CN108716435A - 一种集成余热回收的内燃机增压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成余热回收的内燃机增压系统，所述系统以内燃机余热为能量来源，通过集成内燃机、余热回收系统、增压涡轮和中冷器实现内燃机的进气增压。吸收内燃机余热后的高温高压工质推动增压涡轮做功，带动同轴相连的压气机实现进气增压。高温高压工质还可以经三通电磁阀分流成两路，实现进气增压的同时将多余的能量做功发电或驱动余热回收系统压缩机或作为车辆的辅助动力。该系统充分利用内燃机余热能量实现更大的内燃机输出功率，能显著提高内燃机的动力性及燃料利用率，且系统集成度高，具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。

Description

一种集成余热回收的内燃机增压系统
技术领域
本发明属于热能与动力领域，尤其涉及一种集成余热回收的内燃机增压系统。
背景技术
随着能源问题的日益突出和排放法规的逐步严苛，实现内燃机的高效率、小型化、低油耗越来越重要。
内燃机所能发出的最大功率受到每循环吸入气缸内实际空气量的限制，涡轮增压技术通过利用内燃机排气能量可使内燃机在保持排量不变的条件下大幅提高输出功率，或使内燃机实现相同输出功率所需的排量更小。传统的涡轮增压器通常采用排气旁通阀在内燃机运行至高速大负荷工况时将部分排气旁通，以限制增压压力和增压器转速。由于排气旁通阀的旁通作用，增压器并未充分回收内燃机废气能量。而经由涡轮增压器后的内燃机排气直接排入大气，这部分能量通常占到燃料燃烧总能量的30％以上，温度可达200-600℃，具有极高的利用价值却未被利用。
相关学者普遍认为，若能充分回收利用内燃机余热，将进一步提高内燃机的燃油利用率，实现内燃机的节能减排，基于朗肯循环的动力循环系统被认为是最具潜力的内燃机余热回收技术手段。目前针对余热回收系统的工质选择、循环构型、参数优化等已进行了大量研究工作，内燃机余热回收系统的研究正朝着高效率、小型化、经济性的方向发展。然而，内燃机余热回收系统与内燃机的耦合仍然是该领域的难点与热点问题。单纯的附加一套余热回收系统会增加整车重量而使燃油消耗量增多，且因受到安装空间制约而与内燃机集成困难。
基于朗肯循环的动力循环系统包括做功部件膨胀机，通过高温高压工质推动膨胀机做功，其型式可为涡轮，涡轮增压器也包括涡轮，通过内燃机排气推动涡轮产生动力。若能将这两部分涡轮集成或共用，可实现余热回收系统与内燃机的耦合，多余的排气能量还可以用来做功发电或作为车辆的辅助动力，且总体结构进一步简化，为内燃机增压系统、余热回收系统均提供了新的途径。
本发明基于上述技术现状和研究思路，提出一种集成余热回收的内燃机增压系统，用以提升内燃机动力性和经济性。通过对国内外相关的专利检索和分析，申请人未发现与本发明特征相近的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成内燃机余热回收的增压系统，实现内燃机的进气增压及余热利用。
为了实现上述目的，本发明提出的一种集成余热回收的内燃机增压系统的基本技术方案，包括内燃机、中冷器、压气机和增压涡轮，所述压气机通过所述中冷器的增压空气侧连接至所述内燃机，所述增压涡轮由一余热回收系统驱动，所述余热回收系统是基于朗肯循环的动力循环系统，包括依次串联的冷却器、工质罐、压缩机、缸套水换热器、烟气换热器，所述压缩机的出口连接至所述缸套水换热器的工质侧进口，所述缸套水换热器的工质侧出口连接至所述烟气换热器的工质侧进口，所述烟气换热器的工质侧出口经过所述增压涡轮连接至所述冷却器的工质侧进口；所述内燃机的缸套水经出水管后进入所述缸套水换热器的缸套水侧经过充分换热后经过回水管进入内燃机缸套；所述内燃机的排气口连接至所述烟气换热器的烟气侧进口，所述烟气侧出口连接至大气环境或是连接至内燃机后处理系统。
本发明中提出的一种集成余热回收的内燃机增压系统的改进技术方案，对基本技术方案中所述压缩机的出口连接进行变更，即：所述压缩机的出口经过所述中冷器的二次流体侧后连接至所述缸套水换热器的工质侧进口。
进一步讲，在上述基本技术方案和改进技术方案的基础上，所述烟气换热器与所述增压涡轮之间的管路上设有三通电磁阀，所述增压涡轮与所述冷却器之间的管路上设有三通，所述三通电磁阀与所述三通之间通过连接管路连接有膨胀机。
该系统还包括有一中间换热器，所述缸套水换热器的工质侧出口经过所述中间换热器的高压工质侧后连接至所述烟气换热器的工质侧进口，所述三通的出口经过所述中间换热器的低压工质侧后连接至所述冷却器。
所述余热回收系统的工质是水、CO2和基于CO2的非共沸混合工质中的任何一种。
本发明的有益效果是：
本发明所述系统通过集成余热回收系统与涡轮增压器，同时实现了内燃机的进气增压和余热利用。与原有涡轮增压器相比，所述系统有效回收利用了内燃机排气总管出口排气能量及高速大负荷工况时旁通排气能量；与现有余热回收系统相比，所述系统有效解决了余热回收系统与原内燃机的输出功耦合问题。所述系统高度集成，同时提升了内燃机的动力性和经济性，具有显著的经济效益和应用前景，对节能减排及能源安全具有重大意义。
附图说明
图1是本发明集成余热回收的内燃机增压系统实施例1的示意图；
图2是本发明集成余热回收的内燃机增压系统实施例2的示意图；
图3是本发明集成余热回收的内燃机增压系统实施例3的示意图；
图4是本发明集成余热回收的内燃机增压系统实施例4的示意图；
图5是本发明集成余热回收的内燃机增压系统实施例5的示意图；
图6是本发明集成余热回收的内燃机增压系统实施例6的示意图；
图中：
细实线为内燃机空气进气路径，点线为中冷器二次流体侧路径，虚线为内燃机排气路径，点划线为内燃机缸套水封闭循环路径，粗实线为余热回收系统动力循环工质路径；
1-内燃机，2-中冷器，3-压气机，4-增压涡轮，5-烟气换热器，6-冷却器，7-工质罐，8-压缩机，9-缸套水换热器，10-膨胀机，11-三通电磁阀，12-中间换热器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
实施例1
如图1所示，本发明提出的一种集成余热回收的内燃机增压系统，包括内燃机1、中冷器2、压气机3和增压涡轮4，所述增压涡轮4与所述压气机3为同轴相连，所述压气机3通过所述中冷器2的增压空气侧连接至所述内燃机1，所述增压涡轮4由一余热回收系统驱动，所述余热回收系统是基于朗肯循环的动力循环系统，包括依次串联的冷却器6、工质罐7、压缩机8、缸套水换热器9、烟气换热器5，所述压缩机8的出口连接至所述缸套水换热器9的工质侧进口，所述缸套水换热器9的工质侧出口连接至所述烟气换热器5的工质侧进口，所述烟气换热器5的工质侧出口经过所述增压涡轮4连接至所述冷却器6的工质侧进口；所述内燃机1的缸套水经出水管后进入所述缸套水换热器9的缸套水侧经过充分换热后经过回水管进入内燃机1缸套；所述内燃机1的排气口连接至所述烟气换热器5的烟气侧进口，所述烟气侧出口连接至大气环境或是连接至内燃机后处理系统。
本实施例1系统的工作过程为：工质罐7中工质经由压缩机8压缩增压后在缸套水换热器9中吸收内燃机缸套水余热，随后进入烟气换热器5吸收内燃机排气余热，高温高压气体在增压涡轮4中膨胀推动涡轮旋转，并带动同轴相连的压气机3压缩内燃机进气空气，增压涡轮4出口工质进入冷却器6冷却后进入工质罐7，完成一个循环。而内燃机缸套水经缸套水换热器9降温后进入内燃机1，形成封闭回路。
本实施例1的特点是：内燃机排气总管出口排气直接进入烟气换热器5与工质换热，在内燃机全工况范围内实现对排气能量的充分利用；增压涡轮4取代原有涡轮器中涡轮，并与压气机3同轴相连，实现进气增压。本系统高度集成，且增压涡轮4可以采用可调喷嘴流通截面涡轮，实现内燃机不同工况下的增压需求。图1仅为本实施例的基本构成，当实际应用时，需要增加阀门、管道、旁路系统及控制系统等，这属于本领域公知常识，在此不再赘述。
实施例2
如图2所示，实施例2是在实施例1的基础上增加有一膨胀机10，即在所述烟气换热器5与所述增压涡轮4之间的管路上设有三通电磁阀11，所述增压涡轮4与所述冷却器6之间的管路上设有三通，所述三通电磁阀11与所述三通之间通过连接管路连接有膨胀机10。本实施例中，为了充分的利用内燃机排气能量，通过增加三通电磁阀11和膨胀机10，将系统分为由增压涡轮4实现的增压分路及由膨胀机10实现的做功分路，从而将满足内燃机增压需要之外的排气能量转化为输出功或电能或作为车辆的辅助动力。
实施例2系统的工作过程与实施例1相比，不同仅为：从烟气换热器5中流出的高温高压工质进入三通电磁阀11后分为两路，一路进入增压涡轮4实现内燃机进气增压，一路进入膨胀机10膨胀做功发电或驱动压缩机8或作为车辆的辅助动力。三通电磁阀11通过控制两路工质流量，满足进气增压需求，同时实现余热回收系统输出功最大化。增压涡轮4出口工质与膨胀机10出口工质经三通汇合后共同进入冷却器6。
本实施例2的特点是：根据内燃机1全工况下的增压需求匹配增压涡轮4，并在高速大负荷工况下将内燃机排气多余能量通过膨胀机10膨胀做功，在满足进气增压的条件下实现内燃机余热能的高效利用，提高内燃机的动力性及经济性，技术适用性广。
实施例3
如图3所示，为了进一步回收膨胀做功后工质乏汽能量，实施例3是在实施例2的基础上还包括有一中间换热器12，所述缸套水换热器9的工质侧出口经过所述中间换热器12的高压工质侧后连接至所述烟气换热器5的工质侧进口，所述三通的出口经过所述中间换热器12的低压工质侧后连接至所述冷却器6。
实施例3系统的工作过程与实施例2相比，不同仅为：三通汇合后的低压工质进入中间换热器12与缸套水换热器9出口高压工质换热后进入冷却器6。
本实施例3的特点是：根据余热回收系统性能优化常用方法，通过增加中间换热器以提升余热回收系统的输出功，通过回收膨胀做功后的乏汽能量实现对能量的进一步利用。本实施例特别适用于通过增加中间换热器后余热回收系统输出功有显著提升的工质场合。
实施例4
为了降低原中冷器2因采用空冷或水冷而增加的内燃机功耗，本实施例通过在实施例1的基础上将余热回收系统与中冷器2进一步集成，在结构与实施例1的不同仅为：所述压缩机8的出口经过所述中冷器2的二次流体侧后连接至所述缸套水换热器9的工质侧进口。
本实施例4系统的工作过程与实施例1的不同仅为：经压缩机8压缩增压后的高压工质首先进入中冷器2吸收增压后高温空气能量后再进入缸套水换热器9，实现余热回收系统与增压系统的进一步集成。
本实施例的特点是：内燃机增压系统中通常会安装中冷器以降低增压后的高温空气温度，提高进气量，获得更大的输出功率。常见的中冷器分为风冷式和水冷式，风冷式风扇耗功、水冷式缸套水泵耗功均给内燃机增加了功率损失。采用实施例4所述系统后，中冷器中增压空气直接由余热回收系统工质冷却，降低了内燃机功耗，因此可以实现更大的内燃机输出功率。本实施例特别适用于经压缩机8加压后工质温度仍低于增压空气温度的循环条件。
实施例5
如图5所示，实施例5是在实施例4的基础上增加有一膨胀机10，即在所述烟气换热器5与所述增压涡轮4之间的管路上设有三通电磁阀11，所述增压涡轮4与所述冷却器6之间的管路上设有三通，所述三通电磁阀11与所述三通之间通过连接管路连接有膨胀机10。实施例5的工作过程和特点综合了上述实施例2和实施例4，在此不再赘述。
实施例6
如图6所示，实施例6是在实施例5的基础上，在所述缸套水换热器9与所述烟气换热器5之间增加有一中间换热器12，即：所述缸套水换热器9的工质侧出口经过所述中间换热器12的高压工质侧后连接至所述烟气换热器5的工质侧进口，所述三通的出口经过所述中间换热器12的低压工质侧后连接至所述冷却器6。实施例6的工作过程和特点综合了上述实施例3和实施例4，在此不再赘述。
本发明中，所述余热回收系统的工质是水、CO2和基于CO2的非共沸混合工质中的任何一种。本发明中各功能换热器的个数可根据现场的空间布局选择多个。
本发明提出的一种集成余热回收的内燃机增压系统充分利用内燃机余热能量实现更大的内燃机输出功率，能显著提高内燃机的动力性及燃料利用率，且系统集成度高，具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内，如因余热回收系统采用工质的种类不同，压缩机8与冷却器6可能相应变形为工质泵与冷凝器。

Claims (7)

1.一种集成余热回收的内燃机增压系统，包括内燃机(1)、中冷器(2)、压气机(3)和增压涡轮(4)，所述压气机(3)通过所述中冷器(2)的增压空气侧连接至所述内燃机(1)，其特征在于：
所述增压涡轮(4)由一余热回收系统驱动，所述余热回收系统是基于朗肯循环的动力循环系统，包括依次串联的冷却器(6)、工质罐(7)、压缩机(8)、缸套水换热器(9)、烟气换热器(5)，所述压缩机(8)的出口连接至所述缸套水换热器(9)的工质侧进口，所述缸套水换热器(9)的工质侧出口连接至所述烟气换热器(5)的工质侧进口，所述烟气换热器(5)的工质侧出口经过所述增压涡轮(4)连接至所述冷却器(6)的工质侧进口；所述内燃机(1)的缸套水经出水管后进入所述缸套水换热器(9)的缸套水侧经过充分换热后经过回水管进入内燃机(1)缸套；所述内燃机(1)的排气口连接至所述烟气换热器(5)的烟气侧进口，所述烟气侧出口连接至大气环境或是连接至内燃机后处理系统。
2.根据权利要求1所述集成余热回收的内燃机增压系统，其特征在于：所述烟气换热器(5)与所述增压涡轮(4)之间的管路上设有三通电磁阀(11)，所述增压涡轮(4)与所述冷却器(6)之间的管路上设有三通，所述三通电磁阀(11)与所述三通之间通过连接管路连接有膨胀机(10)。
3.根据权利要求2所述集成余热回收的内燃机增压系统，其特征在于：该系统还包括有一中间换热器(12)，所述缸套水换热器(9)的工质侧出口经过所述中间换热器(12)的高压工质侧后连接至所述烟气换热器(5)的工质侧进口，所述三通的出口经过所述中间换热器(12)的低压工质侧后连接至所述冷却器(6)。
4.一种集成余热回收的内燃机增压系统，包括内燃机(1)、中冷器(2)、压气机(3)和增压涡轮(4)，所述压气机(3)通过所述中冷器(2)的增压空气侧连接至所述内燃机(1)，其特征在于：
所述增压涡轮(4)由一余热回收系统驱动，所述余热回收系统是基于朗肯循环的动力循环系统，包括依次串联的冷却器(6)、工质罐(7)、压缩机(8)、缸套水换热器(9)、烟气换热器(5)，所述压缩机(8)的出口经过所述中冷器(2)的二次流体侧后连接至所述缸套水换热器(9)的工质侧进口，所述缸套水换热器(9)的工质侧出口连接至所述烟气换热器(5)的工质侧进口，所述烟气换热器(5)的工质侧出口经过所述增压涡轮(4)连接至所述冷却器(6)的工质侧进口；所述内燃机(1)的缸套水经出水管后进入所述缸套水换热器(9)的缸套水侧经过充分换热后经过回水管进入内燃机(1)缸套；所述内燃机(1)的排气口连接至所述烟气换热器(5)的烟气侧进口，所述烟气侧出口连接至大气环境或是连接至内燃机后处理系统。
5.根据权利要求4所述集成余热回收的内燃机增压系统，其特征在于：所述烟气换热器(5)与所述增压涡轮(4)之间的管路上设有三通电磁阀(11)，所述增压涡轮(4)与所述冷却器(6)之间的管路上设有三通，所述三通电磁阀(11)与所述三通之间通过连接管路连接有膨胀机(10)。
6.根据权利要求5所述集成余热回收的内燃机增压系统，其特征在于：该系统还包括有一中间换热器(12)，所述缸套水换热器(9)的工质侧出口经过所述中间换热器(12)的高压工质侧后连接至所述烟气换热器(5)的工质侧进口，所述三通的出口经过所述中间换热器(12)的低压工质侧后连接至所述冷却器(6)。
7.根据权利要求1至6任一所述集成余热回收的内燃机增压系统，其特征在于：所述余热回收系统的工质是水、CO2和基于CO2的非共沸混合工质中的任何一种。
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