CN102174906B - 一种汽车电涡流缓速器制动热能回收利用装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种汽车电涡流缓速器制动热能回收利用装置及控制方法，属于车辆节能减排技术领域。针对重型汽车采用永磁缓速器制动过程中产生的大量低品位热能，采用有机朗肯循环回收成电能，利用所产电能对甲醇水溶液进行催化重整，产生的重整气引入柴油机进气管与柴油混合燃烧。由于汽车使用缓速器时，柴油机处于怠速，燃烧状况较差，发明使用膨胀机做功后产生的工质乏气加热柴油机进气，起到改善柴油机燃烧并降低排放的作用。本专利通过有机朗肯循环发电系统、甲醇水溶液催化重整装置、柴油机进气加热装置和控制系统的综合作用，不但回收了缓速器的制动热能，确保缓速器可靠工作，改善了柴油机怠速时的燃烧和排放性能，实现了柴油机的节能和减排。
Description
技术领域
本专利涉及一种汽车电涡流缓速器制动热能回收利用装置及方法，具体为重型汽车缓速器在频繁和长时间制动时会产生大量低品位热能，通过有机朗肯循环发电系统、甲醇水溶液催化重整装置、柴油机进气加热装置和控制系统来对该制动热能进行回收和利用，属于车辆节能减排技术领域。
背景技术
针对重型卡车普遍安装的电涡流缓速器，尽管永磁电涡流缓速器与励磁电涡流缓速器相比较有节能、易于小型化等优点，前景看好，但现有的永磁缓速器均为风冷散热构造，要实现大制动转矩必须采用液冷技术。然而重卡长距离下坡制动时，液冷缓速器会产生大量热量，若这些热量完全通过散热器散失到空气中则是能量的极大浪费，因此，在确保缓速器可靠工作的前提下，高效回收和利用缓速器的制动热能就显得尤为必要。由于缓速器本身材料性能的限制，保证其正常工作的前提下所能承受的极限温度较低，故所回收的热能为低品位热能。
目前车辆低品位余热利用包括发动机余热温差发电、取暖和吸收式制冷，以及利用发动机余热做功。利用排气温差的发电技术，能量转换效率很低，实际热电转换效率约为2.12％，而同类装置的转换效率最高也只有10％左右。发动机余热取暖系统无法在发动机停止工作时使用，且在高寒地区使用时对换热元件要求较高。发动机余热吸收式制冷系统则存在单位质量的吸附剂产生的制冷功率小、系统笨重、余热利用率不高等问题。鉴于这两种余热利用方式存在的缺点，利用车辆低品位余热做功已成为车辆低品位余热利用领域新的研究热点。将车辆低品位余热转换为机械能进而转换为电能，此种方法对车辆低品位余热的利用率较高，通过转换得来的电能可以为车辆蓄电池充电，亦可用于其它用电设备，更重要的是这种方法不需对原有汽车结构做较大改动，易于实现产业化。
本专利提出的一种重型汽车电涡流缓速器制动热能的回收利用装置及方法，通过有机朗肯循环发电系统、甲醇水溶液催化重整装置、柴油机进气加热装置和控制系统的综合作用，不但回收了缓速器的制动热能，确保缓速器可靠工作，还大幅度改善了柴油机怠速时的燃烧和排放性能，实现了柴油机的节能和减排。
发明内容
本发明的目的是综合利用有机朗肯循环发电系统、甲醇水溶液催化重整装置、柴油机进气加热装置和控制系统，来对重型汽车制动过程中缓速器产生的大量热能进行回收和利用，以保证缓速器正常运行，最终达到车辆节能减排的目的。
本发明的方案是在重型汽车频繁或长时间制动过程中，缓速器会产生大量的热能，通过有机郎肯循环将该热能回收利用成电能，再用电阻丝消耗电能去加热重整器，电阻丝产生热能使重整器温度升高，当重整器中的温度达到所需温度时，甲醇水溶液泵入重整器中进行催化重整，产生的重整气引入柴油机进气管与柴油混合燃烧。与此同时，膨胀机做功后的工质乏气温度仍然高于柴油机进气温度，故来加热柴油机进气，以达到改善柴油机燃烧并降低其排放的目的。
一种汽车电涡流缓速器制动热能的回收利用装置，包括：有机朗肯循环发电系统、甲醇水溶液催化重整装置、柴油机进气加热装置和控制系统；其特征在于：有机朗肯循环发电系统包括：缓速器温度传感器1、缓速器2、导热油22、缓速器外箱体3、气液分离器4、膨胀机5、发电机6、凝汽器7、有机郎肯循环工质泵8，其中，缓速器2安置在缓速器外箱体3的内部，缓速器2周围充满着导热油22，连接在缓速器外箱体3上的缓速器温度传感器1用来检测缓速器2周围导热油22的温度，有机郎肯循环管路进入缓速器外箱体3后变成螺旋状以保证和导热油22的充分换热，有机郎肯循环管路通过缓速器外箱体3后与气液分离器4连接，气液分离器4将气体工质与液体工质分离，气液分离器4上的液体工质回流管道与凝汽器7相连，气液分离器4上的气态工质管道与膨胀机5相连，与膨胀机5与发电机6相连用以生产电能，膨胀机5上连接有乏气管道；甲醇水溶液催化重整装置包括：电阻丝9、重整器10、重整器温度传感器11、燃料泵12、甲醇水溶液13、重整气泵14和气液分离器15，其中，重整器10内部有电阻丝9和重整器温度传感器11，甲醇水溶液13通过燃料泵12与重整器10相连，发电机6与所述重整器10内部的电阻丝9相连，重整器10的重整气输出管道与气液分离器15相连，气液分离器15的液体回流管道重新连入重整器10，其气体输出管道连入重整气泵14，重整气泵与柴油机的进气管相连，甲醇水溶液13可以在燃料泵12的作用下被泵入到重整器10中，重整器10内部的电阻丝9消耗发电机6所输出的电能用来放出热量，使重整器10内部温度升高，重整器温度传感器11用来检测重整器10内部温度，重整器10内部产生的重整气通过气液分离器15分离成气体和液体，液体回流到重整器10内，气体通过重整气泵14泵入到柴油机进气管；柴油机进气加热装置包括：柴油机16、进气换热器17、空滤器18、柴油机进气管19和柴油机排气管20，其中，膨胀机5的乏气管道通过与进气换热器17相连后再与凝汽器7相连接，而连接有空滤器18的管道与进气换热器17相连后再与柴油机进气管19相连，通过空滤器18的进气在进气换热器17中与从膨胀机5中做功后的工质乏气进行换热；控制系统包括：电子控制单元21、来自缓速器温度传感器1的缓速器温度信号a、对有机郎肯循环工质泵8的控制信号b、来自重整器温度传感器11的重整器温度信号c、对燃料重整装置中燃料泵12的控制信号d、对燃料重整装置中重整气泵14的控制信号e，其中，电子控制单元21通过接收缓速器温度传感器1的温度信号a用以控制对有机郎肯循环工质泵8的转动信号b，通过接收重整器温度传感器11的重整器温度信号c用以控制对燃料重整装置中燃料泵12的信号d和对燃料重整装置中重整气泵14的信号e。
上述的一种重型汽车电涡流缓速器制动热能的回收利用装置，其控制方法如下：在汽车使用缓速器2制动时，缓速器2将汽车的制动能量转化为自身的热能，故缓速器外箱体3内温度将逐渐升高，当缓速器外箱体3内导热油22温度达到120度时，缓速器温度传感器1将信号传递给电子控制单元21，电子控制单元21对有机郎肯循环工质泵8发出指令，有机郎肯循环工质泵8开始工作，工质通过缓速器外箱体3与导热油22发生热交换，带走导热油22的热量，形成高温、高压、气态工质，经气液分离器4分离后，高温高压气态工质推动膨胀机5做功，带动发电机6发电，电阻丝9通过消耗发电机6的所产电能加热重整器10，重整器10内部的温度会逐渐升高，当重整器10内温度超过500度时，重整器温度传感器11将信号传递给电子控制单元21，电子控制单元21对燃料重整装置中的燃料泵12发出指令，燃料泵12工作，将甲醇水溶液13泵入重整器10，甲醇水溶液13重整成重整气：氢气和一氧化碳，由于重整气中含有部分气态甲醇和水，重整气经过气液分离器15的分离，液态回流到重整器，气态重整气被泵入柴油机进气管19与柴油在缸内混合燃烧；此外，膨胀机5的中温乏气经进气换热器17加热柴油机16的进气，提高柴油机16怠速时的进气温度，柴油机16中最终实现高温进气与氢气、一氧化碳和柴油的混合燃料高温燃烧。
本发明可取得如下有益效果：一种汽车电涡流缓速器制动热能的回收利用装置，通过有机朗肯循环发电系统首先将缓速器2产生的大量热能回收转化成电能，通过此过程使缓速器2温度降低，保证了缓速器2良好性能的发挥，同时将热能回收转化成电能，避免了大量热能的浪费；通过甲醇水溶液催化重整装置将所产的电能用于加热重整器10中的电阻丝9，此装置可以将有机郎肯循环装置所产电能及时消耗掉，避免了出现电能将电池充满后无处存放的尴尬局面，更重要的是此过程可以改善柴油机16燃烧并降低其排放；进气加热装置用于加热柴油机16的进气，进气温度的提高有利于喷入汽缸的柴油的雾化、蒸发和混合，提高了柴油的燃烧速度和预混燃烧质量。
附图说明
图1一种汽车电涡流缓速器制动热能回收利用装置的原理简图
图中：1缓速器温度传感器、2缓速器、3缓速器换热器、4气液分离器、5膨胀机、6发电机、7凝汽器、8有机郎肯循环工质泵、9电阻丝、10重整器、11重整器温度传感器、12燃料泵、13甲醇水溶液、14重整气泵、15气液分离器、16柴油机、17进气换热器、18空滤器、19柴油机进气管、20柴油机排气管、21电子控制单元、22导热油、a来自缓速器温度传感器的缓速器温度信号、b有机郎肯循环工质泵的控制信号、c来自重整器温度传感器的重整器温度信号、d燃料重整装置中燃料泵的控制信号、e燃料重整装置中重整气泵的控制信号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
参照图1，一种汽车电涡流缓速器制动热能的回收利用装置，包括：有机朗肯循环发电系统、甲醇水溶液催化重整装置、柴油机进气加热装置和控制系统；其特征在于：有机朗肯循环发电系统包括：缓速器温度传感器1、缓速器2、导热油22、缓速器外箱体3、气液分离器4、膨胀机5、发电机6、凝汽器7、有机郎肯循环工质泵8，其中，缓速器2安置在缓速器外箱体3的内部，缓速器2周围充满着导热油22，连接在缓速器外箱体3上的缓速器温度传感器1用来检测缓速器2周围导热油22的温度，有机郎肯循环管路进入缓速器外箱体3后变成螺旋状以保证和导热油22的充分换热，有机郎肯循环管路通过缓速器外箱体3后与气液分离器4连接，气液分离器4将气体工质与液体工质分离，气液分离器4上的液体工质回流管道与凝汽器7相连，气液分离器4上的气态工质管道与膨胀机5相连，与膨胀机5与发电机6相连用以生产电能，膨胀机5上连接有乏气管道；甲醇水溶液催化重整装置包括：电阻丝9、重整器10、重整器温度传感器11、燃料泵12、甲醇水溶液13、重整气泵14和气液分离器15，其中，重整器10内部有电阻丝9和重整器温度传感器11，甲醇水溶液13通过燃料泵12与重整器10相连，发电机6与所述重整器10内部的电阻丝9相连，重整器10的重整气输出管道与气液分离器15相连，气液分离器15的液体回流管道重新连入重整器10，其气体输出管道连入重整气泵14，重整气泵与柴油机的进气管相连，甲醇水溶液13可以在燃料泵12的作用下被泵入到重整器10中，重整器10内部的电阻丝9消耗发电机6所输出的电能用来放出热量，使重整器10内部温度升高，重整器温度传感器11用来检测重整器10内部温度，重整器10内部产生的重整气通过气液分离器15分离成气体和液体，液体回流到重整器10内，气体通过重整气泵14泵入到柴油机进气管；柴油机进气加热装置包括：柴油机16、进气换热器17、空滤器18、柴油机进气管19和柴油机排气管20，其中，膨胀机5的乏气管道通过与进气换热器17相连后再与凝汽器7相连接，而连接有空滤器18的管道与进气换热器17相连后再与柴油机进气管19相连，通过空滤器18的进气在进气换热器17中与从膨胀机5中做功后的工质乏气进行换热；凝汽器7的有机朗肯循环工质管道通过与有机朗肯循环工质泵相连后接入缓速器外箱体3的内部；控制系统包括：电子控制单元21、来自缓速器温度传感器1的缓速器温度信号a、对有机郎肯循环工质泵8的控制信号b、来自重整器温度传感器11的重整器温度信号c、对燃料重整装置中燃料泵12的控制信号d、对燃料重整装置中重整气泵14的控制信号e，其中，电子控制单元21通过接收缓速器温度传感器1的温度信号a用以控制对有机郎肯循环工质泵8的转动信号b，通过接收重整器温度传感器11的重整器温度信号c用以控制对燃料重整装置中燃料泵12的信号d和对燃料重整装置中重整气泵14的信号e。
本实施例车辆为德龙F2000，质量为19000kg。车辆试验在一个倾角为20°的斜坡上进行，有机朗肯循环工质选为R123，环境温度为21摄氏度，压力为101kPa。
汽车在缓速器2的作用下，沿着此斜坡以10km/h的速度匀速向下行驶，缓速器2将汽车的重力势能转化为自身的热能，此时缓速器的产热功率为100kW，伴随着缓速器2的产热，导热油22的温度逐渐升高，当导热油22温度达到120度时，缓速器温度传感器1将信号传递给电子控制单元21，电子控制单元21对有机郎肯循环工质泵8发出指令，有机郎肯循环工质泵8开始工作，有机工质R123通过缓速器外箱体3与导热油22发生热交换，使R123由温度21摄氏度、压力1bar变为温度103摄氏度、压力15bar的高温高压气态工质，夹杂有少量液态工质的高温高压气态工质进入气液分离器4分离，分离后的液态工质回流到冷凝器7，分离后的高温高压气态工质进入膨胀机5并推动其做功，带动发电机6以10kW的功率发电，此循环热电转化效率为10％，然后电阻丝9通过消耗发电机6产生的电能加热重整器10，重整器10内部的温度逐渐升高，当重整器10内温度达到500摄氏度时，重整器温度传感器11将信号传递给电子控制单元21，电子控制单元21对燃料重整装置中的燃料泵12发出指令，燃料泵12开始工作，将甲醇水溶液13泵入重整器10，在高温和催化剂的作用下，甲醇水溶液13重整成氢气和一氧化碳(重整气)，由于重整气中含有部分气态甲醇和水，重整气经过气液分离器15的分离，液态回流到重整器，气态重整气被泵入柴油机进气管19与柴油在缸内混合燃烧。经测定：NOX排放由原机的5g/kwh下降到4.6g/kWh，降低8％；PM由原机的0.10g/kWh下降到0.08g/kWh，降低20％；此外，膨胀机5的中温乏气经过进气换热器17加热柴油机16的进气，使柴油机怠速时的进气温度由21摄氏度升到40摄氏度，进气温度提高了90％。由于进气温度提高和混入重整气，空气量减小，柴油机16自动减少柴油供给量，指示热效率由原机的26.3％提高至28.1％。
上述的试验结果表明，采用发明提供的汽车电涡流缓速器制动热能的回收利用装置及方法，可以通过有机朗肯循环发电系统将缓速器2产生的大量热能回收转化成电能，通过此过程使缓速器2温度降低，保证缓速器2良好性能的发挥，同时将热能回收转化成电能，避免了大量热能的浪费；通过甲醇水溶液催化重整装置将所产的电能用于加热重整器10中的电阻丝9，此装置可以将有机郎肯循环装置所产电能及时消耗掉，避免了出现电能将电池充满后无处存放的尴尬局面，更重要的是此过程改善柴油机16燃烧并降低其排放；进气加热装置用于加热柴油机16的进气，进气温度的提高有利于喷入汽缸的柴油的雾化、蒸发和混合，提高了柴油的燃烧速度和预混燃烧质量。
以上所述部分，仅为本发明的一部分具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种汽车电涡流缓速器制动热能回收利用装置，包括：有机朗肯循环发电系统、甲醇水溶液催化重整装置、柴油机进气加热装置和控制系统；其特征在于：有机朗肯循环发电系统包括：缓速器温度传感器(1)、缓速器(2)、导热油(22)、缓速器外箱体(3)、气液分离器(4)、膨胀机(5)、发电机(6)、凝汽器(7)、有机郎肯循环工质泵(8)，其中，缓速器(2)安置在缓速器外箱体(3)的内部，缓速器(2)周围充满着导热油(22)，连接在缓速器外箱体(3)上的缓速器温度传感器(1)用来检测缓速器(2)周围导热油(22)的温度，有机郎肯循环管路进入缓速器外箱体(3)后变成螺旋状以保证和导热油(22)的充分换热，有机郎肯循环管路通过缓速器外箱体(3)后与气液分离器(4)连接，气液分离器(4)将气体工质与液体工质分离，气液分离器(4)上的液体工质回流管道与凝汽器(7)相连，气液分离器(4)上的气态工质管道与膨胀机(5)相连，与膨胀机(5)与发电机(6)相连用以生产电能，膨胀机(5)上连接有乏气管道;甲醇水溶液催化重整装置包括：电阻丝(9)、重整器(10)、重整器温度传感器(11)、燃料泵(12)、甲醇水溶液(13)、重整气泵(14)和气液分离器(15)，其中，重整器(10)内部有电阻丝(9)和重整器温度传感器(11)，甲醇水溶液(13)通过燃料泵(12)与重整器(10)相连，发电机(6)与所述重整器(10)内部的电阻丝(9)相连，重整器(10)的重整气输出管道与气液分离器(15)相连，气液分离器(15)的液体回流管道重新连入重整器(10)，其气体输出管道连入重整气泵(14)，重整气泵与柴油机的进气管相连,甲醇水溶液(13)可以在燃料泵(12)的作用下被泵入到重整器(10)中，重整器(10)内部的电阻丝(9)消耗发电机(6)所输出的电能用来放出热量，使重整器(10)内部温度升高，重整器温度传感器(11)用来检测重整器(10)内部温度，重整器(10)内部产生的重整气通过气液分离器(15)分离成气体和液体，液体回流到重整器(10)内，气体通过重整气泵(14)泵入到柴油机进气管；柴油机进气加热装置包括：柴油机(16)、进气换热器(17)、空滤器(18)、柴油机进气管(19)和柴油机排气管(20)，其中，膨胀机(5)的乏气管道通过与进气换热器(17)相连后再与凝汽器(7)相连接，而连接有空滤器(18)的管道与进气换热器(17)相连后再与柴油机进气管(19)相连，通过空滤器(18)的进气在进气换热器(17)中与从膨胀机(5)中做功后的工质乏气进行换热；凝汽器(7)的有机朗肯循环工质管道通过与有机朗肯循环工质泵（7）相连后接入缓速器外箱体(3)的内部；控制系统包括：电子控制单元(21)、来自缓速器温度传感器(1)的缓速器温度信号a、对有机郎肯循环工质泵(8)的控制信号b、来自重整器温度传感器(11)的重整器温度信号c、对燃料重整装置中燃料泵(12)的控制信号d、对燃料重整装置中重整气泵(14)的控制信号e，其中，电子控制单元(21)通过接收缓速器温度传感器(1)的温度信号a用以控制对有机郎肯循环工质泵(8)的转动信号b，通过接收重整器温度传感器(11)的重整器温度信号c用以控制对燃料重整装置中燃料泵(12)的信号d和对燃料重整装置中重整气泵(14)的信号e。
2.根据权利要求1所述的一种汽车电涡流缓速器制动热能回收利用装置的控制方法，其特征在于：在汽车使用缓速器(2)制动时，缓速器(2)将汽车的制动能量转化为自身的热能，缓速器外箱体(3)内温度将逐渐升高，当缓速器外箱体(3)内导热油(22)温度达到120度时，缓速器温度传感器(1)将信号传递给电子控制单元(21)，电子控制单元(21)对有机郎肯循环工质泵(8)发出指令，有机郎肯循环工质泵(8)开始工作，工质通过缓速器外箱体(3)与导热油(22)发生热交换，带走导热油(22)的热量，形成高温、高压、气态工质，经气液分离器(4)分离后，高温高压气态工质推动膨胀机(5)做功，带动发电机(6)发电，电阻丝(9)通过消耗发电机(6)的所产电能加热重整器(10)，重整器(10)内部的温度会逐渐升高，当重整器(10)内温度超过500度时，重整器温度传感器(11)将信号传递给电子控制单元(21)，电子控制单元(21)对燃料重整装置中的燃料泵(12)发出指令，燃料泵(12)工作，将甲醇水溶液(13)泵入重整器(10)，甲醇水溶液(13)重整成重整气：氢气和一氧化碳，由于重整气中含有部分气态甲醇和水，重整气经过气液分离器(15)的分离，液态回流到重整器，气态重整气被泵入柴油机进气管(19)与柴油在缸内混合燃烧；此外，膨胀机(5)的中温乏气经进气换热器(17)加热柴油机(16)的进气，提高柴油机(16)怠速时的进气温度，柴油机(16)中最终实现温度提高了的进气与氢气、一氧化碳和柴油的混合燃料燃烧。
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- 2011-03-16 CN CN 201110063157 patent/CN102174906B/zh not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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