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

二、预期目标

3.1 项目总体目标

（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CO2排放，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。 3.2 五年预期目标

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臵，使内燃机经济性提高5-10%。

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5-7项。

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2-3名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10-15人。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

4.1 总体思路

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Diesel循环（柴油机）和Otto循环（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、Kalina 循环、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、试验装臵系统测试分析、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。 4.2 技术途径

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，设臵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，设臵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，设臵基于热、电蓄能的热-电内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-内燃机混合动力系统能量管理研究两条技术路线。

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 技术途径 1.新型可控热力循环研究 2. 热电材料高效热电转化 3. 复合涡轮余压能转化 4. 附加膨胀室余压能转化 5. 热电内燃机混合能量管理 6. 气动-内燃机混合能量管理 理论层面： 技术方案 技术层面： 系统建模，模拟分析，理论研究 理论创新 技术创新 搭建装臵，测试分析，验证理论 系统层面： 原理样机研制，系统集成验证 原理创新

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。搭建试验装臵系统，开展测试分析和验证研究。

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；搭建试验装臵系统，开展测试分析和验证研究。

搭建内燃机试验装臵，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臵；搭建试验装臵系统，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-传动或涡轮-发电）一体化设计方法和制备技术；搭建试验装臵，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—气动循环装臵优化设计方法和制备技术；搭建试验装臵，开展测试分析和验证研究。

5）热、电蓄能的热-电内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；搭建试验装臵，开展测试分析和验证研究。

6）气体蓄能的气动-内燃机混合动力系统能量管理研究

建立高压气体蓄能的气动-内燃机混合动力系统的理论模型，开展混合动力

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；搭建试验装臵，开展测试分析和验证研究。 4.3 本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-油内燃机混合动力技术，提出余热能、制动能回收-热、电蓄能-动力用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-内燃机混合动力系统余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。 4.4 可行性分析：

（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。 4.5 课题设置

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臵了如下6个课题。各个课题间的关系如图6所示。

国家重大需求 高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究

关键科学问题 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

非稳态复合能量集成理论及管理策略

涉及学科领域 动力机械及工程 工程热物理 材料科学与工程 控制理论

课题设置 1. 内燃机余热能梯级转化联合热力循环效率协同优化

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

3.热电材料多尺度结构中传热规律及高效热电转换机理 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 5.气动-内燃机混合动力的余压能转化与利用新途径 6.内燃机热-电混合动力系统复合能量集成理论及管理策略

技术特征 热能流转化

图6 各课题之间的关系

动能流转化 回收能利用

围绕内燃机余热能中的热能流的高效转化的问题，设臵课题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，设臵课题4-5。课题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-内燃机混合动力的余热回收能的高效利用开展研究。主要解决关键科学问题2、3

围绕内燃机余热回收能高效利用问题，设臵课题6。课题6主要针对热、电蓄能的热-电复合能量管理和高效利用开展研究。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MAP图，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Diesel或Otto循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8-10名，硕士生12-15名，博士后3-5名。在国内外重要期刊发表学术论文40篇，其中SCI、EI检索30篇。申请专利5-6项。

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： 24.8%

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臵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臵尺度的原理性装臵1台。

培养博士生5-7名，硕士生8-10名。在国内外重要期刊发表学术论文30篇，其中SCI、EI检索20篇。申请专利4-5项。

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： 17.5%

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-电转化结构，建立热电材料-连接-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-电转化结构的传热机理，探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臵的设计研究。研究热电器件组合装臵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臵以及高温、高速、脉动排气热源的热电器件组合装臵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、组合装臵设计技术和制备技术。搭建原理性装臵1套。

培养博士生5-7名，硕士生8-10名。在国内外重要期刊发表学术论文30篇，其中SCI、EI检索20篇。申请专利2-3项。

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-涡轮复合系统工况适应性研究及全工况性能调控原理。基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7-9名，硕士生8-10名。在国内外重要期刊发表学术论文35篇，其中SCI、EI检索28篇。申请专利3-4项。

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： 15.3%

课题5：气动-内燃机混合动力的余压能转化与利用新途径 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-内燃机联合循环中的空气、热管理理论和策略。

（3）余压回收能高效利用的气动-内燃机混合动力集成和设计理论。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-高压气体蓄能-气动驱动用能的混合动力系统的设计理论和技术。 （4）气动-内燃机混合动力系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-回收能高效利用的控制策略；提出控制器件、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-高压气体蓄能-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7-9名，硕士生8-10名。在国内外重要期刊发表学术论文35篇，其中SCI、EI检索28篇。申请专利3-4项。

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： 13.1%

课题6：内燃机热-电混合动力系统复合能量集成理论及管理策略 1．研究内容：

（1）热-电内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-内燃机混合动力原理，构建余热能底循环、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（ISG电机）、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MAP，建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MAP以及能量输入输出转换效率MAP；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-高效利用的协调管理策略。 2．研究目标：

在热-电内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-电内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7-9名，硕士生8-10名。在国内外重要期刊发表学术论文35篇，其中SCI、EI检索28篇。申请专利3-4项。

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： 15.3%

四、年度计划

研究内容 预期目标 1、开展典型柴油机、汽油机全工况1、建立典型内燃机余热能全工况能余热能运行热物性测试及评价研究；流分布规律以及模拟预测方法。 开展内燃机热平衡仿真模拟研究。 2、获得内燃机热能流转化过程的传2、研究内燃机余热能中热能流多路热和热力学特性的规律认识。 径转化过程中热力单元的传热机理、3、获得内燃机余压能转化过程的流换热机理、工质特性研究。 动转化规律和能量转化规律的认识。 3、热电材料多尺度结构的传热规律4、形成回收能利用的方案。 第 和热电转化效率研究； 一 5、确定项目的技术路线和详细实施4、内燃机余压能转化复合涡轮气动方案。 循环系统规划；动力涡轮性能及内部6、完成论文30篇以上，其中SCI / EI流场随发动机工况和脉冲进气条件收录20篇以上，申请发明专利5项变化的规律研究； 以上。 年 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-利用的部件层面的方案规划设计和理论研究

研究内容 热力循环系统的建模及模拟研究。 预期目标 力循环理论研究方法；完成基于“传1、内燃机余热能底循环转化的联合1、完成内燃机底循环转化的联合热2、研究热能流底循环转化的部件层热—燃油裂解—膨胀做功”回收内燃面的强化理论；构建单螺杆膨胀机有机余热能方案的热力学模型的搭建 机朗肯循环实验系统，开展膨胀机性2、完成有机朗肯循环的实验系统构能、热力单元特性的测试研究。 件工作。 3、研究热电转化器件的传热和热电3、掌握热电转化器件结构对热电转转化规律；建立热电材料传热表面换换效率的影响规律。 热特性和热电转换器性能测试的实4、揭示变工况及脉冲条件对动力涡验装臵。 轮流动及性能的影响机理；提出内燃4、内燃机涡轮复合循环流动的耦合机与动力涡轮联合循环热力过程的第 优化与能量梯级利用研究；构建高转耦合优化方法。 二 速条件下动力涡轮-发电机的复合系5、建立内燃机及气动膨胀室的进排统的集成理论，开展高速机电动力特气系统模型；获得基于内燃机排气余性的研究。 热回收利用的热管理系统模型； 5、构建基于附加膨胀室的内燃机余6、完成余热回收能利用的原理性系开展原理性测试分析统的搭载，基于稳态工况和动态工况年 压能转化系统，研究。 数据，建立综合效率评价模型。 6、 建立余热能回收底循环发电系7、发表论文40篇以上，其中SCI / EI统、热电直接转换系统以及蜗轮发电收录的35篇以上；申请发明专利5系统模块等的能量回收系统的能效项以上。培养毕业硕士、博士研究生测试平台，建立余热能回收发电数学20名以上； 模型；开展搭载电动用能系统的基础8、完成项目中期研究报告。 发动机改进设计。 7、构建传热-燃料催化裂解底循环吸热的内燃机实验系统，开展系统效率优化的研究。 8、撰写中期研究报告。

研究内容 预期目标 1、研究循环组合系统参数与内燃机1、完成内燃机联合热力循环系统的设计参数的耦合优化策略，探索提高设计；完成对传热—燃油裂解的回收底循环效率和内燃机热效率的优化余热的底循环系统参数的工程化设理论和技术途径，研究全系统、全工计。 况的内燃机复合能量系统集成理论。 2、获得蒸发器、冷凝器的能量传递2、开展烟气换热器、蒸发器和冷凝机理，获得相变蓄热过程传热传质强器、膨胀机等核心部件的高效、强化化方法，获得单螺杆膨胀机内部流传热、换热和做功机理研究。 动、传热与膨胀的耦合机理。 3、开展温差、传热特性对热电转化3、提出热电转换器的结构的优化设器件的转化效率以及热电转换器的计方法。 第 结构对热电转换效率的影响规律的4、研制出涡轮复合系统的初步原理 三 研究。 样机。 4、开展动力涡轮流动控制方法对变5、提出高压气体蓄能的气动发动机工况和脉冲条件下涡轮性能影响的设计方法。 实验研究。 6、建立热电混合动力复合能量综合提出复合能量管理系统全年 5、开展高压气体蓄能的气动发动机管理平台；理论研究，建立气动—内燃混合动力历程动态规划模型。 整机模型并进行参数优化。 7、发表论文40篇以上，其中SCI/EI 6、研究构建基于能量回收控制、储收录至少35篇，申请发明专利5项存协调、使用控制的复合能量综合管以上，培养硕士、博士研究生25名理软硬件平台；研究复合能量系统多以上。 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。

研究内容 预期目标 1、研究内燃机余热能联合热力循环1、完成余热能联合热力循环转化的优化组合理论；开展针对不同能量品柴油机原理性样机设计； 位的底循环的效率优化匹配和组合2、获得蒸发器、冷凝器、蓄热器的研究。探索新型循环工质、新型工质紧凑化设计方法，获得单螺杆膨胀机与循环系统的匹配理论、新颖的正逆的全流膨胀规律和动态特性，建立单耦合循环系统。 螺杆膨胀机的设计与控制理论。 2、研究有限空间内热力单元集成优3、完成温差热电转换器的设计和制化的设计理论、热力过程高效转化的作。 调控机理及其强化途径。 4、实现涡轮复合系统原理样机与内3、研究设计并制作温差热电转换燃机的集成。 器；进行温差热电转换器的各种工况5、建立气动发动机实验系统。 第 条件下的发电性能实验。 四 6、掌握总能效率优化的多途径回收、4、研究动力涡轮与发电机的一体化存储和利用的协同控制规律。 优化设计；研究涡轮复合系统特性及7、发表论文45篇以上，其中SCI/EI 其对内燃机工况的适应性。 收录至少35篇，申请发明专利5项5、建立高压气体蓄能的气动发动机以上，培养毕业硕士、博士研究生开展控制和优25名以上。 年 原理性实验研究系统；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。

研究内容 预期目标 1、建立适宜内燃机动力装臵尺度的1、完成余热能联合热力循环转化的余热能转化的底循环集成设计理论柴油机原理性样机，完善“内燃机联和原理性能评价方法。 合热力循环能流耦合与协调可控”的2、开展柴油机余热能底循环转化的余热能梯级利用理论和方法，并进行原理性样机的考核评定研究。 总结。 3、完善针对排气余热和冷却回路余2、完成内燃机动力装臵尺度的高效热的热电转化器件的设计和评价方联合循环原理性装臵，探明传热蓄热法。 结构的高温腐蚀规律及抗腐蚀途径，4、涡轮复合系统原理样机与内燃机提出蓄热器适合内燃机负荷变化的第 集成系统的性能实验研究；优化控制蓄放热控制方法，并进行总结。 五 策略的仿真与实验研究。 3、全面揭示温差、传热特性和热电5、完善基于余压膨胀转化的能流转转换器的结构对热电转换效率的影化理论和回收能利用方法和理论。 响规律 6、完善回收能高效利用的原理性样4、完成高效内燃机涡轮复合系统原优化原理样机的控制策略；对原理样机；进行性能实验，验证指标。 年 机；理样机的燃油经济性进行全工况评5、形成余压膨胀转化的能流转化理估和优化。 论和回收能利用方法和理论 7、优化改性组合燃料在内燃机缸内6、建立热-电内燃机混合动力系统全高效清洁燃烧的控制策略 历程能量优化管理理论。 8、项目总结，撰写项目结题报告。 7、发表论文45篇以上，其中SCI/EI 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

2.1拟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Otto或Diesel循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-回收-利用是一个多循环、非稳态、强非线性耦合的复杂系统，本关键科学问题探索内燃机全工况变化的余热能回收-蓄能-用能这三者间的管理策略与控制策略，构建余热能回收能量与内燃机动力装臵整体用能协调管理的混合动力系统能量管理与控制理论，研究电机或气动混合动力系统高度非线性、不连续、多模态、多目标的控制方法，为实现内燃机余热能高效转化-回收能高效利用奠定理论基础。

2.2 主要研究内容

主要研究内容与关键科学问题的关系如图4所示。围绕上述关键科学问题，以内燃机余热能转化和利用的技术途径为主线，主要开展4个方面的研究。

国家重大需求 高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究

关键科学问题 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 内燃机余压能非定常流动气动循环耦合规律和控制方法

非稳态复合能量集成理论及管理策略

研究内容 1、内燃机余热能中热能流梯级利用新型可控热力循环 2、热电高效转换器件的传热机理及高效转化 3、内燃机余压能梯级利用中气动循环高效转化 4、余热回收能高效利用的混合动力系统能量管理和控制

技术特征 热能流转化 动能流转化 回收能利用

图4 主要研究内容与关键科学问题的关系

（1）内燃机余热能中热能流梯级利用新型可控热力循环

开展基于传热—工质相变底循环吸热的内燃机余热能联合热力循环优化集成理论研究。包括针对不同能源品位的典型底循环（朗肯循环、Kalina循环、布雷顿循环、斯特林循环等）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。

开展基于传热—燃料催化裂解底循环吸热的内燃机余热能联合热力循环优化集成理论研究。研究燃料吸热催化裂解为高热值组合燃料的改性机理和高效利用方法。

开展热力循环系统核心热力单元（蒸发器、冷凝器、回热器等换热器和膨胀机）的高效优化理论和方法研究。包括循环工质及蓄热工质的性能优化；内燃机冷却回路热源及排气热源的高效紧凑化换热器的研究；螺杆膨胀机系统优化理论和技术；螺杆膨胀机—发电机组合系统设计技术及其效率优化理论。

（2）热电高效转换器件的传热机理及高效转化

基于内燃机余热能的梯级特性，选择并开展基于温度梯级特性和温度窗的不同热电材料转化效率的分析和测试研究；开展热电器件中热电材料、电极材料、连接部位的微纳尺度的传热传质机理以及强化传热及复合强化传热方法的研究；开展高效热电转化器件结构优化设计方法、制备技术的研究。

（3）内燃机余压能梯级利用气动循环高效转化

开展基于涡轮技术的内燃机余压能直接转化的气动循环理论和技术研究。包括涡轮复合循环流动相互作用与耦合机理研究；变工况的动力涡轮流动机理与自适应控制研究；复合涡轮系统（涡轮-传动或涡轮-发电）一体化设计理论和方法研究；开展内燃机余热能排气动能梯级利用的多系涡轮设计理论和匹配理论研究。

开展基于附加膨胀室的排气余压充分膨胀的内燃机余压能气动循环理论和技术研究。包括气动循环装臵优化设计理论和方法研究；多工质联合循环的多级膨胀理论研究；探索动能流气动循环和热力循环高效的组合新方法。

（4）余热回收能高效利用的混合动力系统能量管理和控制

开展电池蓄能的余热能、制动能回收-电池蓄能-电机驱动用能的高效内燃机混合动力系统的研究。包括内燃机—发电（驱动）电机一体化的内燃机设计理论和方法的研究；多输入、多输出的控制模型的建模理论和方法研究以及多目标优化控制理论和方法的研究；控制器件设计和技术研究。开展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控制策略研究。

开展高压气体蓄能的余热能、制动能回收-高压气体蓄能-气动驱动用能的高效内燃机混合动力系统研究。包括内燃机—压气机—气动发动机的一体化设计理论和方法研究以及控制理论、控制策略的研究。

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