CN107559102B - 一种基于联合循环的内燃机余热利用装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机领域，并公开了一种基于联合循环的内燃机余热利用装置和方法，该装置包括内燃机机体、内燃机排气管、进水管、出水管、换热管、发电系统、冷凝系统和电子温控三通阀；该方法包括以下步骤：(1)水箱装置内的冷却水流经内燃机机体的冷却水道并升温；(2)电子温控三通阀控制水流流量和去向；(3)进入换热管内的冷却水被加热成高温高压蒸汽流入发电系统进行发电；(4)做功后的蒸汽被冷却后进入集水器，再由水泵抽入进水管并进入内燃机机体的冷却水道内。本发明有利于进一步提高内燃机系统的有效功，即可以进一步提高内燃机系统的热效率，从而更有效地利用能源。

Description

一种基于联合循环的内燃机余热利用装置和方法

技术领域

本发明属于内燃机领域，更具体地，涉及一种基于联合循环的内燃机余热利用装置和方法。

背景技术

全球能源消耗的激增以及以此带来的环境污染，让越来越多的工程师开始关注并致力于节能减排工程。在内燃机领域，内燃机的有效功只占整个燃油燃烧发热量的30％～40％左右，其他60％～70％的发热量都通过冷却水或内燃机排气散失掉而无法利用。因此，除提高内燃机自身的热效率，增加内燃机有效功外，针对内燃机散失掉的热量进行余热利用也能达到内燃机节能减排的效果。而利用内燃机余热的主要方式有余热发电、余热取暖等。

目前市场占有率最高的内燃机是车用内燃机，以车用柴油机为例，其热效率一般在30％到40％之间，即燃油燃烧产生的热量，只有30％～40％转化为有效功，推动汽车行进，而其中的一部分(约30％)由内燃机机体传热散失掉，另外还有30％的热量则随尾气排出。通过这两种热量散失方式会产生两个效果，即内燃机机体温度过高，以及内燃机排气管温度过高。其中，针对内燃机机体温度过高，又需要专门建立一套冷却系统，以保证内燃机机体始终处在一个合适的温度正常运转，从而提高内燃机的可靠性。

近些年来，在美国和日本已经出现了在内燃机排气管布置热电式温差发电机来实现余热发电的技术，但这些技术一方面需要用到成本较高的热电材料，另一方面目前热电传感器的转换效率很低，大致为2％～5％，使得从内燃机尾气热量中转换的电能非常有限。

专利文献CN 205154324 U公开了一种内燃机余热发电机。该装置将尾气通道本体串接在内燃机排气管热端管路上，将多个温差发电模块贴合分布在冷却水管道外表面，一定程度的提高了尾气热量获取效率，提高了温差发电的效率。该装置拟利用内燃机尾气余热发电，继而提高内燃机系统的热利用率，以达到节能的目的，具有一定的应用前景。

但是，专利文献CN 205154324 U公开的一种内燃机余热发电机仍存在以下不足：

(1)在没有减少内燃机系统中任何部件的情况下，温差发电机的增加了内燃机的体积，增加了内燃机布置的难度；

(2)采用热电传感器，未能突破热电温差发电的传统模式，由于热电材料的转化率太低(大致为2％～5％)，使得热电式尾气发电成本较高，并且发电量较低；

(3)温差发电模式只利用到了排气的余热，而没有利用到同样占比很高(约30％)的发动机机体传热损失(体现为冷却水的热能)。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于联合循环的内燃机余热利用装置及方法，不仅能利用内燃机尾气余热，还能利用发动机冷却水热量，并且采用热效率较高的蒸汽轮机方式，从而实现内燃机系统余热利用总量和余热转换效率的同步大幅提升。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于联合循环的内燃机余热利用装置，其特征在于，包括内燃机机体、内燃机排气管、进水管、集水器、出水管、换热管、发电系统、冷凝器和电子温控三通阀，其中，

所述内燃机机体的排气口连接所述内燃机排气管；

所述进水管的一端连接所述内燃机机体的冷却水道的入口，该进水管的另一端分别连接集水器和电子温控三通阀的A向出水口，所述集水器与电子温控三通阀A向出水口中的水由水泵牵引进入所述进水管；

所述出水管的一端连接所述内燃机机体的冷却水道的出口，该出水管的另一端连接所述电子温控三通阀的入水口；

所述换热管为螺旋形，其缠绕在所述内燃机排气管上，并且其一端连接所述电子温控三通阀的B向出水口，另一端连接发电系统；

所述电子温控三通阀基于出水管内冷却水温度来控制该出水管内冷却水朝所述换热管流动或朝所述进水管流动；

所述发电系统安装在所述换热管上，以利用所述蒸汽进行发电；

所述冷凝器与所述发电系统相连接，其用于将做功后的蒸汽进行冷凝随后储存在所述集水器内，以便由所述水泵抽取所述集水器内的冷却水进入进水管。

优选地，所述电子温控三通阀的开度由出水管内冷却水温度控制，该温度越高，则电子温控三通阀的B向出水口的开度越大，从而使发电系统的发电量也越大。

优选地，所述发电系统包括凝汽式蒸汽轮机、发电机和蓄电池，所述凝汽式蒸汽轮机安装在所述换热管上，并且该凝汽式蒸汽轮机依次连接所述发电机和蓄电池。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种汽车发动机余热发电设备，其特征在于，包括所述的内燃机余热利用装置。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种利用所述的内燃机余热利用装置进行余热利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)集水器内的冷却水流经内燃机机体的冷却水道，从而对内燃机机体进行冷却，以确保内燃机可靠工作；在此过程中，在内燃机机体的持续加热下，冷却水道内的冷却水温度会大幅上升；随后，升温后的冷却水在内燃机机体冷却水道的出口流出内燃机机体；

(2)当流出内燃机机体的冷却水温度低于电子温控三通阀的阈值温度T时，电子温控三通阀的B向出水口关闭，A向出水口全开启，水泵将出水管内的冷却水抽入进水管，则冷却水进入内燃机冷却水道内；当流出内燃机机体的冷却水温度高于电子温控三通阀的阈值温度T时，则电子温控三通阀B向出水口开启，使冷却水进入换热管内；

(3)进入换热管内的冷却水流经换热管时，在内燃机排气的进一步加热下形成蒸汽，所述蒸汽流入发电系统进行发电；

(4)所述蒸汽做功后流经冷凝器冷凝成液态冷却水并进入集水器，再由水泵抽入进水管并进入内燃机机体的冷却水道内。

优选地，电子温控三通阀的阈值温度T和电子温控三通阀阀门开度由余热利用控制模块根据发动机工况、余热利用效率以及冷却水温度来联合控制。

优选地，通过控制电子温控三通阀的阈值温度T和电子温控三通阀的阀门开度来控制所述蒸汽的过热度、流向以及流量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明去掉了内燃机传统冷却系统中体积较大的冷却水箱和耗功约占有效功10％的冷却风扇。使增设的余热发电机不会增加整个内燃机系统的重量和体积，从而不会对内燃机的布置和安装产生负面影响。而冷却风扇的去除，有利于进一步提高内燃机系统的有效功，即可以进一步提高内燃机系统的热效率；

(2)以微型凝汽式蒸汽轮机替代热电传感器温差发电机，本文凝汽式蒸汽轮机的热效率大致为25％，而热电传感器的转换效率为2％～5％，能源利用效率大幅提高；

(2)以蒸汽进行发电的发电系统，相比于温差发电，不仅充分利用了尾气余热，而且也利用到了同样占比很高的发动机机体的传热损失，使内燃机系统的热利用率比单纯利用排气能量可将最大可用能量提高近一倍。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a～图2c为电子温控三通阀处在不同条件下的细节示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1，一种基于联合循环的内燃机余热利用装置，包括内燃机机体1、进水管2、出水管3、内燃机排气管4、电子温控三通阀5、水泵6，换热管7、发电系统(包括凝气式蒸汽轮机8、发电机9和蓄电池10)和冷凝系统(包括冷凝器11和集水器12)。

图2a、图2b、图2c三幅图分别表示从出水管3流向电子温控三通阀5的冷却水在不同温度条件下电子温控三通阀5的开闭情况。

其中，所述内燃机机体1的排气口连接所述内燃机排气管4；所述进水管2的一端连接所述内燃机机体1的冷却水道的入口，该进水管2的另一端分别连接集水器12和电子温控三通阀5的A向出水口，所述集水器12与电子温控三通阀5的A向出水口中的水由水泵6牵引进入所述进水管2；所述出水管3的一端连接所述内燃机机体1的冷却水道的出口，该出水管2的另一端连接所述电子温控三通阀5

所述电子温控三通阀5类似于三通阀，同时与所述进水管2、出水管3、换热管7相连接；所述电子温控三通阀5基于出水管3内冷却水温度来控制该出水管3内冷却水朝所述换热管7流动或朝所述进水管2流动。

所述换热管7为螺旋形，其一端连接所述电子温控三通阀5的B向出水口，另一端连接所述发电系统中的凝汽式蒸汽轮机8；所述换热管7缠绕在所述内燃机排气管4上，以将进入换热管7的冷却水加热成高温高压蒸汽；

所述发电系统安装在所述换热管7之后，以利用所述高温高压蒸汽进行发电；

所述冷凝系统包括冷凝器11和集水器12，分别与凝汽式蒸汽轮机8和水泵相连接；所述冷凝器11用于将做功后的蒸汽进行冷凝随后储存在所述集水器12内，以便由所述水泵6抽取所述集水器12内的冷却水进入进水管2；

电子温控三通阀电子温控三通阀进一步，所述电子温控三通阀5的开度由出水管3内冷却水温度控制，该温度越高，则B向出水口的阀门开度越大，系统发电量增加。

进一步，所述发电系统包括凝汽式蒸汽轮机8、发电机9和蓄电池10，所述凝汽式蒸汽轮机8安装在所述换热管7之后，并且该凝汽式蒸汽轮机8依次连接所述发电机9和蓄电池10。

另外，本发明还提供了一种基于联合循环的内燃机余热利用的方法，该方法包括如下步骤：

(1)在内燃机中，冷却水流经内燃机机体1内的缸体和缸盖冷却水道对内燃机机体1进行冷却，确保内燃机可靠工作。在此过程中，在内燃机的持续加热下，冷却水温度会大幅上升；随后，升温后的冷却水在内燃机机体1冷却水道的出口处流出并进入出水管3；

(2)当流出内燃机机体1的冷却水温度低于电子温控三通阀5的阈值温度T时，电子温控三通阀5的B向阀关闭，A向阀打开，如图2a所示，则在水泵6的作用下，冷却水再次进入内燃机冷却水道内进行内循环；当流出内燃机的冷却水温度略高于电子温控三通阀5的阈值温度T时，则电子温控三通阀B向出水口阀门部分开启，其开度由实际水温与电子温控三通阀5的阈值温度T的差值经程序计算后确定，则同时有冷却水流出电子温控三通阀5的A向出水口和B向出水口，如图2b所示；当流出内燃机的冷却水温度远高于电子温控三通阀5的阈值温度T时，则电子温控三通阀B向出水口阀门全开启，同时A向出水口全关闭使冷却水全部进入换热管7内，如图2c所示；其中电子温控三通阀5的阈值温度T和各向阀门开度由余热利用控制模块根据发动机工况，余热利用效率，以及冷却水温度来联合控制；

(3)进入换热管7内的冷却水，流经环绕在排气管4外壁面的换热管7时，在高温排气的进一步加热下，形成高温高压蒸汽。通过控制阈值温度T和电子温控三通阀5阀门开度，可以控制所述高温高压蒸汽的过热度、流向以及流量，所述高温高压蒸汽流入凝汽式蒸汽轮机8，推动凝汽式蒸汽轮机8的叶轮旋转做功，利用叶轮旋转带动发电机9即可发电，发出的电能将接入蓄电池10，可以为整个用电系统供电；

(4)高温高压蒸汽做功后，其温度和压力都会大幅降低，为确保内燃机热负荷不超限，将在冷却水回路中设置一个小型的冷凝器11，蒸汽流经冷凝器11后冷凝成液态水并进入集水器12，再在水泵6的作用下进入进水管2和内燃机机体1的冷却水道内冷却内燃机，步骤(3)和步骤(4)的冷却水进入换热管2和重新回到内燃机机体1内的过程形成外循环。

综上所述，内燃机启动时，由水泵6牵引内燃机冷却水道中的冷却水进行内循环，对内燃机机体1进行冷却，同时所述冷却水被加热，所述冷却水经内循环到达电子温控三通阀5时的温度为T₁，若T₁小于电子温控三通阀5的阈值温度T，冷却水则由水泵6牵引重复内循环；随着内燃机的运转，若内循环中的冷却水到达电子温控三通阀5时的温度T₂大于阈值温度T，则电子温控三通阀5的B向出水口阀门部分或全开启，因此有部分或者全部温度为T2的水进入外循环管道，进入外循环的水流经紧密贴合在内燃机排气管4上的换热管7后被再次加热形成具有一定过热度的蒸汽，所述蒸汽推动凝汽式蒸汽轮机8工作带动发电机9发电供给蓄电池10，做功后的蒸汽经过冷凝器11冷凝并集存于集水器12，再经水泵系统6牵引补充内燃机冷却所需的冷却水量，由此形成外循环。此外，还可以根据实际情况来增加水泵的数量，以更好地实现内循环和外循环。

由于内燃机不同工作工况下，需要冷却水带走的热量就不同，因此需要对冷却水的流向以及流量加以控制。前述电子温控三通阀5的作用类似一个根据冷却水温度进行程序控制的三通阀，控制冷却水的流向和流量，以使内燃机稳定工作，并具有较高的余热利用率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于联合循环的内燃机余热利用装置，其特征在于，包括内燃机机体、内燃机排气管、进水管、集水器、出水管、换热管、发电系统、冷凝器和电子温控三通阀，其中，

所述内燃机机体的排气口连接所述内燃机排气管；

所述进水管的一端连接所述内燃机机体的冷却水道的入口，该进水管的另一端分别连接所述集水器和所述电子温控三通阀的A向出水口，所述集水器与所述电子温控三通阀的A向出水口中的水由水泵牵引进入所述进水管；

所述出水管的一端连接所述内燃机机体的冷却水道的出口，该出水管的另一端连接所述电子温控三通阀的入水口；

所述换热管为螺旋形，其缠绕在所述内燃机排气管上，并且其一端连接所述电子温控三通阀的B向出水口，另一端连接所述发电系统；

所述电子温控三通阀基于所述出水管内冷却水温度来控制该出水管内冷却水朝所述换热管流动或朝所述进水管流动；此外，该电子温控三通阀的开度由所述出水管内冷却水温度控制，其中该温度越高，则该电子温控三通阀的B向出水口的开度越大，从而使所述发电系统的发电量也越大；

所述发电系统安装在所述换热管上，以利用蒸汽进行发电；

所述冷凝器与所述发电系统相连接，其用于将做功后的所述蒸汽进行冷凝随后储存在所述集水器内，以便由所述水泵抽取所述集水器内的冷却水进入进水管。

2.根据权利要求1所述的一种基于联合循环的内燃机余热利用装置，其特征在于，所述发电系统包括凝汽式蒸汽轮机、发电机和蓄电池，其中所述凝汽式蒸汽轮机安装在所述换热管上，并且该凝汽式蒸汽轮机依次连接所述发电机和所述蓄电池。

3.一种汽车发动机余热发电设备，其特征在于，包括权利要求1或2所述的内燃机余热利用装置。

4.一种利用权利要求1所述的内燃机余热利用装置进行余热利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)所述集水器内的冷却水流经所述内燃机机体的冷却水道，从而对该内燃机机体进行冷却，以确保内燃机可靠工作；在此过程中，在所述内燃机机体的持续加热下，该内燃机机体的冷却水道内的冷却水温度会大幅上升；随后，升温后的冷却水在该内燃机机体的冷却水道的出口流出内燃机机体；

(2)当流出所述内燃机机体的冷却水温度低于所述电子温控三通阀的阈值温度T时，该电子温控三通阀的B向出水口关闭，A向出水口全开启，所述水泵将所述出水管内的冷却水抽入此进水管，则冷却水进入所述内燃机机体的冷却水道内；当流出所述内燃机机体的冷却水温度高于所述电子温控三通阀的阈值温度T时，则该电子温控三通阀B向出水口开启，使冷却水进入所述换热管内；

(3)进入所述换热管内的冷却水流经所述换热管时，在内燃机排气的进一步加热下形成所述蒸汽，此蒸汽流入所述发电系统进行发电；

(4)所述蒸汽做功后流经所述冷凝器冷凝成液态冷却水并进入所述集水器，再由所述水泵抽入所述进水管并进入所述内燃机机体的冷却水道内。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电子温控三通阀的阈值温度T和阀门开度由余热利用控制模块根据发动机工况、余热利用效率以及冷却水温度来联合控制。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过控制所述电子温控三通阀的阈值温度T和阀门开度来控制所述蒸汽的过热度、流向以及流量。