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CN106837440B - 一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法 - Google Patents

一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法，属于余热回收技术领域。该系统主要由发动机、可切换模式的有机朗肯循环系统和控制系统组成。本系统通过不同阀门的开闭，实现在基本有机朗肯循环和再热式有机朗肯循环之间的转换，从而更好地利用发动机排气余热能量。相比于现有的技术方案，本发明具有结构紧凑、易于控制、余热能利用效率高等特点，具有广泛的应用前景。

Description

一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法，用于回收发动机的排气余热能，属于余热回收技术领域。
背景技术
随着汽车保有量的增加，汽车所消耗的能源不断增加。从发动机的热平衡看，用于动力输出的功率一般只占到燃料燃烧总热量的30％-45％(柴油机)或20％-30％(汽油机)。余热主要通过排气和冷却介质被释放到大气中。因此，若能通过有效的途径对该部分发动机余热加以回收利用，将对汽车的节能环保，提高汽车的燃油利用率具有重要的意义。
目前利用内燃机废弃余热的方法主要有：利用废气高温的温差发电、利用余热采暖、利用余热的吸附式热泵制冷、利用余热的有机朗肯循环发电或输出有用功。目前，利用温差发电技术的转换效率低，还不能实用化。利用余热采暖在冬季可以较好地利用发动机余热，但在其他季节无法利用余热。利用有机朗肯循环的余热回收技术目前效率最高，采用有机朗肯循环系统目前还在研究阶段，当前的型式很少考虑车用内燃机工作工况变化范围广、持续时间长的特点，在某一工况下能实现内燃机余热的最大化利用，而在其它工况点则很难做到。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法。该系统主要由发动机(1)、可切换模式的有机朗肯循环系统和控制系统组成。本系统通过不同阀门的开闭，实现在基本有机朗肯循环和再热式有机朗肯循环之间的转换，从而更好地利用发动机排气余热能量。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案。
一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法，该系统包括发动机、可切换模式的有机朗肯循环系统和控制系统。
所述的可切换模式的有机朗肯循环系统，包括蒸发器、膨胀机一、发电机一、再热器、膨胀机二、发电机二、冷凝器、储液罐以及工质泵。
所述的控制系统包括控制单元、排气温度传感器、蒸发器出口排气温度传感器、电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、电磁阀五、电磁阀六以及连接这些部件的线路。
连接关系：发动机通过管路与蒸发器连通，管路上设置有排气温度传感器和电磁阀二；电磁阀一与电磁阀二并联，电磁阀一设置在发动机的排气通道上；储液罐中的液态工质经工质泵加压后进入蒸发器中，随后工质进入膨胀机一中推动其输出轴转动，从而带动发电机一进行发电。完成做功后的工质经冷凝器冷凝为饱和液体后流回储液罐。废气通过蒸发器的尾气出气通道排出，通道上设置有蒸发器出口排气温度传感器和电磁阀三；膨胀机一和冷凝器之间的管路上设置有电磁阀六；再热器的工质进气管道一端置于膨胀机一和电磁阀六之间，工质进气管道上设置有电磁阀五；再热器的尾气进气管道与蒸发器的尾气出气管道连通，再热器的尾气进气管道上设置有电磁阀四；再热器的工质出气管道依次与膨胀机二和冷凝器连接；膨胀机二与发电机二同轴连接；控制单元用于控制阀门的开闭。
工作过程：
根据发动机的不同，可设置不同的预设温度T1、T2作为信号，通过控制单元判断电磁阀是否接通和断开。
发动机启动，排气温度传感器检测到排气温度低于预设温度T1时，控制单元发出指令：接通电磁阀一，从而使发动机尾气通过排气通路直接排入大气中；当排气温度传感器检测到排气温度高于预设温度T1时，控制单元发出指令：接通电磁阀二，断开电磁阀一，发动机尾气进入蒸发器中与经过工质泵(10)加压的工质进行换热。
当发动机运行工况复杂多变时，蒸发器出口排气温度传感器检测到蒸发器排气出口尾气温度低于预设温度T2时，经过蒸发器的排气不具有再次利用价值，控制单元发出指令：接通电磁阀三、电磁阀六，此时基本有机朗肯循环系统开始工作；储液罐中饱和液态工质经工质泵加压后进入蒸发器中吸收发动机的排气余热，随后进入膨胀机一中推动其输出轴转动，从而带动发电机一进行发电。完成做功后的工质经冷凝器冷凝为饱和液体后流回储液罐。
当发动机运行工况复杂多变时，蒸发器出口排气温度传感器检测到蒸发器排气出口尾气温度高于预设温度T2时，经过蒸发器的排气具有再次利用价值，控制单元发出指令：断开电磁阀三、电磁阀六，接通电磁阀四、电磁阀五，此时再热式有机朗肯循环系统开始工作；储液罐中饱和液态工质经工质泵加压后进入蒸发器中吸收发动机的排气余热，工质随后进入膨胀机一中推动其输出轴转动，从而带动发电机一进行发电，从膨胀机一中出来的工质进入再热器中与蒸发器出来的的发动机排气进行换热，随后工质进入膨胀机二中推动其输出轴转动，从而带动发电机二进行发电，完成做功后的工质经冷凝器冷凝为饱和液体后流回储液罐；此时，废气通过再热器的排气管路排出。
有益效果
1.该发明采用基本有机朗肯循环和再热式有机朗肯循环可切换的模式，能充分利用内燃机工作时排出的废气能量。
与单一的基本有机朗肯循环系统相比，当蒸发器排气出口尾气温度高于某一特定温度T2时，经过蒸发器的排气乏气具有再次利用价值，本发明可通过控制不同阀门的开闭，实现由基本有机朗肯循环向再热式有机朗肯循环转换，从而更好地利用发动机排气余热能量。
与单一的再热式有机朗肯循环系统相比，本发明允许系统在排气温度处于较低温度时先进行基本有机朗肯循环，当安装在蒸发器出口排气温度传感器(13)检测到蒸发器排气出口尾气温度高于某一特定温度T2，通过控制不同阀门的开闭，实现由基本有机朗肯循环向再热式有机朗肯循环转换，拓宽了系统可工作的温度范围。
2.利用余热发电，提高内燃机有用功输出，在同样功率输出的情况下，提高了燃油经济性。
3.减少了内燃机向大气环境的散热量，减缓了温室效应，提高了城市环境的舒适度。
附图说明
图1为一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统示意图。
图中：1-发动机；2-蒸发器；3-膨胀机一；4-发电机一；5-再热器；6-膨胀机二；7-发电机二；8-冷凝器；9-储液罐；10-工质泵；11-控制单元；12-排气温度传感器；13-蒸发器出口排气温度传感器；14-电磁阀一；15-电磁阀二；16-电磁阀三；17-电磁阀四；18-电磁阀五；19-电磁阀六。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方法。
一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法，该系统包括发动机1、可切换模式的有机朗肯循环系统和控制系统。
所述的可切换模式的有机朗肯循环系统，包括蒸发器2、膨胀机一3、发电机一4、再热器5、膨胀机二6、发电机二7、冷凝器8、储液罐9以及工质泵10。
所述的控制系统包括控制单元11、排气温度传感器12、蒸发器出口排气温度传感器13、电磁阀一14、电磁阀二15、电磁阀三16、电磁阀四17、电磁阀五18、电磁阀六19以及连接这些部件的线路。
连接关系：发动机1通过管路与蒸发器2连通，管路上设置有排气温度传感器12和电磁阀二15；电磁阀一14与电磁阀二15并联，电磁阀一14设置在发动机1的排气通道上；储液罐9中的液态工质经工质泵10加压后进入蒸发器2中，随后工质进入膨胀机一3中推动其输出轴转动，从而带动发电机一4进行发电。完成做功后的工质经冷凝器8冷凝为饱和液体后流回储液罐9。废气通过蒸发器2的尾气出气通道排出；通道上设置有蒸发器出口排气温度传感器13和电磁阀三16；膨胀机一3和冷凝器8之间的管路上设置有电磁阀六19；再热器5的工质进气管道一端置于膨胀机一3和电磁阀六19之间，工质进气管道上设置有电磁阀五18；再热器5的尾气进气管道与蒸发器2的尾气出气管道连通，再热器5的尾气进气管道上设置有电磁阀四17；再热器5的工质出气管道依次与膨胀机二6和冷凝器8连接；膨胀机二6与发电机二7同轴连接；控制单元11用于控制阀门的开闭。
工作过程：
根据发动机的不同，可设置不同的预设温度T1、T2作为信号，通过控制单元11判断电磁阀是否接通和断开。
发动机1启动，排气温度传感器12检测到排气温度低于预设温度T1时，控制单元11发出指令：接通电磁阀一14，从而使发动机尾气通过排气通路直接排入大气中；当排气温度传感器12检测到排气温度高于预设温度T1时，控制单元11发出指令：接通电磁阀二15，断开电磁阀一14，发动机尾气进入蒸发器2中与经过工质泵10加压的工质进行换热。
当发动机运行工况复杂多变时，蒸发器出口排气温度传感器13检测到蒸发器排气出口尾气温度低于预设温度T2时，经过蒸发器的排气不具有再次利用价值，控制单元11发出指令：接通电磁阀三16、电磁阀六19，此时基本有机朗肯循环系统开始工作；储液罐9中饱和液态工质经工质泵10加压后进入蒸发器2中吸收发动机的排气余热，随后进入膨胀机一3中推动其输出轴转动，从而带动发电机一4进行发电。完成做功后的工质经冷凝器8冷凝为饱和液体后流回储液罐9。
当发动机运行工况复杂多变时，蒸发器出口排气温度传感器13检测到蒸发器排气出口尾气温度高于预设温度T2时，经过蒸发器的排气具有再次利用价值，控制单元11发出指令：断开电磁阀三16、电磁阀六19，接通电磁阀四17、电磁阀五18，此时再热式有机朗肯循环系统开始工作；储液罐9中饱和液态工质经工质泵10加压后进入蒸发器2中吸收发动机的排气余热，工质随后进入膨胀机一3中推动其输出轴转动，从而带动发电机一4进行发电，从膨胀机一3中出来的工质进入再热器5中与蒸发器2出来的的发动机排气进行换热，随后工质进入膨胀机二6中推动其输出轴转动，从而带动发电机二7进行发电，完成做功后的工质经冷凝器8冷凝为饱和液体后流回储液罐9；此时，废气通过再热器5的排气管路排出。

Claims (1)

1.一种再热式有机朗肯循环发动机余热回收系统，其特征在于：包括发动机(1)、可切换模式的有机朗肯循环系统和控制系统；
所述的可切换模式的有机朗肯循环系统，包括蒸发器(2)、膨胀机一(3)、发电机一(4)、再热器(5)、膨胀机二(6)、发电机二(7)、冷凝器(8)、储液罐(9)以及工质泵(10)；
所述的控制系统包括控制单元(11)、排气温度传感器(12)、蒸发器出口排气温度传感器(13)、电磁阀一(14)、电磁阀二(15)、电磁阀三(16)、电磁阀四(17)、电磁阀五(18)、电磁阀六(19)以及连接这些部件的线路；
连接关系：发动机(1)通过管路与蒸发器(2)连通，管路上设置有排气温度传感器(12)和电磁阀二(15)；电磁阀一(14)与电磁阀二(15)并联，电磁阀一(14)设置在发动机(1)的排气通道上；储液罐(9)中的液态工质经工质泵(10)加压后进入蒸发器(2)中，随后工质进入膨胀机一(3)中推动其输出轴转动，从而带动发电机一(4)进行发电；完成做功后的工质经冷凝器(8)冷凝为饱和液体后流回储液罐(9)；废气通过蒸发器(2)的尾气出气通道排出，通道上设置有蒸发器出口排气温度传感器(13)和电磁阀三(16)；膨胀机一(3)和冷凝器(8)之间的管路上设置有电磁阀六(19)；再热器(5)的工质进气管道一端置于膨胀机一(3)和电磁阀六(19)之间，工质进气管道上设置有电磁阀五(18)；再热器(5)的尾气进气管道与蒸发器(2)的尾气出气管道连通，再热器(5)的尾气进气管道上设置有电磁阀四(17)；再热器(5)的工质出气管道依次与膨胀机二(6)和冷凝器(8)连接；膨胀机二(6)与发电机二(7)同轴连接；控制单元(11)用于控制阀门的开闭；
系统的控制方法为：根据发动机的不同，可设置不同的预设温度T1、T2作为信号，通过控制单元(11)判断电磁阀是否接通和断开；
发动机(1)启动，排气温度传感器(12)检测到排气温度低于预设温度T1时，控制单元(11)发出指令：接通电磁阀一(14)，从而使发动机尾气通过排气通路直接排入大气中；当排气温度传感器(12)检测到排气温度高于预设温度T1时，控制单元(11)发出指令：接通电磁阀二(15)，断开电磁阀一(14)，发动机尾气进入蒸发器(2)中与经过工质泵(10)加压的工质进行换热；
当发动机运行工况复杂多变时，蒸发器出口排气温度传感器(13)检测到蒸发器排气出口尾气温度低于预设温度T2时，经过蒸发器的排气不具有再次利用价值，控制单元(11)发出指令：接通电磁阀三(16)、电磁阀六(19)，此时基本有机朗肯循环系统开始工作；储液罐(9)中饱和液态工质经工质泵(10)加压后进入蒸发器(2)中吸收发动机的排气余热，随后进入膨胀机一(3)中推动其输出轴转动，从而带动发电机一(4)进行发电；完成做功后的工质经冷凝器(8)冷凝为饱和液体后流回储液罐(9)；
当发动机运行工况复杂多变时，蒸发器出口排气温度传感器(13)检测到蒸发器排气出口尾气温度高于预设温度T2时，经过蒸发器的排气具有再次利用价值，控制单元(11)发出指令：断开电磁阀三(16)、电磁阀六(19)，接通电磁阀四(17)、电磁阀五(18)，此时再热式有机朗肯循环系统开始工作；储液罐(9)中饱和液态工质经工质泵(10)加压后进入蒸发器(2)中吸收发动机的排气余热，工质随后进入膨胀机一(3)中推动其输出轴转动，从而带动发电机一(4)进行发电，从膨胀机一(3)中出来的工质进入再热器(5)中与蒸发器(2)出来的的发动机排气进行换热，随后工质进入膨胀机二(6)中推动其输出轴转动，从而带动发电机二(7)进行发电，完成做功后的工质经冷凝器(8)冷凝为饱和液体后流回储液罐(9)；此时，废气通过再热器(5)的排气管路排出。
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