CN104265500A - 柴油机高温余热回收系统 - Google Patents

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田华
张承宇
舒歌群
卫海桥
李团兵
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

本发明公开了一种柴油机高温余热回收系统，其技术方案是：由压气机以及回热器、温差发电器冷端、EGR换热器、膨胀机依次连接构成布雷顿空气回热循环系统。空气流量调节阀接于压气机的进气口。发动机排出的高温废气分为二路输出：一路依次经涡轮、温差发电器后排出大气；另一路经EGR换热器与来自增压器的增压空气合为一路进入发动机进气口。布雷顿循环空气作为温差发电器的冷端，通过涡轮的排气作为热端，温差发电器在输出功率的同时预热布雷顿循环空气。该系统可高效利用内燃机高温余热，提高内燃机的燃油经济性，降低系统的热负荷。同时系统组成相对简单，运行安全环保，布置方便灵活，易于在内燃机中实现。

Description

柴油机高温余热回收系统
技术领域
本发明属于内燃机节能减排技术，具体涉及一种对柴油机高温余热回收的热力循环系统。
背景技术
随着能源日益短缺和环境污染问题的突出，发动机的节能减排受到世人关注。目前柴油机燃料燃烧所释放的能量有1/3通过排气直接排放到了外界环境中，未被利用。另一方面，再循环废气的余热品位最高，对于这两部分能量的利用，对于解决能源短缺等问题意义重大。
对于发动机排气能量的回收有多种形式，例如可采用涡轮机直接发电，但此类技术主要回收的是排气余压能。因为它在排气能量中所占的份额有限，而且该种方式不可避免会使发动机排气背压增高，对发动机性能造成不利影响。另外一种是温差发电技术。近年来随着半导体材料的发展，温差发电技术不断取得突破，其具有不需运动部件、结构布置灵活等优点，但目前其热效率仍然较低，输出功有限。还有一种是基于热力学循环(布雷顿循环、有机朗肯循环、斯特林循环等)理论，对发动机排气余热进行间接利用回收的方式。其中以朗肯循环的热效率较高、输出功大为优点，而成为主要研究热点。但是朗肯循环多属于闭式循环，系统结构复杂，体积一般也较庞大，使其应用受到一定的制约。除此之外，再循环废气(EGR)的温度远高于发动机中冷却水以及排气等余热。而且随着排放法规的日益严格，为降低NOx的排放，增大EGR率成为一有效措施。如果能对这部分高温余热加以有效利用，可以在提高内燃机燃油经济性的同时，降低系统的散热器热负荷。
因此，热效率高、回收功大、结构简单紧凑、布置方便是余热回收技术应用于发动机中的主要要求，而目前的技术方案还难以满足这些需要。
发明内容
本发明的目的是，提出一种基于空气布雷顿循环与温差发电相结合的柴油机高温余热回收系统。
为实现此目的而采取的技术方案是：由压气机以及回热器、温差发电器、EGR换热器以及膨胀机依次连接构成布雷顿空气回热循环系统。空气流量调节阀接于压气机的进气口。发动机排出的高温废气分为二路输出：一路依次经涡轮、温差发电器热端后排出大气；另一路作为再循环废气经EGR换热器与通过涡轮增压后的空气合为一路进入发动机进气口。空气经废气涡轮增压器增压后与EGR再循环废气一起流入发动机的气缸参与化石燃料的燃烧。发动机燃烧后排气的一部分作为再循环废气进入EGR换热器中，并最终又返回气缸，另一部分排气经涡轮后进入温差发电器热端，作为余热回收的热源。
其过程原理为：布雷顿循环空气作为温差发电器的冷端，通过涡轮后的排气作为温差发电器的热端，温差发电器输出电功率，并预热布雷顿循环工质。布雷顿循环空气在EGR换热器内被进一步加热。通过膨胀机膨胀做功后的布雷顿循环空气在回热器中对来自压气机的进气进行预热后排出大气。
本发明的特点及有益效果如下：
1.系统设置不会对内燃机性能造成任何影响。
2.系统为开式循环，不需要冷凝器等部件，系统结构相对简单，所用工质为空气，无需任何成本且对不会对环境造成任何危害。
3.与单纯的采用布雷顿循环相比，通过加入温差发电器，在预热布雷顿循环空气的同时，使温差发电器在大温差下工作，获得额外的输出功，进一步改善了系统性能。同时回热器的置入，也使系统性能获得一定的提高。
4.采用布雷顿循环回收再循环废气余热，利用再循环废气的高温余热，使得系统循环的最高温度进一步提高，从而提高了回收系统效率，同时也减小了内燃机系统散热器的负荷。
附图说明
所示附图为本发明的原理与系统部件连接结构图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的系统结构做进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而非是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。
柴油机高温余热回收系统，具有压气机、回热器、温差发电器、EGR换热器、膨胀机、涡轮、增压器、发动机、发电机以及流量调节阀等。其系统组成结构是：由压气机1以及回热器2、温差发电器3、EGR换热器4以及膨胀机5依次连接构成布雷顿空气回热循环系统。空气流量调节阀10接于压气机的进气口。发动机8排出的高温废气分为二路输出：一路依次经涡轮6、温差发电器3后排出大气：另一路经EGR换热器4与来自增压器7的增压空气合为一路进入发动机8进气口。膨胀机5与发电机9轴连接。
布雷顿循环空气作为温差发电器的冷端，通过废气涡轮的排气作为温差发电器的热端，温差发电器在输出功率的同时预热布雷顿循环空气。布雷顿循环空气与再循环废气两种气体在EGR换热器内进行换热。通过膨胀机的布雷顿循环空气在回热器中对来自压气机的进气进行预热后排出大气。
空气经流量调节阀进入压气机，之后被从膨胀机中膨胀做功后的布雷顿循环空气预热，再进入温差发电器中，作为温差发电器的冷端，被发动机排气加热。之后流出的空气进一步被高温再循环废气加热，流出的高温高压空气进入膨胀机中做功，流出的乏汽经回热器后流入外界环境中。膨胀机与发电机通过轴连接。可根据发动机不同工况下的排气流量、温度、以及EGR率等，通过电控系统调节流量调节阀的开度来改变循环系统的空气流量，使回收系统性能达到最优。
空气流量调节阀安装于压气机进气端，通过发动机电控系统控制其开度来实现(工质)空气流量的改变，以适应不同的内燃机工况。温差发电器的冷热端分别为通过回热器预热的空气以及内燃机排气。
工作过程为：通过流量调节阀10的一定流量的空气，进入压气机1中增压后被从膨胀机5中膨胀做功后的乏汽预热，再进入温差发电器3中，作为温差发电器的冷端，被内燃机排气加热，之后流出的空气进一步被高温再循环废气加热，流出的高温高压空气进入膨胀机中做功，流出的乏汽经回热器后排入外界环境中。
该系统可高效利用内燃机高温余热，提高内燃机的燃油经济性，降低系统的热负荷。同时系统组成相对简单，运行安全环保，布置方便灵活，易于在内燃机中实现。

Claims (5)

1.柴油机高温余热回收系统，具有压气机、回热器、温差发电器、EGR换热器、膨胀机、涡轮、增压器、发动机、发电机以及流量调节阀，其特征在于：由压气机(1)以及回热器(2)、温差发电器(3)、EGR换热器(4)、膨胀机(5)依次连接构成布雷顿空气回热循环系统，空气流量调节阀(10)接于压气机的进气口，发动机(8)排出的高温废气分为二路输出：一路依次经涡轮(6)、温差发电器后排出大气；另一路经EGR换热器与来自增压器(7)的增压空气合为一路进入发动机进气口。
2.根据权利要求1所述的柴油机高温余热回收系统，其特征是所述膨胀机与发电机(9)轴连接。
3.根据权利要求1所述的柴油机高温余热回收系统，其特征是所述布雷顿循环空气作为温差发电器的热端，所述通过涡轮的排气作为温差发电器的热端，温差发电器在输出功率的同时预热布雷顿循环空气。
4.根据权利要求1所述的柴油机高温余热回收系统，其特征是所述布雷顿循环空气与再循环废气两种气体在EGR换热器内进行换热。
5.根据权利要求1所述的柴油机高温余热回收系统，其特征是所述通过膨胀机的布雷顿循环空气在回热器中对来自压气机的进气进行预热后排出大气。
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