CN102748124A - 一种利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置，包括连接于内燃机的排气总管上的换热器以及位于换热器换热端的底循环回路，底循环回路包括ECU控制器以及通过管道依次串联的动力涡轮、冷凝器、泵，管道中通有换热工质，换热工质在经换热器后流入动力涡轮；动力涡轮通过传动轴与内燃机进气总管上的压气机相连，传动轴上耦合有第二电机。本发明具有结构简单紧凑、操作简便、适用范围广、增压效率高、瞬态响应性好等优点，其利用传热方式间接回收内燃机的排气余热能并将其作为高温热源驱动以实现内燃机进气增压。

Description

一种利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置

技术领域

本发明主要涉及到内燃机排气余热能的利用领域，特指一种利用内燃机废气余热能并将回收的有效功用于实现进气增压的装置。

背景技术

当前世界上面临最严峻的挑战是能源和环境问题，“节约能源，保护环境”成为各个国家的重要发展战略。近年来我国经济快速发展，汽车保有量与日俱增，面临汽车能源需求和环境保护的双重巨大压力。内燃机仍旧是当今社会最主要的动力源，它所发出的功率占全世界所有动力装备总功率的50%以上，消耗的燃料占石油燃料的60%以上；同时，它也是人类最大的环境污染源之一，它所排放的废气约占工业废气的50%左右。因此，从节约能源和保护环境的角度出发，人们对其性能提出了愈来愈苛刻的要求，内燃机的节能减排是其今后的主要发展方向。

受内燃机气缸膨胀比的限制，缸内燃烧的高温、高压气体没有得到充分膨胀，还有相当一部分能量直接随排气带出缸外，从而造成能量的浪费、热污染和较高的排气噪声。如何有效回收利用内燃机这部分排气能量，将是有效提高其热效率的一个重要突破口，这也成为了科学家和工程师们一直追求的目标。目前国内外已经提出了多种回收内燃机排气能量的方法，其中，采用排气二次膨胀做功的废气涡轮增压方式（直接回收排气余压能）回收排气能量实现进气增压已经较为成熟并且已经实现了产业化，广泛应用在现代车用内燃机上。

但是，传统的废气涡轮增压方式面临着许多无法解决的缺点，主要表现在以下几个方面：

1、传统的废气涡轮增压是利用排气直接在涡轮中膨胀会带来额外的排气背压，从而导致内燃机排气不畅通，缸内残余废气系数过高，恶化燃烧过程，最终影响到内燃机的性能。其中，最直接的影响是排气背压过高会给内燃机带来额外的泵气损失功（或叫排气损失功），使通过废气在涡轮中膨胀回收的能量大打折扣，有时甚至得不偿失。研究表明，通过废气涡轮增压后，与原机（未增压）性能相比，内燃机的燃油经济性（热效率）并没有得到明显改善，这是因为需要克服额外的泵气损失功。

2、在传统的废气涡轮增压中，涡轮很难适应内燃机排气的瞬变脉动特性。由于内燃机特别是车用发动机运行工况的无规则变化，导致排气参数（流量、压力、温度等）具有很强的瞬变脉动性，而涡轮只能被动的接受状态参数随时变化的排气，使得废气涡轮很少在高效率区工作。

3、传统的废气涡轮增压很难与内燃机进行全工况优化匹配。往往在低速工况时由于排气流量不足，很难提供所需的增压压力并且压气机容易发生喘振，影响了增压器寿命，并带来振动与噪声；在高速工况时排气流量过多，又容易使涡轮发生堵塞，这时必须采用打开旁通废气阀门的办法放掉部分气体，从而造成排气能量的浪费。

4、如前所述，传统的废气涡轮增压方式很难解决内燃机低速时增压压力不够的难题。由于低速时内燃机的排气流量和排气压力较小，导致涡轮的输出功较小，从而使得增压压力不够，最终导致内燃机低速时扭矩特性较差。

5、传统废气涡轮增压系统的瞬态响应性较差。由于排气的惯性效应引起增压器的迟滞效应，最终导致内燃机的加速响应性不够。因此，增压器的瞬态响应问题，是一个很难克服的技术难点。

6、在传统的废气涡轮增压中，涡轮叶片直接与高温废气接触，由于废气呈酸性，容易腐蚀涡轮叶片，这对涡轮叶片材料提出了非常高的要求。以汽油机为例，排气温度可高达800℃以上，这就要求涡轮叶片材料具有一定的耐热性；排气中含有许多酸性物质，容易对涡轮叶片产生化学腐蚀，这就要求涡轮叶片具有一定的耐腐蚀性。为了避免这些问题，通常需要对涡轮叶片材料进行特殊处理、或采用特殊的价格高的材料，这些都增大了涡轮的制作成本。

7、另有一些方式，仍旧没有解决内燃机低速时增压度不够、起动时蒸汽动力循环迟滞性等一系列问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、操作简便、适用范围广、增压效率高、瞬态响应性好、利用传热方式间接回收内燃机的排气余热能并将其作为高温热源驱动以实现内燃机进气增压的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置，包括连接于内燃机的排气总管上的换热器以及位于换热器换热端的底循环回路，所述底循环回路包括ECU控制器以及通过管道依次串联的动力涡轮、冷凝器、泵，所述管道中通有换热工质，所述换热工质在经换热器后流入所述动力涡轮；所述动力涡轮通过传动轴与内燃机进气总管上的压气机相连，所述传动轴上耦合有第二电机。

作为本发明的进一步改进：

所述管道上设有流量调节阀，所述流量调节阀 与ECU控制器相连并用来控制底循环回路中换热工质的质量和流率。

所述排气总管上设有废气流量传感器，所述废气流量传感器用来采集排气总管中废气的实时流量并将采集的流量数据输送给ECU控制器。

沿着排气总管中的气流方向，在所述换热器的前端设有前温度传感器，在换热器的后端设有后温度传感器，所述前温度传感器和后温度传感器用来采集废气在换热前后的实时温度并将采集的温度数据输送给ECU控制器。

所述换热器为两级逆流式换热器。

所述泵的动力输入端与第一电机相连，所述第一电机的控制端与ECU控制器相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的装置可以在几乎不增加内燃机排气背压的前提下实现进气增压（换热器中压降很小，远小于废气涡轮中的压降），这就克服了传统废气涡轮增压的一个最大缺点。这是因为本发明是利用传热方式间接回收内燃机的废气余热能，避免了底循环系统与排气压力发生直接关系，从而不会给内燃机带来额外的排气损失功。

2、本发明的装置可以更好的适应内燃机变工况工作特性。无论内燃机运行在高速高负荷工况还是低速低负荷工况，都可以有效回收内燃机的废气余热能，而不需要在高速时采用旁通的方式放掉一部分废气，从而不会造成能量的浪费。

3、本发明的装置通过在增压器传动轴上耦合一个高速电机实现对增压系统能量流的协调管理。在内燃机起动工况时，这时由于排温低，底循环系统还没有开始工作，直接由高速电机带动压气机；在内燃机低速和低负荷工况时，高速电机辅助带动压气机压缩进气，使进气达到目标增压压力；在内燃机高速高负荷工况时，动力涡轮同时带动压气机和高速电机，将富余的能量储存在高速电机，通过这种方式可以实现内燃机在全工况下与增压器进行性能优化匹配，既改善了传统内燃机的瞬态响应特性、又解决了内燃机低速时增压压力不够的难题，有效改善内燃机的综合性能。

4、本发明的装置与传统废气涡轮增压方式相比，可以避免废气与涡轮叶片发生直接接触。在底循环回路中，工质（水或有机工质）的温度会低于废气的温度，而且工质（水或有机工质）一般没有腐蚀性，从而不会对涡轮叶片带来过大的热应力和腐蚀性，可以使涡轮叶片制造成本大大降低。

5、本发明的装置与传统废气涡轮增压方式相比，该套底循环系统可以有效回收内燃机排气余热能并使排气的温度大大降低，在提高内燃机整机热效率的同时，降低了内燃机的排气噪声以及排气系统热应力。

6、本发明的装置具有较高的能量回收效率。由于废气能量的主要表现形式是余热能（远高于余压能），因此采用传热方式回收废气余热能比通过废气二次膨胀回收余压能具有更高的能量回收效率，在实现进气增压的同时将富余的有效功通过高速电机转变为电能，可以使内燃机的动力性、经济性都有较大的提高，显著提升内燃机的总能效率。

7、本发明的装置给出了循环工质流量的精确计量方法、底循环系统控制策略以及系统能量流管理系统，可以解决内燃机低速时增压度不够、起动时蒸汽动力循环迟滞性等一系列问题。

8、本发明的装置的运行参数经过优化设计，并通过ECU控制器进行合理控制，从而使增压系统具有可控性，保证增压器经常运行在高效率区域；即，动力涡轮可以主动选择合适的进气参数，从而改变了传统废气涡轮只能被动地接受各种无规律变化排气的局面。

附图说明

图1是本发明在应用实例中的原理示意图。

图2是本发明在应用实例中的工作过程示意图。

图例说明：

1、进气总管；2、空滤器；3、内燃机机体；4、压气机；5、气缸；6、进气中冷器；7、排气歧管；8、排气总管；9、废气流量传感器；10、前温度传感器；11、换热器；12、后温度传感器；13、管道；14、泵；15、第一电机；16、流量调节阀；17、ECU控制器；18、冷凝器；19、第二电机；20、动力涡轮；21、传动轴；22、进气歧管。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，以将本发明应用于内燃机排气系统为例，该内燃机排气系统为某型车用内燃机。该内燃机包括内燃机机体3，内燃机机体3的进气端通过进气歧管22与进气总管1相连通，在进气总管1上依次设有空滤器2、压气机4、进气中冷器6；内燃机机体3的排气端通过排气歧管7与排气总管8相连通。

本发明的利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置，包括换热器11、动力涡轮20、冷凝器18、泵14以及ECU控制器17，换热器11连接于排气总管8上，换热器11的换热端设有由管道13、泵14、冷凝器18、动力涡轮20串联成的底循环回路，该底循环回路中通入换热工质（例如液体），为简单方便起见，本实例采用水作为底循环回路中的换热工质。该底循环回路负责回收排气总管8排出废气的余热能并将其转化为动力涡轮20的有效功输出。动力涡轮20通过传动轴21与进气总管1上的压气机4的动力输入端相连；即，动力涡轮20是利用管道13中高温高压的过热气体的膨胀做功装置，是底循环回路的动力输出设备。传动轴21作为连接内燃机主循环与余热能回收底循环回路的桥梁，起着能量输运的作用。压气机4作为底循环回路的主要负载之一，通过接受动力涡轮20的有效功实现对内燃机的进气增压。传动轴21上耦合有第二电机19，动力涡轮20将底循环回路中收集到的有效功用于带动压气机4和第二电机19。第二电机19可以根据需要采用高速微型电机，它的主要作用为：在内燃机起动及低速时，可以作为动力源带动压气机4进行进气增压；在内燃机高速时，可以作为负载吸收动力涡轮20的富余有效功实现发电。通过这种方式，本发明进一步实现了对底循环回路及增压器系统能量流的协调管理，实现了内燃机的能量梯级利用。换热器11的作用是回收经排气总管8排出废气中的余热能，并将底循环回路中的工质加热成过热气体。泵14的主要作用是用于调节底循环回路中换热工质的工作压力，能使底循环回路的工作过程具有较高的效率。冷凝器18的主要作用是将乏汽（一般是湿蒸汽）冷凝成液态，使底循环回路循环周而复始的进行下去。

本实施例中，换热器11可以根据需要采用两级逆流式换热器，即成耦合型的两级逆流式，既可以减少空间，便于在内燃机排气系统上安装，又可以使换热充分，回收更多的排气余热能。

本实施例中，在管道13上设有流量调节阀16，该流量调节阀16 与ECU控制器17相连，用来控制底循环回路中换热工质的质量和流率。 

本实施例中，在排气总管8上设有废气流量传感器9，用来采集排气总管8中废气的实时流量，并将采集的流量数据输送给ECU控制器17。

本实施例中，沿着排气总管8中的气流方向，在换热器11的前端设有前温度传感器10，在换热器11的后端设有后温度传感器12，前温度传感器10和后温度传感器12用来采集废气在换热前后的实时温度，并将采集的温度数据输送给ECU控制器17。

本发明是基于朗肯循环原理而设计的，它是通过在内燃机排气系统上耦合一套蒸汽动力循环装置回收内燃机废气余热能，并利用回收的部分能量实现进气增压，部分能量用高速电机回收（发电）。采用了本发明的装置后，对于非增压发动机来说，可在不增加发动机排气背压的前提下提高发动机的进气压力，以产生正的泵气功，提高发动机的升功率，改善发动机的低速扭矩；并将底循环回路回收的富余有效功带动第二电机19（高速微型电机）发电，达到改善内燃机经济性、实现内燃机节能减排的目的。对于已采用废气涡轮增压系统的发动机来说，本装置可以作为低压级辅助二级系统，可解决已有废气涡轮增压系统中存在的高转速时排气背压过高、低速时增压压力不够、加速时增压器滞后等问题，并且可解决现有蒸汽涡轮增压的工质流量计量不准以及低速、起动时增压器滞后性的问题。

本发明与传统的废气涡轮增压方式（直接回收废气的余压能）相比，通过传热方式回收内燃机废气余热能的最大优点是可以实现对废气压力与温度的解耦，在几乎不增加内燃机排气背压的前提下将排气能量传输给底循环回路中的换热工质，从而不会给内燃机带来额外的泵气损失功。

本发明的控制策略为：根据内燃机在万有特性下的排气能量流以及换热器11的效率可以计算得出不同工况下的底循环回路中工质的流量。其中，工质流量由流量调节阀16来控制；根据不同工况下的排气温度及底循环回路的过程特点，通过优化计算得出不同工况下的最佳工作压力，由第一电机15带动泵14实现预定加压压力。流量调节阀16、带动泵14的第一电机15、第二电机19都是由ECU控制器17进行实时控制和调节。ECU控制器17根据换热器11前后的前温度传感器10、后温度传感器12以及废气流量传感器9反馈的信号，及时发出信号调节流量调节阀16的开度；通过第二电机19实时对增压器系统能量流进行协调管理。在内燃机起动和低速时，第二电机19辅助带动压气机4；在内燃机高速时，第二电机19充当负载，回收动力涡轮20的富余有效功。此外，工质水的加压压力是通过ECU控制器17发出信号控制第一电机15来实现的。

如图2所示，在本发明底循环回路的工作过程，为内燃机的高温排气通往换热器11中，作为底循环回路循环的高温热源。具体过程如下：

从点1至点2的阶段：工质水经泵14加压到预定的压力（通过计算优化得到）；

从点2至点3的阶段：加压后的水在换热器11中吸热，由未饱和水变为饱和水蒸气；

从点3至点4的阶段：饱和水蒸气在换热器11中进一步加热成过热蒸汽；

从点4至点5的阶段：高温高压水蒸气在动力涡轮20中膨胀做功，传动轴21输出功；

从点5至点1的阶段：做功后的水蒸气（乏汽）在冷凝器18中放热后凝结成液态饱和水。通过以上五个过程完成一个循环，实现废气余热能向涡轮机输出功的转换。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置，其特征在于：包括连接于内燃机的排气总管（8）上的换热器（11）以及位于换热器（11）换热端的底循环回路，所述底循环回路包括ECU控制器（17）以及通过管道（13）依次串联的动力涡轮（20）、冷凝器（18）、泵（14），所述管道（13）中通有换热工质，所述换热工质在经换热器（11）后流入所述动力涡轮（20）；所述动力涡轮（20）通过传动轴（21）与内燃机进气总管（1）上的压气机（4）相连，所述传动轴（21）上耦合有第二电机（19）。

2.根据权利要求1所述的利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置，其特征在于：所述管道（13）上设有流量调节阀（16），所述流量调节阀（16） 与ECU控制器（17）相连并用来控制底循环回路中换热工质的质量和流率。

3.根据权利要求1所述的利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置，其特征在于：所述排气总管（8）上设有废气流量传感器（9），所述废气流量传感器（9）用来采集排气总管（8）中废气的实时流量并将采集的流量数据输送给ECU控制器（17）。

4.根据权利要求1所述的利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置，其特征在于：沿着排气总管（8）中的气流方向，在所述换热器（11）的前端设有前温度传感器（10），在换热器（11）的后端设有后温度传感器（12），所述前温度传感器（10）和后温度传感器（12）用来采集废气在换热前后的实时温度并将采集的温度数据输送给ECU控制器（17）。

5.根据权利要求1或2或3所述的利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置，其特征在于：所述换热器（11）为两级逆流式换热器。

6.根据权利要求1或2或3所述的利用内燃机废气余热能实现进气增压的装置，其特征在于：所述泵（14）的动力输入端与第一电机（15）相连，所述第一电机（15）的控制端与ECU控制器（17）相连。

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