在石油资源严重依赖国外进口和全球节能减排的双重压力下,开发利用低品质能源势在必行。汽车发动机的燃油热效率较低,尾气内含有较高的热能,有机朗肯循环余能回收技术在车用发动机尾气余热回收方面具有一定的优势,合理的开发利用尾气余能有利于提高能源利用率。本文针对有机朗肯循环余能回收系统热功转换关键部件——膨胀机进行仿真研究。膨胀机是利用高压气体膨胀降压时向外输出轴功的原理以获得能量的机械。传统有机朗肯循环尾气余热回收系统都采用定结构膨胀机,不能实现膨胀比的调整。本文采用的膨胀机是六叶片可变膨胀比膨胀机,通过调节初始排气角度实现膨胀比的可变性,可变膨胀比膨胀机可根据工质状态实时改变膨胀比,提高系统在不同工况下的适配性。可变膨胀比膨胀机的结构参数(如叶片长度、进气角度、马达转速等)和循环工质的状态(温度、压力)对可变膨胀比膨胀机的性能有一定的影响,为了研究相关参数对膨胀机性能的影响程度,本课题对上述各参数采用了控制变量法进行仿真研究。本文主要以膨胀比为自变量,对膨胀机的输出功率、?效率及回收效率进行分析研究。首先,本文对可变膨胀比膨胀机的机械结构进行初步设计,经计算膨胀机的叶片在一个循环中弯曲应力最大值为σ_w=17.49MPa,满足叶片弯曲强度要求,为后续仿真研究提供了理论支撑。可变膨胀比膨胀机的初始排气角度设定为170°~270°,利用MATLAB计算出对应的几何膨胀比为2.34~6.11。利用GT-POWER软件建立可变膨胀比膨胀机一维仿真模型,进行仿真试验,对膨胀机仿真模型进行质量守恒定律和能量守恒定律验证。其次,采用控制变量法对GT-POWER所建立的可变膨胀比膨胀机仿真模型关键参数进行研究与评价,选择输出功率和?效率作为膨胀机的评价指标。研究结果如下:(1)对于叶片轴向长度而言,理论上,膨胀机的叶片轴向长度越大,每个循环的质量流量将随之增大,同时摩擦损失亦会增加。研究表明:在定膨胀比情况下,随着叶片轴向长度的不断增大,膨胀机的输出功率不断提高,但当叶片轴向长度增大到180mm以上时,膨胀机的输出功率不再明显提升。在叶片轴向长度不变的条件下,存在最佳膨胀比使膨胀机的输出特性(输出功率和?效率)最优,当叶片轴向长度由60mm增加到220mm时,相应的最佳膨胀比由5.51减至4.07。(2)对于进气初始角度而言,一般情况下,进气过程的持续角度基本保持不变,由于进气初始角度会影响进气完成时刻膨胀室靠近上止点的接近程度,进而影响循环工质的质量流量。研究表明:在进气初始角度不断增大的过程中,膨胀机的输出功率不断提高。随着进气初始角度的不断增大,膨胀机的?效率先增大后减小,存在最优值,其中初始排气角为170°即膨胀比为2.34,进气初始角度为72°时最先达到拐点。(3)对于进气温度而言,膨胀机输出功率随入口温度的升高而增大,?效率随入口温度的升高而减小。入口温度由110℃升高至230℃时,对应的最优输出功率提升4.1%,对应的最优?效率降低4.8%。因此,膨胀机入口温度对膨胀机输出特性影响较小。(4)对于进气压力而言,膨胀机输出功率和?效率均随入口压力的升高而增大。当入口压力由0.6MPa升高到1.1MPa时,膨胀机最优输出功率提升209%,最优?效率提升15.3%。因此,提高入口压力有利于提高膨胀机的输出性能。(5)对于膨胀机的转速而言,在入口压力为0.8MPa,转速分别为1200r/min、1500r/min、1800r/min、2100r/min时,膨胀机对应的最优输出功率分别为2.19kW、2.49kW、2.60kW、2.62kW,对应的最优?效率分别为83.9%、82.7%、80.1%、72.9%。综合考虑,对于上述所研究的四种转速,转速为1500r/min时膨胀机的输出性能表现较好。再次,探究可变膨胀比膨胀机在CA6DL柴油机ORC系统中的应用,研究不同工况下仿真模型的余能回收效果。研究表明,膨胀机仿真模型与CA6DL柴油机各运行工况的匹配满足能量守恒定律;蒸发器内有机工质的计算流量与膨胀机仿真模型内的仿真流量相对误差小于5%,满足试验要求;CA6DL柴油机在各工况下皆存在特定的膨胀比,使得膨胀机的?效率、输出功率、理论热效率、回收效率同时达到最优;CA6DL柴油机在选定的a50、a75、b50、b75、c50、c75六个工况下分别运行,其中,c75工况下尾气可用能量最高,且该工况下膨胀机的回收效率亦最高达到了7.094%。最后,对四叶片与六叶片膨胀机进行对比研究。为了综合对比两种膨胀机的性能,采用变工况进行仿真分析,进而确定两种膨胀机分别适用于哪一工况条件,为后续的产品开发提供理论支持。分别在定温变压和定压变温两种工况下,分析各自的变化规律,进而达到提升膨胀机性能的目的。研究结果如下:(1)四叶片膨胀机的膨胀比可调范围是1.55~3.02,六叶片膨胀机的膨胀比可调范围是2.34~6.11。(2)当入口温度设定为200℃,入口压力由0.5MPa升高到1MPa时,四、六叶片膨胀机单位流量输出功率的增长率分别为31.2%、64.8%。(3)当入口压力设置为1MPa,入口温度由110℃升高到230℃时,四、六叶片膨胀机单位流量输出功率的增长率分别为44.9%、41.7%。(4)当入口压力大于0.85MPa时,六叶片膨胀机的最佳?效率高于四叶片膨胀机,反之亦然;当入口温度在110℃到230℃之间时,六叶片膨胀机的最优?效率均高于四叶片膨胀机。