CN103016114A - 内燃机排气余热动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内燃机排气余热动力系统，包括叶轮压气机、尾气热交换器和透平，所述叶轮压气机的工质出口与所述尾气热交换器的被加热流体入口连通，所述尾气热交换器的被加热流体出口与所述透平的工质入口连通，所述透平对所述叶轮压气机输出动力，所述尾气热交换器的被冷却流体入口为内燃机尾气接口。本发明结构简单，可以利用排气余热有效产生动力，具有广阔的应用前景。

Description

内燃机排气余热动力系统
技术领域
本发明涉及化工及热动力领域，尤其是一种热动力系统。
背景技术
 内燃机大约有相当于燃料热值的30%的热量由排气排到环境，白白浪费，如何对内燃机排气余热的利用一直是提高内燃机效率的重要课题。已有许多方案被专利或正在研究开发之中，然而，这些方案都具有机构复杂等缺点，因此，需要发明一种结构简单，能够有效利用发动机尾气余热的动力系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：
方案1：一种内燃机排气余热动力系统，包括叶轮压气机、尾气热交换器和透平，所述叶轮压气机的工质出口与所述尾气热交换器的被加热流体入口连通，所述尾气热交换器的被加热流体出口与所述透平的工质入口连通，所述尾气热交换器的被冷却流体入口为内燃机尾气接口。
方案2：在方案1的基础上，所述透平对所述叶轮压气机输出动力。
方案3：在方案1的基础上，所述透平的动力输出轴与负载连接。
方案4：在方案1的基础上，在连通所述叶轮压气机和所述尾气热交换器的连通通道上设回热器，所述透平的流体出口与所述回热器连通。
方案5：在方案1的基础上，在连通所述叶轮压气机和所述尾气热交换器的连通通道上设旁通管，所述旁通管与内燃机的进气道连通。
方案6：在方案3的基础上，所述负载设为发电机。
方案7：在方案3的基础上，所述负载设为附属压气机。
方案8：在方案3的基础上，所述负载设为风扇。
方案9：在方案8的基础上，所述风扇设为内燃机冷却系统的风扇。
方案10：在方案1至9任一方案的基础上，所述叶轮压气机和所述尾气热交换器之间的连通通道上设有冷却系统热交换器，所述冷却系统热交换器设为内燃机冷却系统的散热器。
方案11：在方案1至9任一方案的基础上，所述内燃机设为增压内燃机。
方案12：在方案1至9任一方案的基础上，所述尾气热交换器设为对流热交换器。
方案13：在方案1至9任一方案的基础上，所述透平的工质出口经降温器与所述叶轮压气机的工质入口连通。
方案14：在方案1至9任一方案的基础上，所述冷却系统热交换器设为对流热交换器。
方案15：在方案13的基础上，在由所述叶轮压气机、所述尾气热交换器、所述透平和所述降温器构成的闭合回路内充有气体工质。
方案16：在方案15的基础上，所述气体工质为惰性气体。
本发明的原理是：由所述叶轮压气机将空气压缩到一定压力（例如2.5个大气压），被压缩的空气在所述尾气热交换器中吸收排气的热量获得温度升高，升温后的压缩空气推动所述透平产生动力。
本发明中，所谓的“尾气热交换器”是指利用内燃机的排气作为热源，对其它流体进行加热的热交换器。
本发明中，所谓的“冷却系统热交换器”是指将内燃机冷却系统产生的热流体中的热传给其它介质的热交换器。
本发明中，所谓的“被加热流体”是指在经过热交换过程，温度被升高的流体。
本发明中，所谓的“被冷却流体”是指在经过热交换过程，温度被降低的流体。
本发明中，所谓的“内燃机尾气接口”是指与内燃机的排气道连通的接口。
本发明中，所谓的“气体工质”包括惰性气体（例如氩气、氦气等）等。
本发明中，所谓的“透平”可设为涡轮。
本发明中，为了提高进入所述尾气热交换器的内燃机的尾气的温度，可以将与本发明所公开的内燃机排气余热动力系统相连接的内燃机的排气道、排气支管以及穿越缸盖的排气通道进行隔热处理。
本发明中，在将所述负载设为发电机的结构中，可取消内燃机固有的发电机，并可将内燃机的风扇设为由电机驱动的电动风扇，从而将这类耗功机构从内燃机的动力输出中卸载，进而增加内燃机的动力输出能力。
本发明中，可将内燃机的全部或部分需要动力的附件（例如风扇、水泵、发电机等）从内燃机的动力输出中卸载，将这些附件设为本发明中的所述负载。  
本发明中，根据化工及热动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。
本发明的有益效果如下:
本发明公开的内燃机排气余热动力系统结构简单，可以利用排气余热有效产生动力。
附图说明
图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；
图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；
图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；
图4所示的是本发明实施例4的结构示意图；
图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；
图6所示的是本发明实施例6的结构示意图；
图7所示的是本发明实施例7的结构示意图；
图8所示的是本发明实施例8的结构示意图；
图9所示的是本发明实施例9的结构示意图，
图中：
1叶轮压气机、2尾气热交换器、3透平、4冷却系统热交换器、5发电机、6风扇、7旁通管、8回热器、9增压内燃机、10附属压气机、11降温器。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的内燃机排气余热动力系统，包括叶轮压气机1、尾气热交换器2和透平3，所述叶轮压气机1的工质出口与所述尾气热交换器2的被加热流体入口连通，所述尾气热交换器2的被加热流体出口与所述透平3的工质入口连通，所述尾气热交换器2的被冷却流体入口为内燃机尾气接口，且所述尾气热交换器2设为对流热交换器，即所述尾气热交换器2内的被冷却流体与所述尾气热交换器2内的被加热流体对流流动。
实施例2
如图2所示的内燃机排气余热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述透平3对所述叶轮压气机1输出动力，所述透平3的动力输出轴与作为负载的发电机5连接，所述叶轮压气机1和所述尾气热交换器2之间设有冷却系统热交换器4，所述冷却系统热交换器4设为内燃机冷却系统的散热器，以利用所述内燃机冷却系统的散热器中放出的热量加热所述叶轮压气机1中流出的工质，且所述冷却系统热交换器4设为对流热交换器，即所述冷却系统热交换器4内的被冷却流体与所述冷却系统热交换器4内的被加热流体对流流动。
实施例3
如图3所示的内燃机排气余热动力系统，其与实施例2的区别在于：所述内燃机设为增压内燃机9，所述尾气热交换器2的被冷却流体入口与所述增压内燃机9的涡轮工质出口连通，所述负载设为风扇6。
实施例4
如图4所示的内燃机排气余热动力系统，其与实施例3的区别在于：所述风扇6设为内燃机的散热器。
实施例5
如图5所示的内燃机排气余热动力系统，其与实施例1的区别在于：在连通所述叶轮压气机1和所述尾气热交换器2的连通通道上设回热器8，所述透平3的流体出口与所述回热器8连通，目的是将所述透平3做功后的余热再次利用，降低热损耗，所述负载设为附属压气机10。
实施例6
如图6所示的内燃机排气余热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述透平3对所述叶轮压气机1输出动力，在连通所述叶轮压气机1和所述尾气热交换器2的连通通道上设旁通管7，所述旁通管7与内燃机的进气道连通，即经过所述压气机1后的一部分工质作为所述内燃机的进气，另一部分工质经过所述尾气热交换器2进入所述透平3。
实施例7
如图7所示的内燃机排气余热动力系统，其与实施例6的区别在于：所述内燃机设为增压内燃机9，所述尾气热交换器2的被冷却流体入口与所述增压内燃机9的涡轮工质出口连通，所述旁通管7与所述增压内燃机9的进气道上的压气机的工质入口连通。
实施例8
如图8所示的内燃机排气余热动力系统，其与实施例7的区别在于：所述叶轮压气机1的流体入口与所述增压内燃机9的进气道上的压气机的流体出口连通，所述旁通管7与所述增压内燃机9的燃烧室连通。
实施例9
如图9所示的内燃机排气余热动力系统，其与实施例1的区别在于：所述透平3的工质出口经降温器11与所述叶轮压气机1的工质入口连通，在由所述叶轮压气机1、所述尾气热交换器2、所述透平3和所述降温器11构成的闭合回路内充有作为气体工质的氩气，其中，所述闭合回路内的承压能力大于5Mpa。
选择性地，所述气体工质也可设为氦气等惰性气体或氮气等可在所述闭合回路中作为不凝气的气体；所述闭合回路内的承压能力也可根据需要设为大于3Mpa、4Mpa、5Mpa、6Mpa、7Mpa、8Mpa、9Mpa、10Mpa等。
显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种内燃机排气余热动力系统，包括叶轮压气机（1）、尾气热交换器（2）和透平（3），其特征在于：所述叶轮压气机（1）的工质出口与所述尾气热交换器（2）的被加热流体入口连通，所述尾气热交换器（2）的被加热流体出口与所述透平（3）的工质入口连通，所述尾气热交换器（2）的被冷却流体入口为内燃机尾气接口。
2.如权利要求1所述内燃机排气余热动力系统，其特征在于：所述透平（3）对所述叶轮压气机（1）输出动力。
3.如权利要求1所述内燃机排气余热动力系统，其特征在于：所述透平（3）的动力输出轴与负载连接。
4.如权利要求1所述内燃机排气余热动力系统，其特征在于：在连通所述叶轮压气机（1）和所述尾气热交换器（2）的连通通道上设回热器（8），所述透平（3）的流体出口与所述回热器（8）连通。
5.如权利要求1所述内燃机排气余热动力系统，其特征在于：在连通所述叶轮压气机（1）和所述尾气热交换器（2）的连通通道上设旁通管（7），所述旁通管（7）与内燃机的进气道连通。
6.如权利要求3所述内燃机排气余热动力系统，其特征在于：所述负载设为发电机（5）。
7.如权利要求3所述内燃机排气余热动力系统，其特征在于：所述负载设为附属压气机（10）。
8.如权利要求3所述内燃机排气余热动力系统，其特征在于：所述负载设为风扇（6）。
9.如权利要求8所述内燃机排气余热动力系统，其特征在于：所述风扇（6）设为内燃机冷却系统的风扇。
10.如权利要求1至9任意之一所述内燃机排气余热动力系统，其特征在于：所述叶轮压气机（1）和所述尾气热交换器（2）之间的连通通道上设有冷却系统热交换器（4），所述冷却系统热交换器（4）设为内燃机冷却系统的散热器。
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