京市重点实验室）

 　　 内燃机是交通运输、工程机械、农业机械、渔业船舶、国防装备的主导动力设备，全世界保有量已超过十几亿台。我国已经成为世界第一的内燃机制造大国，2014年，我国内燃机产品总产量8000万台，总功率20亿千瓦。截止到2013年年底，内燃机的社会保有量已经突破3.8亿台，消耗各类原油和液化油总量超过了2.8亿吨，相当于我国全年石油进口的总量；在巨量消耗的同时，内燃机也排放出大量的废气，这被视为雾霾肆虐的重要原因之一。因此，内燃机的节能减排是节约石油资源和保护环境的最重要环节。
 　　 从目前内燃机的能量平衡来看，动力输出功率一般只占燃油燃烧总热量的30%～45%（柴油机）或20%～30%（汽油机），除了不到10%用于克服摩擦等功率损失之外，其余的余热能量没有得到利用，主要通过冷却回路的散热以及排气被排放到大气中。因此，将内燃机的余热能回收再利用是提高总能效率、降低油耗的一个有效途径。美国Argonne国家实验室在分析了各类内燃机的节能技术后认为：余热能回收利用无疑具有最大的节能潜力。作为全球最大的独立发动机制造商，美国的Cummins公司在预测内燃机转化效率的发展趋势时认为，通过余热能的回收利用，到2015年可使内燃机的转化效率达到60%左右。
 　　 2010年1月11日，美国能源部长朱棣文宣布启动3.75亿美元（政府拨款1.87亿）提高重型卡车和乘用车效率的研究计划，其中发动机余热能回收利用是该项目支持的主要关键技术。该项目投资中60%的资金用于重型卡车的节能，其余40%的资金投入来支持轻型客车的节能，并声称项目将创造500个研发就业机会，2015年产业化后将创造6000个就业机会。到2030年该技术在汽车中广泛采用后，每天能够节约1亿升汽油和柴油，降低汽车20%的碳排放。美国此项计划反映了新能源汽车的最新动向。
 　　 有机朗肯循环热功转换是内燃机余热回收的主要技术途径之一，其基本原理是内燃机余热进入蒸发器加热有机工质产生蒸汽，蒸汽进入膨胀机膨胀产生机械功，膨胀后的低压蒸汽进入冷凝器冷凝，冷凝后的液体有机工质经工质泵再打入蒸发器进行下一轮循环。内燃机余热热功转换系统有两种形式：一种针对固定式内燃机的余热回收有机朗肯循环发电系统，另一种是与发动机同轴连接的车载内燃机余热热功转换系统。对于固定式内燃机系统，国际上已进入示范阶段，美国卡特皮勒公司为2000KW固定式天然气发动机G3520C开发了有机朗肯循环废气余热发电系统，该余热发电系统能够输出392KW的电力，使得发动机全系统利用效率达到了47%。美国大北方动力公司在1200马力的发动机上通过有机朗肯循环废气回收系统多发电165马力，效率提高了12%。德国道依茨公司、美国通用公司、芬兰瓦锡兰公司等都有规定式内燃机余热有机朗肯循环有机朗肯循环系统的示范工程。对于车载内燃机，目前还处于研发和实验室研究阶段，德国BMW（宝马）公司利用内燃机废热加热水和酒精实现两级膨胀，保持原有耗油量的情况下提高了16%的动力输出。美国康明斯（Cummins）公司针对8系卡车研制了内燃机余热驱动的有机朗肯循环动力系统，在450马力的情况下将功率输出提高了20.2马力。日本本田公司提出了以控制泵转速——控制进入蒸发器的水流率来控制工质温度，以控制转速来控制进入膨胀器的压力的控制策略，并且在一台19.2KW的发动机上取得了2.5KW（100km/h）的回收功，意味着发动机的热效率从28.9%提高到32.7%。我们国家内燃机余热有机朗肯循环方面都还处于实验室研究阶段，还未有示范工程。
 　　 膨胀动力机是有机朗肯循环内燃机余热回收的核心设备。目前内燃机一般为几十至几千千瓦之间，其内燃机余热回收动力装置的功率一般为十千瓦至数百千瓦。膨胀动力装置有两类：一类是速度型膨胀机，即透平膨胀机。这类膨胀机已实现了商业化应用，技术比较成熟，但在这个功率范围内使用透平膨胀机，存在较多的技术困难，且其转速每分钟高达数万转，必须使用减速装置，提高了制造成本。；另一类是容积式膨胀机，如双螺杆膨胀机、单螺杆膨胀机、涡旋膨胀机等。由于容积式膨胀机具有转速低、压比高、流量低等特点，因此更适合内燃机余热回收的需要。单螺杆膨胀机由一个螺杆和两个对称配置的平面星轮组成啮合副，安装在膨胀机壳体内。螺杆的螺旋槽、壳体内壁和星轮齿侧和齿顶构成封闭容积。单螺杆膨胀机的工作原理是高压气体或蒸汽进入机内齿槽，推动螺杆和星轮转动。随着螺杆和星轮转动，齿槽间的容积逐渐增大，介质降压降温膨胀做功，最后从齿槽末端排出。与其他容积式膨胀机相比，单螺杆膨胀机具有结构简单、受力平衡、振动噪音低、寿命长、单机功率可以实现千瓦至百千瓦级，特别适合内燃机余热热功转换的需求。单螺杆用于制冷压缩机和气体压缩机在国际上已经得到了大规模的生产和使用，但将单螺杆用于膨胀机是一个比较新的概念，是北京工业大学首先制造了单螺杆膨胀机样机，并于2011年发表了第一篇国际期刊论文。在2014年7月之前在国际上未见除北工大之外的“单螺杆膨胀机样机研发与试验”的任何公开文献报道，直到2014年7月普渡压缩机会议上比利时烈日大学报道了他们的单螺杆膨胀机性能试验结果，比我们的第一篇文章晚了整整三年。
 　　 北京工业大学传热强化过程节能教育部重点实验室暨传热与能源利用北京重点实验室在“973”项目“高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究”课题“内燃机余热能转化热力单元和材料性能强化设计和集成优化”（2011CB707202）的支持下开展了单螺杆膨胀机内燃机废气余热热功转换技术的研究，取得了如下四个方面的进展：
 　　 （1）在3个“973”项目课题和1个“863”项目课题的共同支持下，攻克了单螺杆膨胀机螺杆和星轮的低成本高精度批量加工工艺，研制螺杆和星轮加工的专用机床，实现了千瓦到百千瓦单螺杆膨胀机螺杆和星轮的加工；研制了五种型号的单螺杆膨胀机，其单机输出功率分别为5kW、10kW、22kW、51kW和172kW，分别以压缩空气、水蒸汽和有机工质进行了单螺杆膨胀机的变工况性能试验，获得了单螺杆膨胀机的性能曲线，结果表明研制的单螺杆膨胀机效率在60％～80%之间。同时还提出了适应内燃机变工况特性的滑阀调节方法，探索了CC型高膨胀比单螺杆膨胀机的设计制造理论。
 　　 （2）揭示了烟气蒸发器换热性能与内燃机工况的关联机理，获得了熔盐相变蓄热器内熔盐温度的时空分布规律。研制了三代内燃机尾气回收蒸发器和两代冷凝器，通过强化传热和紧凑轻量化设计，将内燃机尾气回收蒸发器的重量由原来的620kg降低到77kg，冷凝器的重量由原来的520kg降低到了115kg。为了缓冲内燃机废气余热波动对有机朗肯循环系统的不利影响，提出并研制了螺旋盘管熔盐蓄热式废气蒸发器。
 　　 （3）基于工质质量流量修正模型，建立了单螺杆膨胀机有机朗肯循环系统分析模型，分析了纯工质和混合工质、运行参数、循环结构对有机朗肯循环性能的影响规律，分析了有机朗肯循环性能随内燃机工况的变化机理。
 　　 （4）给出了工质泵和润滑油对有机朗肯循环性能影响的定量评价指标，提出了一种无需油泵的新型容积式膨胀机有机朗肯循环方案，对单螺杆膨胀机内燃机余热有机朗肯循环系统进行了优化，研制了247KW柴油机废气余热热功转换系统并进行了变工况性能实验。结果表明，在柴油机功率为248KW时，研制的废气余热热功转换系统可输出10.38KW的功率，柴油机加有机朗肯循环复合系统的热效率从未回收尾气余热时的42.27%提高到了43.80%，每千瓦油耗降低了3.5%。经过理论分析证明，通过提高单螺杆膨胀机进气参数，改进循环结构，采用高效工质泵和无需油泵的润滑方案，可望将有机朗肯循环的效率提高到10%～15%，可使柴油发动机的综合系统热效率提高2.3～3.6个百分点，单位功率油耗降低了5.4～8.5%。如果该技术能在我国内燃机中得到推广和应用，节能潜力高达1500～2400万吨石油/年，市场容量高达4600～7200亿元。
（5）该课题发表了系列学术论文53篇，其中SCI收录21篇；申请国家发明专利19项，实现专利转让300万元。