发动机余热回收装置性能实验方法编制说明

发动机余热回收装置性能试验方法

编制说明

中汽研汽车检验中心（天津）有限公司

2023年7月

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发动机余热回收装置性能试验方法

编制说明

1工作简况

1.1任务来源

本项目根据中国内燃机学会文件《关于2022年第二批团体标准立项

的公告》中立项信息表任务书编号CSICE2022-36而制定。本标准为新制

订，规定了发动机余热回收装置测试评价方法。由中汽研汽车检验中心（

天津）有限公司负责牵头制订。

1.2协作单位

协作单位包括中国内燃机学会、天津大学、上海交通大学、潍柴动力

股份有限公司、广西玉柴机器股份有限公司、上海柴油机股份有限公司、

一汽解放汽车有限公司、中国重型汽车集团有限公司、东风商用车有限公

司、东风柳州汽车有限公司、中国石化石油化工科学研究院。

1.3主要工作过程

2022年7月，项目立项及准备；

2022年8月~2022年11月，发动机余热回收技术调研；

2022年12月~2023年3月，标准研究及标准起草，编写征求意见稿；

2023年4月~2023年6月，完成征求意见稿并修改完善；

2023年7月，提交标准送审稿并评审。

2行业标准编制原则和主要内容

2.1背景、目的及意义

内燃机是广泛应用于道路车辆、非道路机械、船舶等装备的动力机械，

提高内燃机能效是减少燃油消耗和CO2排放的最有效途径。从内燃机能量流

分析，排气、冷却液、EGR冷却和增压中冷等余热能占比很高，以重型车

用高效率柴油机为例，其正常运行状态下大于40%的燃料能量以余热能形

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式散发。因此，在内燃机本体热效率突破50%之后若再将热效率提升一个

台阶，则余热回收是必须的技术选择。

余热回收是一项满足各国日益严苛燃油经济性和CO2排放法规的关键

技术路径，但当前测试评价方法在尺度、规范方面不完善，尤其针对不同

底循环构型、回收功输出利用方式及电能传递和利用过程中的功率损失缺

乏有效的测评方法。因此，建立一套通用规范的测试评价方法开展余热回

收效果评估很有必要。

本标准从OEM实际需求出发，结合发动机余热回收装置技术特点和试

验的特殊要求，规范了发动机余热回收装置测试评价方法，定义了试验条

件及要求，对台架准备、测试方法、计算方法、测试选项等进行了详细规

定，适用于配备余热回收装置的压燃式或点燃式发动机在发动机台架上开

展余热回收装置性能测试，还可作为余热回收装置最高热效率或发动机-

余热回收装置联合最高热效率的试验方法。

2.2规范制定原则

本规范制定遵循“统一性、协调性、适用性、一致性、规范性”的要

求，本着先进性、科学性、合理性和可操作性的原则，参照GB/T1.1-

2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》给出

的规则编写。

2.3标准主要技术内容

本标准规定了发动机余热回收装置测试评价方法，主要包括范围、规

范性引用文件、术语和定义、试验条件及要求、试验程序等部分。

本标准适用于配备余热回收装置的压燃式或点燃式发动机在发动机台

架上开展余热回收装置性能测试，发动机余热回收装置包括但不限于基于

朗肯循环、布雷顿循环原理以电能或机械能作为功率输出的系统。

本标准还可作为余热回收装置最高热效率或发动机-余热回收装置联

合最高热效率的试验方法。

2.4主要试验（或验证）情况分析

基于某8.4L、6缸、增压中冷、额定功率为240kW的柴油机排气余热为

目标热源，以R1233zd为工作介质的有机朗肯循环（organicRankine

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cycle，ORC）余热回收系统匹配此柴油机，设计8个发动机运行工况开展

试验验证。在ORC余热回收系统中，工质泵和膨胀机是两个核心部件和需

要在系统运行过程中调节的部件。通常ORC的运行控制策略是通过工质泵

转速调整工作介质流量进而控制工作介质的温度和压力在系统合适的区间，

一般指标为膨胀机前工作介质的过热度（Superheatdegree,SD）。膨胀

机转速（Sexp）会影响系统膨胀前后工作介质压力比值，反过来会影响膨胀

机工作效率。膨胀机转速可通过调整膨胀机的扭矩来控制，具体为基于测

功机直接测量方法可通过测功机扭矩控制，基于电功率分析仪方法可通过

负载调节发电机运行扭矩。

本试验验证中对蒸发器换热量Qeva，工质泵耗功Wpump和冷凝器换热量Qcon

等三个关键参量进行了影响因素不确定度分析，相对不确定度分别为1.59%

、1.78%和1.59%，均小于2%，表明计算分析具有较高的准确度、重复性和

可靠性。

在柴油机稳定运行工况下（1200rpm、500Nm）开展ORC系统调试，主

要对膨胀机转速和膨胀机入口工质过热度进行调节，以便寻找系统最优运

行参数。以下为膨胀机转速和过热度对ORC系统各性能指标，包括热效率、

净输出功、膨胀机轴功、工质泵消耗功和系统吸热量等的影响分析。

图1ORC系统吸热量分析图2膨胀机轴输出功分析

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图3工质泵消耗功分析图4ORC系统净输出功分析

图5ORC系统热效率分析

本试验验证中对ORC系统蒸发器吸热量Qeva，工质泵耗功Wpump和冷凝器换

热量Qcon等三个关键参量进行了影响因素不确定度分析，相对不确定度分别

为1.59%、1.78%和1.59%，均小于2%，表明计算分析具有较高的重复性、准

确度和可靠性。

通过以上在柴油机稳定工况下对ORC以净输出功最大化为目标的关键

参数的寻优，按照标准规定测试方法确定每个稳定工况的最优ORC运行策

略。依次获得试验验证的8个柴油机稳定工况点运行参数，依据本标准5.5

计算方法，可以计算获得余热回收系统和柴油机-余热回收联合系统相关

性能指标值，见表1。

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表1验证试验中各工况下余热回收系统性能指标值

柴油机工况12345678

转速-扭矩（r/min-Nm）1000-3001050-3501100-4001150-4501200-5001250-5501300-6001350-650

净输出功Wnet（W）298.97497.29697.19858.311095.471220.461440.161650.36

膨胀机轴功Wexp（W）314.12535.22777.14936.141221.801356.201539.681829.58

工质泵耗功Wpump（W）15.1564.5979.9679.68126.32138.35106.14179.23

ORC热效率ηORC（%）2.723.814.524.835.155.125.335.48

柴油机本体热效率

42.2543.4543.9844.1244.3945.145.3946.21

ηICE（%）

柴油机-ORC系统联合热

42.6544.0144.6544.8245.1645.8646.1947.04

效率ηICE-ORC（%）

通过依照标准规定测试方法开展部分方法的验证试验和计算分析，可

以控制优化余热回收系统运行参数从而获取最佳目标值（如系统最大净输

出功或热效率），按照标准规定的计算方法得到余热回收系统和内燃机-

余热回收联合装置的各项性能指标值。

3采用国外先进标准的程度及与国际、国外同类标准的对比情况

无采标

4预期达到的社会效益、对产业发展的作用等情况

该标准为内燃机余热回收技术建立测试规范、统一评价尺度，提供科

学可行的统一规范，助力余热回收技术的规范测评及推广，可应用于给整

车/发动机企业开展内燃机余热回收系统及内燃机-余热回收联合系统热效

率测评服务，规范行业测试标准不统一、不规范问题，带动相关技术研发

和产品应用。

5与有关的现行法律、法规、政策及相关标准的协调性

本标准与有关的现行法律、法规和强制性国家标准和行业标准无矛

盾和冲突。

6重大分歧意见的处理经过和依据

无重大意见分歧。

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7本标准作为推荐性标准的建议