CN108457729A - 一种发动机废气能量回收利用装置及废气能量回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发动机废气能量回收利用装置及废气能量回收方法，属于发动机设备领域。该装置的工质泵从储液罐抽取工质输入到排气加热器中；排气加热器与EGR加热器相连；EGR加热器与控制阀相连，控制阀与膨胀机相连，控制阀又通过旁通支路与冷凝器相连，冷凝器又与储液罐相连；工质泵、排气加热器、膨胀机、冷凝器、储液罐、EGR加热器、控制阀之间形成朗肯循环工质回路；膨胀机通过带传动系统与发动机相连；所述的带传动系统内设置单向离合器。本发明提供的发动机废气能量回收利用装置及废气能量回收方法，采用离合系统可以将朗肯循环系统回收的能量平稳高效地反馈给发动机，提高发动机动力输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机废气能量回收利用装置及废气能量回收方法，属于发动机设备领域。
背景技术
朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）是一种简单的蒸汽动力循环，系统主要由工质泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器和一些附件组成。朗肯循环可以将热能转换为电能后进行并网发电，目前已在工业余热（钢铁、化工和建材行业等）、地热能、生物质能和太阳能等领域得到了广泛的市场应用。
车用朗肯循环技术始于上世纪70年代，研究表明，在发动机余热回收的众多技术方案中，朗肯循环系统极具优越性。中重型柴油机大约有35%的能量通过尾气释放到大气中，采用朗肯循环对该部分能量进行回收，对发动机节能减排具有重大意义。当前车用朗肯循环技术的商业化应用主要受限于车辆布置空间、膨胀机性能以及回收能量的使用等因素。朗肯循环回收的能量可以用于发电，或者以机械功的形式直接传递给发动机曲轴，其中第二种方式结构紧凑、能量利用率更高，但存在与发动机的工况匹配以及振动等问题。
专利文献CN105531448A提出了一种排热回收装置，包括朗肯循环系统、动力传递机构和控制单元。动力传递机构具有电磁离合器，该离合器通电接合时能在发动机与朗肯循环系统之间传递动力，离合器断开时发动机与朗肯循环系统之间的动力传递中断。控制单元根据朗肯循环运行时的输出功率，控制离合器的接合/断开状态，在适当时机将朗肯循环系统的输出功传递给发动机曲轴。该方案需要对朗肯循环系统的压力和温度信号、膨胀机/工质泵转速信号以及发动机转速信号等信息进行计算分析，动力传递机构（电磁离合器）的接合/断开状态由控制策略中的计算模型决定，动力传递的效率依赖于模型的准确度。此外，还可能存在一定的响应滞后，当朗肯循环系统输出正功时，不能在第一时间传递给发动机，当朗肯循环系统输出负功时，不能在第一时间断开与发动机的连接，造成额外的功率消耗。
发明内容
本发明针对上述不足提供了一种发动机废气能量回收利用装置。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的发动机废气能量回收利用装置，包括发动机，带传动系统，工质泵，排气加热器，膨胀机，冷凝器，储液罐，EGR加热器，控制阀；所述的工质泵从储液罐抽取工质输入到排气加热器中；排气加热器与EGR加热器相连；EGR加热器与控制阀相连，控制阀与膨胀机相连，控制阀又通过旁通支路与冷凝器相连，冷凝器又与储液罐相连；工质泵、排气加热器、膨胀机、冷凝器、储液罐、EGR加热器、控制阀之间形成朗肯循环工质回路；膨胀机通过带传动系统与发动机相连；所述的带传动系统内设置单向离合器。
本发明所述的发动机废气能量回收利用装置；所述的带传动系统包括发动机带轮，皮带，膨胀机带轮；发动机带轮通过皮带与膨胀机带轮相连；所述的膨胀机带轮内部设有单向离合器。
本发明所述的发动机废气能量回收利用装置；所述的单向离合器包括膨胀机轴，单向离合器外圈，滚子，单向离合器内圈；所述的单向离合器内圈通过膨胀机轴与膨胀机相连；单向离合器内圈的侧壁外侧设有单向离合器外圈，单向离合器外圈的内壁侧设有滚子；单向离合器内圈通过转速与单向离合器外圈转速之间的快慢调节单向离合器内圈与单向离合器外圈之间的接合或断开。
本发明所述的发动机废气能量回收利用装置；所述的单向离合器内圈与膨胀机输出轴之间为键连接；所述单向离合器内圈为主动件；所述外圈为从动件。
本发明所述的发动机废气能量回收利用装置；所述的控制阀为分流式电控三通阀。
本发明所述的发动机废气能量回收利用装置；所述的朗肯循环工质回路内的工质为水或乙醇。
本发明任所述的发动机废气能量回收利用装置的废气能量回收方法，步骤如下：
1）、发动机运行，带轮在发动机曲轴的驱动下旋转，并经过皮带驱动膨胀机带轮和单向离合器外圈共同旋转；朗肯循环工质回路系统未介入运转，当单向离合器内圈的转速低于单向离合器外圈的转速时，单向离合器处于断开状态；
2）、发动机正常并继续运行，朗肯循环工质回路系统介入运转；工质泵开始将储液罐中的低压工质加压并输送至排气加热器与EGR加热器中，液态工质在两加热器中吸收发动机尾气与EGR的热量且逐渐达到饱和状态，并不断蒸发为高温高压的气态工质；
3）、高温高压的气态工质进入膨胀机中，膨胀机膨胀做功，推动膨胀机轴和单向离合器内圈共同旋转；单向离合器内圈的转速高于外圈转速时，单向离合器处于接合状态，将动力传递至发动机；
4）、膨胀机膨胀做功后其内工质流出进入冷凝器中，冷凝器将高温气态工质被冷却变为低温、低压的液态工质，随后重新流入储液罐，开始下一个循环。
本发明所述的发动机废气能量回收利用装置的废气能量回收方法，当朗肯循环工质回路系统启动工作时，压力与温度较低的工质通过控制阀从旁通支路进入冷凝器。
本发明所述的发动机废气能量回收利用装置的废气能量回收方法，当所述朗肯循环工质回路系统运转时，随着管路中管路中工质的压力与温度不断的增加，并达到设定值时，控制阀控制工质全部流入膨胀机进行做功。
本发明所述的发动机废气能量回收利用装置的废气能量回收方法，当所述朗肯循环工质回路系统中工质压力或流量超出额定值时，控制阀控制部分工质通过旁通支路进入冷凝器。
有益效果
本发明提供的发动机废气能量回收利用装置及废气能量回收方法，采用离合系统可以将朗肯循环系统回收的能量平稳高效地反馈给发动机，提高发动机动力输出。
本发明提供的发动机废气能量回收利用装置及废气能量回收方，采用控制阀调节膨胀机入口工质的压力和流量，使部分工质流入旁通支路，保持膨胀机入口处的工质压力和流量稳定，结合带传动系统可以减小朗肯循环系统和发动机耦合时引起的振动。
本发明提供的发动机废气能量回收利用装置及废气能量回收方法膨胀机和发动机之间的动力传递不需要复杂的控制策略，依靠发动机和膨胀机的相对转速来实现自动接合/断开，提高了朗肯循环输出功的利用效率，还可以避免膨胀机成为发动机的负载，减小了发动机功率损失。
附图说明
图1是发动机废气能量回收利用装置的系统布置图。
图2是膨胀机端皮带轮和单向离合器的结构图。
图中1为工质泵，2为排气加热器，3为尾气后处理设备，4为增压器，5为中冷器，6为发动机，7为带传动系统，8为发动机带轮，9为皮带，10为膨胀机带轮，11为膨胀机，12为冷凝器，13为储液罐，14为EGR阀，15为EGR加热器，16为控制阀，17为膨胀机轴，18为单向离合器，19为单向离合器外圈，20为滚子，21为单向离合器内圈。
增压器（4），中冷器（5），发动机（6），尾气后处理设备（3），排气加热器（2），EGR阀（14），EGR加热器（15）之间形成发动机进排气回路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围：
如图1所示：发动机废气能量回收利用装置，包括发动机6，带传动系统7，工质泵1，排气加热器2，膨胀机11，冷凝器12，储液罐13，EGR加热器15，控制阀16；所述的工质泵1从储液罐13抽取工质输入到排气加热器2中；排气加热器2与EGR加热器15相连；EGR加热器15与控制阀16相连，控制阀16与膨胀机11相连，控制阀16又通过旁通支路与冷凝器12相连，冷凝器12又与储液罐13相连；工质泵1、排气加热器2、膨胀机11、冷凝器12、储液罐13、EGR加热器15、控制阀16之间形成朗肯循环工质回路；膨胀机11通过带传动系统7与发动机6相连；带传动系统7内设置单向离合器18。
本发明所述的带传动系统7包括发动机带轮8，皮带9，膨胀机带轮10；发动机带轮8通过皮带9与膨胀机带轮10相连。
如图2单向离合器和膨胀机带轮的结构图所示：所述的膨胀机带轮10的内部集成了单向离合器18，单向离合器内圈21与膨胀机输出轴17之间为键连接，单向离合器外圈19与膨胀机带轮10设计成一体。所述的单向离合器内圈21为主动件，单向离合器外圈19为从动件，当内圈转速大于外圈时，离合器自动接合，动力传递开始，当内圈转速低于外圈时，离合器自动断开，动力传递停止。
单向离合器18接合时，单向离合器内圈21、单向离合器外圈19、膨胀机11和带轮10的转速相同，都等于离合器的接合转速。
单向离合器的接合转速由带传动系统的传动比i和发动机转速共同决定。这里传动比i定义为膨胀机11与发动机6的转速之比，或者发动机带轮8与膨胀机带轮10的有效直径之比。
单向离合器设置了最低接合转速限制，其确定方法为：
① 首先确定朗肯循环系统工作时各部件需要消耗的总功率pused，例如工质泵和发动机散热系统额外增加的功耗等；
② 在膨胀机速度特性曲线上，确定Pused所对应的膨胀机转速nexp。在设计带传动系统的传动比i时，需要综合考虑发动机转速范围，确保单向离合器的接合转速大于nexp。
本发明提供的发动机废气能量回收利用装置中控制阀16是一种电控三通阀，流入控制阀16的工质能够以任意比例分配到膨胀机11的入口管路或其旁通支路，其控制方法为：
1）、当朗肯循环系统刚启动工作、工质的压力和温度较低时，切换控制阀16，使工质全部流入旁通支路，进入冷凝器12；
2）、当朗肯循环系统稳定工作、工质压力和温度达到设定值时，切换控制阀16，使工质全部流入膨胀机进行做功；
3）、当朗肯循环系统内工质的压力或流量超出额定值时，切换控制阀16，使部分工质流入旁通支路，保持膨胀机入口处的工质压力和流量稳定，避免造成发动机转速和扭矩的波动。
发动机废气能量回收利用装置的废气能量回收过程如下：
当发动机正常运行、但不满足朗肯循环系统工作条件时，带轮8在发动机曲轴的驱动下旋转，并经过皮带9驱动膨胀机带轮10和单向离合器外圈19共同旋转。此时朗肯循环系统不启动工作，膨胀机输出轴17和单向离合器内圈21不旋转。单向离合器内圈转速低于外圈，离合器处于断开状态，膨胀机11不会成为发动机的负载，不消耗发动机功率。
当发动机正常运行、并达到朗肯循环系统工作条件时，首先启动工质泵1，将储液罐13中的低压工质（乙醇或水）加压并输送至排气加热器2和EGR加热器15中，液态工质在加热器中吸收发动机尾气和EGR的热量，逐渐达到饱和状态，并不断蒸发为高温高压的气态工质。气态工质进入控制阀16，控制系统根据工质的流量、温度和压力等信号对控制阀进行调节：
当朗肯循环系统刚启动工作时，管路中工质的压力和温度较低，此时切换控制阀，使工质全部流入旁通支路，进入冷凝器12。
当朗肯循环系统继续运行，管路中工质的压力和温度不断增加，并达到设定值时，需要切换控制阀，使工质全部流入膨胀机11进行做功。
当朗肯循环系统内工质的压力或流量超出额定值时，需切换控制阀，使部分工质流入旁通支路，保持膨胀机入口处的工质压力和流量稳定，避免造成发动机转速和扭矩的波动。
高温高压的气态工质在膨胀机11中膨胀做功，推动膨胀机轴17和单向离合器内圈21共同旋转，当单向离合器内圈的转速高于外圈转速时，离合器接合，动力传递开始，朗肯循环系统输出的机械功先后通过膨胀机轴17、单向离合器内圈21、滚子20、外圈19、带轮10、皮带9和带轮8传递至发动机曲轴端，从而提高发动机的动力输出，改善发动机燃油经济性。整个系统在正常工作过程中，如果由于工况变化导致单向离合器的内圈转速低于外圈，则离合器自动脱开，动力传递停止。
经膨胀机11做功后的乏汽和直接从旁通支路流出的蒸汽将进入冷凝器12，在冷凝器中由高温气态工质被冷却变为低温、低压的液态工质，随后重新流入储液罐13，开始下一个循环。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种发动机废气能量回收利用装置，包括发动机（6），带传动系统（7），工质泵（1），排气加热器（2），膨胀机（11），冷凝器（12），储液罐（13），EGR加热器（15），控制阀（16）；所述的工质泵（1）从储液罐（13）抽取工质输入到排气加热器（2）中；排气加热器（2）与EGR加热器（15）相连；EGR加热器（15）与控制阀（16）相连，控制阀（16）与膨胀机（11）相连，控制阀（16）又通过旁通支路与冷凝器（12）相连，冷凝器（12）又与储液罐（13）相连；工质泵（1）、排气加热器（2）、膨胀机（11）、冷凝器（12）、储液罐（13）、EGR加热器（15）、控制阀（16）之间形成朗肯循环工质回路；膨胀机（11）通过带传动系统（7）与发动机（6）相连；其特征在于：所述的带传动系统（7）内设置单向离合器（18）。
2.根据权利要求1所述的发动机废气能量回收利用装置；其特征在于：所述的带传动系统（7）包括发动机带轮（8），皮带（9），膨胀机带轮（10）；发动机带轮（8）通过皮带（9）与膨胀机带轮（10）相连；所述的膨胀机带轮（10）内部设有单向离合器（18）。
3.根据权利要求2所述的发动机废气能量回收利用装置；其特征在于：所述的单向离合器（18）包括膨胀机轴（17），单向离合器外圈（19），滚子（20），单向离合器内圈（21）；所述的单向离合器内圈（21）通过膨胀机轴（17）与膨胀机（11）相连；单向离合器内圈（21）的侧壁外侧设有单向离合器外圈（19），单向离合器外圈（19）的内壁侧设有滚子（20）；单向离合器内圈（21）通过转速与单向离合器外圈（19）转速之间的快慢调节单向离合器内圈（21）与单向离合器外圈（19）之间的接合或断开。
4.根据权利要求3所述的发动机废气能量回收利用装置；其特征在于：所述的单向离合器内圈（21）与膨胀机输出轴（17）之间为键连接；所述单向离合器内圈（21）为主动件；所述外圈（19）为从动件。
5.根据权利要求1所述的发动机废气能量回收利用装置；其特征在于：所述的控制阀（16）为分流式电控三通阀。
6.根据权利要求1所述的发动机废气能量回收利用装置；其特征在于：所述的朗肯循环工质回路内的工质为水或乙醇。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的发动机废气能量回收利用装置的废气能量回收方法；其特征在于：步骤如下：
1）、发动机运行，带轮（8）在发动机（6）曲轴的驱动下旋转，并经过皮带（9）驱动膨胀机带轮（10）和单向离合器外圈（19）共同旋转；朗肯循环工质回路系统未介入运转，当单向离合器内圈（21）的转速低于单向离合器外圈（19）的转速时，单向离合器（18）处于断开状态；
2）、发动机正常并继续运行，朗肯循环工质回路系统介入运转；工质泵（1）开始将储液罐（13）中的低压工质加压并输送至排气加热器（2）与EGR加热器（15）中，液态工质在两加热器中吸收发动机尾气与EGR的热量且逐渐达到饱和状态，并不断蒸发为高温高压的气态工质；
3）、高温高压的气态工质进入膨胀机（11）中，膨胀机（11）膨胀做功，推动膨胀机轴（17）和单向离合器内圈（21）共同旋转；单向离合器内圈的转速高于外圈转速时，单向离合器（18）处于接合状态，将动力传递至发动机（6）；
4）、膨胀机（11）膨胀做功后其内工质流出进入冷凝器（12）中，冷凝器（12）将高温气态工质冷却变为低温、低压的液态工质，随后重新流入储液罐（13），开始下一个循环。
8.根据权利要求7所述的发动机废气能量回收利用装置的废气能量回收方法，其特征在于：当朗肯循环工质回路系统启动工作时，压力与温度较低的工质通过控制阀（16）从旁通支路进入冷凝器（12）。
9.根据权利要求7所述的发动机废气能量回收利用装置的废气能量回收方法，其特征在于：当所述朗肯循环工质回路系统运转时，随着管路中工质的压力与温度不断的增加，并达到设定值时，控制阀（16）控制工质全部流入膨胀机（11）进行做功。
10.根据权利要求7所述的发动机废气能量回收利用装置的废气能量回收方法，其特征在于：当所述朗肯循环工质回路系统中工质压力或流量超出额定值时，控制阀（16）控制部分工质通过旁通支路进入冷凝器（12）。
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