国家重点基础研究发展计划（973计划）项目申报书-高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究.doc

1、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： 2011.1至 2015.8依托部门： 教育部 天津市科委二、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

2、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

3、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 5-10%。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

4、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 12 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、 12 名国家级人才计划获得者、中青年学术带头人 810 名。3）培养博士生 4050 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 1015 篇。三、研究方

5、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

6、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

7、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。4.2

8、 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-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。原理样机研制，系统集成验证系 统建模，模拟分

9、析，理 论研究搭建装置， 测试分析， 验证理论1.新型可控热力循环研究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 -内燃 机 混 合能 量 管 理技术途径理论层面： 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

10、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。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

11、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-传动或涡轮- 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

12、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- 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；搭建试验装置，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

13、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；搭建试验装置，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。（

14、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

15、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

16、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置了如下 6 个课题。各个 课题间的关系如 图 6 所示。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

17、热能梯级转化联合热力循环效率协同优化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3.热电材料多尺度结构中传热规律及高效热电转换机理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 13。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

18、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 4-5。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，设置课题 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

19、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

20、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

21、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：

22、 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

23、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 5-7 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