【基金标书】2011CB707200-高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究

项目名称： 高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究 首席科学家： 舒歌群 天津大学 起止年限： 托部门： 教育部 天津市科委 二、预期目标 目总体目标 （ 1）通过本项目的研究， 将内燃机的 总能 效率 在现有基础上 提高 15%以上 为目标，在内燃机余热能高效转化和高效利用的关键科学问题上取得突破， 并结合原理性样机 ，验证新理论、新方法。 为有效降低石油消耗、降低 放， 为我国能源可持续发展战略和实现节能减排的目标作出贡献。 （ 2） 建立 “内燃机联合热力 循环能流耦合与协调可控” 的 余热能 梯级 利用的理论框架，提出内燃机余热能高效转化和利用的系统设计方法和集成优化理论 ， 形成高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用的新方法， 在 新技术原理和新技术上取得突破 。为 我国内燃机工业在围绕 节能减排 新技术的竞争中，提高自主创新能力和国际竞争力 提供理论和技术基础。 （ 3） 形成一支在 内燃机节能减排 领域具有国际竞争力的研究团队， 增强承担国家重大科研攻关任务的能力； 建成培养 内燃机节能减排 领域高素质 、多学科交叉的 创新人才 培养 基地。 年预期目标 理论层面的 目标 1） 在 底循环吸热的 内燃 机余热能 联合热力循环优化组合 的新理论和新方法的研究中取得突破。提出 新型循环工质 、新型工质 与循环系统的匹配理论 ，提出 典型循环系统的集成原理 方法 ，提出新颖的正逆 耦合 循环系统 。 2） 在 排气余压动能充分膨胀作功的 气动 循环高效转化的 新理论、新方法和新技术的研究中取得突破。 3）在 新型高效热电转化器件的优化设计理论 和方法研究上取得突破。 4） 提出 内燃机 混合动力系统 多目标 能量管理 的建模 与控制理论 ，在 内燃机全工况范围的余热能高效转化 回收能高效利用的控制方法 和 策略 上取得突破 。 技术 层面的目标 1）研制 4 种技术途径的内燃机余 热能利用的原理性装置，使内燃机经济性提高 5 2） 完成汽油 机 、柴油 机余热能高效转化和利用的新技术原理样机 ， 内燃机总能转化效率提高 15%， 为产业化提供 新技术方案。 3）掌握 高效化、 集成化、小型化 热力系统核心零部件（包括膨胀机、换热器、涡轮机、发电机） 等的设计能力，为中低品位能的高效利用提供技术手段 。 优秀 成果和 人才培养目标： 1） 在本项目研究过程中 形成的成果， 拟出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著 1 2 部，在国内外学术刊物上发表学术论文 200 篇，其中三大检索占 80%以上 ； 申请 发明 专利 25 项以上；软件著 作权登记 5 。 2） 培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的 能源领域的 基础与高技术研究队伍 ， 包括 2具有国际影响力的科学家、 1 2 名国家级人才计划获得者、中青年学术带头人 8 10 名 。 3）培养博士生 40 50 人， 博士后 10。 博士生和博士后 参加 国外有影响的学术会议 ， 与国外高水平大学加强实质性学术交流， 并 发表论文 10 15 篇。 三、研究方案 体思路 本项目提出“内燃机联合热力循环能流耦合与协调可控”的核心学术思想来寻求对关键技术瓶颈问题的解决办法。以 环（柴油机）和 环（汽油机）为特征的内燃机，其余热能的主要表现形式为热能流和动能流等。对余热能的热能流和动能流的高效转化利用的核心思想是针对不同形式、不同品位的能量流，选择各种热力循环（朗肯循环、 环 、布雷顿循环、斯特林循环等）或热电转化材料等来提升能源的品位、实现余热能的高效转化。“能流耦合”反映了内燃机余热能转化过程中低品位能向高品位能转化的过程特征，体现为联合热力循环系统的参数耦合，“能流耦合”的联合热力循环的优化是实现高效转化的途径。“协调可控”就是 能 流 耦合 的联合 热力循环 系统能够满足 内燃机 余 热能随 运行工况变化的瞬变脉动性和梯度特性 ，实现高效转化；同时，回收的能量能够满足内燃机运行工况的用能需要，实现高效利用。“协调可控”是实现新技术原理创新的要素。 本项目的总体研究思路是：以 核心学术思想 为 指导 ， 从包括热力学、传热学、流体力学、材料学 、动力机械 工程等学科交叉协同的角度，以揭示 内燃机余热能转换过程 的 传递、转化规律为切入点，得到 “ 能流耦合”的 热力循环系统 的 能量高效转化 关系 ； 设计性能 强化的热力单元和工质材料 ， 以保障提 “能流耦合”的联合热力循环系统的实施。 从动力机械 工程 、力学、机械设计、控制理论与工程等 多门工程科学的角度，以 内燃机总能转化效率为目标 ，对 于热能 到功的 转化利用的 热力学循环 系统 模式 、 一体化集成建模 和能量管理策略 进行研究， 提出非稳态能量流 “协调可控” 的能量管理策略和控制方法 。在热力学、传热学与材料科学 、动力机械等 学科边缘上取得 “内燃机联合热力循环能流耦合与协调可控”理论思想的 突破， 为内燃机 余热能高效转化和利用的 新技术提供理论依据 。 针对内燃机余热能中热能流和动能流形式的高效转化和高效利用的关键技术瓶颈问题和关键科学问题，设计不同的技术路线；开展循环模拟优化、试验装置系统测试分析、原理样机设计和集成 优化等研究工作，提出并验证新理论、新方法和新技术。 术途径 本项目的技术途径关系如图 5 所示。对各个环节说明如下： （ 1）关键技术途径设计 围绕内燃机余热能中热能流的高效转化的关键技术和科学问题，设置新型可控热力循环系统研究以及热电材料高效热电转化研究两条技术路线。 围绕内燃机余热能中动能流的高效转化的关键技术和科学问题，设置 复 合涡轮 余压能直接转化的气动循环研究以及基于附加膨胀室的余压能气动循环转化研究两条技术路线。 围绕内燃机余热能回收能的高效利用的关键技术和科学问题，设置基于热、电 蓄能的 热 燃机混合动力系统能量管理研究以及基于高压气体蓄能的气动 图 5 技术途径的关系 （ 2）技术路线及方案 1）新型可控热力循环研究 建立联合热力循环系统的理论模型，开展基于传热 工质相变底循环吸热的联合热力循环系统效率优化的模拟研究；研究中，提出针对不同新型循环工质、新循环系统的匹配理论和正逆耦合循环系统。搭建试验装置系统，开展测试分析和验证研究。 原理样机研制，系统集成验证 系统建模，模拟分析，理论研究 搭建装置，测试分析，验证理论 4. 附加膨胀室余压能转化 3. 复合涡轮余压能转化 2. 热电材料高效热电转化 技术方案 高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用 基础研究 国家重大需求 技术特征 热能流转化 动能流转化 回收能利用 5. 热 电 内燃机混合能量管理 6. 气动 技术途径 理论层面： 理论创新 技术层面： 技术创新 系统层面： 原理创新 建立热力单元 传热 和换热得 能量转换 理论以及材料设计理论， 开展 核心 部件包括 膨胀机、换热器的 性能模拟分析研究，提出 设计理论和 制备技术 ；搭建试验装置系统，开展测试分析和验证研究。 搭建内燃机试验装置，开展基于传热 燃料催化裂解底循环吸热的余热能高效转化的实验研究；研究中，提出不同催化剂对燃料吸热催化裂解的效率、高热值燃料组分的影响。开展改性组合燃料在内燃机缸内高效清洁燃烧的控制策略。 2）热电材料高效热电转化 研究 建立基于热电材料的热电转化器件系统和模型，以理论分析和试验测试分析为手段，研究 热电器件中 材料 电极 连接的 多 尺度的传热传质机理； 提出 热电器件 的复合强化传热方法 ；提出 高效热电器件 的 设计 方法和 制备技术 ； 设计不同温度梯度和温度窗的系列热电转化器件和组合装置；搭建试验装置系统，开展测试分析和验证研究。 3）复合涡轮 余压能直接转化的气动循环研究 建立联合气动循环系统的理论模型，开展基于涡轮膨胀的内燃机余压能气动循环流动机理的模拟优化研究 ，提出 复合涡轮系统（涡轮 发电）一体化设计 方法 和制备技术； 搭建试验装置，开展测试分析和验证研究； 以理论分析和试验测试分析为手段，研究 全 工况的动力涡轮高效转化的自适应控制策 略 。 4）基于附加膨胀室的余压能气动循环转化研究 建立联合气动循 环系统的理论模型，开展基于附加膨胀室的内燃机余压能气动循环的模拟优化研究。研究中，对多工质联合循环、多级膨胀、中间加热等技术方案进行模拟优化组合研究 ；提出 内燃机 气动循环装置优化设计方法 和制备技术 ；搭建试验装置，开展测试分析和验证研究。 5） 热、 电蓄能的 热 燃机混合动力系统能量管理研究 结合余热能、制动能回收 热、 电蓄能的内燃机混合动力系统特点，开展系统控制模型的建模理论和方法研究，建立控制模型；开展全工况范围的余热能高效转化 回收能高效利用的多目标优化控制理论和控制策略研究 ；提出 内燃机 发电（驱动）电 机一体化的 系统 设计理论和方法；搭建试验装置，开展测试分析和验证研究。 6） 气体蓄能的气动 究 建立高压气体蓄能的气动 展混合动力系统的 蓄能、用能的 能量管理模拟 分析 研究 ， 包括气体工质、能量效率、控制方法和策略 优化模拟分析 。 提出 内燃机 压气机 气动发动机的一体化 的 设计方法；搭建试验装置，开展测试分析和验证研究。 研究工作的特色 和创新性 （ 1） 相对于国际上目前主要集中于单一转化技术的研究，提出 “内燃机联合热力循环能流耦合与协调可控”的核心学术思 想来寻求关键技术瓶颈和关键科学问题的突破， 重点研究“ 能流耦合 ”和“ 协调可控 ”条件下的 能量转化 过程的规律，在科学层面上是对 基础科学理论 的发展和创新 ，在 技术 层面上 是由理论向技术转化的关键，有重要应用前景和科学意义。 （ 2） 相对于国际上把内燃机余热能转化系统作为附属系统的思想，对多能流耦合的 内燃机余热能转化提出 联合热力循环优化 集成 的思想，提出将内燃机热力循环作为循环单元，有机组合于联合热力循环系统中，寻求 内燃机热效率和底循环效率的协同优化，是以内燃机总能效率为优化目标的余热能高效转化的新思想和新方法。 （ 3）相对 于国际上 电池蓄能的电 提出 余热能、制动能回收 电蓄能 能 和辅助系统用能的内燃机复合能量 动力系统 多目标 能量管理 的建模 与控制 思想，是对余热回收能高效利用理论和系统控制理论的创新。本项目提出的 高压气体蓄能的气动 热回收能高效利用的 思想，是对内燃机节能技术和 余热回收能高效利用技术的丰富和创新。 行性分析： （ 1） 在科学原理上是可行的 。 内燃机余热能高效转化 和 利用 的理论基础是工程热力学中能量转化的基本原理； 余热能高效转化 和 利用 的过程综合了 动力机械 、 化学、 力学 、 材料科学、电机工程、机械设计理论 、 控制理论 等基本科学理论 。 项目组 的前期工作进展和国际上同类研究说明取得理论、方法和技术的突破是具有理论基础的、是可行的； （ 2） 研究方法和技术路线是可行的 。 本申请针对内燃机余热能 高效转化 和利用 的 技术瓶颈 提出了有针对性的科学问题和技术方案，以新技术创新为导向开展基础研究，主攻方向明确 ； （ 3） 具备 优越 的工作基础和研究条件 。 项目 组前期工作基础扎实， 有一支团结、合作，科研基础较好的学术梯队。项目主要由 3 个国家重点实验室 和国防重点实验室及 1 个教育部重点实验室承担 ，研究条件优越； （ 4） 具备良好的国际合作环境。项目组有良好的国际合作背景， 欧美日等国也正在 有组织 开展 同类研究 ，有良好的国际学术交流和合作机遇。 题设置 依据 本 项目 所要解决的技术瓶颈、关键科学问题和 预期目标 设置了如下 6 个课题 。 各个课题间的关系如图 6 所示。 图 6 各课题之间的关系 围绕内燃机余热能中的热能流的高效转化的问题，设置 课题 1 3。课题 1主要针对 基于底循环的热能流联合热力循环高效转化的集成优化理论开展研究；课题 2 主要针对热力系统核心热力单元及部件开展研究 ，为高效化、小型化的转化系统提供方法和技术支持；课题 3 主要针对热电材料的高效转化的热电器件开展强化传热和换热以及设计理论的研究。主要解决关键科学问题 1、 2。 围绕内燃机余热能中动能流的高效转化问题，设置课题 4题 4 主要针对 基于复合涡轮的余压能直接转化的气动循环 开展；课题 5 主要针对 基于附加膨胀室的余压能气动循环转化 以及基于高压气体蓄能的气动 究 。主要解决关键科学问题 2、 3 动力机械及工程 控制理论 材料科学与工程 工程热物理 关键科学问题 高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用 基础研究 国家重大需求 涉及学科领域 课题 设置 热能流转化 动能流转化 回收能利用 技术特征 1. 内燃机余热能梯级转化联合热力循环效率协同优化 内燃机混合动力的余压能转化与利用新途径 电混合动力系统复合能量集成理论及管理策略 非稳态复合能量集成理论及管理策略 内燃机联合热力循环能流转化规律和效率协同优化 方法 内燃机余压能非定常流动气动 循环耦合规律和控制方法 围绕内燃机余热回收能高效利用问题，设置课题 6。课题 6 主要针对热、电蓄能的热 高效利用开展研究。主要解决关键科学问题 2、 3。 课题 1： 内燃机余热能梯级转化联合热力循环效率协同优化 1研究内容： （ 1） 内燃机余热能全工况能量流分布规律及评价。结合典型柴油机、汽油机与常用工作机械匹配的工况特征，开展点工况（发电机组动力）、线工况（船舶动力）、面工况（汽车和其它陆地运输和作业机械动力）运行的余热能热物性测试评价工作，建立数据库和 ，为余热能梯级转化策略和技术途径的选择提供依据。 （ 2） 基于 底循环的 内燃机余热能 联合热力循环耦合机理 研究 。 研究 内燃机 环与余热回收 底 循环的耦合规律以及内燃机复合动力系统的稳态和动态特性，研究影响 底循环效率和 内燃机燃料利用效率的因素及其影响机理 。 （ 3） 传热 工质相变底循环吸热的 内燃机余热能 联合热力循环优化组合 理论。开展针对不同能量品位的底循环 的效率优化匹配和组合研究； 探索 新型循环工质 、新型工质 与循环系统的匹配理论 、 新颖的正逆 耦合 循环系统 。 建立多品位瞬变余热能高效热功转换的设计理论 。 （ 4） 内燃机余热能转化联合热力循环 系统 总能效率 优化理论 。 研究循环组合系统参数与内燃机设计参数的耦合优化策略，探索提高底循环效率和内燃机热效率的优化理论和技 术途径，研究 全系统 、 全工况的内燃机复合能量系统集成理论 。 （ 5） 传热 燃料催化裂解底 循环吸热的 内燃机余热能 联合热力循环组合 和效率优化 理论。研究燃料 吸热催化裂解 为高热值组合燃料的 改性机理 ；开展 改性 组合燃料 在内燃机缸内 高效清洁燃烧机理 的 研究 ；研究提高内燃机总能效率的方法和技术途径。 2研究目标： 在 底循环吸热的 内燃机 联合热力循环 集成 优化 的新理论和新方法的研究中取得突破。 建立 余热能 联合热力循环系统的理论模型 ；提出内燃机热力循环与不同底循环组合的设计理论和优化策略；开发内燃机总能转化效率提高 15%的原理性样机 1 台 。 培养博士生 8，硕士生 12 ，博士后 3 。在国内外重要期刊发表学术论文 40 篇，其中 索 30 篇。 申请专利 5。 课题承担单位： 天津大学、湖南大学等 课题负责人： 舒歌群 学术骨干： 刘敬平、卫海桥、梁兴雨、 裴毅强 、 任承钦 经费比例： 课题 2： 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 1研究内容： （ 1）换热器多组分多相流 传热机理及有限空间内 的 高效强化 设计 理论 。 研究内燃机 余热能转化系统中 包括蒸发器、冷凝器、回热器等换热器 的传热机理及低阻力强化传热方法， 循环工质的蒸发冷凝相变换热规律和冷凝器内小温差强化传热的机理与方法，揭示蒸发器、冷凝器的紧凑化设计方法 。 寻求低成本抗腐蚀技术。 （ 2）工质相变材料 高温蓄热过程多尺度表征与传热强化方法 。研究 相变材料蓄热段结构设计 方法， 研究非稳态高温蓄放热过程多相流体流动行为与耦合传热传质规律，深入探悉多孔蓄热介质相界面行为，相扩散以及界面效应对传递过程的影响机理，揭示高温传热及蓄热过程多尺度结构中热过程特性与控制机理，阐明内燃机负荷变化与蓄热器蓄放热的耦合规律与控制机理。 （ 3）高效膨胀机流动膨胀机理与设计方 法。 揭示油气两相流体以及超临界流体在复杂流道内及啮合间隙中的流动传热机理，全流膨胀过程流体流动相变与能量转换机理，阐明影响膨胀机能量转换效率的机理和规律 ； 探索膨胀机适应负荷变化的控制机理与策略 ； 探悉流体种类、温度、压力与膨胀机部件材料、加工工艺的关联机制，建立适应内燃机余热回收高效膨胀机的设计控制理论 。 （ 4）热力单元集成理论和热力过程优化。探寻 有限空间内 热力单元集成优化的设计理论、热力过程高效转化的 调控机理及其强化途径 ；建立适宜内燃机动力装置尺度的余热能转化的底循环设计和集成理论。 2研究目标： 在 高效 化、 集成化、小型化 热力系统核心单元（包括膨胀机、换热器、涡轮机、发电机）的设计理论和方法上取得突破。 提出核心热力单元的性能 强化 理论和 紧凑化设计方法，建立 热力循环系统的集成 设计与控制理论。 搭建适宜内燃机动力装置尺度的原理性装置 1 台。 培养博士生 5，硕士生 8。在国内外重要期刊发表学术论文 30 篇，其中 索 20 篇。 申请专利 4。 课题承担单位： 北京工业大学 课题负责人： 吴玉庭 学术骨干： 张红光、张彦琴、 王伟 、 杜春旭 经费比例： 课题 3： 热电材料多尺度结构中 传热规律及高效热电转换机理 1研究内容： （ 1） 热电材料多尺度结构中传热规律 及强化传热方法。研究高效热 立 热电材料 电 极 材料 结构 界面 和材料 内部能流分布的数学物理模型，发展相应的数值方法 。研究不同温度梯级特性和温度窗热 悉非稳态载热流体的结构 界面效应对传递过程的影响机理 ；揭示热电转化器件的温差、传热特性对材料热电转化效能的影响规律。 （ 2）热电转化器件高效热电转化机理及优化设计方法。基于温差、传热特性对材料热电转化效能的影响机理，提出热电器件的 强化传热 和复合传热理 论和方法；探索热电材料 优值系数 随 温度、温度窗差异变化的高效热电器件适应性设计理论。建立高效热电转化器件结构优化设计方法、制备技术。 （ 3） 内燃机热电器件组合装置的设计研究。 研究热电器件组合装置对内燃机冷却水和排气的流阻影响机理；建立 低温、低速冷却水流的 热电器件组合装置 以及高温、高速、脉动排气热源的 热电器件组合装置 的高效热电转化设计方法。 2研究目标： 在 新型高效热电转化器件的优化设计理论 和方法研究上取得突破。 揭示温差、传热特性对热电转化器件的转化效率的影响规律；建立高效热电转化器件结构优化设计方法、组合装 置设计技术和制备技术。搭建原理性装置 1 套。 培养博士生 5，硕士生 8。在国内外重要期刊发表学术论文 30 篇，其中 索 20 篇。 申请专利 2。 课题承担单位： 天津大学 、西安交通大学 课题负责人： 王世学 学术骨干： 李献国、戴传山 经费比例： 14 课题 4： 内燃机余压能直接转化的复合涡轮气动循环集成与控制 1研究内容： （ 1）涡轮复合循环流动相互作用与耦合优化。研究内燃机缸内热功转换过程与动力涡轮热功转换过程互为约束 ， 工质流动相互作用将导致的非线性自组织效应。 突 破内燃 机与动力涡轮间研究界限，探索从系统整体和联合循环角度，建立内燃机涡轮复合循环流动耦合优化理论，通过联合循环热力过程流场通流匹配设计与优化，实现能量梯级利用，有效提高内燃机涡轮复合循环的总性能。 （ 2）动力涡轮流动机理与自适应控制。建立反映涡轮复杂流场对变工况和脉冲进气响应的强波涡流动模型，研究变工况和脉冲进气条件对低膨胀比动力涡轮内部复杂流动及性能的影响规律和机制，发展降低动力涡轮的变工况和脉冲敏感性，提高动力涡轮工况适应性和涡轮复合全工况性能的流动控制方法。 （ 3）高速涡轮发电 /传动的损失机理与 集成 设计 方 法 。研究高速电机和液力变矩器的损失机理，并从能量损失大小和能量品位高低角度，探索提高涡轮发电 /传动性能的电机或液力变矩器与动力涡轮一体化的设计方法，为涡轮复合系统的涡轮发电或传动系统设计提供理论基础。 （ 4）内燃机 于工作机械运行工况特征，开展涡轮复合系统特性与内燃机工况的适应性研究，提出全工况性能优化的控制策略。探悉涡轮复合系统的工程应用适应性。 2研究目标： 在内燃机 排气余压动能 涡轮复合气动 循环高效转化的 新理论和新方法以及新技术的研究中取得突破。 揭示涡 轮复合循环的热功转换机制 和 热功 高效转化调控理论和策略；提出 涡轮发电 /传动一体化 的 内燃机涡轮复合总能系统 的设计 理论与技术 。 研制出可回收 15以上 排气能量 、使内燃机总能 效率 提高 6以上的原理性 样机 1 台 。 培养博士生 7，硕士生 8。在国内外重要期刊发表学术论文 35 篇，其中 索 28 篇。 申请专利 3。 课题承担单位： 清华大学、 中国北方发动机研究所 课题负责人： 张扬军 学术骨干： 诸葛伟林 、 张俊跃 、 刘树红 、 郑新前 、 胡力峰 、 沈建新 经费比例： 课题 5： 气动 1研究内容： （ 1） 附加膨胀室的 余压能 热功 转化 规律及动力学特征研究。探寻 气动膨胀缸排气 能流的热物性、流体特性对 膨胀做功过程的 影响机理及 工作过程的热交换 机理 ， 提出余压能充分回收的 多工质联合循环的多级膨胀理论及系统设计方法；研究复杂机构的动力学机理，建立附加膨胀系统的高效转化设计理论。 （ 2） 全工况 气动联合循环的空气 、热 管理 和控制策略。探悉 内燃机 全工况 排气流动的瞬变和脉动 规律 ，研究气动膨胀缸工作过程气体流动状态的变化规律，探明排气能量状态与气动膨胀缸做功能力的耦合 机制，以优化系统总能转换效率为目标，提出气动 联合循环中的空气 、热 管理理论和策略。 （ 3）余压回收能高效利用的 气动 成和设计理论。 研究 内燃机 压气机 气动发动机的一体化设计理论和方法 ， 构建 高压气体蓄能的余热能、制动能回收 气动驱动用能的 混合动力 系统的设计理论和技术。 （ 4） 气动 统 的 能量管理策略和控制方法。探寻混合动力系统的建模理论和方法，提出全工况能量管理策略；开展多目标优化的控制理论研究，提出余压能高效转化 出控制器件、执行 器（ 气马达、气动 阀）的设计和制备技术。 2研究目标： 在内燃机余压能气动 循环高效转化 和利用的新理论、新方法、新技术的研究中取得突破。 提出余压能充分回收的 多工质联合循环的多级膨胀理论及系统设计方法；提出 高压气体蓄能的余热能、制动能回收 气动驱动用能的混合动力 系统的设计理论和技术。 研制内燃机总能 效率 提高 5以上的 原理型 样机 1 台 。 培养博士生 7，硕士生 8。在国内外重要期刊发表学术论文 35 篇，其中 索 28 篇。 申请专利 3。 课题承担单位： 浙江大学 课题负责人： 俞小莉 学术骨干： 刘震涛 、 沈瑜铭 、 吴锋 经费比例： 课题 6： 内燃机热 1研究内容： （ 1）热 燃机混合动力复合能量 系统 集成 设计 理论 和方法。基于制动能回收的电池蓄能的电机 建余热能底循环、涡轮复合循环、热电材料、制动回收电能高效转化和内燃机动力 用能 和辅助系统用能高效利用的复合能量集成系统；提出 集成式电机 /发电机（ 机）、电动冷却风扇、电动水泵等用能元件 的高效紧凑化的设计方法，提出一体化和集成化的设计理论和方法。 （ 2） 非稳态复合能量 系统总能 效率评价方法 。 测试和建立 底循环、涡轮复合循环、制动、热电材料 转换系统 全工况 的能量回收效率 立和标定各回收系统的效率分析模型；测试和建立能量储存单元（热能储存单元和电能储存单元）的能量储存能力 及能量输入输出转换效率 综 合考虑能量回收效率、储存效率、做功转换效率等全历程环节，建立基于能量传输全路径的综合效率评价模型，为能源转换路径决策提供分析手段。 （ 3） 非稳态 复合能量 系统 控制模型的建模理论、控制理论和技术。基于复合能量系统的能流传输特点，探寻多输入、多输出控制模 型的建模理论和方法，提出多目标优化控制理论 ；构建基于 能量回收控制 、 储存协调 、 使用控制 的 复合能量综合管理软硬件平台 。建立 混合动力复合能量 控制优化的理论和技术手段。 （ 4）全工况 余热能高效转化 回收能高效利用控制策略。 探寻 能量回收多途径 、回收比例分配对 总能 效率的影响 机理 ， 揭示总能 效率优化的多途径回收、存储和利用的协同控制规律。研究动态工况下，能量回收路径之间、能量储存路径之间、能量使用路径之间以及回收、储存和使用三个环节之间的动态耦合策略 ，阐明 以道路 行驶 工况的 总能 效率优化为目标的 高效回收 协调管理策略 。 2研究目标： 在热 燃机 混合动力系统 的余热能 高效转化 和利用的新理论、新方法的研究中取得突破。提出 多目标 能量管理 的建模 与控制理论 ；提出 内燃机全工况范围的余热能高效转化 回收能高效利用的控制方法 和 策略。 提出 热 燃机 混合动力系统 集成设计理论和方法； 研制原理样机 ，总能效率提高 15以上。 培养博士生 7，硕士生 8。在国内外重要期刊发表学术论文 35 篇，其中 索 28 篇。 申请专利 3。 课题承担单位： 天津大学、西安交通大学 课题负责人： 谢辉 学术骨干： 夏超英 、 曾科、高 文志 经费比例： 四、年度计划 研究内容 预期目标 第 一 年 1、开展典型柴油机、汽油机全工况余热能运行热物性测试及评价研究；开展内燃机热平衡仿真模拟研究。 2、 研究 内燃机余热能 中 热能流多路径 转化过程中热力单元的 传热 机理 、换热 机理 、工质 特性研究。 3、 热电材料多尺度结构的传热规律和热电转化效率研究； 4、 内燃机余压能转化复合涡轮气动循环系统规划； 动力涡轮性能及内部流场随发动机工况和脉冲进气条件变化的规律 研究 ； 5、基于附加膨胀室的内燃机余压能转化系统 设计 ； 气动膨胀室工质及内燃机排气流动的耦合 的仿真研究 ； 6、内燃机余热回收能利用的热电混合动力复合能量发动机系统能量传递模型及仿真优化研究； 7、基于余热能转化 划设计 和理论研究 1、建立典型内燃机余热能全工况能流分布规律 以及模拟预测方法。 2、获得内燃机热能流转化过程的传热和热力学特性的规律认识。 3、获得内燃机余压能转化过程的流动转化规律和能量转化规律的认识。 4、形成回收能利用的方案。 5、 确定项目的技术路线和详细实施方案。 6、 完成论文 30 篇以上，其中 0 篇以上，申请发明专利 5 项以上。 研究内容 预期目标 第 二 年 1、内燃机余热能 底循环 转化 的 联合热力循环系统 的建模及模拟研究。 2、研究热能流底循环转化的部件层面的强化理论；构建 单螺杆膨胀机有机朗肯循环 实验系统 ， 开展 膨胀机性能 、热力单元特性的测试研究。 3、研究热电转化器件的传热和热电转化规律； 建立 热电材料传热表面换热特性和热电转换器性能测试的实验装置。 4、 内燃机涡轮复合循环流动的耦合优化与能量梯级利用研究 ；构建高转速条件下动力涡轮 展高速机电动力特性的研究。 5、构建 基于附加膨胀室的内燃机余压能转化系统 ，开展原 理性测试分析研究。 6、 建立余热能回收底循环发电系统、热电直接转换系统以及蜗轮发电系统模块等的能量回收系统的能效测试平台，建立余热能回收发电数学模型 ； 开展搭载电动用能系统 的基础发动机改进设计。 7、构建传热 展系统效率优化的研究。 8、 撰写中期研究报告。 1、 完成 内燃机 底循环转化的联合热力循环理论研究方法； 完成基于“传热 燃油裂解 膨胀做功”回收内燃机余热能方案的热力学模型的搭建 2、 完成 有机朗肯循环的实验系统 构件工作。 3、 掌握热电转化器件 结构对热 电转换效率的影 响规律 。 4、 揭示变工况及脉冲条件对动力涡轮流动及性能的影响机理； 提出内燃机与动力涡轮联合循环热力过程的耦合优化方法。 5、 建立内燃机及气动膨胀室的进排气系统模型；获得基于内燃机排气余热回收利用的热管理系统模型； 6、 完成余热回收能 利用的 原理性系统的搭载，基于稳态工况和动态工况数据，建立综合效率评价模型。 7、发表论文 40 篇以上，其中 5 篇以上；申请发明专利 5项以上。培养毕业硕士、博士研究生20 名以上； 8、完成项目中期研究报告。 研究内容 预期目标 第 三 年 1、 研究循环组合系统参数与内燃机设计 参数的耦合优化策略，探索提高底循环效率和内燃机热效率的优化理论和技术途径，研究全系统、全工况的内燃机复合能量系统集成理论。 2、开展烟气换热器、 蒸发器和冷凝器 、 膨胀机 等核心部件的高效、强化传热、换热和做功机理研究。 3、开展 温差、传热特性对热电转化器件的转化效率以及热电转换器的结构对热电转换效率的影响规律的研究 。 4、开展 动力涡轮流动控制方法对变工况和脉冲条件下涡轮性能影响的实验研究 。 5、开展高压气体蓄能的气动发动机理论研究 ，建立气动 内燃混合动力整机模型并进行参数优化 。 6、 研究构建基 于能量回收控制、储存协调、使用控制的复合能量综合管理软硬件平台； 研究复合能量系统多路径、多目标动态优化控制理论。 7、 完成对传热 燃油裂解 的 回收余热的底循环系统参数的工程化设计，主要包括催化剂的初选，裂解器和膨胀器、系统回路参数的设计等 。 1、 完成 内燃机 联合热力循环系统的设计； 完成对传热 燃油裂解 的 回收余热的底循环系统参数的工程化设计 。 2、 获得蒸发器、冷凝器的能量传递机理，获得相变蓄热过程传热传质强化方法，获得单螺杆膨胀机内部流动、传热与膨胀的耦合机理 。 3、 提出热电转换器的结构的优化设计方法 。 4、 研制出涡轮复合系统的初 步原理样机 。 5、提出高压气体蓄能的气动发动机设计方法。 6、建立热电混合动力复合能量综合管理平台； 提出复合能量管理系统全历 程动态规划模型。 7、发表论文 40 篇以上，其中 I 收录至少 35 篇，申请发明专利 5 项以上，培养硕士、博士研究生 25 名以上。 研究内容 预期目标 第 四 年 1、 研究 内燃机余热能 联合热力循环优化组合 理论 ； 开展针对不同能量品位的底循环 的效率优化匹配和组合研究 。 探索 新型循环工质、新型工质与循环系统的匹配理论、新颖的正逆耦合循环系统。 2、研究 有限空间内热力单元集成优化的设计理论、热力过程高效转化的调控机理及其强化途径 。 3、 研究设计并制作温差热电转换器；进行温差热电转换器的各种工况条件下的发电性能实验。 4、 研究动力涡轮与发电机的一体化优化设计；研究涡轮复合系统特性及其对内燃机工况的适应性。 5、建立高压气体蓄能的气动发动机原理性实验研究系统；开展控制和优化理论研究。 6、 研究能量回收多途径、回收比例分配对总能效率的影响机理 ；开展 总能效率优化的多途径回收、存储和利用的协同控制规律 研究； 研究动态工况下，能量回收、储存、使用路径 和环节之间的动态耦合策略。 7、开展基于 传热 燃料裂解的余热能高效转化的实验 研究；研究不同催化剂对燃料吸热催化裂解的效率、高热值燃料组分的影响 。 1、 完成余热能联合热力循环转化的柴油机原理性样机设计； 2、 获得蒸发器、冷凝器、蓄热器的紧凑化设计方法，获得单螺杆膨胀机的全流膨胀规律和动态特性，建立单螺杆膨胀机的设计与控制理论。 3、 完成温差热电转换器的设计和制作 。 4、 实现涡轮复合系统原理样机与内燃机的集成 。 5、建立气动发动机实验系统。 6、掌握 总能效率优化的多途径回收、存储和利用的协同控制规律。 7、发表论文 45 篇以上，其中 I 收录至少 35 篇，申请发明专利 5 项以上，培养 毕业硕士、博士研究生25 名以上。 研究内容 预期目标 第 五 年 1、 建立适宜内燃机动力装置尺度的余热能转化的底循环集成 设计 理论和原理性能评价方法。 2、开展柴油机余热能底循环转化的原理性样机的考核评定研究。 3、完善针对排气余热和冷却回路余热的热电转化器件的设计和评价方法。 4、 涡轮复合系统原理样机与内燃机集成系统的性能实验研究；优化控制策略的仿真与实验研究 。 5、完善基于余压膨胀转化的能流转化理论和回收能利用方法和理论。 6、 完善 回收能高效利用的 原理性样机 ； 优化原理样机的控制策略 ； 对原理样机的燃油经济性进行全工况评估 和优化。 7、 优化改性组合燃料在内燃机缸内高效清洁燃烧的控制策略 8、 项目总结，撰写项目结题报告。 1、完成 余热能联合热力循环转化的柴油机原理性样机，完善 “内燃机联合热力循环能流耦合与协调可控” 的余热能 梯级 利用 理论和方法，并进行总结。 2、 完成 内燃机动力装置尺度的 高效联合循环 原理性装置， 探明传热蓄热结构的高温腐蚀规律及抗腐蚀途径 ，提出蓄热器适合内燃机负荷变化的蓄放热控制方法，并进行总结 。 3、 全面揭示温差、传热特性和热电转换器的结构对热电转换效率的影响规律 4、完成高效 内燃机涡轮复合系统原理样机；进行性能实 验， 验证指标。 5、 形成 余压膨胀转化的能流转化理论和回收能利用方法和理论 6、 建立热 7、发表论文 45 篇以上，其中 I 收录至少 35 篇，申请发明专利 5 项以上，培养毕业硕士、博士研究生30 名以上。 8、项目结题。 一、研究内容 解决的关键科学问题 内燃机余热能中热能流、动能流等形式随内燃机工作循环和运行工况变化的瞬变脉动性和梯度特性对现有的广义低品位能的转化理论和控制技术提出了新的挑战 。 本项目的根本任务就是要寻 求 解决关键技术瓶颈问题的 科学理 论和 方法， 从而 实现内燃机余热能高效转化利用的理论和技术突破 。 因此， 本项目重点解决如下关键科学问题： （ 1） 内燃机联合热力循环非稳态热能流转化规律和效率协同优化 本关键问题要阐明热电材料、 多组分烟气、动力循环工质及蓄热工质 在 非稳态条件下 的 共性 传热 理论和强化 机理 ； 探索非稳态条件下 热力单元（ 蒸发器、冷凝器、回热器等换热器 和膨胀机）中多组分多相流 传热 、 相变与能量转换机理及有限空间内 的 高效强化 设计 理论 ； 探索与内燃机余热 特性 相匹配的热力循环 及 新工质，构建内燃机 环与 底循环 耦合 的 余热 能 高效转换 的 联合 热力循环 ， 探悉影响底循环效率和内燃机燃料利用效率的热力学 耦合 参数及其影响机理，建立全系统、全 工况、高效率的 多能流耦合的联合热力循环 系统协同优化的方法， 为大幅度提高内燃机余热 转化 效率和可靠性探索有效途径。 （ 2） 内燃机余压能非定常流动气动循环耦合规律和控制方法 本关键科学问题揭示内燃机排气余压全工况能流分布规律。探索排气能流非定常流动激励以及涡轮复合循环流动相互作用与耦合机理；建立变工况的动力涡轮流动机理与自适应控制方法；阐明内燃机循环和余压能转化气动循环的耦合机理，揭示基于排气压力的循环耦合参数的定量影响规 律及其效率优化控制方法。探索新型气动循环，建立余压能高效转化的方法。 （ 3） 非稳态复合能量集成理论及管理策略 内燃机余热 能 利用是一个多循环、