CN102840026B - 一种利用空气循环回收内燃机废气余热能的系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种利用空气循环回收内燃机排气余热能的系统。它是在内燃机排气管上附加一套空气循环(布雷顿循环，Brayton Air Cycle)系统回收排气余热能并将其转化为有效功。其技术方案为：空气经压缩机加压到一定压力后在换热器中被加热成高温高压的气体，然后在涡轮中膨胀做功。涡轮输出功用来带动内燃机进气系统的压气机实现进气增压，也可以带动高速电机发电。此外，该系统还可以设计成回热循环模式，通过两级加热进一步提高能量回收效率。内燃机电子控制系统根据排气状态实时调节空气循环的工作压力和流量，优化循环效率。该发明以空气为工质能达到节能环保的效果，并且结构相对简单，具有较好的应用价值。

Description

一种利用空气循环回收内燃机废气余热能的系统

技术领域

本发明专利是一种采用传热方式驱动空气动力循环回收内燃机排气余热能的系统。通过在内燃机排气系统上耦合一套空气动力循环装置，将内燃机高温排气的余热能转化为有效功输出。系统输出的有效功可以用来带动进气系统的压气机实现内燃机进气增压，也可用来带动高速微型电机发电，提高内燃机的能量利用效率。

背景技术

当前世界面临最严峻的挑战是能源和环境问题，节能减排成为各个国家的重要发展战略。近年来由于我国经济快速发展，汽车保有量与日俱增，面临的汽车能源需求和环境保护压力日益加剧。内燃机仍是当今社会最主要的动力源，它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总量的60％以上；同时，它也是人类最大的环境污染源之一，它排放的废气约占工业废气的50％左右。因此，节能减排是当今内燃机技术进步的主要动力与主要发展方向。

分析内燃机的能量流可以知道，排气约带走了三分之一的能量。回收这部分排气能量，可望使内燃机的总能效率得到较大提升，实现节能减排的目的。在现有的内燃机排气能量回收方式中，有利用废气二次膨胀的直接回收方式(例如采用复合涡轮增压)，也有利用传热的间接回收方式(例如排气系统后接蒸汽动力循环)。废气直接膨胀往往是以增加内燃机的排气背压为代价的，能量回收的效果并不明显；采用传热方式回收内燃机的排气能量，带来的附加排气背压很小，能量回收效率更高。目前研究比较多的是采用排气系统后接闭式循环(例如朗肯循环)装置回收排气余热能。这类方式虽然能量回收效率较高，但是系统比较复杂，难以在内燃机上实现。因此，回收效率较高、结构简单、成本较低是废气能量回收系统在内燃机上实现的必要条件。

发明内容

要解决的技术问题：

本发明专利的主要内容在于提出一种利用空气动力循环(布雷顿空气循环)回收内燃机废气余热能的方法(系统)，将回收的排气能量用于实现进气增压和高速电机发电。采用本发明可以克服现有内燃机废气涡轮增压存在的排气背压过大、效率低等缺点，解决现有的闭式废气能量回收底循环系统(例如朗肯循环系统)结构复杂、成本较高等问题。

技术方案：

在内燃机排气总管(11)上耦合一套空气动力循环系统回收内燃机废气余热能。该空气动力循环系统基于布雷顿循环原理设计而成，包括3个核心部件：换热器(12)、涡轮(4)、压气机(15)。其工作原理为：工质空气经流量调节阀(17)进入压气机(15)，被加压到预定的压力，然后经单向阀(13)后进入换热器(12)；空气在换热器(12)中被高温排气加热成高温高压气体。而后，高温高压的空气在涡轮(4)中膨胀做功，输出轴功并带动内燃机进气系统的压气机(3)以及高速电机(6)。之后，做功后的空气从涡轮(4)出来排向环境。底循环系统回收的部分能量用于实现进气增压，剩余的能量通过传动轴(5)上的高速电机(6)回收(发电)。此外，高速电机(6)还用来实现对底循环系统和增压系统能量流的协调管理。

其中，底循环工质(空气)的质量流率由流量调节阀(17)来控制。压气机(15)的主要作用是提供一定的压力驱动工质循环流动，同时还调节底循环工质的工作压力从而使底循环过程有较高的效率。涡轮(4)是高温高压气体的膨胀做功装置，是底循环系统的动力输出设备。与以往的闭式循环相比，该底循环系统属于开式循环，没有冷凝器，这就简化了系统结构，使系统变得比较简单，容易控制；此外，循环工质为空气，无需任何成本，节能环保。

该底循环系统的控制策略为：根据内燃机在不同工况下的排气能量流(由排气质量流量和温度得出)以及换热器效率可以计算得出对应的最佳底循环工质(空气)流量，并通过内燃机电子控制系统控制空气流量调节阀(17)的开度来实现；根据不同工况下的排气温度及底循环的过程特点，通过优化计算得出对应的最佳工作压力，由内燃机电子控制系统控制微型电机(16)来实现压气机(15)的目标增压压力。此外，增压系统高速电机(6)的工作模式也是由内燃机电子控制系统进行实时控制和调节。

本发明专利的优点可以概括为如下几个方面：

1)本发明专利是采用传热方式回收内燃机的废气余热能。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(例如复合涡轮)回收余压能具有更高的能量回收效率。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的废气余热能带来附加的排气背压小得多，可以使内燃机的动力性、经济性都有较大地提高，显著提升内燃机的总能效率。

2)本发明专利可以使增压系统更好地适应内燃机变工况工作。无论内燃机运行在高速高负荷工况还是低速低负荷工况，都可以保证增压系统具有较好的工作性能，这是由增压器传动轴上的高速电机来实现的。在内燃机起动工况时，底循环系统还没有开始工作，直接由高速电机带动进气压气机；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，涡轮同时带动压气机和高速电机，将富余能量用于高速电机发电。通过这种方式实现内燃机在全工况下与增压器优化匹配，既改善了传统内燃机增压器的瞬态响应特性，又解决了内燃机低速时增压压力不够的难题。

3)与类似方法和技术(例如蒸汽动力循环)相比，本发明专利的底循环系统为开式循环，不需要冷凝器，这样就可以节约相关部件，使系统结构相对简单，技术上实现比较容易，并且控制比较简单。

4)与类似方法和技术相比，本发明专利回收的排气余热能有多种用途，不但可以实现进气增压，还可以带动高速电机发电。这是因为在增压器传动轴上耦合了高速电机，可以对底循环系统能量流进行协调管理，提高废气能量回收效率和利用效率，优化系统性能。

5)本发明专利采用空气为工质，几乎不需要成本。与采用有机工质的闭式朗肯循环相比，可以达到节能环保的效果。

6)可以在本发明专利的基础上设计成回热模式的空气动力循环，利用涡轮出口尚有一定余热的空气预热底循环的进气，可以进一步提高底循环的能量回收效率。

有益效果：

本发明专利具有现有类似专利或产品不具备的效果，它可以有效回收内燃机排气能量，提高内燃机的经济性，改善内燃机增压系统的动力性、可控性、瞬态响应性。此外，与类似的内燃机废气能量回收方法或技术相比，本发明专利结构相对较简单，成本更低，节能环保，易于在内燃机上实现，具有较强的市场推广和应用潜力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1示出了利用布雷顿空气循环回收废气余热能实现内燃机进气增压的方法。

图2示出了利用布雷顿空气回热循环回收废气余热能实现内燃机进气增压的方法。

具体实施方式

本发明专利的优选实例一为在某车用内燃机上利用布雷顿空气循环回收废气余热能实现进气增压。利用该发明专利将内燃机废气能量转化为底循环的有效输出功带动进气系统压气机，并将回收的富余有效功带动高速电机发电，达到改善内燃机经济性、实现内燃机节能减排的目的。

本发明专利主要包含两大部分，内燃机主循环和废气余热能回收底循环。主循环是内燃机的工作循环，它通过产生废气为底循环提供热源，其过程如下：新鲜空气经空滤器(1)、进气总管(2)、进气压气机(3)、进气歧管(7)后进入气缸(9)中燃烧，燃烧后的高温排气经排气歧管(10)、排气总管(11)进入换热器(12)中，成为底循环系统的高温热源。底循环过程说明如下：1)工质空气经流量调节阀(17)和管道(14)进入压气机(15)中，被加压到预定压力(通过计算优化得到)；2)加压后的空气经单向阀(13)进入换热器(12)，被加热成高温高压气体；3)高温高压的气体在涡轮(4)中膨胀做功，输出轴功。通过以上3个过程完成一个循环，实现内燃机废气余热能向涡轮输出功的转换。

其中，增压器传动轴(5)上的高速微型电机(6)实时对底循环系统能量流和增压系统能量流进行协调管理：在内燃机起动和低速时高速电机(6)辅助带动压气机(3)压缩进气，使内燃机的进气实现目标增压比；在内燃机高速高负荷时高速电机(6)充当负载，回收涡轮(4)的富余有效功。工质空气的流量调节阀(17)、压气机(15)的加压压力、增压系统电机(6)的充放电模式都是通过内燃机电子控制系统进行控制和调节，使底循环性能与内燃机主循环性能匹配最优。

根据本发明专利的优选实例二为在某车用内燃机上利用布雷顿空气回热循环回收废气余热能实现内燃机进气增压。它是在实例一的基础上，将布雷顿空气循环改造为回热循环模式，利用涡轮(4)出口的乏气(尚有一定余热)预热底循环进口工质空气，通过提高循环工质的平均加热温度来提高系统的能量回收效率。与实例一相比主要区别在于：底循环系统多了一个换热器(18)，工质空气实现两级加热。其主要工作过程为：工质空气经流量调节阀(17)、压气机(15)、单向阀(19)后进入第一级换热器(18)中，在第一级换热器(18)中预热后再通往第二级换热器(12)中，加热成高温高压的气体后在涡轮(4)中膨胀做功；膨胀做功后的气体不是直接排向环境而是通往第一级换热器(18)，作为第一级换热器(18)的高温热源，预热进气。通过这种两级加热的方式，可以进一步提高系统能量回收效率。其他部分的工作原理和控制方法与实例一相同。

Claims (5)

1.一种利用空气循环回收内燃机废气余热能的系统，它是在内燃机排气总管(11)上耦合一套布雷顿空气动力循环装置，以内燃机的排气作为高温热源驱动底循环，并将底循环的输出功用于带动高速微型电机(6)发电以及内燃机进气系统压气机(3)，系统方案及组成说明如下：内燃机废气余热回收底循环系统由涡轮(4)、换热器(12)、单向阀(13)、管道(14)、压气机(15)、驱动电机(16)、空气流量调节阀(17)组成；底循环的动力输出装置——涡轮(4)与内燃机主循环的进气压气机(3)通过传动轴(5)相连，传动轴(5)上耦合一个高速微型电机(6)；内燃机增压系统的传动轴(5)上耦合一个高速微型电机(6)，在辅助增压的同时实现对系统能量流的统筹管理；在内燃机起动、低速和低负荷工况时，由于底循环系统的滞后性或排气能量不足导致涡轮(4)的输出功不够，这时高速微型电机(6)辅助带动压气机(3)压缩进气，使进气增压到目标压力，保证内燃机在低速低负荷时有较高的扭矩输出；在内燃机高速高负荷工况时，由于排气能量充足使得涡轮(4)有富余的动力输出，这时涡轮(4)将同时带动压气机(3)和高速微型电机(6)，高速微型电机(6)将变为负载吸收多余的涡轮(4)输出功；底循环系统的压气机(15)由微型电机(16)驱动，内燃机电子控制系统将根据工况需求及时调整微型电机(16)的转速，使压气机(15)实现目标加压压力；底循环系统工质空气的流量由流量调节阀(17)来控制，内燃机电子控制系统根据排气流量和温度，按照能量平衡计算出最佳的循环工质流量，及时调节流量调节阀(17)的开度，从而实现对底循环工质流量的精确控制和废气能量回收效率的优化。

2.如权利要求1所述的一种利用空气循环回收内燃机废气余热能的系统，其特征在于：内燃机的进气压气机(3)是由底循环系统的涡轮(4)带动，而不同于传统的废气涡轮增压是由内燃机排气涡轮直接驱动。

3.如权利要求1所述的一种利用空气循环回收内燃机废气余热能的系统，其特征在于：换热器(12)与排气总管耦合在一起，连接内燃机排气系统与底循环系统；换热器设计成逆流换热式，将工质空气加热成高温高压的气体。

4.如权利要求1所述的一种利用空气循环回收内燃机废气余热能的系统，其特征在于：可以将此能量回收系统设计成回热循环模式，即在原方案上再加一个换热器，利用涡轮(4)出口的空气预热进气，实现进气的两级加热，进一步提高系统能量回收效率。

5.如权利要求1所述的一种利用空气循环回收内燃机废气余热能的系统，其特征在于：底循环以空气为工质，且为开式循环，即工质空气完成一个循环后直接排向环境而不再重复利用。