CN107542556A - 一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统及其评价方法 - Google Patents

一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统及其评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统及其适用性评价方法，自调整发电系统工作过程基于闪蒸和有机朗肯循环的联合过程，系统装置包括冷却液余热预热器、排气余热蒸发器、可调式闪蒸器、膨胀机、发电机、节流阀、风冷式冷凝器、储液罐、工质泵、温压传感逻辑模块、电磁节流阀。系统可根据排气余热蒸发器出口工质状态，对余热回收系统进行最优化调整，解决了内燃机排气温度波动导致系统余热回收效率低下和不可靠的问题。该系统在回收内燃机排气余热的同时，利用内燃机冷却液的低品位热量来预热循环工质，提高了内燃机余热的回收率。能够作为快速判断自调整发电系统等余热热功转换系统是否适用于某给定排量汽车的依据。

Description

一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统及其评价方法
技术领域
本发明涉及汽车尾气余热发电领域，特别涉及一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统及其适用性评价方法。
背景技术
随着经济的发展，交通运输工具所消耗的能源也日益增加。柴油机有30％-45％的总热量转化为动力输出，汽油机只有20％-30％。除了10％左右的能量用于克服摩擦等损失外，其余的能量主要以冷却液和排气中余热的形式排放到环境中，排放的废热中又以排气的200℃-600℃中低品位余热为主。在中低温热源的回收利用中，有机朗肯循环表现出较大优势，并已经在工业余热，地热等多个方面得到了应用。因此，应用有机朗肯循环实现车用内燃机余热利用具有充分的必要性和可行性。
但是，车用内燃机的实际工况通常不是稳定的，波动的工况导致内燃机的排气温度产生较大浮动。阶跃变动的热源温度使得有机朗肯循环自调整发电系统无法在最佳工况下运行，膨胀机中的工质可能处于两相状态，发生液击，从而导致循环效率低下和系统运行不可靠。
同时，汽车内部的空间是有限的，汽车重量的增加也将导致行驶阻力增大，耗油增加，因此，考虑自调整发电系统的重量和体积，至今仍缺乏一种快速简便的自调整发电系统和汽车适用性的判断方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统及其评价方法，通过闪蒸和有机朗肯循环的结合，解决内燃机运行工况变动引起的自调整发电系统效率低下的问题。与此同时，本发明还提出一种汽车与自调整发电系统的适用性评价方法，该方法可做为快速判断适用性的依据。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统，包括冷却液余热预热器、排气余热蒸发器、可调式闪蒸器、膨胀机、发电机、节流阀、风冷式冷凝器、储液罐、工质泵、温压传感逻辑模块和电磁节流阀。所述冷却液余热预热器与所述排气余热蒸发器连接。冷却液温度区间在80℃-100℃，排气余热温度区间在200℃-600℃；利用冷却液低品位热源预热循环工质，利用排气中温余热加热工质。所述排气余热蒸发器与所述可调式闪蒸器连接，所述可调式闪蒸器出口分两路，一路与所述膨胀机连接，另一路与所述节流阀连接；当内燃机工况变动时，排气温度随之变化，导致所述排气余热蒸发器中工质吸热量改变，所述蒸发器出口可能会出现两相工质，为防止膨胀机中发生液击使系统效率下降，由温压传感逻辑模块检测所述蒸发器工质参数并向可调式闪蒸器的电磁节流阀发出信号，调整闪蒸压力至最佳工况，两相工质经过所述可调式闪蒸器闪蒸后汽液分离，饱和蒸汽工质进入所述膨胀机做功，饱和液体工质经过所述节流阀降压，巧妙解决内燃机工况波动带来的余热回收效率低下的问题。所述膨胀机与所述风冷式冷凝器连接，所述电磁节流阀与所述风冷式冷凝器连接；所述节流阀出口的工质压力与所述膨胀机出口压力相等。所述风冷式冷凝器与所述储液罐连接；工质在所述风冷式冷凝器中凝结后进入所述储液罐。所述储液罐与所述工质泵连接，低压工质从所述储液罐中出来经过所述工质泵加压后进入所述冷却液余热预热器，完成一个热力循环。
进一步讲，本发明中闪蒸过程起到了稳定所述膨胀机入口工质状态的作用，两相工质在可调式闪蒸器中闪蒸后汽液分离，分离后的饱和蒸汽进入膨胀机做功，使膨胀机工作在可靠的工况。
一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统的适用性评价方法，定义自调整发电系统回收电功与自调整发电系统额外油耗折算功之比为自调整发电系统适用度系数IF，当IF值大于1时，表示自调整发电系统适用于该工况，小于1时则不适用；IF作为判断自调整发电系统与汽车适用性的依据。对于给定的自调整发电系统和给定的汽车排量，根据自调整发电系统适用度系数IF的计算值可判断该系统是否适用于该车型。当给定自调整发电系统的质量时，根据自调整发电系统适用度系数IF的计算公式，可计算得到该质量的自调整发电系统适用于的车型排量范围；当给定汽车排量时，根据自调整发电系统适用度系数IF的计算公式，可计算得到该排量的汽车适用的自调整发电系统质量范围。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明开创性地提出将自调整发电系统应用于汽车余热发电领域，并提出了一种汽车与自调整发电系统适用性的评价方法，该方法可以作为快速判断适用性的依据。闪蒸与有机朗肯循环的结合解决了内燃机工况变化引起的排气温度波动导致的余热回收效率低下的问题，使所述膨胀机入口工质状态保持相对稳定，提高系统的余热回收效率。
附图说明
图1是本发明自调整发电系统的结构示意图。
图中，1-冷却液余热预热器，2-排气余热蒸发器，3-可调式闪蒸器，4-膨胀机，5-发电机，6-节流阀，7-风冷式冷凝器，8-储液罐，9-工质泵，10-温压传感逻辑模块，11-电磁节流阀
具体实施方式
下面结合附图详细说明一个示例性的具体实例，通过实例对本发明作进一步详细描述，所描述的具体实例仅对本发明进行解释说明，并不用来限制本发明。
如图1所示，本发明实施例保护的一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统，包括冷却液余热预热器1，排气余热蒸发器2，可调式闪蒸器3，膨胀机4，发电机5，节流阀6，储液罐7，风冷式冷凝器8，工质泵9，温压传感逻辑模块10，电磁节流阀11。冷却液余热预热器1与排气余热蒸发器2连接。冷却液温度区间在80℃-100℃，排气余热温度区间在200℃-600℃；利用冷却液低品位热量预热循环工质，利用排气中温余热加热工质。排气余热蒸发器2与可调式闪蒸器3连接，可调式闪蒸器3出口分两路，一路与膨胀机4连接，一路与节流阀6连接；当内燃机工况变动时，排气温度随之变化，导致排气余热蒸发器2中工质吸热量改变，排气余热蒸发器2出口可能会出现两相工质，为防止膨胀机中发生液积效率下降，由温压传感逻辑模块10检测蒸发器工质参数并向可调式闪蒸器3的节流阀发11出信号，调整闪蒸压力至最佳工况，两相工质经过可调式闪蒸器3闪蒸后汽液分离，饱和蒸汽工质进入膨胀机4做功，饱和液体工质经过节流阀6降压，闪蒸与有机朗肯循环的结合巧妙解决内燃机工况波动带来的余热回收效率低下的问题。膨胀机4与风冷式冷凝器7连接，节流阀6与风冷式冷凝器7连接；节流阀6出口的工质压力与膨胀机4出口压力相等。风冷式冷凝器7与储液罐8连接；工质在风冷式冷凝器中凝结后进入储液罐。储液罐8与工质泵9连接，低压工质从储液罐中出来经过工质泵9加压后进入冷却液余热预热器1，完成一个热力循环。
具体的，当内燃机转速高于设计工况时，排气温度升高，有机工质在冷却液余热预热器和排气余热蒸发器中的吸热量增加，蒸发器出口工质为过热蒸汽，由温压传感逻辑模块10检测工质参数判断工质状态后，向可调式闪蒸器的电磁节流阀发出信号，电磁节流阀全开，过热蒸汽工质经过可调式闪蒸器后全部进入膨胀机做功，带动发电机发电，膨胀机出口工质进入风冷式冷凝器冷凝为液体，工质液体经工质泵加压后进入冷却液余热预热器，从而完成一个热力循环。
当内燃机转速低于设计工况时，排气温度降低，有机工质在冷却液余热预热器和排气余热蒸发器中的吸热量降低，蒸发器出口工质为两相工质，由温压传感逻辑模块检测工质参数判断工质状态后，向可调式闪蒸器的电磁节流阀发出信号，通过调整电磁节流阀开度调节闪蒸压力，两相工质经过可调式闪蒸器后汽液分离，饱和工质蒸汽进入膨胀机做功，饱和工质液体经过节流阀与膨胀机出口工质在管道中汇合后进入风冷式冷凝器冷凝为液体，工质液体经工质泵加压后进入冷却液余热预热器，从而完成一个热力循环。
针对缺乏自调整发电系统和汽车适用性的快速判断依据的问题，本发明提出了一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统及其适用性评价方法。该方法定义了自调整发电系统回收电功与自调整发电系统额外油耗折算功之比为自调整发电系统适用度系数IF，IF值大于1表示自调整发电系统适用于该工况，小于1则不适用；IF可作为快速判断自调整发电系统与汽车适用性的依据。当给定自调整发电系统的质量时，可以根据自调整发电系统适用度系数IF的计算公式，整理计算得到该质量的自调整发电系统适用于的车型排量范围；当给定汽车排量时，可以根据自调整发电系统适用度系数IF的计算公式，整理计算得到该排量的汽车适用的自调整发电系统质量范围。
根据以下方程，自调整发电系统适用度系数IF为自调整发电系统回收电功WOFC与自调整发电系统额外油耗折算功QOFC之比。
IF＝WOFC/QOFC
根据以下方程，自调整发电系统回收电功WOFC，其为汽车每百公里油耗N与自调整发电系统机组质量M和每增加100kg质量内燃机的油耗增加量o的乘积的和与柴油机发热量q、排气余热自调整发电系统回收效率ηrec、回收系统发电机效率ηOFC，g四者的乘积。
WOFC＝(N+M*o)*q*ηrec*ηOFC，g
根据以下方程，自调整发电系统额外油耗折算功QOFC，其为自调整发电系统机组质量M与每增加100kg质量内燃机的油耗增加量o、柴油机发热量q和汽车内燃机热效率ηPGU四者的乘积。
QOFC＝M*o*q*ηPGU
具体实施中若取汽车每增加100kg，油耗增加0.3L(柴油)/100km，即o＝0.3，汽车内燃机效率此处取ηPGU＝45％，排气余热自调整发电系统回收效率为30％(排气余热+冷却液)，即ηrec＝30％，回收系统发电机效率为15％，即ηOFC，g＝10％，假设IF＝1，即刚好满足要求。
若取自调整发电系统质量为300kg，则N由IF计算公式计算得8.1L/100km，即，当自调整发电系统质量为300kg时，自调整发电系统回收系统适用于油耗大于8.1L/100km的汽车。
若取汽车油耗为5L/100km时，则M由IF计算公式计算得1.85*100kg，即，当汽车油耗为5L/100km时，自调整发电系统装置总质量不宜超过185kg。
尽管上文结合附图对本发明的至少一个示例性实例进行了详细说明，但是应理解在本发明的实际应用中存在许多变化实例，本发明并不局限于上述的实施方案。还应理解，一个或多个示例性实施例仅是例子，其目的不是用来限制本发明的范围、适用性或构造。相反，前面的详细描述为本领域技术人员提供了至少一个示例性实例的实施方式。应理解，在本发明的启示下，对示例性实例中装置的功能和布置做出各种改变，而不脱离权利要求及其等效方式限定的范围，这些改变均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统，其特征在于，包括冷却液余热预热器(1)、排气余热蒸发器(2)、可调式闪蒸器(3)、膨胀机(4)、发电机(5)、节流阀(6)、风冷式冷凝器(7)、储液罐(8)、工质泵(9)、温压传感逻辑模块(10)和电磁节流阀(11)；所述冷却液余热预热器(1)与所述排气余热蒸发器(2)连接；所述排气余热蒸发器(2)与所述可调式闪蒸器(3)连接，可调式闪蒸器(3)出口分两路，一路与膨胀机(4)连接，另一路与节流阀(6)连接；膨胀机(4)和节流阀(6)的输出端均与风冷式冷凝器(7)连接，风冷式冷凝器(7)依次与所述储液罐(8)、工质泵(9)和冷却液余热预热器(1)连接；膨胀机(4)还与发电机(5)相连，当排气温度波动导致排气余热蒸发器(2)中工质吸热量变化时，排气余热蒸发器(2)出口工质为两相工质，由温压传感逻辑模块(10)检测工质参数并向可调式闪蒸器(3)的电磁节流阀(11)发出信号以调整闪蒸压力，两相工质经过可调式闪蒸器(3)闪蒸后汽液分离，饱和蒸汽工质进入膨胀机(4)做功，饱和液体工质经过节流阀(6)降压。
2.根据权利要求1所述一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统，其特征在于，冷却液的温度区间在80℃-100℃，排气余热温度区间在200℃-600℃；利用冷却液低品位热能预热循环工质，利用排气中温烟气余热蒸发循环工质。
3.根据权利要求1所述一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统，其特征在于，膨胀机(4)的出口工质与节流阀(6)的出口工质在管道中汇合，节流阀(6)出口的工质压力与膨胀机(4)出口压力保持相等。
4.一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统的适用性评价方法，其特征在于，定义自调整发电系统回收电功与自调整发电系统额外增重油耗折算功之比为自调整发电系统适用度系数IF，当IF值大于1时，表示自调整发电系统适用于该工况，小于1时则不适用；IF作为判断自调整发电系统与汽车适用性的依据。
5.根据权利要求4所述的一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统的适用性评价方法，其特征在于，对于给定的自调整发电系统和给定的汽车排量，根据自调整发电系统适用度系数IF的计算值可判断该自调整发电系统是否适用于该车型。
6.根据权利要求4所述的一种用于内燃机余热回收的自调整发电系统的适用性评价方法，其特征在于，当给定自调整发电系统的质量时，根据自调整发电系统适用度系数IF的计算公式，可计算得到该质量的自调整发电系统适用于的车型排量范围；当给定汽车排量时，根据自调整发电系统适用度系数IF的计算公式，可计算得到该排量的汽车适用的自调整发电系统质量范围。
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