CN108374714A - 一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统及方法，包括：内燃机，压气机，中冷器，预热器，蒸发器，膨胀剂，发电机，冷凝器，储液罐和工质泵。有机朗肯循环以低沸点有机物为工质，依次在中冷器、预热器和蒸发器中分别吸收压缩空气的热量、冷却液的热量和发动机尾气的余热，产生饱和蒸汽或过热蒸汽进入膨胀机做功，带动发电机发电，同时为内燃机进气增压的压气机提供动力。本系统一方面以有机朗肯循环（ORC）膨胀机代替涡轮增压内燃机中的涡轮，能简化设备；另一方面工质在不同设备中梯级吸热，换热温差小，做功能力损失小，能最大程度的利用内燃机余热，使总能利用效率最大化，且整个系统高效环保。

Description

一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统及方法
技术领域
本发明涉及内燃机余热利用领域，具体涉及一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统及方法。
背景技术
从内燃机的能源平衡来看，输出的有效功率一般只占燃油燃烧总热量的30%-45%（柴油机）或20%-30%（汽油机），除了不到10%用于克服摩擦等功率损耗之外，其余的余热能量主要通过排气（200-700℃）和冷却介质（冷却水、机油散热等，85-120℃）被排放到大气中。因此将内燃机的余热能高效转化再利用是提高总能效率，降低油耗和减少污染物排放的一个有效途径。
为提高内燃机效率，目前普遍采用的措施是采用涡轮增压进气。采用涡轮增压后，同时需要在压气机出口和内燃机进气口之间增设中冷器来降低进气温度。一方面中冷器会损失一部分热量，另一方面涡轮机的排气温度还比较高，热量损失比较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统及方法，解决涡轮增压内燃机中的系统繁杂、热量损失大的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统，包括内燃机、压气机和有机朗肯循环，有机朗肯循环包含中冷器，预热器，蒸发器，膨胀机，发电机，冷凝器，储液罐和工质泵；
压气机进口与外界空气连通，压气机出口与中冷器第一进口连接，中冷器第一出口与内燃机进口连接，中冷器第二进口与工质泵出口连接，中冷器第二出口与预热器进口连接，预热器与蒸发器第二进口连接，内燃机排气出口与蒸发器第一进口连接，蒸发器第一出口与外界空气连通，内燃机与预热器之间通过管道连接，冷却液通过管道形成循环流动；
蒸发器第二出口与膨胀机进口连接，膨胀机分别与压气机和发电机连接，膨胀机出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与储液罐进口相接，储液罐出口与工质泵进口连接。
优选地，储液罐内储存有有机工质。
优选地，有机工质为五氟丙烷。
优选地，有机工质经过蒸发器转化成饱和蒸汽或过热蒸汽。
优选地，冷凝器中的冷却介质为空气。
为解决上述技术问题，本发明所采用的又一技术方案是：一种有机朗肯循环进气增压方法，包括步骤：
S1：膨胀机利用蒸汽做功然后带动压气机运转，做完功的蒸汽进入有机朗肯循环系统进行重复利用；
S2：压气机将空气压缩后输送至中冷器，中冷器将压缩空气降温转化成压缩冷空气；
S3：压缩冷空气进入内燃机燃烧做功。
优选地，内燃机的尾气经过蒸发器排出。
优选地，工质依次经过中冷器、预热器和蒸发器并吸收热量得到蒸汽。
优选地，蒸汽经过膨胀机做功后进入到冷凝器冷却进入下一个循环。
本发明提供的一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统及方法，以有机朗肯循环系统（即ORC系统）膨胀机代替涡轮增压内燃机中的涡轮，一方面能简化设备，另一方面能最大程度的回收内燃机尾气余热。工质的吸热汽化依次在中冷器、预热器和蒸发器中完成，分别吸收压缩空气的热量、冷却液的热量和发动机尾气的余热，换热温差小，做功能力损失小，能最大程度的利用内燃机余热，使总能利用效率最大化，且整个系统高效环保。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的内燃机系统整体结构示意图。
图2为本发明的有机朗肯循环进气增压方法流程示意图。
图中：内燃机1，压气机2，中冷器3，预热器4，蒸发器5，膨胀机6，发电机7，冷凝器8，储液罐9，工质泵10。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，图1为系统整体结构示意图，有机朗肯循环进气增压内燃机系统，有机朗肯循环即ORC，包括：内燃机1，压气机2，中冷器3，预热器4，蒸发器5，膨胀机6，发电机7，冷凝器8、储液罐9和工质泵10。
压气机2进口与外界空气连通，压气机2出口与中冷器3第一进口连接，中冷器3第一出口与内燃机1进口连接，中冷器3第二进口与工质泵10出口连接，中冷器3第二出口与预热器4进口连接，预热器4与蒸发器5第二进口连接，内燃机1排气出口与蒸发器5第一进口连接，蒸发器5第一出口与外界空气连通，内燃机1与预热器4之间通过管道连接，冷却液通过管道形成循环流动。由此结构可知，环境空气首先进入压气机2，在其中被压缩后空气的温度压力均升高。随后压缩空气被送入中冷器3中放热冷却，以液态有机工质作为冷却剂。从中冷器3出来的压缩空气进入内燃机1为燃料的燃烧提供氧气，燃烧后的废气从内燃机1的排气口排出。液态有机工质在中冷器3中吸收压缩空气放出的热量，然后再进入预热器4中吸收内燃机冷却液的热量，使自身温度升高。一方面回收了热量，另一方面也能保证冷却系统的正常工作。从预热器4出来的工质被送入蒸发器5中，内燃机1排出的废气在蒸发器5中放热降温，实现了排气余热的利用。
蒸发器5第二出口与膨胀机6进口连接，膨胀机6分别与压气机2和发电机7连接，膨胀机6出口与冷凝器8进口连接，冷凝器8出口与储液罐9进口相接，储液罐9出口与工质泵10进口连接。由此结构可知，有机工质在蒸发器5中吸热变成饱和蒸汽或过热蒸汽，然后进入膨胀机6膨胀做功。膨胀机6所输出的机械功一部分被压气机2消耗，转化为压缩空气的内能；一部分传递给发电机7发电，产生电能。在膨胀机6内做完功的废汽进入冷凝器8中放热冷凝为液态工质，冷凝器8中的冷却介质可采用环境空气。从冷凝器8出来的液态工质被送入储液罐9中储存，再被吸入工质泵10中加压，然后被送入中冷器3，进入下一个工作循环。由此结构可知，进气增压是靠有机朗肯循环系统中的膨胀机6来完成，这样便可以代替涡轮增压来额外提供动力。
在此系统中有机工质的吸热汽化分别在三个设备中完成，分别为中冷器3、预热器4和蒸发器5。中冷器3中利用的是压缩空气的热量、预热器4中利用的是冷却液的热量、蒸发器5中利用的是发动机尾气的余热。工质先后流经中冷器3、预热器4和蒸发器5，换热温差小，做功能力损失小，能最大程度的利用内燃机余热，使总能利用效率最大化。
优选地方案，储液罐9内设有有机工质。有机工质在整个内燃机系统进行循环，通过不断的吸热做功然后冷却进入下一个循环。有机工质凝固点很低，这就允许它在较低温度下仍能释放出能量，即使在寒冷条件下亦可增加出力，且冷凝器也不需要增加防冻设备。
优选地方案，有机工质为五氟丙烷。五氟丙烷比水蒸气密度大，比容小，因此所需工质泵10的尺寸、排气管道尺寸及冷凝器中的管道直径均比较小，这样既节约了成本，且极大的减少了使用空间。
优选地方案，有机工质经过蒸发器5转化成饱和蒸汽或过热蒸汽。通过前面在中冷器、预热器、蒸发器中对有机工质的梯级加热保证了有机工质进入到膨胀机6前变成了饱和蒸汽或过热蒸汽，这样才能驱动膨胀机做功。
优选地方案，冷凝器8中的冷却介质为空气。冷却介质采用空气即可，经济实用。
本发明提供的一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统及方法，以ORC系统膨胀机代替涡轮增压内燃机中的涡轮，一方面能简化设备，另一方面能最大程度的回收内燃机尾气余热。工质的吸热汽化依次在中冷器、预热器和蒸发器中完成，分别吸收压缩空气的热量、冷却液的热量和发动机尾气的余热，换热温差小，做功能力损失小，能最大程度的利用内燃机余热，使总能利用效率最大化，且整个系统高效环保。
实施例2：
如图2所示，一种有机朗肯循环进气增压方法，包括如下步骤：
S1：膨胀机利用蒸汽做功然后带动压气机运转，做完功的蒸汽进入有机朗肯循环系统进行重复利用。
蒸发器5第二出口与膨胀机6进口连接，膨胀机6分别与压气机2和发电机7连接，膨胀机6出口与冷凝器8进口连接，冷凝器8出口与储液罐9进口相接，储液罐9出口与工质泵10进口连接。由此结构可知，有机工质在蒸发器5中吸热变成饱和蒸汽或过热蒸汽，然后进入膨胀机6膨胀做功。膨胀机6所输出的机械功一部分被压气机2消耗，转化为压缩空气的内能；一部分传递给发电机7发电，产生电能。在膨胀机6内做完功的废汽进入冷凝器8中放热冷凝为液态工质，冷凝器8中的冷却介质可采用环境空气。从冷凝器8出来的液态工质被送入储液罐9中储存，再被吸入工质泵10中加压，然后被送入中冷器3，进入下一个工作循环。由此结构可知，进气增压是靠有机朗肯循环系统中的膨胀机6来完成，这样便可以代替涡轮增压来额外提供动力。
S2：压气机将空气压缩后输送至中冷器，中冷器将压缩空气降温转化成压缩冷空气。
压气机2进口与外界空气连通，压气机2出口与中冷器3第一进口连接，中冷器3第一出口与内燃机1进口连接，中冷器3第二进口与工质泵9出口连接，中冷器3第二出口与预热器4进口连接，预热器4与蒸发器5第二进口连接，内燃机1出口与蒸发器5连接，蒸发器5第一出口与外界空气连通，内燃机1与预热器4之间通过管道连接，冷却液通过管道形成循环流动。由此结构可知，环境空气首先进入压气机2，在其中被压缩后空气的温度压力均升高。随后压缩空气被送入中冷器3中放热冷却，以液态有机工质作为冷却剂。从中冷器3出来的压缩空气进入内燃机1为燃料的燃烧提供氧气，燃烧后的废气从内燃机1的排气口排出。液态有机工质在中冷器3中吸收压缩空气放出的热量，然后再进入预热器4中吸收内燃机冷却液的热量，使自身温度升高。一方面回收了热量，另一方面也能保证冷却系统的正常工作。从预热器4出来的工质被送入蒸发器5中，内燃机1排出的废气在蒸发器5中放热降温，实现了排气余热的利用。
S3：压缩冷空气进入内燃机燃烧做功。
进气增压是靠有机朗肯循环系统中的膨胀机6来完成，膨胀机6带动压气机2将空气压缩，压缩后的空气进入到中冷器3降温后得到压缩冷空气，压缩冷空气最后进入到内燃机1进行燃烧做功。这样增大了内燃机1的供氧量，使得汽油充分燃烧，提高燃料的利用率的同时，还提高了内燃机1的动力。
本发明提供的一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统及方法，以有机朗肯循环系统（即ORC系统）膨胀机代替涡轮增压内燃机中的涡轮，一方面能简化设备，另一方面能最大程度的回收内燃机尾气余热。工质的吸热汽化依次在中冷器、预热器和蒸发器中完成，分别吸收压缩空气的热量、冷却液的热量和发动机尾气的余热，换热温差小，做功能力损失小，能最大程度的利用内燃机余热，使总能利用效率最大化，且整个系统高效环保。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有机朗肯循环进气增压内燃机系统，包括内燃机（1）、压气机（2）和有机朗肯循环，其特征在于：有机朗肯循环包含中冷器（3），预热器（4），蒸发器（5），膨胀机（6），发电机（7），冷凝器（8），储液罐（9）和工质泵（10），
压气机（2）进口与外界空气连通，压气机（2）出口与中冷器（3）第一进口连接，中冷器（3）第一出口与内燃机（1）进口连接，中冷器（3）第二进口与工质泵（10）出口连接，中冷器（3）第二出口与预热器（4）进口连接，预热器（4）与蒸发器（5）第二进口连接，内燃机（1）排气出口与蒸发器（5）第一进口连接，蒸发器（5）第一出口与外界空气连通，内燃机（1）与预热器（4）之间通过管道连接，冷却液通过管道形成循环流动；
蒸发器（5）第二出口与膨胀机（6）进口连接，膨胀机（6）分别与压气机（2）和发电机（7）连接，膨胀机（6）出口与冷凝器（8）进口连接，冷凝器（8）出口与储液罐（9）进口相接，储液罐（9）出口与工质泵（10）进口连接。
2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环进气增压内燃机系统，其特征在于：所述储液罐（9）内储存有有机工质。
3.根据权利要求2所述的有机朗肯循环进气增压内燃机系统，其特征在于：所述有机工质为五氟丙烷。
4.根据权利要求2所述的有机朗肯循环进气增压内燃机系统，其特征在于：所述有机工质经过蒸发器（5）转化成饱和蒸汽或过热蒸汽。
5.根据权利要求1所述的有机朗肯循环进气增压内燃机系统，其特征在于：所述冷凝器（8）中的冷却介质为空气。
6.一种有机朗肯循环进气增压方法，其特征在于，包括步骤：
S1：膨胀机（6）利用蒸汽做功然后带动压气机（2）运转，做完功的蒸汽进入有机朗肯循环进行重复利用；
S2：压气机（2）将空气压缩后输送至中冷器（3），中冷器（3）将压缩空气降温转化成压缩冷空气；
S3：压缩冷空气进入内燃机（1）燃烧做功。
7.根据权利要求6所述的有机朗肯循环进气增压方法，其特征在于：所述内燃机（1）与预热器（4）之间通过冷却液循环交换热量。
8.根据权利要求6所述的有机朗肯循环进气增压方法，其特征在于：所述内燃机（1）的尾气经过蒸发器（5）排出。
9.根据权利要求6所述的有机朗肯循环进气增压方法，其特征在于：所述工质依次经过中冷器（3）、预热器（4）和蒸发器（5）并吸收热量得到蒸汽。
10.根据权利要求6所述的有机朗肯循环进气增压方法，其特征在于：所述蒸汽经过膨胀机（6）做功后进入到冷凝器（8）冷却进入下一个循环。
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