CN111102051A - 一种利用尾气余热的节能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用尾气余热的节能系统，包括排气装置、动力装置和热能回收装置，热能回收装置用于回收排气装置的热能，热能回收装置用于将回收到的热能传递给动力装置；排气装置包括发动机排气歧管，动力装置包括蒸汽动力装置，热能回收装置包括补液水箱、第一换热装置和喷嘴，补液水箱、第一换热装置和喷嘴通过高压水管依次连接，排气歧管中的热能能够使得第一换热装置中的液体加热，喷嘴与蒸汽动力装置和中央控制器相连接，喷嘴用于将经第一换热装置加热后的液体喷射到蒸汽动力装置中；本发明还提供一种控制方法；本发明能够实现对尾气热能的回收，并将回收到的热能转化为机械能供车辆运行使用，能量转化次数少，有利于提高能量的利用效率。

Description

一种利用尾气余热的节能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热管理技术领域，特别涉及一种利用尾气余热的节能系统及其 控制方法。

背景技术

目前，已涌现出利用朗肯循环将尾气余热转化为电能、利用温差发电法转 化为电能和利用朗肯循环将尾气废热转化为机械能再通过飞轮端耦合到传动系 统等等实现热回收的方案。然而，利用朗肯循环将尾气余热转化为电能的方案 需先将尾气热能转化为蒸汽能，通过将蒸汽能转化为机械能再将机械能转化为 电能，最后还要电能转化为化学能储存在蓄电池内储存以备利用，经过多次能 量转化后，该方案的能量回收率非常低。利用温差发电法也称为热电转化法， 需利用温差发电材料，该材料造价高昂，推广难度大，目前该方法主要应用在 温度测试中，且温差发电法的能源转化效率也极低。利用朗肯循环转化为机械 能再通过飞轮耦合到传动系统的方法大多结构复杂，布置困难，同时也存在能 源利用率低的问题。

针对现有技术存在的技术缺陷，本申请旨在提供一种利用尾气余热的节能 系统及其和控制方法，能够提高能量回收利用率、降低成本、节约资源，顺应 全球绿色环保的工业理念，有利于构建资源节约型和环境友好型社会。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种利用尾气余热的节能系统，包括排气 装置、动力装置和热能回收装置，所述热能回收装置用于回收所述排气装置的 热能，所述热能回收装置还用于将回收到的热能传递给所述动力装置为所述动 力装置提供动力来源；

所述排气装置包括发动机排气歧管，所述动力装置包括蒸汽动力装置，所 述热能回收装置包括补液水箱、第一换热装置和喷嘴，所述补液水箱、第一换 热装置和所述喷嘴通过高压水管依次连接，所述排气歧管中的热能能够使得所 述第一换热装置中的液体加热，所述喷嘴与所述蒸汽动力装置相连接，所述喷 嘴与中央控制器相连接，所述喷嘴用于将经所述第一换热装置加热后的液体喷 射到所述蒸汽动力装置中。

进一步地，所述热能回收装置还包括第二换热装置，所述第二换热装置设 置在所述第一换热装置与所述喷嘴之间，所述排气歧管中的热能能够使得所述 第二换热装置中的液体加热。

具体地，所述热能回收装置还包括加压装置，所述加压装置与所述补液水 箱相连接，所述加压装置用于对流通在所述高压水管中的液体加压。

优选地，所述补液水箱与所述第一换热装置之间还设有第一电磁阀，所述 第一电磁阀与所述中央控制器相连接，所述第一电磁阀用于控制从所述补液水 箱进入到所述高压水管中的液体的流量。

优选地，所述加压装置与所述补液水箱之间设有第二电磁阀，所述第二电 磁阀与所述中央控制器相连接，所述第二电磁阀用于控制所述加压装置作用于 所述高压水管中液体的压力的大小。

具体地，所述热能回收装置还包括回收水路，所述回收水路用于将在所述 蒸汽动力装置中释放过能量的液体回收回所述补液水箱，所述回收水路包括换 热器和回收水泵，所述换热器和所述回收水泵通过回水管相连接，所述换热器 与所述蒸汽动力装置相连接，所述回收水泵的一端与所述换热器相连接，所述 回收水泵的另一端与所述补液水箱相连接。

优选地，所述回收水泵与所述补液水箱之间设有第三电磁阀，所述第三电 磁阀与所述中央控制器相连接，所述第三电磁阀用于控制所述回收水路中液体 的流量。

进一步地，所述动力装置还包括燃油动力装置，所述燃油动力装置包括第 一活塞机构，所述蒸汽动力装置包括第二活塞机构，所述第一活塞机构和所述 第二活塞机构通过曲拐相连接，所述燃油动力装置与所述蒸汽动力装置共同为 车辆运行提供动力。

优选地，所述排气装置还包括三元催化器，所述三元催化器与所述发动机 排气歧管相连接，所述三元催化器用于净化所述发动机排气歧管中的气体。

本发明另一方面保护一种控制方法，所述方法用于控制如上述技术方案所 述的利用尾气余热的节能系统，所述方法由中央控制器执行，包括：

获取高压水管中液体的第一流量、回水管中体液的第二流量和获取高压水 管中液体的压力；

当所述第一流量小于预设的第一流量阈值时，控制第一电磁阀开启；

当所述第二流量大于预设的第二流量阈值时，控制第三电磁阀开启；

当所述高压水管中液体的压力小于预设的压力阈值时，控制第二电磁阀开 启。

由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提供的一种利用尾气余热的节能系统，通过所述第一换热装置和 所述第二换热装置，实现能量密度的分级提升，有利于提高对尾气余热的回收 效率，并能够保证能量回收的品质。

2)本发明中，通过所述第一换热装置和所述第二换热装置实现对尾气热能 的回收，再利用蒸汽动力装置将回收到的热能转化为机械能，提供给车辆供车 辆运行使用，能量转化次数少，有利于提高能量的利用效率。

3)本发明中，通过曲拐将所述第一活塞机构和第二活塞机构相连接，使得 由所述燃油动力装置输出的机械能和由所述蒸汽动力装置输出的机械能有效的 耦合，提高了能量转化及输出效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中 所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例提供的一种利用尾气余热的节能系统的示意图；

图2是图1中部分组件细化后的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种控制方法的流程示意图。

图中：1-发动机，2-发动机排气歧管，3-发动机进气歧管，4-三元催化器， 5-换热器，6-中央控制器，7-喷油器，8-火花塞，9-加压装置，10-补液水箱， 11-第一电磁阀，12-第二电磁阀，13-电三电磁阀，14-第一换热器，15-第二换 热器，16-高压水管，17-回水管，18-喷嘴，19-第一活塞机构，20-第二活塞机 构，21-第一油底壳，22-第二油底壳，23-回收水泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。 应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实 施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括” 和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

实施例1

结合图1和图2，本实施例提供一种利用尾气余热的节能系统，包括排气装 置、动力装置和热能回收装置，所述热能回收装置用于回收所述排气装置的热 能，所述热能回收装置还用于将回收到的热能传递给所述动力装置为所述动力 装置提供动力来源；

所述排气装置包括发动机排气歧管2，所述发动机排气歧管2与发动机相连 接，所述动力装置包括蒸汽动力装置，所述热能回收装置包括补液水箱10、第 一换热装置14和喷嘴18，所述补液水箱10、第一换热装置14和所述喷嘴18 通过高压水管16依次连接，所述排气歧管2中的热能能够使得流通在所述第一 换热装置14内的液体加热，所述喷嘴18与所述蒸汽动力装置相连接，所述喷 嘴18与所述中央控制器6相连接，所述喷嘴18能够在所述中央控制器6的调 节下将经过所述第一换热装置14加热后的液体喷射到所述蒸汽动力装置中。

所述热能回收装置还包括加压装置9，所述加压装置9与所述补液水箱10 相连接，所述加压装置9用于对流通在所述高压水管16中的液体加压。

需要说明的是，本说明书实施例提供的利用尾气余热的节能装置中，所述 第一换热装置14中的液体在受到所述排气歧管2中尾气的加热作用后获得热 能，又在所述加压装置9施加的压力下，处于较高温度(200℃左右)和高压的 状态。加热后的液体与未经加热的液体相比具有较高的能量。加热后的液体在 所述加压装置9施加的压力作用下，能够随所述高压水管16流至所述喷嘴18 处，所述喷嘴18将具有较高能量的液体喷射至所述蒸汽动力装置中。液体由于 失去了压力的束缚，在所述蒸汽动力装置中瞬间膨胀并释放能量，从而推动所 述蒸汽动力装置中的第一活塞机构19做功，通过所述第一活塞做过将热能转化为机械能，实现尾气能量的回收和再利用。

所述补液水箱10与所述第一换热装置14之间设有第一电磁阀11，所述第 一电磁阀11与所述中央控制器6相连接，所述第一电磁阀11用于控制从所述 补液水箱10处进入到所述高压水管16中的液体的流量。即所述第一电磁阀11 在所述中央控制器6的控制下，实现对自身开启、关闭的控制以及实现对所述 高压水管16中液体流量的调节，从而能够控制在所述第一换热装置14处对尾 气余热的回收效率。

所述加压装置9与所述第一换热装置14之间设有第二电磁阀12，所述第二 电磁阀12与所述中央控制器6相连接，所述第二电磁阀12用于控制所述加压 装置9作用于所述高压水管16中液体的压力的大小。即所述第二电磁阀12在 所述中央控制器6的控制下，对流通在所述高压水管16中的液体施压，并调节 施加的压力的大小。在所述加压装置施加的压力的作用下，不仅能够使得流通 在所述高压水管16中的液体处于高压的状态，并且能够推动液体沿所述高压水 管16顺畅的向所述喷嘴18的方向流动。

所述热能回收装置还包括回收水路，所述回收水路用于将在所述蒸汽动力 装置中释放过能量的液体回收回所述补液水箱10，所述回收水路包括换热器5 和回收水泵23，所述换热器5和所述回收水泵23通过回水管17相连接，所述 换热器5的一端与所述蒸汽动力装置相连接，所述换热器5的另一端与所述回 收水泵23相连接，所述回收水泵23远离所述换热器5的一端与所述补液水箱 10的进水口相连接。

由于在所述蒸汽动力装置中释放过能量的液体可能仍具有较高的温度，也 可能存在水蒸气，因此在所述回收水路设置有换热器5。所述换热器5能够使得 所述回水管17中的液体降温，帮助水蒸气冷凝汇聚，在所述回收水泵23的作 用下，提高对释放过能量的液体的回收效率。液体回收回所述补液水箱10中后 再次流出用于对尾气热能的回收和利用，并如此循环往复。

本说明书实施例中，所述回收水泵23与所述补液水箱10之间设有第三电 磁阀13，所述第三电磁阀13与所述中央控制器6相连接，所述第三电磁阀13 用于控制流通在所述回收水路中液体的流量。即所述第三电磁阀13能够在所述 中央控制器6的控制下，控制所述回收水路中液体的流量，能够加快液体回收 回所述补液水箱10的效率。

所述动力装置还包括燃油动力装置，所述燃油动力装置包括第一活塞机构 19，所述蒸汽动力装置包括第二活塞机构20，所述第一活塞机构19和所述第二 活塞机构20通过曲拐(图中未示出)相连接，所述燃油动力装置和所述蒸汽动 力装置共同为车辆运行提供动力。具体地，所述燃油动力装置包括第一燃油气 缸和第二燃油气缸，所述蒸汽动力装置包括第一蒸汽气缸和第二蒸汽气缸，所 述第一蒸汽气缸和所述第二蒸汽气缸设置在所述第一燃油气缸和所述第二燃油 气缸之间，共同构成四缸驱动结构。所述第一活塞机构19与所述第二活塞机构 20通过曲拐相连接，从而能够将所述蒸汽动力装置输出的机械能与所述燃油动 力装置输出的机械能有效的耦合，实现机械能的同轴输出，提高能量转化及输出效率。

需要说明的是，本说明书实施例中的四缸驱动结构设有第一油底壳21，并 且所述第一蒸汽气缸和所述第二蒸汽气缸还具有第二油底壳22，所述第二油底 壳22和所述第一油底壳21共同构成双油底壳结构，有利于防止所述蒸汽动力 装置中的水汽泄漏和乳化燃油动力装置中的燃油，有利于提高四缸驱动结构的 稳定性和可靠性。

所述排气装置还包括发动机进气歧管和3三元催化器4，所述发动机进气歧 管3与发动机进气口相连接，所述发动机排气歧管2与发动机排气口相连接， 所述三元催化器4与所述发动机排气歧管2相连接，所述三元催化器4用于净 化所述发动机排气歧管2中的气体；具体地，所述三元催化器能够净化尾气中 的CO、HC和NOx等有害气体。

本说明书实施例提供的一种利用尾气余热的装置，能够将尾气的热能通过 所述第一换热装置回收并转化为液体的热能，再经所述喷嘴将液体喷射至所述 蒸汽动力装置中推动活塞做过实现从热能(内能)到机械能的转化，达到尾气 能量回收和再利用的目的。

并且，所述蒸汽动力装置的第二活塞机构与燃油动力装置的所述第一活塞 通过曲拐相连接，实现了输出的机械能的有效耦合，使得提高了能量转化和利 用效率。

实施例2

结合图1和图2，本说明书实施例提供一种利用尾气余热的节能系统，与实 施例1的区别在于，所述节能系统还包括第二换热装置15，所述第二换热装置 15设置在所述第一换热装置14与所述喷嘴18之间，所述排气歧管2中的热能 能够使得流通在所述第二换热装置15中的液体加热。

本说明书实施例中，所述第一换热装置14作用为低能区，流通在所述高压 水管16中的液体在第一换热装置14处得到预先加热并获得能量。然后，在所 述加压装置9施加的压力作用下，液体随所述高压水管9流至所述第二换热装 置15处。所述第二换热装置15相比于所述第一换热装置14，更加靠近于所述 发动机排气口，所述第二换热装置15作用为高能区，液体在所述第二换热装置 15处受所述排气歧管2中的热能作用，进一步得到加热获得更高的能量。在所 述第二换热装置15处进一步获得能量后，且受到所述加压装置9的压力作用， 液体处于高温(400℃左右)高压的状态，与在所述第一换热装置14处的液体 相比，具有更高的能量。当依次在所述第一换热装置14和所述第二换热装置15 获得热能的液体，经所述喷嘴18被喷射至所述蒸汽动气装置中时，能够释放更 多的能量。

本说明书实施例中，通过所述第一换热装置和所述第二换热装置，实现能 量密度的分级提升，有利于提高对尾气余热的回收效率和热换后的能量密度， 并且能够保证能量回收的品质。

实施例3

本说明书实施例提供一种控制方法，所述方法用于控制如实施例1和/或实 施例2中所述的利用尾气余热的节能系统，所述方法由中央控制器执行，所述 方法包括：

获取高压水管中液体的第一流量、回水管中液体的第二流量和获取高压水 管中液体的压力；

将所述第一流量与预设的第一流量阈值进行比较，当所述第一流量小于所 述第一流量阈值时，控制第一电磁阀开启；当所述高压水管中液体的流量较低 时，所述第一电磁阀在所述中央控制器的控制下开启，将所述补液水箱中的液 体泵入到所述高压水管中。

将所述第二流量与预设的第二流量阈值进行比较，当所述第二流量大于所 述第二流量阈值时，控制第三电磁阀开启；当所述回水管中液体的流量较高时， 所述中央控制器控制所述第三电磁阀开启，使得加快回水管中液体回收至所述 补液水箱中的效率。

将所述高压水管中液体的压力与预设的压力阈值进行比较，当所述高压水 管中液体的压力小于所述压力阈值时，控制第二电磁阀开启；当所述高压水管 中液体的压力较小不足以使得高压水管中的液体处于高压的状态或不足以推动 液体向靠近所述喷嘴的方向移动时，所述第二电磁阀在所述中央控制器的作用 下开启，加大对施加在所述高压水管中液体的压力的大小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技 术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发 明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无 论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明 的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同 要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附 图标记视为限制所涉及的权利要求。

并且，在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于 实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的 过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。

Claims (10)

1.一种利用尾气余热的节能系统，其特征在于，包括排气装置、动力装置和热能回收装置，所述热能回收装置用于回收所述排气装置的热能，所述热能回收装置还用于将回收到的热能传递给所述动力装置为所述动力装置提供动力来源；

所述排气装置包括发动机排气歧管(2)，所述动力装置包括蒸汽动力装置，所述热能回收装置包括补液水箱(10)、第一换热装置(14)和喷嘴(18)，所述补液水箱(10)、第一换热装置(14)和所述喷嘴(18)通过高压水管(16)依次连接，所述排气歧管(2)中的热能能够使得所述第一换热装置(14)中的液体加热，所述喷嘴(18)与所述蒸汽动力装置相连接，所述喷嘴(18)与中央控制器(6)相连接，所述喷嘴(18)用于将经所述第一换热装置(14)加热后的液体喷射到所述蒸汽动力装置中。

2.根据权利要求1所述的一种利用尾气余热的节能系统，其特征在于，所述热能回收装置还包括第二换热装置(15)，所述第二换热装置(15)设置在所述第一换热装置(14)与所述喷嘴(18)之间，所述排气歧管(2)中的热能能够使得所述第二换热装置(15)中的液体加热。

3.根据权利要求2所述的一种利用尾气余热的节能系统，其特征在于，所述热能回收装置还包括加压装置(9)，所述加压装置(9)与所述补液水箱(10)相连接，所述加压装置(9)用于对流通在所述高压水管(16)中的液体加压。

4.根据权利要求3所述的一种利用尾气余热的节能系统，其特征在于，所述补液水箱(10)与所述第一换热装置(14)之间还设有第一电磁阀(11)，所述第一电磁阀(11)与所述中央控制器(6)相连接，所述第一电磁阀(11)用于控制从所述补液水箱(10)进入到所述高压水管(16)中的液体的流量。

5.根据权利要求4所述的一种利用尾气余热的节能系统，其特征在于，所述加压装置(9)与所述补液水箱(10)之间设有第二电磁阀(12)，所述第二电磁阀(12)与所述中央控制器(6)相连接，所述第二电磁阀(12)用于控制所述加压装置(9)作用于所述高压水管(16)中液体的压力的大小。

6.根据权利要求1所述的一种利用尾气余热的节能系统，其特征在于，所述热能回收装置还包括回收水路，所述回收水路用于将在所述蒸汽动力装置中释放过能量的液体回收回所述补液水箱(10)，所述回收水路包括换热器(5)和回收水泵(23)，所述换热器(5)和所述回收水泵(23)通过回水管(17)相连接，所述换热器(5)与所述蒸汽动力装置相连接，所述回收水泵(23)的一端与所述换热器(5)相连接，所述回收水泵(23)的另一端与所述补液水箱(10)相连接。

7.根据权利要求6所述的一种利用尾气余热的节能系统，其特征在于，所述回收水泵(23)与所述补液水箱(10)之间设有第三电磁阀(13)，所述第三电磁阀(13)与所述中央控制器(6)相连接，所述第三电磁阀(13)用于控制所述回收水路中液体的流量。

8.根据权利要求1所述的一种利用尾气余热的节能系统，其特征在于，所述动力装置还包括燃油动力装置，所述燃油动力装置包括第一活塞机构(19)，所述蒸汽动力装置包括第二活塞机构(20)，所述第一活塞机构(19)和所述第二活塞机构(20)通过曲拐相连接，所述燃油动力装置与所述蒸汽动力装置共同为车辆运行提供动力。

9.根据权利要求1所述的一种利用尾气余热的节能系统，其特征在于，所述排气装置还包括三元催化器(4)，所述三元催化器(4)与所述发动机排气歧管(2)相连接，所述三元催化器(4)用于净化所述发动机排气歧管(2)中的气体。

10.一种控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1至9任意一项所述利用尾气余热的节能系统，所述方法由中央控制器执行，包括：

获取高压水管中液体的第一流量、回水管中液体的第二流量和获取高压水管中液体的压力；

当所述第一流量小于预设的第一流量阈值时，控制第一电磁阀开启；

当所述第二流量大于预设的第二流量阈值时，控制第三电磁阀开启；

当所述高压水管中液体的压力小于预设的压力阈值时，控制第二电磁阀开启。

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