新一代热动力关键技术项目

内燃机作为我国石油主要消耗源和CO₂主要排放源，内燃机能效提升对国家能源安全至关重要。余热回收技术是使重载内燃机有效热效率从40-45%突破50%的关键技术。基于热力底循环的余热回收技术能够有效回收内燃机排气和缸套水余热，并具有结构灵活、热电转换效率高等优势，具有巨大的节能潜力。当前，以有机朗肯循环为主的传统热力循环技术面临余热回收率低、工质不稳定的问题，制约了余热回收循环技术的应用推广。

田华教授团队所在的创新能源动力系统研究室（STEP-Lab），针对内燃机余热回收特征，创新性地提出一种超临界CO₂混合工质发电技术，兼具余热高效回收与设备小型轻量的优势，通过新型工质基础物性和高强化换热机理研究，改进并设计高集成度的关键部件，同时通过人工智能辅助在线优化控制，开发先进控制系统，获得适用于内燃机余热回收的循环样机。

近年来，本团队围绕内燃机余热回收循环转化理论开展基础研究，发表SCI论文100余篇，同时积极开展技术创新，授权国家发明专利21项，授权PCT发明专利2项，专利内容涵盖了内燃机余热回收技术相关的科学评价方法、新型循环构型、新型混合工质、关键热力部件和新型系统结构，形成了完整的技术体系，在实现样机开发和技术转化方面具有巨大潜力。

2020年，本团队在成果转化应用方面取得突破进展。开发了超临界CO₂工质余热回收系统原理型样机，并实现关键零部件印刷版式微通道换热器与小型轴流式透平机的技术攻关，使潍柴WP10H发动机效率绝对值提升3.09%。开发了CO₂/R134a混合工质余热回收系统原理型样机，使玉柴混合动力专用发动机效率绝对值提升3.13%，相关原理性样机经过现场验收，获得评委专家一致认可。

以上技术成果获得系列国家级支持与奖励。基于理论和技术创新，提出的CO₂混合工质方案被“国家重点研发计划国际合作专项-中美卡车能效研究”列为关键技术之一。团队负责人田华教授围绕“内燃机复合循环理论与方法”以第二完成人获得国家自然科学二等奖（待批），围绕“内燃机余热回收热力循环”研究获得国家优秀青年基金。

图1 团队标志

 

图2 超临界CO₂工质发电循环样机

 

图3 田华教授向专家们介绍实验样机测试过程