CN110454242B - 尾气废热回收与涡轮加速装置 - Google Patents
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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
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。
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。
具体实施方式 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 (6)
1.一种尾气废热回收装置,包括尾管,水雾喷嘴和末端阀;其特征在于,尾管在旋转式膨胀机之后,水雾喷嘴和末端阀安装在尾管上,控制水雾喷嘴和末端阀周期性开闭;当高温尾气充满尾管时,水雾喷嘴向尾管内喷射水雾,末端阀关闭,降低尾管内的背压,当尾管内的尾气变为低温时,末端阀打开,高温尾气挤出低温尾气,如此反复循环。
2.根据权利要求1所述的尾气废热回收装置,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。
3.根据权利要求1所述的尾气废热回收装置,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,末端阀位置在水雾喷嘴之后。
4.根据权利要求1所述的尾气废热回收装置,其特征在于尾管的管壁上有螺旋槽。
5.根据权利要求1所述的尾气废热回收装置,其特征在于尾管内表面有螺旋导流片。
6.一种增压发动机,其特征在于,使用权利要求1所述的尾气废热回收装置,尾管内表面或者外表面有隔热层,所述旋转式膨胀机为废气涡轮。
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- 2019-06-26 CN CN201910560036.8A patent/CN110454242B/zh active Active
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