CN110017201A - 采用布雷顿循环的车用天然气发动机排气余热回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于余热回收技术领域，涉及一种基于布雷顿循环的车用天然气发动机余热回收系统，该系统主要由发动机排气余热回收系统、发动机燃料供给系统和控制系统组成。通过合理设置车用天然气排气余热回收系统的工作模式及控制方式，可使其更加有效地适应车用天然气发动机的运行工况，以实现对车用天然气发动机排气余热能的高效转化再利用。该发明采用车用天然气发动机的燃料作为布雷顿循环余热回收系统的运行工质，省去了布雷顿循环中的压缩机，从而使余热回收系统结构更加紧凑。

Description

采用布雷顿循环的车用天然气发动机排气余热回收系统
技术领域
本发明属于余热回收技术领域，涉及一种基于布雷顿循环的车用天然气发动机余热回收系统。该发明将车用天然气发动机的燃料作为布雷顿循环系统的运行工质，从而有效减少余热回收系统的体积和质量。
背景技术
天然气成分主要是甲烷，无味、无毒且无腐蚀性，密度比空气轻，不易积聚形成爆炸性气体，在安全性能上更可靠。使用天然气作为燃料可以减少二氧化硫排放量近100％，一氧化碳排放量93％，二氧化碳排放量60％，对改善城市空气质量效果明显。因此，天然气发动机在城市公交车辆中得到了广泛的应用。
由于内燃机工作原理和结构的制约，燃料燃烧提供的热能难以全部转化为有效的机械能，除少数高性能的天然气发动机外，大部分天然气发动机的有效热效率都低于柴油机的有效热效率，约为30％左右，其他的大部分能量则通过排气和冷却水被排放到大气中，其中排气余热能量品位较高。因此，如何对天然气发动机的排气能量进行回收利用，是提高发动机热效率和节约能源的有效途径。
布雷顿循环作为一种典型的热力学循环，和传统的蒸汽朗肯循环相比具有更高的循环效率，因此被广泛应用于能量转化领域。本发明采用车用天然气发动机的燃料作为布雷顿循环系统的运行工质，一方面实现了提高发动机热效率的目的，另一方面有效的减少了余热回收系统的体积和质量。
发明内容
本发明的目的是采用车用天然气发动机的燃料作为布雷顿循环余热回收系统的运行工质，从而将低品位的余热能转化为高品位的电能。为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
本发明所提出的车用天然气发动机排气余热回收系统，主要由发动机排气余热回收系统、发动机燃料供给系统和控制系统组成。
上述的发动机排气余热回收系统，包括发动机、排气通路、涡轮机、蒸发器、膨胀机、发电机、高压储气钢瓶、天然气滤清器、冷凝器、冷凝器冷却风扇、低压储气罐以及连接它们的管路组成。高压储气钢瓶中的天然气作为余热利用系统的工质经调压后进入蒸发器吸收发动机排气余热，高温高压的工质进入膨胀机，从而带动发电机发电，工质做功后经冷凝器冷却后进入低压储气罐。
上述发动机燃料供给系统，包括高压储气钢瓶、天然气滤清器、高压减压器、低压储气罐、混合器、空气滤清器、压气机、中冷器、中冷器冷却风扇、蒸发器、膨胀机以及连接管路。本发明设计了两条燃料供给通路，一条通路中天然气经高压储气钢瓶、天然气滤清器、高压减压器与低压储气罐后直接进入混合器与压缩空气混合，供给发动机燃烧；另一条通路中天然气在余热回收系统中做功后，根据发动机的需求量，抽出部分天然气进入混合器与压缩空气混合，供给发动机燃烧。
上述控制系统，包括控制模块、低压储气罐进口处的天然气温度传感器、排气质量流量传感器、排气压力传感器、排气温度传感器、空气温度传感器、空气质量流量传感器、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气质量流量传感器、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气温度传感器、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气压力传感器、混合器出口处混合气温度传感器、电磁阀、电控调压器以及相应的连接线路。控制模块采集系统中温度传感器、压力传感器、质量流量传感器的信号，经过分析处理后作出判断，并发出指令，控制电磁阀、电控调压器，从而实现车用天然气发动机及其排气余热回收系统的稳定运行。
与现有的技术方案相比，本发明具有如下优点：
1、采用车用天然气发动机的燃料作为布雷顿循环的运行工质，由于该燃料为高压的压缩天然气，从而省去了布雷顿循环中的压缩机，有效的减少了余热回收系统的体积和质量。
2、通过控制车用天然气发动机排气的各支路阀门的开启和关闭，可以根据需要建立或切断发动机系统和布雷顿循环余热回收系统的连接，在不影响车用天然气发动机运行的情况下实现余热回收系统的平稳起动与停止。
3、通过合理的控制策略，可实现车用天然气发动机的两种燃料供给方式。当车用天然气发动机刚起动或排气能量较小时，高压的压缩天然气减压后进入电控调压器，电控调压器根据发动机运行工况精确控制天然气供给量；当余热回收系统起动后，可通过合理的控制策略，将膨胀机做功后的部分乏气供给发动机燃烧。
附图说明
图1是车用天然气发动机排气余热回收系统的示意图；
1、冷凝器；2、冷凝器冷却风扇；3、发动机；4、控制模块；5、高压储气钢瓶；6、天然气滤清器；7、电磁阀一；8、高压减压器；9、低压储气罐进口处的天然气温度传感器；10、低压储气罐；11、电磁阀二；12、电磁阀三；13、电控调压器一；14、蒸发器；15、膨胀机；16、发电机；17、电磁阀四；18、电磁阀五；19、排气质量流量传感器；20、排气压力传感器；21、排气温度传感器； 22、涡轮机；23、中冷器冷却风扇；24、中冷器；25、压气机；26、空气温度传感器；27、空气质量流量传感器；28、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气质量流量传感器；29、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气温度传感器；30、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气压力传感器；31、空气滤清器；32、混合器； 33、混合器出口处混合气温度传感器；34、电磁阀六；35、电控调压器二
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明的车用天然气发动机排气余热回收系统，其连接关系如图1所示，发动机排气余热回收系统、发动机燃料供给系统和控制系统组成。上述的发动机排气余热回收系统，包括发动机(3)、排气通路、涡轮机(22)、蒸发器(14)、膨胀机(15)、发电机(16)、高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6)、冷凝器(1)、冷凝器冷却风扇(2)、低压储气罐(10)以及连接它们的管路。
上述发动机燃料供给系统，包括高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6)、高压减压器(8)、低压储气罐(10)、混合器(32)、空气滤清器(31)、压气机(25)、中冷器(24)、中冷器冷却风扇(23)、蒸发器(14)、膨胀机(15)。
上述控制系统，包括控制模块(4)、低压储气罐进口处的天然气温度传感器 (9)、排气质量流量传感器(19)、排气压力传感器(20)、排气温度传感器(21)、空气温度传感器(26)、空气质量流量传感器(27)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气质量流量传感器(28)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气温度传感器(29)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气压力传感器(30)、混合器出口处混合气温度传感器(33)、电磁阀一(7)、电磁阀二(11)、电磁阀三(12)、电磁阀四(17)、电磁阀五(18)、电磁阀六(34)、电控调压器一(13)、电控调压器二(35)。
上述车用天然气发动机排气余热回收系统内各部件的连接关系是：
发动机排气余热回收系统各部件的连接关系是：发动机(3)排气经排气通路依次经过涡轮机(22)、蒸发器(14)；高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6) 蒸发器(14)、膨胀机(15)、冷凝器(1)以及低压储气罐(10)依次相连；膨胀机(15)输出轴与发电机(16)输入轴相连。
发动机燃料供给系统各部件的连接关系是：天然气供给通路分为两条，一条通路的连接关系为高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6)、高压减压器(8)、低压储气罐(10)、混合器(32)依次连接；另一条通路的连接关系为高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6)、蒸发器(14)、膨胀机(15)、混合器(32)依次相连；空气供给通路的连接关系为空气滤清器(31)、压气机(25)、中冷器(24)、混合器(32)依次相连。
控制系统各部件的连接关系是：排气质量流量传感器(19)、排气压力传感器(20)与排气温度传感器(21)一端并列设置在涡轮机(22)与蒸发器(14) 连接的排气通路上，另一端与控制模块(4)相连；空气温度传感器(26)与空气质量流量传感器(27)一端并列设置在空气滤清器(31)与压气机(25)连接的空气通路上，另一端与控制模块(4)相连；低压储气罐进口处的天然气温度传感器(9)一端设置在低压储气罐进口的天然气通路上，另一端与控制模块(4) 相连；膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气质量流量传感器(28)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气温度传感器(29)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气压力传感器(30)一端设置在膨胀机与电磁阀六连接支路处，另一端与控制模块(4)相连；混合器出口处混合气温度传感器(33)一端设置在混合器 (32)与发动机(3)连接的混合气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀一(7)一端设置在天然气滤清器(6)与高压减压器(8)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀二(11)一端设置在低压储气罐(10)与混合器(32)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀三(12)一端设置在天然气滤清器(6)与蒸发器(14)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀四(17)一端设置在涡轮机(22)与蒸发器(14)之间的发动机排气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀五(18)一端设置在发动机排气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀六(34)一端设置在膨胀机(15)与混合器(32)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电控调压器一(13)一端设置在电磁阀三(12)与蒸发器(14)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电控调压器二(35)一端设置在电磁阀二(11)与混合器(32)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
本发明的工作原理如下：车用天然气发动机起动后，且安装在排气通路上的发动机排气温度传感器(21)检测到排气温度低于300℃时，车用余热回收系统不工作。控制模块(4)发出指令，断开电磁阀三(12)、电磁阀四(17)、电磁阀六(34)，接通电磁阀一(7)，电磁阀二(11)，电磁阀五(18)。此时，储存在高压储气钢瓶(5)中的天然气由天然气滤清器(6)进入高压减压器(8)减压后，经过低压储气罐(10)进入混合器(32)；与此同时，新鲜空气经空气滤清器(31)、压气机(25)、中冷器(24)也进入混合器(32)，二者混合后供给天然气发动机燃烧。控制模块(4)根据空气流量传感器(27)信号，通过电控调压器二(35)精确控制天然气供给量。控制模块(4)根据空气温度传感器(26) 及混合器出口处混合气温度传感器(33)的信号，调节中冷器冷却风扇(23)的速度，以保证混合器(32)内的可燃混合气温度。
当天然气发动机运行稳定，且安装在排气通路上的发动机排气温度传感器 (21)检测到排气温度高于300℃时，车用余热回收系统开始工作。控制模块(4) 发出指令，断开电磁阀五(18)，接通电磁阀三(12)、电磁阀四(17)、电磁阀六(34)。此时，压缩天然气从高压储气钢瓶(5)经天然气滤清器(6)过滤后，一部分继续参与发动机燃烧，另一部分作为余热回收系统的运行工质进入蒸发器 (14)与发动机排气进行换热，被加热后的工质形成高温高压蒸汽，随后进入膨胀机(15)以推动其输出轴转动从而带动发电机(16)发电，随后完成做功后的工质经冷凝器(1)降温降压后流回低压储气罐(10)，而发动机排气经蒸发器(14)将热量传递给工质后排入大气中。控制模块(4)根据发动机排气质量流量传感器(19)、排气压力传感器(20)与排气温度传感器(21)信号，通过电控调压器一(13)调节天然气供给量以匹配发动机排气热量。当天然气质量流量传感器 (28)检测到天然气通过膨胀机(15)与电控调压器二(35)连接的支路流入电控调压器二(37)，并且足够供给发动机燃烧时，控制模块(4)发出指令断开电磁阀一(7)与电磁阀二(11)，此时，经膨胀机(15)做功后的乏气一部分进入混合器(32)参与发动机燃烧，另一部分经冷凝器(1)流回低压储气罐(10)。控制模块(4)根据膨胀机出口处天然气质量流量传感器(28)、天然气温度传感器(29)、压力传感器(30)以及空气质量流量传感器(27)的信号通过电控调压器二(35)调节进入混合器(32)的天然气供给量。控制模块(4)根据低压储气罐进口处的天然气温度传感器(9)信号，通过调节冷凝器(1)冷却风扇(2) 的速度保证低压气罐内天然气的温度。

Claims (4)

1.采用布雷顿循环的车用天然气发动机排气余热回收系统，其特征在于：该系统包括发动机排气余热回收系统、发动机燃料供给系统和控制系统组成；上述的发动机排气余热回收系统，包括发动机(3)、排气通路、涡轮机(22)、蒸发器(14)、膨胀机(15)、发电机(16)、高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6)、冷凝器(1)、冷凝器冷却风扇(2)、低压储气罐(10)以及连接它们的管路。
上述发动机燃料供给系统，包括高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6)、高压减压器(8)、低压储气罐(10)、混合器(32)、空气滤清器(31)、压气机(25)、中冷器(24)、中冷器冷却风扇(23)、蒸发器(14)、膨胀机(15)。
上述控制系统，包括控制模块(4)、低压储气罐进口处的天然气温度传感器(9)、排气质量流量传感器(19)、排气压力传感器(20)、排气温度传感器(21)、空气温度传感器(26)、空气质量流量传感器(27)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气质量流量传感器(28)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气温度传感器(29)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气压力传感器(30)、混合器出口处混合气温度传感器(33)、电磁阀一(7)、电磁阀二(11)、电磁阀三(12)、电磁阀四(17)、电磁阀五(18)、电磁阀六(34)、电控调压器一(13)、电控调压器二(35)。
上述车用天然气发动机排气余热回收系统内各部件的连接关系是：
发动机排气余热回收系统各部件的连接关系是：发动机(3)排气经排气通路依次经过涡轮机(22)、蒸发器(14)；高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6)蒸发器(14)、膨胀机(15)、冷凝器(1)以及低压储气罐(10)依次相连；膨胀机(15)输出轴与发电机(16)输入轴相连。
发动机燃料供给系统各部件的连接关系是：天然气供给通路分为两条，一条通路的连接关系为高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6)、高压减压器(8)、低压储气罐(10)、混合器(32)依次连接；另一条通路的连接关系为高压储气钢瓶(5)、天然气滤清器(6)、蒸发器(14)、膨胀机(15)、混合器(32)依次相连；空气供给通路的连接关系为空气滤清器(31)、压气机(25)、中冷器(24)、混合器(32)依次相连。
控制系统各部件的连接关系是：排气质量流量传感器(19)、排气压力传感器(20)与排气温度传感器(21)一端并列设置在涡轮机(22)与蒸发器(14)连接的排气通路上，另一端与控制模块(4)相连；空气温度传感器(26)与空气质量流量传感器(27)一端并列设置在空气滤清器(31)与压气机(25)连接的空气通路上，另一端与控制模块(4)相连；低压储气罐进口处的天然气温度传感器(9)一端设置在低压储气罐进口的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气质量流量传感器(28)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气温度传感器(29)、膨胀机与电磁阀六连接支路处的天然气压力传感器(30)一端设置在膨胀机与电磁阀六连接支路处，另一端与控制模块(4)相连；混合器出口处混合气温度传感器(33)一端设置在混合器(32)与发动机(3)连接的混合气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀一(7)一端设置在天然气滤清器(6)与高压减压器(8)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀二(11)一端设置在低压储气罐(10)与混合器(32)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀三(12)一端设置在天然气滤清器(6)与蒸发器(14)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀四(17)一端设置在涡轮机(22)与蒸发器(14)之间的发动机排气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀五(18)一端设置在发动机排气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电磁阀六(34)一端设置在膨胀机(15)与混合器(32)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电控调压器一(13)一端设置在电磁阀三(12)与蒸发器(14)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连；
电控调压器二(35)一端设置在电磁阀二(11)与混合器(32)之间的天然气通路上，另一端与控制模块(4)相连。
2.根据权利要求1所述的采用布雷顿循环的车用天然气发动机排气余热回收系统，其特征在于：通过控制车用天然气发动机排气的各支路阀门的开启和关闭，可以根据需要建立或切断发动机系统和布雷顿余热回收系统的连接，在不影响车用天然气发动机运行的情况下实现余热回收系统的平稳起动与停止。此外，通过合理的控制策略，可实现车用天然气发动机的两种燃料供给方式。
3.根据权利要求1所述的采用布雷顿循环的车用天然气发动机排气余热回收系统，其特征在于：车用天然气发动机起动后，且安装在排气通路上的发动机排气温度传感器(21)检测到排气温度低于300℃时，车用余热回收系统不工作。控制模块(4)发出指令，断开电磁阀三(12)、电磁阀四(17)、电磁阀六(34)，接通电磁阀一(7)，电磁阀二(11)，电磁阀五(18)。此时，储存在高压储气钢瓶(5)中的天然气由天然气滤清器(6)进入高压减压器(8)减压后，经过低压储气罐(10)进入混合器(32)；与此同时，新鲜空气经空气滤清器(31)、压气机(25)、中冷器(24)也进入混合器(32)，二者混合后供给天然气发动机燃烧。控制模块(4)根据空气流量传感器(27)信号，通过电控调压器二(35)精确控制天然气供给量。控制模块(4)根据空气温度传感器(26)及混合器出口处混合气温度传感器(33)的信号，调节中冷器冷却风扇(23)的速度，以保证混合器(32)内的可燃混合气温度。
4.根据权利要求1所述的采用布雷顿循环的车用天然气发动机排气余热回收系统，其特征在于：当天然气发动机运行稳定，且安装在排气通路上的发动机排气温度传感器(21)检测到排气温度高于300℃时，车用余热回收系统开始工作。控制模块(4)发出指令，断开电磁阀五(18)，接通电磁阀三(12)、电磁阀四(17)、电磁阀六(34)。此时，压缩天然气从高压储气钢瓶(5)经天然气滤清器(6)过滤后，一部分继续参与发动机燃烧，另一部分作为余热回收系统的运行工质进入蒸发器(14)与发动机排气进行换热，被加热后的工质形成高温高压蒸汽，随后进入膨胀机(15)以推动其输出轴转动从而带动发电机(16)发电，随后完成做功后的工质经冷凝器(1)降温降压后流回低压储气罐(10)，而发动机排气经蒸发器(14)将热量传递给工质后排入大气中。控制模块(4)根据发动机排气质量流量传感器(19)、排气压力传感器(20)与排气温度传感器(21)信号，通过电控调压器一(13)调节天然气供给量以匹配发动机排气热量。当天然气质量流量传感器(28)检测到天然气通过膨胀机(15)与电控调压器二(35)连接的支路流入电控调压器二(37)，并且足够供给发动机燃烧时，控制模块(4)发出指令断开电磁阀一(7)与电磁阀二(11)，此时，经膨胀机(15)做功后的乏气一部分进入混合器(32)参与发动机燃烧，另一部分经冷凝器(1)流回低压储气罐(10)。控制模块(4)根据膨胀机出口处天然气质量流量传感器(28)、天然气温度传感器(29)、压力传感器(30)以及空气质量流量传感器(27)的信号通过电控调压器二(35)调节进入混合器(32)的天然气供给量。控制模块(4)根据低压储气罐进口处的天然气温度传感器(9)信号，通过调节冷凝器(1)冷却风扇(2)的速度保证低压气罐内天然气的温度。
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