CN106640345A - 一种余热增压发动机 - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明属于内燃机技术领域，提供一种余热增压发动机，利用发动机冷却水热量和尾气余热的增压发动机。该发动机的增压系统包括基于朗肯循环的余热回收系统和压气机。余热回收系统包括蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵。膨胀机通过超越离合器与压气机相连，压气机与曲轴相连。当发动机处于冷机状态，膨胀机输出动力不足时，压气机由曲轴带动；当发动机处于高负荷时，膨胀机输出动力超过压气机所需动力，剩余动力传给曲轴。由于取消涡轮，发动机排气背压降低，减小泵气损失，利用发动机余热增压进气压力，大大提高发动机输出功率，提高了发动机的经济性。取消涡轮也避免了涡轮高温、高转数状态下的故障。

Description

一种余热增压发动机
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，涉及一种利用发动机余热增压发动机进气的发动机。
背景技术
要提高发动机的动力输出，采用增压的方式非常有效。通过增压提高进入发动机的空气密度，从而可增加供油量，提高发动机的动力输出。
传统上，内燃机的增压方式主要有机械增压和废气涡轮增压，机械增压是由发动机的曲轴通过齿轮、传动链或带直接驱动空压机，分为离心式、罗茨式、刮片式及螺杆式等形式，机械增压消耗了发动机部分功率。其优点是发动机负荷极速变化时空压机的响应迅速。缺点是空压机所需能量来源于发动机，高速、大负荷时空压机所需消耗的能量很大，从而使燃料经济性恶化。
废气涡轮增压是发动机排气驱动涡轮机叶轮，再带动与涡轮同轴的压气机叶轮，压缩进入发动机的空气或可燃混合气。由于涡轮增压器是利用发动机本身的排气能量来驱动，不直接消耗发动机的功率。废气涡轮增压发动机尽管利用了尾气能量，但增加了发动机排气背压。
涡轮增压发动机的缺点是排气涡轮会使排气背压升高，增加排气功耗。低速转矩特性不理想，对负荷变化反应也较迟缓。另外，涡轮工作在高温、高转速(几十万转)的恶劣环境下，维修、定期更换增加了其使用成本。
内燃机的燃料能量分布大致为冷却水带走1/3的能量，尾气带走1/3的能量，1/3用于对外输出。尾气带走的热量排到大气中，冷却水带走的热量通过风扇也排到大气中。即2/3的能量白白浪费掉。能否将这2/3白白浪费掉的能量回收用于发动机的增压，是本发明讨论的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种余热增压发动机，是一种新的增压方式，利用发动机冷却水热量和尾气余热的增压发动机。余热增压发动机包括回收余热的朗肯循环系统，增压系统。朗肯余热利用循环系统的蒸发器利用发动机的冷却水热量和尾气排放的热量，将工质变为高温、高压蒸汽，高温、高压蒸汽驱动膨胀机做功，带动压气机压缩空气，做功后的工质经冷凝器变为液态工质，经工质泵打入蒸发器，循环工作；经压气机压缩的空气经中冷器降温，进入发动机。从而实现利用余热增压的目的。
朗肯循环余热利用系统与压气机需要匹配，包括三种情况：1)膨胀机提供能量不足空压机需要。2)膨胀机提供能量刚好等于空压机需要。3)膨胀机提供能量大于空压机需要。
如果膨胀机与空压机直接相连，而整个增压系统脱离发动机曲轴，类似于涡轮增压。会出现如下问题：1)膨胀机提供能量不足空压机需要。这种情况经常出现，如发动机处于冷机状态，空压机提供不了发动机所需空气、发动机突然加速空压机的响应速度跟不上。2)膨胀机提供能量大于空压机需要，需要解决降低膨胀机功率的措施，如涡轮增压系统采用放气方式以满足发动机正常运行。
余热增压发动机需要解决能量匹配问题，并且使回收能量不会再次浪费。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种余热增压发动机包括发动机1、进气系统、排气系统、以及一套朗肯循环的余热利用系统。所述的进气系统包括空压机8、中冷器10、进气管12；排气系统包括排气管2；朗肯循环的余热利用系统包括蒸发器A3、蒸发器B13、膨胀机6、冷凝器5、工质泵4。
所述的空压机8的空压机轴9与发动机1的发动机曲轴11按一定速比相连，空压机8的旋转速度由发动机曲轴11确定，膨胀机6和发动机曲轴11均能驱动空压机8工作；所述的空压机8、中冷器10、进气管12、发动机1相连，用于流通空气或混合气。发动机1、排气管2、蒸发器A3连接，用于废气流通。所述的膨胀机6的输出轴通过超越离合器7与空压机8的空压机轴9按一定速比相连，膨胀机6的一端与蒸发器A3相连，另一端依次与冷凝器5、工质泵4、蒸发器B13、蒸发器A3相连，用于流通朗肯循环工质；发动机1与蒸发器A13之间通循环冷却水。
所述的蒸发器A3的热量来源于排气管2中的排气余热，蒸发器B13的热量来源于发动机冷却水。所述经过蒸发器B13的发动机冷却水将热量传递给郎肯循环中的工质，发动机1排出的尾气流经蒸发器A3后，尾气中的热量传递给郎肯循环中的工质；流经蒸发器B13、蒸发器A3的工质，吸收热量后由液态变为高温、高压气态，推动膨胀机6工作，膨胀机6带动空压机8工作，将环境中的新鲜空气压缩，压缩后的空气经中冷器10降低进气温度，增加空气密度后送入发动机1。
所述的膨胀机6提供能量不足空压机8需要时，分两种情况：当所述的膨胀机6的空转转数低于空压机8的旋转速度，如果直接连接膨胀机6和空压机8，此时膨胀机6变为负载，消耗发动机1能量；膨胀机6和空压机8中间加接超越离合器7，空压机8由发动机曲轴11驱动，膨胀机6与空压机8脱开，不会成为发动机1的负载，保证发动机1的负荷极速变化时空压机的迅速响应。当膨胀机6的空转转数高于空压机8的旋转速度时，按空压机8的转速运转，且膨胀机6提供的能量不足以完全驱动空压机8时，空压机8由膨胀机6、发动机曲轴11共同驱动。
所述的膨胀机6提供能量大于空压机8需要时，膨胀机6的空转速度超过空压机8的旋转速度，空压机8的旋转速度由发动机曲轴11确定，膨胀机6所提供能量除驱动空压机8外，剩余能量传递给发动机1的曲轴11，增加发动机1的动力输出。
膨胀机6提供能量等于空压机8需要，空压机8的旋转速度由发动机1的曲轴11确定，膨胀机6所提供能量刚好驱动空压机8。
本发明的有益效果为：由于取消涡轮，发动机排气背压降低，减小了排气功；空压机与曲轴直接相连，发动机负荷极速变化时空压机的响应迅速；膨胀机提供能量大于空压机需要时，剩余能量则被曲轴回收。本发明结构简单，匹配容易，对原发动机改动小，对提高发动机动力性、经济性具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的实施例的结构示意图。
图中：1发动机、2排气管、3蒸发器A、13蒸发器B、4工质泵、5冷凝器、6膨胀机、7超越离合器、8空压机、9空压机轴、10、中冷器、11发动机曲轴、12进气管。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
余热增压发动机包括发动机1、进气系统、排气系统、以及一套朗肯循环的余热利用系统。所述的进气系统包括空压机8、中冷器10、进气管12。排气系统包括排气管2。朗肯循环的余热利用系统包括蒸发器A3、蒸发器B13、膨胀机6、冷凝器5、工质泵4。
蒸发器A3的热量来源于排气管2中的排气余热，蒸发器B13的热量来源于发动机冷却水。膨胀机6的输出轴通过超越离合器7与空压机轴9按一定速比相连。空压机轴9与发动机曲轴11按一定速比相连。
空压机8的旋转速度由发动机曲轴11确定，所述膨胀机6的空转速度跟不上空压机8的旋转速度时，由于超越离合器7的作用，空压机曲轴11驱动，膨胀机6不会成为发动机1的负载；所述膨胀机6的空转速度超过空压机8的旋转速度时，按空压机8的转速运转，且膨胀机6提供的能量不足以完全驱动空压机8时，空压机8由和膨胀机6和发动机曲轴11共同驱动；所述膨胀机6的空转速度超过空压机8的旋转速度时，按空压机8的转速运转，且膨胀机6提供的能量超过空压机8所需能量时，膨胀机6所提供能量除驱动空压机8外，剩余能量传递给发动机曲轴11。

Claims (2)

1.一种余热增压发动机，其特征在于，所述的余热增压发动机包括发动机(1)、进气系统、排气系统和一套朗肯循环的余热利用系统；所述的进气系统包括空压机(8)、中冷器(10)、进气管(12)；排气系统为排气管(2)；朗肯循环的余热利用系统包括蒸发器A(3)、蒸发器B(13)、膨胀机(6)、冷凝器(5)、工质泵(4)；
所述的空压机轴(9)与发动机曲轴(11)相连，空压机(8)的旋转速度由发动机曲轴(11)确定，膨胀机(6)和发动机曲轴(11)均能驱动空压机(8)工作；所述的空压机(8)、中冷器(10)、进气管(12)、发动机(1)相连，用于流通空气或混合气；所述的发动机(1)、排气管(2)、蒸发器A(3)连接，用于流通废气；所述的膨胀机(6)的输出轴通过超越离合器(7)与空压机轴(9)相连，膨胀机(6)的一端与蒸发器A(3)相连，另一端依次与冷凝器(5)、工质泵(4)、蒸发器B(13)、蒸发器A(3)相连，用于流通朗肯循环工质；所述的发动机(1)与蒸发器A(13)之间通循环冷却水；
所述的蒸发器A(3)的热量来源于排气管(2)中的排气余热，蒸发器B(13)的热量来源于发动机冷却水；经过蒸发器B(13)的发动机冷却水将热量传递给郎肯循环中的工质，发动机(1)排出的尾气流经蒸发器A(3)后，尾气中的热量传递给郎肯循环中的工质；流经蒸发器B(13)、蒸发器A(3)的工质，吸收热量后由液态变为高温、高压气态，推动膨胀机(6)工作，膨胀机(6)带动空压机(8)工作，将环境中的空气压缩，压缩后的空气经中冷器(10)后送入发动机(1)。
2.根据权利要求1所述的一种余热增压发动机，其特征在于，所述的膨胀机(6)提供能量不足空压机(8)需要时，分两种情况：所述的膨胀机(6)的空转转数低于空压机(8)的旋转速度，膨胀机(6)和空压机(8)中间加接超越离合器(7)，空压机(8)由发动机曲轴(11)驱动，膨胀机(6)与空压机(8)脱开；当膨胀机(6)的空转转数高于空压机(8)的旋转速度时，膨胀机(6)按空压机(8)的转速运转，空压机(8)由膨胀机(6)、发动机曲轴(11)共同驱动；
所述的膨胀机(6)提供能量大于空压机(8)需要时，膨胀机(6)的空转速度超过空压机(8)的旋转速度，空压机(8)的旋转速度由发动机曲轴(11)确定，膨胀机(6)所提供能量除驱动空压机(8)外，剩余能量传递给发动机曲轴(11)，增加发动机(1)的动力输出；
所述的膨胀机(6)提供能量等于空压机(8)需要，空压机(8)的旋转速度由发动机曲轴(11)确定，膨胀机(6)所提供的能量驱动空压机(8)。
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