CN110454242A - 尾气废热回收与涡轮加速装置 - Google Patents

Abstract

一种间接回收活塞式发动机，燃气轮机或者工业尾气废热，转化为机械功的装置。在排气管周期性喷射水雾，降低涡轮背压，把尾气余热更多地转变为涡轮机械功。可以大幅度提高活塞式发动机增压度，功率增加幅度堪比补燃增压系统。空气过量系数大幅度增加，油耗明显降低。也可以用于空调制冷。

Description

尾气废热回收与涡轮加速装置

技术领域

本发明涉及活塞式发动机，燃气轮机或者工业尾气废热利用领域，尤其是间接用尾气废热做机械功的领域。

背景技术

现有的尾气废热回收方式有以下几种：

1.取暖。可是需求不大；比如“利用发动机余热对货箱加热的重型卡车用消声器，公开(公告)号：CN202338413U”。

制冷。吸收式空调结构非常复杂，笨重。对真空度要求很高，一旦管路锈蚀漏气，就失去了制冷能力；保养繁琐。而且，管路及制冷剂热惯性大，启动后要等一段时间才能制冷。溴化锂热制冷在内燃机上，由于对机械振动等因素要求十分苛刻，无法在行使的车辆上得到应用。

温差发电。热电材料的加工制作成本很高，热电转换效率很低，<5%；而且带来重金属污染。

做机械功。

做机械功有以下几种装置：

设置独立模块，利用蒸汽膨胀做功。无论是水蒸汽还是有机物蒸汽，都有相当大的气液相变热损失，工质温度，压力不高，整套废热回收装置不只热效率很低（退回到了瓦特时代），结构非常复杂，比如专利“公开(公告)号：CN104712382A”。如果以水为工质，对水质的要求就很高。如果以有机物为工质，虽然相变热损失比水蒸汽小很多，但有机物工质不允许加热到很高的温度，热效率还是不高，还有污染的风险（治理发动机尾气污染代价已经很大了，现在又引入新的污染源）。而且，换热器及管中液体热惯性大，所有的蒸汽动力装置都只适合发动机长时间运行的情况，如果发动机经常启动或者熄火，蒸汽动力模块形同虚设。

六冲程发动机。比如公开(公告)号：CN106168161A，在四冲程基础上，第5冲程喷入水雾，利用蒸汽做功，第6冲程排出废蒸汽。这种方式除了能利用废气的热量（设置回热器），还能回收气缸/活塞的热量，因此，冷却系统可以大幅度简化，甚至取消。然而，水垢必然会缩短发动机寿命，提高水的纯度能减轻这个问题。由于气缸金属温度的剧烈变化，活塞与气缸套间隙必须加大，导致活塞与气缸套的撞击力大幅度增加，发动机寿命明显缩短。由于发动机本体活塞机构摩擦力大，能回收的净机械功很有限。第5，第6冲程的平均压力低于四冲程，相同曲轴转速下，六冲程功率密度低于四冲程。

蒸汽驱动无叶涡轮。比如专利“公开(公告)号：CN105201683B 一种发动机低品质余热回收装置”，能避免汽水分离和水质净化问题。但是冷却风扇和循环泵消耗的机械功分别增加到原先的2倍以上。120℃水的饱和蒸汽压为2.0个大气压，180℃水的饱和蒸汽压为10.0个大气压。气缸套的温度不能过高，否则润滑和进气恶化。这种参数水平的水蒸汽做功，热效率在5%左右，扣除冷却风扇和循环泵消耗的机械功，得到的净机械功是2%燃油热量左右，代价是添加回热器和无叶涡轮，2倍原先换热面积以上的冷凝器，冷却风扇直径也必须加大（风扇噪音也显著增大了）。如果提高蒸汽参数，热效率能提高，但水质还必须进一步净化，必须加厚换热器。加厚管壁后，热阻增加，需要进一步加大换热面积，热惯性进一步加大，蒸汽动力不适合车辆随时启动和熄火的缺点更突出。

利用冷热气体的斯特林发动机模块。虽然避免了气液相变热损失，但是由于工质温度，压力不高，这种斯特林发动机模块的活塞摩擦损失，散热损失相对（发动机本体）很大。在1940年代以前，人们就发现，利用活塞机构（高低压气缸）回收低温低压气体机械功，远不如涡轮划算，而且低压气缸体积比高压气缸大很多，结构仍然复杂。在废气温度超过涡轮耐热极限，并且无法用冷却措施前，不值得采用“往复活塞—高低压气缸”结构。

利用微型外热式燃气轮机。比如专利“申请号：CN201510310077.3一种采用闭式布列顿循环的汽车尾气余热发电装置”。由于回热工质的能量品质大幅度低于涡轮增压器的进口废气，这种微型外热式燃气轮机的实际出力大幅度低于涡轮增压器，这个模块还需要有补气装置，由此，这种废热回收模块的每千瓦制造成本明显高于现有的涡轮增压器，而且，在发动机本体处于中低负荷时，这种微型外热式燃气轮机近乎于空转，很难驱动发电机。

采用布雷顿循环的动力涡轮。比如专利“公开号：CN102644499A 基于布雷顿循环的余热利用系统及余热利用发动机”，相对于上述的“申请号：CN201510310077.3一种采用闭式布列顿循环的汽车尾气余热发电装置”，省掉了补气装置，省掉了意义不大的冷却器及其散热风扇，大幅度简化了燃气轮机模块。但是这种设计只能回收发动机高负荷时的尾气废热，此时动力涡轮能输出的机械功仍然大大低于本机的涡轮增压器，整机综合油耗的降低很有限。回热器还需使用耐热不锈钢（又硬又脆），成本高，加工困难。一般涡轮增压器的效率45%～65%，全负荷时压气机出口温度约200℃，考虑到传热温差，回热器很难将大量压缩空气升温到400℃以上，扣除压气机消耗的功率，动力涡轮从尾气（涡轮后的废气）中回收的净机械功极其有限。

采用逆布雷顿循环的涡轮装置。“申请号：CN201711275722.8 一种内燃机系统”。在现有的废气涡轮装置后设置废气冷却器，给废气降温，使涡轮的背压小于大气压，增大了涡轮的膨胀比。但是为了防止外界气体倒流入废气冷却器，需要使用真空泵（即说明书中提到的第二压气机）。这种设计虽然避免了热惯性问题（并且换热器可以用低成本材料制造），但真空泵消耗的机械功太大。

用尾气废热干馏固体有机物，获得可用于发动机的气体或者液体燃料。结构复杂，一样存在换热迟滞现象，而且焦油有毒，可燃气体安全风险大。能在工厂里高效率完成的，就不要在移动的车辆上用简陋的装置低效率实现。

改进燃油和燃油添加剂，缩短后燃期，减少空气过量系数（减少多余的气体带走热量），减少废气带走的热量，不再需要废热回收模块，也是解决办法之一。但效果很有限。燃油添加剂还会使燃油的可靠储存期缩短到一个月，失效的添加剂会在燃油里形成油泥。

现状总结：把低品质热量（相对于气缸内的高温高压气体）转变为高品质能量（电能，或者曲轴机械功，或者新鲜空气压缩功）的装置，实用性都很差。废热回收模块的单位功率制造成本远高于发动机本体。只有把废热转变为新鲜空气压缩功，发动机性能改善才最显著，但这对热惯性的要求苛刻，不可能使用回热器，特别是对车辆发动机。

从另一方面说，所有使用回热器的装置，尾气废热转化为机械功的效率都大幅度低于不使用回热器的装置。因为回热器里工质的温度都大幅度低于废气。从历史经验说，不使用换热器的内燃机一出现，热效率就大幅度超过了蒸汽机。

企图实现高效率废热回收，并避免各种问题，近乎不可能。本发明力图使废热回收效率最高，各种问题最小，成本低。

发动机强化程度越高，尾气废热的品质越高（同时，发动机气缸体的散热量占比越低）。本方案能提高发动机的增压度，可以多喷油，进一步提高尾气废热的可利用程度，这是正反馈过程，直到涡轮超速，或者气缸爆发压力接近设计极限。

发明内容

本发明在涡轮后的尾管里周期性喷射水雾，水雾在高温废气里迅速气化，显著降低涡轮平均背压，大幅度增大了涡轮的实际可用能量，间接回收了尾气废热。随后，高温废气挤出低温废气，如此，反复循环。本发明同时能提高涡轮的加速性。对发动机本体改动很小。

附图说明

图1为带有末端阀的尾气废热回收装置。

图2为不带末端阀，而是利用惯性效应的尾气废热回收装置。

图3为带有螺旋槽的尾管。

图4为带有导流片的尾管。

图5为带有导流片的尾管横截面。

具体实施方式

如图1所示，1为涡轮出口，2为尾管，3为喷出的水雾，4为水雾喷嘴，5为末端阀。

本发明有两种工作模式：

1. 水雾喷嘴始终与发动机本体一起工作，耗水量大。当高温尾气填充满整个尾管时，末端阀门关闭，喷射水雾，尾管压力大幅度下降，涡轮加速，流出涡轮的废气温度相对下降。当尾管内的气体基本变为低温废气时，末端阀打开，高温废气挤出低温废气，开始下一个工作循环。

2.水雾喷嘴只是在涡轮需要加速时工作，当涡轮稳态运行时，喷雾器不工作，省水。或者，当发动机低负荷时喷雾，当在额定负荷时，不喷雾

喷嘴也可以同时实现这两种工作模式：在涡轮需要加速时，在正常的喷雾策略下，加大喷雾量或者额外增加专用喷头。

本发明是在涡轮背后喷射水雾，水垢沉积在尾管中，比形状复杂的换热器中的水垢容易处理得多，拿小锤就能敲掉。水垢残留的允许标准也低得多。对涡轮和发动机本体无影响。所以，对水质的要求相对更低。甚至可以用自来水。

水雾可以朝向任意方向喷射。

为了尽可能高的废热转化效率，废气只应该在水雾蒸发时放热，不应该向尾管或者大气放热（高温尾气从尾管逸出）。尾管的温度介于废气和水雾之间，所以，尾管的表面积越小越好。

水垢的热阻是钢铁的几十倍。

尾管沉积水垢有利于发动机快速冷启动。

在尾管内壁或者外壁贴隔热材料，也有相似的效果。

由于排向大气环境的废气体积流量明显减小，消声器能简化。

进一步，确保末端阀在发动机本体停机后或者启动时，位于开启状态，预先挤出尾管里的低温气体。

进一步，相对末端阀的完全关闭时刻，喷雾开启时刻可以提前一些。

进一步，相对于末端阀的重新开启时刻，喷雾停止时刻可以推迟一些。

在图2中，6为涡轮出口，7为尾管，8为喷出的水雾，9为水雾喷嘴。没有末端阀，在尾管的某个位置设置喷嘴，用排气的动态效应，造成某一时间段的涡轮低背压。

进一步，废气被设计为在尾管中漩涡运动，类似子弹在枪管中旋转，把尾管也设计为膛线结构，使水雾更好地蒸发。

尾管也可以是变截面的。

有两种尾管膛线结构：螺旋槽，导流片。

在图3中，406为尾管螺旋槽的内表面，410为尾管螺旋槽的外表面。螺旋槽可以往尾管内表面凹陷，也可以向外表面凸出。

优先采用三条螺旋槽。

在图4中，518为尾管中轴线，556为尾管中的导流片。

在图5中，518为尾管中轴线，556为尾管中的导流片，564为尾管外直径，562为导流片高度。在一些情况下，导流片高度562大约等于直径564的六分之一。

优先采用四个导流片。

现有的尾管中，废气压力略大于大气压，尾管变形小，尾管振动噪音小。本发明中的尾管压力周期性低于大气压，大直径的尾管会在大气压作用下反复“压瘪—回弹”，如果采用薄壁材料，尾管的振动噪音会非常可观。

加大尾管壁厚能减少震动，但是重量大。采用上述的尾管膛线结构，同时能大幅度增加尾管刚性，减少振动噪声。

相对于现有发动机，在不影响增压度的情况下，可以设置动力涡轮，通过减速机构输出到曲轴或者发电机。但这需要大直径的动力涡轮，减速机构的减速比过大，噪音大，成本高，节省的燃油不多。在不回收尾气废热时，动力涡轮装置“经济性改善幅度为3%～5%，功率增长至多10%”，（《涡轮增压与涡轮增压器》，朱大鑫，第547页）。在发动机处于低负荷时，还需要隔离动力涡轮，防止被曲轴反向拖动。

所以，废气的能量全部用于驱动涡轮增压器，结构更简单，制造成本相对更低，增压度堪比补燃增压系统，发动机单位功率制造成本低于现有的机型。但是，油耗低于补燃增压系统。

也可以把上述的涡轮替换为其它旋转式膨胀机。

由于空气过量系数可以大幅度增加，最高燃烧温度下降，可以取消废气再循环模块。

Claims (10)

1.一种尾气废热回收或者涡轮加速装置，包括尾管，水雾喷嘴和末端阀，其特征在于，喷射水雾，形成低背压，然后，高温废气挤出低温废气，如此反复循环。

2.一种尾气废热回收或者涡轮加速装置，包括尾管，水雾喷嘴，其特征在于，喷射水雾，形成低背压，然后，高温废气挤出低温废气，利用排气的动态效应形成尾管入口端的低背压，如此反复循环。

3.根据权利要求1所述的水雾喷嘴和末端阀，其特征在于，相对于末端阀的完全关闭时刻，喷雾开启时刻提前。

4.根据权利要求1所述的水雾喷嘴和末端阀，其特征在于，相对于末端阀的重新开启时刻，喷雾停止时刻推迟。

5.根据权利要求1或者2所述的尾管，其特征在于管壁上有螺旋槽。

6.根据权利要求1或者2所述的尾管，其特征在于管壁内部有螺旋导流片。

7.一种增压发动机，其特征在于，使用权利要求1或者权利要求2所述的尾气废热回收装置。

8.一种用部分增压空气提供空调制冷的增压发动机，其特征在于，使用权利要求1或者权利要求2所述的尾气废热回收装置。

9.一种车辆，其特征在于，使用权利要求7所述的发动机。

10.一种履带式机械，其特征在于，使用权利要求7所述的发动机。