CN102230412A - 回收车辆烟气余热的复合动力系统及方法 - Google Patents

回收车辆烟气余热的复合动力系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种回收车辆烟气余热的复合动力系统及方法,属于能源与动力等领域。其特征在于:该系统还包括有机朗肯循环子系统,该子系统包括安装于发动机热转功子系统的烟气消音装置中的多回路换热器、与多回路换热器气相出口相连的有机透平、与有机透平乏气出口相连的有机工质冷凝器、与有机工质冷凝器的有机工质出口相连的储液罐,储液罐通过有机循环泵与多回路换热器液相进口相连;上述环境空气冷却子系统还包括冷凝器冷却装置;本发明具有结构简单紧凑和效率高等特点,能够提高车辆运输能力或减小发动机结构尺寸,改善车辆节能减排性能。

Description

回收车辆烟气余热的复合动力系统及方法
技术领域
本发明涉及一种回收车辆烟气余热的复合动力系统及方法,属于能源与动力领域。
背景技术
车辆发动机目前的热效率一般为33%,而其排气余热约占整个系统输入燃料热值的33%。目前车辆发动机烟气温度较高,一般为600K~1000K,直接排放至环境不仅造成局部的热污染,而且存在极大的浪费。回收发动机排气余热,提高车辆整体的能源利用效率是目前的一个研究热点,研究者们提出了燃料电池混合动力汽车、回收烟气余热用于汽车空调等多种方案。然而由于发动机排气压力较低,从排气中采集热量后会影响到发动机自身的性能,而且目前提出的独立排气余热回收利用系统结构复杂,成本较高。而真正获得应有的烟气余热回收利用多集中在汽车空调领域,在其他领域应用较少。
目前已有多种烟气余热回收利用技术。有机朗肯循环技术具有结构简单、机械加工要求低、成本小和流体适应范围广等特点,可以应用在多种余热回收场合,特别适用于中低温烟气余热回收,是一种较为成熟的商业应用技术。
如果能够回收车辆发动机排气余热,同时不影响发动机自身的工作可靠性。不改动或者较少改动车辆发动机外围的环境空气冷却系统和动力传输子系统。利用有机朗肯循环技术回收发动机排气余热,并利用车辆原有的动力传输子系统输出其机械功,增加车辆输出动力及热效率,同时利用环境空气冷却子系统对有机朗肯循环子系统的冷凝器进行冷却。则不仅能够增加车辆动力输送系统的动力,实现了节能减排,而且对车辆动力系统改动不大。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以提高车辆输出动力,增加车辆运输能力,减小车辆排气热污染的回收车辆烟气余热的复合动力系统及方法。
一种回收车辆烟气余热的复合动力系统,包括发动机热转功子系统、环境空气冷却子系统、动力传输子系统;其中发动机热转功子系统包括具有吸气端和排气端的发动机、依次与发动机排气端相连的烟气触媒净化装置、烟气消音装置和排气阀;发动机还具有冷却剂进口和冷却剂出口;其中环境空气冷却子系统包括具有冷却空气进口、冷却空气出口、冷却剂进口和冷却剂出口的发动机散热装置;发动机散热装置的冷却剂出口通过第一循环泵与发动机冷却剂进口相连,发动机的冷却剂出口与发动机散热装置冷却剂进口相连;其中动力传输子系统包括通过曲轴与发动机动力联接的主轴、与主轴动力联接的动力传动装置、还包括一个与该动力传动装置相连的启动电机;其特征在于:该系统还包括有机朗肯循环子系统,该子系统包括安装于发动机热转功子系统的烟气消音装置中的多回路换热器、与多回路换热器气相出口相连的有机透平、与有机透平乏气出口相连的有机工质冷凝器、与有机工质冷凝器的有机工质出口相连的储液罐,储液罐通过有机循环泵与多回路换热器液相进口相连;上述环境空气冷却子系统还包括冷凝器冷却装置;该冷凝器冷却装置的冷却剂出口通过第二循环泵与有机工质冷凝器的冷却剂进口相连,有机工质冷凝器的冷却剂出口与冷凝器冷却装置冷却剂进口相连;上述动力传输子系统还包括与所述动力传动装置相连的辅助传动机构,该辅助传动机构与有机透平主轴动力联接;上述有机朗肯循环子系统中有机工质沸点高于冷却剂沸点。
上述的回收车辆烟气余热的复合动力系统的工作过程,包括以下过程:发动机将燃料热能转化为机械能,输送给动力传输子系统;同时将排气废热通过烟气触媒净化装置、烟气消音装置、排气阀排放至环境空气中;同时将冷却剂废热通过发动机散热装置排放至环境空气中;其特征在于还包括以下过程:多回路换热器吸收发动机排气废热将其转换为有机工质的热能,有机工质的热能通过有机透平转化为机械能,并将机械能输送至动力传输子系统;有机透平乏气通过有机工质冷凝器换热后变为液相,被送至储液罐,再经过有机循环泵循环进入多回路换热器;而有机工质冷凝器废热通过冷凝器冷却装置排放至环境空气中;多回路换热器出口烟气压力较低,为防止环境空气倒流影响发动机性能,采用文丘里喷管式排气阀。
通过利用上述有机朗肯循环子系统,可以回收发动机烟气余热并将其转化为机械能输送给车辆动力传输子系统,从而可以增加车辆整体的动力输出,提高车辆的运输能力,降低排气热污染。
上述发动机热转功子系统的排气阀为文丘里喷管式排气阀,多回路换热器出口烟气压力较低,采用文丘里喷管式排气阀可以提高排气流速,还可防止环境空气倒流影响发动机性能。此处离发动机较远,采集热量对发动机性能影响小,而且由于文丘里管对排气的引射作用,排气速度仍较高,还可防止烟气对多回路换热器腐蚀。
多回路换热器位于发动机排气系统触媒净化装置后端,烟气中毒害性和腐蚀性成分较低,对多回路换热器要求不高,而且此处排气温度仍较高,多回路换热器结构可以做的较为紧凑。
上述有机朗肯循环子系统中的有机透平通过齿轮等辅助传动机构与动力传输子系统的动力传动装置相连,在车辆发动机运行平稳后,可以利用与车辆动力传动装置相连的辅助传动机构启动有机朗肯循环子系统。而当有机朗肯循环子系统达到稳定运行工况后,有机朗肯循环子系统又可通过辅助传动机向发动机动力传输子系统输出轴功,增加车辆整体输出机械能。
上述有机朗肯循环子系统中的有机工质沸点高于冷却剂沸点。其中有机朗肯循环子系统选择沸点较高的有机工质主要是为了提高多回路换热器的火用效率,而且可以保证多回路换热器出口烟气温度不至于太低,从而防止烟气对多回路换热器的腐蚀。而有机朗肯循环子系统冷凝器冷却采用另一种沸点较低的冷却剂,一方面可以较空冷或者水冷方式具有更高的换热系数,降低有机工质冷凝器尺寸,而且该冷却剂在密封系统中循环工作,比较洁净。
上述有机朗肯循环子系统中的冷却剂和发动机散热装置中的冷却剂相同。工质相同,这样有利于环境空气冷却系统的统一控制,有机朗肯循环子系统与发动机的整体检测和维护方便。
上述有机朗肯循环子系统中的冷凝器冷却装置与发动机散热装置布置在同一位置。同一位置,即均位于环境空气冷却系统。这种布置方式只需要在环境空气冷却子系统的原有位置,增加布置空冷冷凝器(有机朗肯循环子系统)冷却器,结构较为紧凑,不需要改动车辆发动机原有的布置。
上述烟气消音装置和多回路换热器可采用一体化结构,所述一体化结构具体可为换热翅片管结构。烟气从翅片侧流过,有机工质从翅片管内流过,可以采用顺流或者逆流布置。该结构紧凑、在降低排气压力、消除排气噪声的同时,能够回收烟气废热。
附图说明
图1是现有车辆活塞式内燃机动力系统;
图2是本发明车辆烟气余热回收复合动力系统。
具体实施方式
下面参照图1、图2说明回收车辆烟气余热的复合动力系统的运行过程。
图2是本发明提出的车辆烟气余热回收复合动力系统。该系统的工作过程如下:启动第一循环泵,并经过启动电机驱动活塞式发动机开始运转;环境中的空气从活塞式发动机吸气端进入发动机热转功子系统的发动机气缸和燃料燃烧,燃烧后的烟气热能推动活塞运动转化为曲轴的机械能,待发动机正常工作后切断启动电机,并将机械能输送给动力传输子系统,同时冷却发动机气缸冷却剂的环境空气冷却子系统启动;从发动机排气端输出的高压高温排气先经过触媒净化装置脱除烟气中的毒害性和腐蚀性成分;高温高压净化烟气进入烟气消音装置,在降低烟气压力的同时起到消音的作用。由于此时有机朗肯循环子系统未启动运行,排气热能在烟气消音装置中将热量直接辐射给环境;排出烟气消音装置的烟气经过排气阀排入环境空气中。至此,如果不启动有机朗肯循环子系统,该系统运行过程与图1相同。
以上过程达到稳定后,启动有机朗肯循环子系统第二循环泵,保证冷却剂能够对有机朗肯循环子系统有机工质冷凝器有效冷却,因为环境空气冷却子系统在之前已经启动;利用启动电机启动有机循环泵,再利用启动电机启动有机朗肯循环子系统有机透平,有机朗肯循环子系统有机透平转速不断增加,待有机朗肯循环子系统有机透平运行至额定转速后,然后利用联接在有机透平主轴上的辅助传动机构将有机朗肯循环子系统的输出轴功传递给动力传输子系统。至此,协同利用活塞式发动机及有机朗肯循环子系统的复合动力系统开始运行。

Claims (6)

1.一种回收车辆烟气余热的复合动力系统,包括发动机热转功子系统、环境空气冷却子系统、动力传输子系统;其中发动机热转功子系统包括具有吸气端和排气端的发动机、依次与发动机排气端相连的烟气触媒净化装置、烟气消音装置和排气阀;发动机还具有冷却剂进口和冷却剂出口;其中环境空气冷却子系统包括具有冷却空气进口、冷却空气出口、冷却剂进口和冷却剂出口的发动机散热装置;发动机散热装置的冷却剂出口通过第一循环泵与发动机冷却剂进口相连,发动机的冷却剂出口与发动机散热装置冷却剂进口相连;其中动力传输子系统包括通过曲轴与发动机动力联接的主轴、与主轴动力联接的动力传动装置、还包括一个与该动力传动装置相连的启动电机;
其特征在于:该系统还包括有机朗肯循环子系统,该子系统包括安装于发动机热转功子系统的烟气消音装置中的多回路换热器、与多回路换热器气相出口相连的有机透平、与有机透平乏气出口相连的有机工质冷凝器、与有机工质冷凝器的有机工质出口相连的储液罐,储液罐通过有机循环泵与多回路换热器液相进口相连;
上述环境空气冷却子系统还包括冷凝器冷却装置;该冷凝器冷却装置的冷却剂出口通过第二循环泵与有机工质冷凝器的冷却剂进口相连,有机工质冷凝器的冷却剂出口与冷凝器冷却装置冷却剂进口相连;上述动力传输子系统还包括与所述动力传动装置相连的辅助传动机构,该辅助传动机构与有机透平主轴动力联接;
上述有机朗肯循环子系统中有机工质沸点高于冷却剂沸点。
2.根据权利要求1所述的回收车辆烟气余热的复合动力系统,其特征在于:上述有机朗肯循环子系统中的冷却剂和发动机散热装置中的冷却剂相同。
3.根据权利要求1所述的回收车辆烟气余热的复合动力系统,其特征在于:上述有机朗肯循环子系统中的冷凝器冷却装置与发动机散热装置布置在同一位置。
4.根据权利要求1所述的回收车辆烟气余热的复合动力系统,其特征在于:上述有机朗肯循环子系统中的烟气消音装置和多回路换热器为一体化结构。
5.根据权利要求4所述的回收车辆烟气余热的复合动力系统,其特征在于:上述烟气消音装置和多回路换热器的一体化结构具体为换热翅片管结构。
6.根据权利要求1所述的回收车辆烟气余热的复合动力系统工作过程,包括以下过程:发动机将燃料热能转化为机械能,输送给动力传输子系统;同时将排气废热通过烟气触媒净化装置、烟气消音装置、文丘里喷管式排气阀排放至环境空气中;同时将冷却剂废热通过发动机散热装置排放至环境空气中;
其特征在于还包括以下过程:多回路换热器吸收发动机排气废热将其转换为有机工质的热能,有机工质的热能通过有机透平转化为机械能,并将机械能输送至动力传输子系统;有机透平乏气通过有机工质冷凝器换热后变为液相,被送至储液罐,再经过有机循环泵循环进入多回路换热器;而有机工质冷凝器废热通过冷凝器冷却装置排放至环境空气中;多回路换热器出口烟气压力较低,为防止环境空气倒流影响发动机性能,采用文丘里喷管式排气阀。
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