CN102305151A - 一种高效的内燃机余热能回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效的内燃机余热能回收系统，包括内燃机冷却系统和排气朗肯循环系统，在内燃机冷却系统的循环回路中设有一三通阀，用以将内燃机冷却系统和排气朗肯循环系统相耦合；排气朗肯循环系统中设有一泵送系统，用于控制进入到排气朗肯循环系统中的工质流量，为面工况范围内主蒸汽参数的调节提供控制自由度；泵送系统由一可变频给水泵、一电磁阀和一旁通止回阀构成，可变频给水泵和电磁阀依次由三通阀连接至排气朗肯循环系统中的蒸发器，在三通阀与蒸发器之间设有一冷却液旁通回路，旁通止回阀设置在该冷却液旁通回路上。本发明通过改进系统布局和泵送系统，在内燃机面工况范围内，同时提高冷却液能量和排气能量和回收利用效率。

Description

一种高效的内燃机余热能回收系统

技术领域

本发明涉及一种内燃机余热能回收利用系统，尤其涉及一种高效的内燃机余热能回收系统。

背景技术

根据热力学第一定律，目前，内燃机燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量最终均以废热的形式耗散到大气当中，因此将内燃机的余热能进行有效回收和利用是进一步提高内燃机效率，降低二氧化碳排放，实现低碳内燃机的一条重要途径。

基于对内燃机余热能回收利用对减少石油消耗、降低CO₂排放的重要性的认识，国际上工业发达国家纷纷将内燃机余热能高效回收利用技术作为提高内燃机效率的未来技术而列入科技研究计划，抢占内燃机节能减排新技术挑战的先机。

日本文部省在2005年发布的第八次技术预见调查报告中，将余热能利用列为未来30年技术发展的100个重要课题之一。日本丰田、本田等公司将余热能利用作为汽车内燃机未来技术而投入重金加以研究。在欧洲，欧盟在第七框架行动计划中，启动了“HeatReCar”的汽车内燃机余热能利用研究计划，由德国、法国、意大利、瑞典等国家的大学、研究机构和企业参加。2010年1月11日，美国能源部长朱棣文宣布启动3.75亿美元的提高重型卡车和乘用车效率的研究计划，其中内燃机余热能回收利用是5大关键技术之一。

内燃机余热能具有分布式梯级特性，其可能分布于冷却液、空气冷却、EGR冷却和排气等多处。对于一台普通的内燃机，可回收余热能至少分布于冷却液和排气两处。这种内燃机余热能的分布式梯级特性，将导致余热能回收技术在系统复杂性和回收效率两者之间的矛盾。即是，如果要尽可能地回收分散在各处的能量，必将导致系统尺寸、重量、复杂度的增大；相反必将导致能量回收效率的降低。

BMW公司在SAE 2009-01-0174一文中在余热能回收技术的复杂度、成本和能量回收潜力等方面，对目前理论可行的诸多技术进行了较为详细地对比研究，并指出朗肯循环热力耦合是一项值得青睐的技术。BMW公司在SAE 2009-01-0174一文中详细对比研究了两个余热能回收方案，第一种方案是只回收内燃机排气的能量，第二种方案是使朗肯循环工质依次与冷却液和发动机排气进行换热回收能量，并指出第一种方案和第二种方案分别在高速高负荷和低速低负荷区具有较高的能量回收效率，基于这种性质，BMW开发了“dual-loopsystem”来全面高效回收余热能，但是具有高低两套循环回路的朗肯循环系统在尺寸、重量和复杂度方面还需要进一步提高。

威斯康辛大学在SAE2006-01-1605一文中采用理论对比分析的方法，提出了一种新的余热能回收方案。重新改造内燃机的冷却系统，使朗肯循环工质吸收内燃机缸体的散热完成部分工质的蒸发，然后进入到排气处蒸发器中进行蒸发和过热，并指出这个余热能回收方案具有理论上较高的能量回收效率。但是系统需要对内燃机冷却系统进行重新改造，并且要求冷却系统承受较高的工作压力和足够的膨胀空间，因此系统系统复杂度较高。

丰田公司在专利JP2009002183A中指出，在内燃机缸体和缸套上设置多个蒸发室，部分蒸发内燃机冷却液，然后与内燃机排气进行换热，将得到过热蒸汽引入到膨胀机中做功，并且丰田公司围绕这一核心技术申请一系列专利进行保护，但是同样的，这一技术需要相适应的冷却系统与之配合，需要对内燃机冷却系统进行重新的改造设计。

除了上述在系统布局方面的技术之外，主要技术集中在通过改进泵送效率、加热器设置位置、应用不同沸点的流体、设置高温和低温朗肯循环、以及在混合发动机中应用朗肯循环来提高余热回收利用率。

但是上述技术仍未有效解决余热能回收技术在系统复杂性和回收效率两者之间的矛盾，并且在朗肯循环系统如何与内燃机面工况相适应方面尚无技术报道。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种高效的内燃机余热能回收系统。本发明通过改进系统布局和泵送系统，旨在内燃机面工况范围内，同时提高冷却液能量和排气能量的回收利用效率。针对现有技术在余热能回收技术中所存在的系统复杂性和回收效率两者之间的矛盾，本发明的基本构思是将内燃机冷却系统与排气朗肯循环系统相耦合，即是将内燃机的部分高温冷却液直接引入到排气朗肯循环系统中，直接利用内燃机冷却液做排气朗肯循环工质，减少了与冷却液进行换热的换热设备，从而缩小了系统的尺寸、重量和复杂度。针对车用内燃机余热能的面工况特性，本发明改进了现有技术中排气朗肯循环系统中的泵送系统，通过可变频给水泵和一用以工质流量调节的电磁阀的联动调节，实现朗肯循环流量和压力的灵活控制，为排气朗肯循环系统主蒸汽参数的灵活控制提供物理基础。

为了解决上述技术问题，本发明一种高效的内燃机余热能回收系统予以实现的技术方案是：包括内燃机冷却系统和排气朗肯循环系统，在所述内燃机冷却系统的循环回路中设有一三通阀，所述三通阀用以将所述内燃机冷却系统和所述排气朗肯循环系统相耦合；所述排气朗肯循环系统中设有一泵送系统，所述泵送系统用于控制进入到所述排气朗肯循环系统中的工质流量，为面工况范围内主蒸汽参数的调节提供控制自由度，所述泵送系统由一可变频给水泵、一电磁阀和一旁通止回阀构成，所述可变频给水泵和所述电磁阀依次由所述三通阀连接至所述排气朗肯循环系统中的蒸发器，在所述三通阀与所述蒸发器之间设有一冷却液旁通回路，所述旁通止回阀设置在该冷却液旁通回路上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用内燃机本体的散热余热作为排气朗肯的循环工质，提高了排气处工质的平均吸热温度，提高了排气能量的回收利用效率，并且省去了用于回收冷却液能量的配套设备，减小了系统尺寸，重量和复杂度。

本发明中的泵送系统可以灵活控制泵送流量和压力，为实现与车用内燃机面工况的匹配提供物理基础。

本发明通过提高冷却液温度，一方面减小冷却液流量，另一方面增大排气朗肯循环的工质流量，可以改善两者之间的不匹配特征，同时提高冷却液能量和排气能量的回收利用效率。

附图说明

附图是本发明一种高效的内燃机余热能回收系统的构成示意图。

图中：

1——节温器            2——三通阀            3——散热器

4——冷却液箱          5——可调速电动水泵    6——可变频给水泵

7——电磁阀            8——旁通止回阀        9——蒸发器

10——耗汽量调节电磁阀 11——限压阀           12——小型膨胀机

13——冷凝器           14——冷凝水泵         15——水冷管路系统

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明提供了一种将内燃机冷却系统与排气朗肯循环系统相耦合的高效余热能回收技术方案。可通过协调控制内燃机冷却液系统和排气朗肯循环系统，同时高效地回收利用冷却液能量和排气能量。

如附图所示，本发明一种高效的内燃机余热能回收系统，包括内燃机冷却系统和排气朗肯循环系统，所述内燃机冷却系统包括，节温器1、内燃机用散热器3、冷却液箱4、可调速电动水泵5；所述朗肯循环系统包括蒸发器9、耗汽量调节电磁阀10、限压阀11、小型膨胀机12、冷凝器13、冷凝水泵14、水冷管路系统15。在所述内燃机冷却系统的循环回路中设有一三通阀2，所述三通阀2用以将所述内燃机冷却系统和所述排气朗肯循环系统相耦合；所述排气朗肯循环系统中设有一泵送系统，所述泵送系统用于控制进入到所述排气朗肯循环系统中的工质流量，为面工况范围内主蒸汽参数的调节提供控制自由度，所述泵送系统由一可变频给水泵6、一电磁阀7和一旁通止回阀8构成，所述可变频给水泵6和所述电磁阀7依次由所述三通阀2连接至所述排气朗肯循环系统中的蒸发器9，在所述三通阀2与所述蒸发器9之间设有一冷却液旁通回路，所述旁通止回阀8设置在该冷却液旁通回路上。在上述系统的管路中还设有所需的温度传感器T、压力传感器P和流量传感器Q，上述各种传感器的布置及型号的选用等均属于本领域内技术人员所熟知的常识，在此不再赘述。

本发明一种高效的内燃机余热能回收系统是直接利用内燃机冷却液作为朗肯循环工质，通过三通阀2将内燃机大循环冷却液直接引入到朗肯循环回路当中，泵送系统中的可变频给水泵6和给水流量调节电磁阀7实现给水压力和流量的独立控制，旁通止回阀8实现对可变频给水泵6最低流量限值的保护，蒸发器9用于回收排气能量加热高温冷却液产生过热蒸汽，限压阀11主要是为了防止蒸发压力过高而对系统造成损害，耗汽量调节电磁阀10通过调节耗汽量来实现主蒸汽压力的控制，小型膨胀机12实现工质的热工转换，冷凝器13和冷凝水泵14完成工质的循环利用，使冷却液工质回到内燃冷却系统。

内燃机的大循环高温冷却液经过三通阀2以最优的流量进入到朗肯循环系统中，经由可变频给水泵6升压之后，进入蒸发器9与内燃机排气进行换热，过热后进入小型膨胀机12中进行热功转换，做工之后的乏汽在冷凝器13处冷凝成液态水，由冷凝水泵14抽吸送入到内燃机冷却系统，冷却内燃机，构成内燃机本体预热，排气加热和过热的复合热力循环。

本发明高效的内燃机余热能回收系统予以实现的一个实施例是对现有技术的内燃机冷却系统进行部分改造来实现的，如，将由曲轴驱动的冷却水泵更换为可调速电动水泵5，方便实现冷却水流量和温度的灵活控制，进而优化系统性能。另外，在现有的内燃机冷却系统大循环回路中安装一个三通阀2，该三通阀2为排气朗肯循环系统与内燃机冷却系统的耦合提供一个物理接口。

本发明的高效的内燃机余热能回收系统，系统必须与内燃机面工况相适应，因此要求排气朗肯循环中主蒸汽参数(汽温和汽压)灵活可调。因为，本发明内燃机余热能回收系统中，工质流量是一个主要的控制量，因此要求泵送系统(可变频给水泵6、工质流量调节电磁阀7和旁通止回阀8)能根据内燃机排气的能量特征灵活地控制进入到朗肯循环系统中的工质流量，通过可变频给水泵6与流量调节电磁阀7的协同调节，完成给水流量和压力的独立调节。可变频给水泵6具有最小流量的限制，为了保障可变频给水泵6在小流量下的设备安全，本发明中设计了冷却液旁通回路，在该旁通回路中设有一旁通止回阀8，使得经过可变频给水泵6的工质流量满足其最小流量限值的要求，另外，为了防止可变频给水泵6入口工质的汽化，最好将可变频给水泵6安装在三通阀2以下的0.5-0.8m左右为好。

本发明中的蒸发器9是排气能量回收利用的主要部件，其换热性能的好坏直接决定了能量的回收效率。而蒸发器的工作条件比较恶劣，因此需要蒸发器9能够适应较大的温差和温度(烟气温度可能达到600-700℃，而工质温度只是200℃)，能够承受较大的压力(8-10bar)，能够抗腐蚀并且便于拆卸除垢。工质在蒸发器9处蒸发、过热，经由限压阀11和耗汽量调节电磁阀10后以优化压力和温度进入到小型膨胀机12中，进行热功转换，乏汽在冷凝器13中，在设计的冷凝压力下冷凝成液态水，由冷凝水泵14抽吸进入到内燃机冷却系统回路。为防止工质在冷凝水泵14入口处汽化，最好将冷凝水泵14安装在冷凝器13下方0.5-0.8m处为好。

本发明高效的内燃机余热能回收系统的工作过程是：内燃机的冷却液由可调速电动水泵5以合适的流量进入到内燃机中，与内燃机的缸体、缸套和缸盖进行换热，冷却液温度升高，在节温器1的作用下，部分冷却液进入到内燃机冷却系统大循环回路中。进入到内燃机冷却系统大循环中冷却液由三通阀2以与排气能量相匹配的流量进入到排气朗肯循环系统中，其余冷却液回到内燃机正常的冷却系统。进入到朗肯循环中的冷却液经过泵送系统(可变频给水泵6、工质流量调节电磁阀7和旁通止回阀8)调节后送入到蒸发器9中与内燃机排气进行换热，产生合适的过热蒸汽，经由耗汽量调节电磁阀10和限压阀11调制后，进入到小型膨胀机12完成热功转化，蒸汽压力的温度均会降低形成乏汽，在冷凝器13中以合适的冷凝压力冷凝成液态水，由冷凝水泵14抽吸送回到内燃机冷却系统中，构成内燃机本体预热，排气加热和过热的复合热力循环系统。

综上，本发明将内燃机的部分高温冷却液直接引入到排气朗肯循环系统中，直接利用内燃机冷却液做排气朗肯循环工质，减少了与冷却液进行换热的换热设备，从而缩小了系统的尺寸、重量和复杂度。并针对车用内燃机余热能的面工况特性，改进了朗肯循环的泵送系统，通过可变频给水泵和工质流量调节电磁阀的联动调节，灵活的控制泵送流量和泵送压力，为朗肯循环系统主蒸汽参数的灵活控制提供物理基础。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种高效的内燃机余热能回收系统，包括内燃机冷却系统和排气朗肯循环系统，其特征在于：

在所述内燃机冷却系统的循环回路中设有一三通阀(2)，所述三通阀(2)用以将所述内燃机冷却系统和所述排气朗肯循环系统相耦合；

所述排气朗肯循环系统中设有一泵送系统，所述泵送系统用于控制进入到所述排气朗肯循环系统中的工质流量，为面工况范围内主蒸汽参数的调节提供控制自由度，所述泵送系统由一可变频给水泵(6)、一电磁阀(7)和一旁通止回阀(8)构成，所述可变频给水泵(6)和所述电磁阀(7)依次由所述三通阀(2)连接至所述排气朗肯循环系统中的蒸发器(9)，在所述三通阀(2)与所述蒸发器(9)之间设有一冷却液旁通回路，所述旁通止回阀(8)设置在该冷却液旁通回路上。

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