CN108757163A - 一种涡轮复合内燃机余热利用装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮复合内燃机余热利用装置及其控制方法，包括控制器、蒸汽发生器、电控阀门、依次连接内燃机进气口的压气机和中冷器，所述内燃机排气口依次连接增压涡轮和可变几何动力涡轮的进气口，所述可变几何动力涡轮的输出端依次连接无级变速器、液力偶合器和齿轮对，所述齿轮对的输出端与内燃机曲轴驱动连接；所述可变几何动力涡轮的出气口连接蒸汽发生器进行换热，所述蒸汽发生器的出气口通过电控阀门连接增压涡轮进气口；所述控制器分别与内燃机内的负荷传感器、电控阀门、可变几何动力涡轮和无级变速器电路连接。本发明可以回收更多的排气能量，使涡轮复合内燃机的全工况性能得到显著提升，提高发动机在中高负荷的热效率，降低油耗。
Description
技术领域
发明属于内燃机热力循环领域，尤其涉及一种涡轮复合内燃机余热利用装置及其控制方法。
背景技术
国内外众多科研机构均开展了内燃机余热利用研究，当前，余热利用的主要技术方案包括朗肯循环、涡轮复合。
（1）朗肯循环
余热利用朗肯循环的基本原理如图1所示，在内燃机排气管中外接朗肯循环系统，高温排气在蒸发器加热工质使之气化，然后工质在膨胀机中做功发电，膨胀后的工质经冷凝器和气液分离器后，工质在泵中加压，然后再回到蒸发器中吸收排气热量，完成一个完整的朗肯循环。
尽管朗肯循环余热回收效果显著，但系统较为复杂，体积较大、成本较高，有机工质价格较高，并且面临泄露的难题。因此要实现有机朗肯循环在车用内燃机上的应用，还需解决这些难题。
（2）涡轮复合
典型涡轮复合内燃机的结构如图2所示，在内燃机增压涡轮下游串联一级动力涡轮，使排气在动力涡轮中进一步膨胀做功，动力涡轮功率通过齿轮和液力偶合器传到内燃机曲轴，增加发动机功率输出，降低油耗。涡轮复合系统相对简单，结构紧凑，增加成本低，目前已被成功应用于重型柴油机中。涡轮复合技术由于在排气中增加了一级动力涡轮，内燃机的排气背压显著提高，泵气功损失严重，因此对内燃机热力循环效率产生负面影响，制约了涡轮复合技术的节油潜力。此外，车用内燃机工况变化复杂，涡轮复合内燃机的工况适应能力较差，在低转速工况下燃油改善不明显。
目前，涡轮复合研究中主要通过排气在动力涡轮中膨胀获得回收能量，提高幅值有限。原因在于气体在动力涡轮膨胀后的温度依然较高，排气余热能未被充分利用，进一步提高动力涡轮膨胀比则导致内燃机排气背压过高，动力涡轮回收功率不足以弥补内燃机泵气损失。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在提供一种涡轮复合内燃机余热利用装置及其控制方法，提高涡轮复合内燃机的节油潜力，通对涡轮后的排气能量进一步回收利用，以显著降低内燃机的油耗，并解决涡轮复合内燃机变工况性能不理想的问题。
本发明通过如下技术方案实现：
本发明一方面提供了一种涡轮复合内燃机余热利用装置，包括：控制器、蒸汽发生器、电控阀门、依次连接内燃机进气口的压气机和中冷器，所述内燃机排气口依次连接增压涡轮和可变几何动力涡轮的进气口，所述可变几何动力涡轮的输出端依次连接无级变速器、液力偶合器和齿轮对，所述齿轮对的输出端与内燃机曲轴驱动连接；所述可变几何动力涡轮的出气口连接所述蒸汽发生器进行换热，所述蒸汽发生器的出气口通过电控阀门连接所述增压涡轮进气口；所述控制器分别与内燃机内的负荷传感器、电控阀门、可变几何动力涡轮和无级变速器电路连接，用于根据所检测的内燃机负荷信号对电控阀门的开关状态、可变几何动力涡轮的开度和无级变速器减速比进行协同控制。使可变几何动力涡轮回收更多排气能量。提高发动机在中高负荷的热效率，降低油耗。
进一步地，所述的电控阀门为常闭阀门。
进一步地，所述的蒸汽发生器包括水箱、水泵、换热器、蒸汽储存罐，所述的水箱通过管路依次连接水泵、换热器、蒸汽储存罐、电控阀门，所述可变几何动力涡轮的出气口连接所述换热器进行换热。
本发明另一方面提供了一种如所述涡轮复合内燃机余热利用装置的控制方法，包括步骤：
检测内燃机的负荷信号；
所述控制器根据所检测的负荷信号对电控阀门的开关状态、可变几何动力涡轮的开度和无级变速器减速比进行协同控制，使可变几何动力涡轮回收更多排气能量，提高发动机在中高负荷的热效率，降低油耗。
进一步地，所述控制器根据所检测的负荷信号对电控阀门的开关状态、可变几何动力涡轮的开度和无级变速器减速比进行协同控制，具体包括：
当内燃机负荷工况低于设定阈值时，所述控制器发出指令，使电控阀门保持关闭状态，所述可变几何动力涡轮的开度为T1，无级变速器的减速比为G1；
当内燃机负荷工况高于设定阈值时，所述控制器发出指令，使电控阀门处于打开状态，所述可变几何动力涡轮的开度减少为T2，无级变速器的减速比增大到G2。
进一步地，所述的设定阈值在不同转速工况下的变化范围为内燃机满负荷工况的50-70%。
进一步地，所述的开度T2比开度T1减少5%-20%。
进一步地，所述减速比G2与减速比G1相比增大10%-30%。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的有益效果：
本发明通过电控阀门、可变几何动力涡轮的开度和无级变速器的协同控制，可以使可变几何动力涡轮回收更多的排气能量，使涡轮复合内燃机的全工况性能得到显著提升，提高发动机在中高负荷的热效率，使涡轮复合内燃机外特性油耗得到显著降低。
附图说明
图1内燃机余热利用朗肯循环典型系统示意图。
图2典型涡轮复合内燃机结构示意图。
图3 申请发明实施例的整体示意图。
图4 发动机外特性油耗对比。
图中所示：1—水箱、2—水泵、3—换热器、4—可变几何动力涡轮、5—无级变速器、6—液力偶合器、7—齿轮对、8—内燃机、9—中冷器、10—压气机、11—增压涡轮、12—电控阀门、13—蒸汽储存罐、14—控制器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例一
如图3所示，一种涡轮复合内燃机余热利用装置，包括：控制器14、水箱1、水泵2、换热器3、蒸汽储存罐13、电控阀门12、依次连接内燃机8进气口的压气机10和中冷9器，所述内燃机8排气口依次连接增压涡轮11和可变几何动力涡轮4的进气口，所述可变几何动力涡轮4的输出端依次连接无级变速器5、液力偶合器6和齿轮对7，所述齿轮对7的输出端与内燃机8曲轴驱动连接；所述的水箱1通过管路依次连接水泵2、换热器3、蒸汽储存罐13、电控阀门12和增压涡轮11进气口，所述的电控阀门12为常闭阀门；所述可变几何动力涡轮4的出气口连接所述换热器3进行换热，所述控制器14分别与内燃机8内的负荷传感器、电控阀门12、可变几何动力涡轮4和无级变速器5电路连接，用于根据所检测的内燃机8负荷信号对电控阀门2的开关状态、可变几何动力涡轮4的开度和无级变速器5减速比进行协同控制。使可变几何动力涡轮4回收更多排气能量。提高发动机在中高负荷的热效率，降低油耗。
一方面，本实施例具备传统涡轮复合的工作过程：所述内燃机8的排气在增压涡轮11中膨胀，并通过轴推动压气机10工作，对进气进行压缩，以提高内燃机8的功率，压缩后的气体经过中冷器9降低温度后，进入内燃机8中与燃料混合燃烧。高温高压的排气从增压涡轮11出来后，进入可变几何动力涡轮4膨胀做功，所述可变几何动力涡轮4的输出轴连接到无级变速器5（CVT），将动力依次通过液力偶合器6和齿轮对7传递到内燃机8的曲轴，从而增加内燃机功率输出。
另一方面，在本实施例中，排气从可变几何动力涡轮4出来后，进一步流经换热器3，在换热器3中，热量从高温排气传递给水，将水加热成过热蒸汽。液态水储存于水箱1中，通过水泵2将水的压力升高，然后在换热器3中换热蒸发成水蒸汽，水蒸汽存储于蒸汽储存罐13中，蒸汽存储罐13中高温高压的蒸汽通过管道和电控阀门12连接到增压涡轮11的进口，所述电控阀门12可以根据发动机工况的需要打开或者关闭，当电控阀门12打开后，高温高压的蒸汽将和排气混合后，依次在增压涡轮11和可变几何动力涡轮4中膨胀，从而提高增压涡轮11和动力涡轮4的功率输出，进而提高发动机的总功率输出，所述可变几何动力涡轮4和无级变速器5也会根据发动机工况的变化进行协同控制，改变开度和减速比。
实施例二
一种如所述涡轮复合内燃机余热利用装置的控制方法，包括步骤：
S1、检测内燃机8的负荷信号；
S2、所述控制器14根据所检测的负荷信号对电控阀门2的开关状态、动力涡轮4的开度和无级变速器5减速比进行协同控制，使可变几何动力涡轮4回收更多排气能量，提高发动机在中高负荷的热效率，降低油耗。
具体而言，所述所述控制器14根据所检测的负荷信号对电控阀门2的开关状态、动力涡轮4的开度和无级变速器5减速比进行协同控制，具体包括：
S21、当内燃机负荷工况低于内燃机满负荷的60%时，表示内燃机8处于低负荷工况，此时所述内燃机8的排气温度较低，热量不足以产生过热蒸汽，所述控制器14发出指令，使电控阀门2保持关闭状态，所述可变几何动力涡轮4的开度维持在基准值T1，所述无级变速器5的减速比维持在基准值G1；
S22、当内燃机负荷工况高于内燃机满负荷的60%时，排气能量较多，在换热器3中能产生较多的过热蒸汽，在此工况下，所述控制器14发出指令使电控阀门12、可变几何动力涡轮4和无级变速器5的状态发生变化，即：所述电控阀门2处于打开状态，过热蒸汽将流入增压涡轮11和可变几何动力涡轮4；同时使所述可变几何动力涡轮4的开度减少为T2，所述的开度T2下可变几何动力涡轮4的堵塞流量比开度T1时减少5%-20%；所述无级变速器5的减速比增大到G2，所述减速比G2与减速比G1相比增大10%-30%。
调节可变几何动力涡轮4的开度和所述无级变速器5的减速比的原因在于：
当增压涡轮11注入蒸汽时，将同时导致增压涡轮11的功率过大，使压气机10的增压比大幅度提高，上述内燃机8进气量增加并导致缸内压力过高，此外增压涡轮11前的压力过高，会导致内燃机8泵气损失较大，不利于充分利用余热能。因此，在打开电控阀门12的同时，关小可变几何动力涡轮4的开度，可使更多的排气能量分配到可变几何动力涡轮4中，从而减小增压涡轮11的负荷，并降低内燃机8的泵气损失。由于可变几何动力涡轮4的功率显著增加，无级变速器5的减速比需要提高，从而提高可变几何动力涡轮4的转速，使可变几何动力涡轮4运行在较高的效率区域。总而言之，通过电控阀门2、动力涡轮4的开度和无级变速器5的协同控制，本实施例使可变几何动力涡轮4回收更多的排气能量，提高发动机在中高负荷的热效率，降低油耗(见图4)。
上述实施例可以应用于涡轮复合内燃机上，装配系统的涡轮复合内燃机可应用于重型载货汽车中，或者应用于柴油机发电机组。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种涡轮复合内燃机余热利用装置，其特征在于，包括：控制器(14)、蒸汽发生器、电控阀门(12)、依次连接内燃机(8)进气口的压气机(10)和中冷(9)器，所述内燃机(8)排气口依次连接增压涡轮(11)和可变几何动力涡轮(4)的进气口，所述可变几何动力涡轮(4)的输出端依次连接无级变速器(5)、液力偶合器(6)和齿轮对(7)，所述齿轮对(7)的输出端与内燃机(8)曲轴驱动连接；所述可变几何动力涡轮(4)的出气口连接所述蒸汽发生器进行换热，所述蒸汽发生器的出气口通过电控阀门(12)连接所述增压涡轮(11)进气口；所述控制器(14)分别与内燃机(8)内的负荷传感器、电控阀门(12)、可变几何动力涡轮(4)和无级变速器(5)电路连接，用于根据所检测的内燃机(8)负荷信号对电控阀门(2)的开关状态、可变几何动力涡轮(4)的开度和无级变速器(5)减速比进行协同控制。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮复合内燃机余热利用装置，其特征在于，所述的电控阀门(12)为常闭阀门。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮复合内燃机余热利用装置，其特征在于，所述的蒸汽发生器包括水箱(1)、水泵(2)、换热器(3)、蒸汽储存罐(13)，所述的水箱(1)通过管路依次连接水泵(2)、换热器(3)、蒸汽储存罐(13)、电控阀门(12)，所述可变几何动力涡轮(4)的出气口连接所述换热器(3)进行换热。
4.一种如权利要求1至3中任一项所述涡轮复合内燃机余热利用装置的控制方法，其特征在于，包括步骤：
检测内燃机(8)的负荷信号；
所述控制器(14)根据所检测的负荷信号对电控阀门(2)的开关状态、可变几何动力涡轮(4)的开度和无级变速器(5)减速比进行协同控制，使可变几何动力涡轮(4)回收更多排气能量，提高发动机在中高负荷的热效率，降低油耗。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述控制器(14)根据所检测的负荷信号对电控阀门(2)的开关状态、可变几何动力涡轮(4)的开度和无级变速器(5)减速比进行协同控制，具体包括：
当内燃机负荷工况低于设定阈值时，所述控制器(14)发出指令，使电控阀门(2)保持关闭状态，所述可变几何动力涡轮(4)的开度为T1，无级变速器(5)的减速比为G1；
当内燃机负荷工况高于设定阈值时，所述控制器(14)发出指令，使电控阀门(2)处于打开状态，所述可变几何动力涡轮(4)的开度减少为T2，无级变速器(5)的减速比增大到G2。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的设定阈值在不同转速工况下的变化范围为内燃机满负荷工况的50-70%。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，
所述的开度T2比开度T1减少5%-20%。
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，
所述减速比G2与减速比G1相比增大10%-30%。
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