CN101566113B - 基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统，尤其是重型发动机废热回收系统，整个系统包括多个换热器单元及能量转换装置(透平发电装置)以及相应的链接管路和阀门；其中，在废热回收单元包括发动机废气再循环冷却器(EGR冷却器)的沸腾器单元、过热器单元以及发动机废气冷却单元等，以及制冷剂的回热器，增压空气的预冷器等；整个系统的工作流体为制冷剂，如R245fa。该废热回收系统比现有的废热回收系统的能量回收效率更高，而且整个系统的运行更为平稳和结构布置更为紧凑，并可解决发动机高增压的双级增压中冷带来铝材质应用受限问题。

Description

基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统

技术领域

本发明涉及一种发动机废热回收系统，尤其涉及一种基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统。

背景技术

普通的朗肯循环系统用于汽轮机的发电，这种朗肯循环包括了透平、冷凝器、泵、蒸发器等装置。采用的工质一般为水蒸汽，水从蒸发器中吸收热量，变成高温高压蒸汽，驱动透平做功发电，做功后的乏气回到冷凝器中冷凝变成液体，再由水泵驱动到蒸发器，实现一个系统循环。有机朗肯循环与普通朗肯循环类似，只是工质不同，一般采用有机流体代替水，如采用R134a，R245fa等。

基于有机朗肯循环的发动机废热回收装置，就是利用发动机排出的尾气(废气)的能量，低温液态的制冷剂工质从发动机排出的尾气中吸收热量，蒸发成过热高压蒸汽，驱动透平做功发电，同时低压的制冷剂乏气在冷凝器中放出热量，变成液体制冷剂，通过泵加压后输送到蒸发器中，完成整个制冷剂工质的循环，从而实现发动机废气能量回收。

近年来，为了提供发动机的效率和功率输出，发动机正向高增压和双极增压双极冷却方向发展。同时，为了满足排放法规限制，降低颗粒物和NO_X的排放，纷纷采用废气再循环冷却器(EGR冷却器)和颗粒捕捉器等后处理装置，随着排放法规进一步提升，对发动机高增压和EGR的要求也更高，如，为降低非完全燃烧产物(CO，HO)，采用氧化催化还原装置；为降低排气中颗粒物(PM)，采用燃烧的方式处理颗粒物，从而使发动机排气温度更高；为使气缸燃烧获得更多空气采用双极增压，双极中冷技术等。这些换热器单元都是一个个可利用的热源，因此可以通过有机朗肯循环实现能量的回收，通过该系统装置，不仅提高了发动机的有效的能量输出，并为发动机各冷却单元提供了更为高效可靠的冷却方式与载体。

为更高效的利用发动机排气的废热，基于有机朗肯循环的发动机废气回收系统装置在实现方式上也各有侧重，经过现有文献和专利的检索，发现目前存在几种不同结构形式的发动机有机朗肯循环系统并不够完善。专利号为US6986251的专利文献，提出的发动机的废气回收装置，主要是利用一个主泵和一个辅助泵，以减少制冷剂工质在高速主泵内产生的穴蚀问题，同时该系统中主要包括废气蒸发器、冷凝器和相关的水箱、油冷器、增压中冷器、水箱散热器、增压中冷器、发动机油冷器等；该发明的系统中没有过多的考虑到发动机废气再循环装置，并抛弃了传统的利用环境空气冷却缸套冷却液和增压空气等冷却方式，对现有装置改变比较大。专利号为WO 2009/045196的专利，该专利介绍了有机朗肯循环的系统装置，该系统采用了两套有机制冷剂作为工作介质，实现能量的回收利用，其利用热源是太阳能等低品位能源。专利号为WO2005/049975的专利，该专利与US 6986251专利在系统原理结构上较为相近，该专利把传统的发动机水箱散热器和增压中冷器两个换热器结合在一起，采用制冷剂为冷却介质，分别冷却缸套冷却液和增压空气，同时制冷剂液体也在两个换热器内吸收热量进行预热，然后再流入以发动机尾气为热源的蒸发器中，吸收热量，蒸发成蒸汽，进而做功，实现能量的回收。

上述现有技术都并没有关注因发动机排放法规的日益严格，而采用的EGR废气处理器、颗粒捕捉器等后处理设备作为能量回收的热源；而同时，并没有考虑发动机进一步的双极增压而采用的双极中冷器作为能量回收的热源；双级增压中冷技术上，第一级增压后，增压空气温度高达250～300℃，这为传统的铝材质的中冷器的设计带来挑战；并且，上述现有技术也没有考虑到系统本身的优化，以实现更多能量回收，从而实现整个发动机功率的提高与燃油经济性的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效的基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统，克服了上述现有技术的不足。

为达到上述发明目的本发明所采用的技术方案是：一种基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统，包括如下四个子系统：热能回收系统、增压空气系统、废气排放系统以及冷却空气系统，其中：

热能回收系统：高温低压气态的制冷剂从透平发电机流出，经过回热器与从泵流出的高压低温液体制冷剂工质进行热交换，液体制冷剂温度升高，气态制冷剂温度降低，气态制冷剂随后流入冷凝器中，气态制冷剂在冷凝器中与经过风扇吸入的外界空气进行热量交换，气态制冷剂对外界空气放热发生相变，从冷凝器流出的为低温低压的制冷剂液体，制冷剂液体经过泵和相应的管路分两路输送，分别输送到回热器和增压预冷器中，经过热量交换，液体制冷剂温度升高，从回热器和增压预冷器流出的制冷剂液体，经过三通阀汇合后，再流入三通控制阀，然后分两路分别进入EGR沸腾器和EGR废气冷却器，制冷剂液体在EGR沸腾器内吸收发动机尾气的热量，进行沸腾蒸发变成饱和制冷剂蒸汽，与从EGR废气冷却器中流出的制冷剂混合后，再流入EGR过热器中，制冷剂进一步吸收热量变成过热制冷剂气体，然后过热制冷剂气体进入透平中，推动涡轮对外做功，进而通过发电机组进行发电，实现能量的回收；

增压空气系统：环境空气经发动机涡轮增压器后，空气温度升高，进入增压预冷器，在增压预冷器内制冷剂液体与高温增压空气进行热量交换，增压空气的温度降低，增压空气再进入传统的发动机增压中冷器中，与环境空气进行热量交换，温度进一步降低，最后经EGR阀与从EGR沸腾器流出的发动机尾气混合后，进入发动机气缸进行燃烧；

废气排放系统：从发动机气缸排出的尾气，一部分直接进入EGR过热器和EGR沸腾器后，与增压空气混合后进入气缸再进行燃烧，另一部分经过涡轮增压器后，进入EGR废气冷却器，最后排到环境中；

冷却空气系统：环境冷却空气在风扇的作用下，先后从冷凝器、增压中冷器和水箱散热器流过，最后又经过风扇排出。

所述废气排放系统中的涡轮增压器与EGR废气冷却器之间增设尾气处理器，发动机尾气经过尾气处理器后减少了颗粒物，同时尾气温度升高，可利用的废热也增加，提高了废热回收系统的效率。

所述制冷剂为R245fa。

本发明的废热回收系统比现有的废热回收系统的能量回收效率更高，相应减少对环境的影响，而且整个系统的运行更为平稳和结构布置更为紧凑，并可解决发动机高增压的双级增压中冷带来铝材质应用受限问题，以及采用欧IV和欧V法规后，将采用的双级废气再循环冷却器的(EGR)结构布置问题。

附图说明

图1是本发明系统装置图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的发动机废热回收系统主要包括：系统的主要热源发动机1，尤其是重型发动机；用作工作介质制冷剂R245fa和作为加热热源的发动机尾气处理装置，EGR过热器10，EGR沸腾器11，废气冷却器12；用作工作介质制冷剂R245fa加热器的增压预冷器3，以及制冷剂回路的回热器8；用于输送制冷剂工质在系统循环的动力泵7和各种连接管路和阀门，如三通控制阀14、三通阀15；用做能量回收的透平发电机13；完成制冷剂从气态到液体转变的冷凝器6；发动机尾气的管路和阀门，如EGR阀9；以及发动机的前端模块，主要包括吸风式风扇17，增压中冷器5，水箱散热器4等。

该系统主要包括：增压空气系统，废气排放系统、热能回收系统以及冷却空气系统。

下面分别解释说明四个子系统耦合方式以及能量交换的方式：

制冷剂系统：制冷剂从透平发电机组13流出，此时工质制冷剂为高温低压气态，经过回热器8与从泵7流出的高压低温液体制冷剂工质进行热交换，热交换后，液体制冷剂系温度升高，气态制冷剂工作温度进一步降低，气态制冷剂随后流入冷凝器6中，气态制冷剂在冷凝器中与经过风扇17吸入的环境冷却空气进行热量交换，气态制冷剂对环境放热，发生相变，从冷凝器6流出的为低温低压的制冷剂液体；制冷剂液体经过泵7和相应的管路，分两路输送，分别输送到回热器8和增压预冷器3中，经过热量交换，液体制冷剂温度升高。系统中采用回热器8，可有效提高制冷剂液体温度和降低制冷剂气体温度，而不需要额外的热源，因可显著提高系统废热回收效率，同时降低了冷凝器6的散热负荷以及获得更为高温高压的制冷剂蒸汽，增压预冷器3在提高液态制冷剂温度的同时，并降低增压中冷器5的热负荷，同时可有效解决目前铝材质中冷器在高增压后，因温度升高焊接强度降低而引起的可靠性问题；从回热器8和增压预冷器3流出的制冷剂液体，经过三通阀15汇合后，再流入三通控制阀14后，分两路分别进入EGR沸腾器11和EGR废气冷却器12，制冷剂液体在EGR沸腾器11内吸收发动机尾气的热量，进行沸腾蒸发，变成饱和制冷剂蒸汽，与从EGR废气冷却器12中流出的制冷剂混合后，再流入EGR过热器10中，制冷剂进一步吸收热量，制冷剂变成具有一定过热度的高温高压的制冷剂气体，此时，制冷剂具备了对外做功的能量，然后，这种高温高压的过热制冷剂气体进入透平中，推动涡轮对外做功，进而通过发电机组进行发电，实现能量的回收。其中，制冷剂液体进入废气冷却器12、EGR沸腾器11以及EGR过热器10这一热力过程，在本发明的系统装置，处于非常关键的位置；首先根据发动机EGR率和进入EGR沸腾器11中的废气的温度和压力，决定分配进入EGR沸腾器11和EGR废气冷却器12中制冷剂的流量，从而保证EGR沸腾器10流出的是适量饱和制冷剂蒸汽，然后是EGR饱和蒸汽与从EGR废气冷却器12流出的制冷剂气体混合后，再进入EGR过热器10中进行过热，以获得高温高压的制冷剂蒸汽。需要说明是，由于发动机排放法规的严格，为降低发动机尾气中颗粒物的排放，在采用DPF尾气处理器16后，发动机的废气从DPF流出后，废气温度进一步升高，可利用的废热也进一步增加，有利于废热回收系统的效率提高。

增压空气系统：环境空气经发动机涡轮增压器2后，空气温度升高，进入增压预冷器3，在增压预冷器3内制冷剂液体与高温增压空气进行热量交换，增压空气的温度降低，增压空气再进入传统的发动机增压中冷器5中，与环境空气进行热量交换，温度进一步降低，最后经EGR阀9与从EGR沸腾器11流出的发动机尾气混合后，进入发动机气缸进行燃烧。

废气排放系统：从发动机1气缸排出的尾气，一部分直接进入EGR过热器10和EGR沸腾器11后，与增压空气混合后进入气缸再进行燃烧，另一部分在经过涡轮增压器2后，再经过DPF尾气处理器16后，进入废气冷却器12，最后排到环境中。

冷却空气系统，环境冷却空气在吸风风扇17的作用，先后从冷凝器16，增压中冷器5和水箱散热器4流过，最后又经过风扇17排出。

为获得更高能量回收效率，4个子系统(几种不同高低温热源)进行相互的能量耦合，同时，几种热交换介质的流动方式和流动顺序是本发明实施的关键，如制冷剂是先进入EGR沸腾器11，再流入EGR过热器10；而发动机尾气一路，是先经过EGR过热器10，在进入EGR沸腾器11，最后进入发动机1气缸内燃烧。

Claims (3)

1.一种基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统，包括如下四个子系统：热能回收系统、增压空气系统、废气排放系统以及冷却空气系统，其中：

热能回收系统：高温低压气态的制冷剂从透平发电机(13)流出，经过回热器(8)与从泵(7)流出的高压低温液体制冷剂工质进行热交换，液体制冷剂温度升高，气态制冷剂温度降低，气态制冷剂随后流入冷凝器(6)中，气态制冷剂在冷凝器(6)中与经过风扇(17)吸入的外界空气进行热量交换，气态制冷剂对外界空气放热发生相变，从冷凝器(6)流出的为低温低压的制冷剂液体，制冷剂液体经过泵(7)和相应的管路分两路输送，分别输送到回热器(8)和增压预冷器(3)中，经过热量交换，液体制冷剂温度升高，从回热器(8)和增压预冷器(3)流出的制冷剂液体，经过三通阀(15)汇合后，再流入三通控制阀(14)，然后分两路分别进入EGR沸腾器(11)和EGR废气冷却器(12)，制冷剂液体在EGR沸腾器(11)内吸收发动机尾气的热量，进行沸腾蒸发变成饱和制冷剂蒸汽，与从EGR废气冷却器(12)中流出的制冷剂混合后，再流入EGR过热器(10)中，制冷剂进一步吸收热量变成过热制冷剂气体，然后过热制冷剂气体进入透平中，推动涡轮对外做功，进而通过发电机组进行发电，实现能量的回收；

增压空气系统：环境空气经发动机涡轮增压器(2)后，空气温度升高，进入增压预冷器(3)，在增压预冷器内制冷剂液体与高温增压空气进行热量交换，增压空气的温度降低，增压空气再进入传统的发动机增压中冷器(5)中，与环境空气进行热量交换，温度进一步降低，最后经EGR阀(9)与从EGR沸腾器(11)流出的发动机尾气混合后，进入发动机气缸进行燃烧；

废气排放系统：从发动机(1)气缸排出的尾气，一部分直接进入EGR过热器(10)和EGR沸腾器(11)后，与增压空气混合后进入气缸再进行燃烧，另一部分经过涡轮增压器(2)后，进入EGR废气冷却器(12)，最后排到环境中；

冷却空气系统：环境冷却空气在风扇(17)的作用下，先后从冷凝器(6)、增压中冷器(5)和水箱散热器(4)流过，最后又经过风扇(17)排出。

2.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统，其特征在于废气排放系统中的涡轮增压器(2)与EGR废气冷却器(12)之间增设尾气处理器(16)，发动机尾气经过尾气处理器(16)后减少了颗粒物，同时尾气温度升高，可利用的废热也增加，提高了废热回收系统的效率。

3.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环的发动机废热回收系统，其特征在于所述制冷剂为R245fa。

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