CN110685766B - 一种基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用系统及其方法 - Google Patents

一种基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于热泵‑热机双向循环的发动机余热余能综合利用系统及其方法，包括热力循环系统和发动机及其子系统；热力循环系统视具体发动机工况通过热泵循环将发动机曲轴动能转换为储热介质热能，通过热机循环将储存下来的热能转换为曲轴动能补充发动机工况；发动机及其子系统为本发明余热、余能源，发动机尾气流经热力循环系统的显热‑潜热复合储热换热器将废热储存下来；本发明充分利用发动机制动时的余能及正常工作时尾气的余热，降低排放，提高热效率。

Description

一种基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用系 统及其方法
技术领域
本发明涉及能源领域，尤其涉及发动机余热余能回收利用领域，特别是一种基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用系统及其方法。
技术背景
有效提高发动机效率已成为传统内燃机技术领域共同努力的方向。
发动机余热回收技术是其中一种有效的方式，利用发动机尾气或冷却水中的余热来蒸发热力循环工质，使得工质在膨胀机中膨胀做功，以此将低品位废热转换为高品位的电能或机械能，提高发动机整体效率。
发动机制动余能回收技术是另一项针对发动机效率提高的技术手段，发动机在制动工况时，合理设计配气机构，使发动机工作在空压机模式，将压缩后的空气储存在储气罐中，以此将发动机的动能转换为压缩空气的释能，实现制动余能的回收。
目前针对发动机的余热余能回收，研究人员分别在有机朗肯循环(ORC)与发动机排气压缩制动进行了研究，但尚没有同时利用其尾气余热与制动余能的技术方案。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用系统及其方法，能够利用热泵循环回收发动机制动余能，并充分利用发动机余热，以热机循环的方式输出机械功补充给曲轴，以此减少发动机燃油消耗、降低排放，提高发动机效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明首先公开了一种基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用系统，包括热力循环系统和发动机及其子系统；
其中发动机及其子系统的发动机尾气路径经过热力循环系统的显热-潜热复合储热换热器，使尾气与显热-潜热复合储热换热器里的储热介质进行热交换；热力循环系统的容积式膨胀-压缩机机械轴与发动机及其子系统的发动机曲轴通过离合器连接。
作为本发明的优选方案，所述热力循环系统为进行正逆热力学循环的子系统，包括容积式膨胀-压缩机、显热-潜热复合储热换热器、三通阀A、膨胀阀、工质泵、三通阀B和环境换热器；热力循环工质在热力循环系统的工质循环路径中进行正向热机循环或逆向热泵循环；所述容积式膨胀-压缩机的机械轴与所述发动机及其子系统的离合器连接，容积式膨胀-压缩机的工质出/入口两端分别连接环境换热器一侧的工质口和显热-潜热复合储热换热器，根据发动机具体工作模式，视具体热力学循环，应工质流向不同，所述容积式膨胀-压缩机可工作在膨胀机模式或压缩机模式；所述显热-潜热复合储热换热器内部设有循环工质流道和发动机尾气流道，所述发动机尾气流道的入口与发动机及其子系统的排气管出口连通，发动机尾气流道的出口与大气连通，以此构成所述发动机尾气路径；所述循环工质流道的出/入口分别连接容积式膨胀-压缩机和三通阀A的第一流道口，三通阀A的第三流道口通过膨胀阀与三通阀B的第三流道口连接，三通阀A的第二流道通过工质泵与三通阀B的第二流道口连接，三通阀B的第一流道口连接环境换热器另一侧的工质口；所述环境换热器为工质与环境换热场所。
作为本发明的优选方案，所述显热-潜热复合储热换热器内部的储热介质为显热储热材料和潜热储热材料按照一定规格与方式布置的复合材料，不同布置方式的内部换热结构均在本发明保护范围内。
本发明与已有技术相比较，有益效果主要有以下方面：
(1)本发明充分利用发动机制动特性，通过热力循环转换为储热介质中的热能，实现对发动机制动余能的回收。
(2)本发明充分利用发动机工作时的排放特性，通过储热的方式将发动机废气储存在储热介质中，实现对发动机余热的回收，降低了发动机的废弃能量排放。
(3)本发明通过正向热机循环，将发动机制动时回收的余能与正常工作时的余热转换为膨胀机机械功补充发动机动力，使发动机工作在较佳工况环境下，降低发动机燃油消耗。
附图说明
图1是本发明系统原理图；
图2是本发明发动机制动模式系统工作示意图；
图3是本发明发动机正常工作模式系统工作示意图；
其中，1-发动机曲轴，2-离合器，3-容积式膨胀/压缩机，4-显热-潜热复合储热换热器，5-三通阀A，6-膨胀阀，7-工质泵，8-三通阀B，9-环境换热器，R1- 发动机尾气路径，R2-工质循环路径。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体实施例目的，不是旨在于限制本发明。
参阅图1所示，本发明首先公开了一种基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用系统，包括热力循环系统S1和发动机及其子系统S2。
参阅图1所示，所述热力循环系统S1为进行正逆热力学循环的子系统，其包括：容积式膨胀-压缩机3，其机械轴与离合器2连接，其工质出入口两端分别连接显热-潜热复合储热换热器4和环境换热器9，根据发动机具体工作模式，视具体热力学循环，应工质流向不同可作为膨胀机或压缩机；显热-潜热复合储热换热器4，其内部为显热储热材料和潜热储热材料按照一定规格与方式布置的管壳式结构，其内部设有循环工质流道和发动机尾气流道，其中循环工质流道的两个流道口分别连接所述热力循环系统S1的容积式膨胀/压缩机3与三通阀A5，另外发动机尾气流道的两个流道口分别连接所述发动机及其子系统S2的发动机尾气路径R1的出口和大气；三通阀A5，其三个工质流道口分别连接显热-潜热复合储热换热器4、工质泵7和膨胀阀6；膨胀阀6，其工质出入口分别连接三通阀A5和三通阀B8；工质泵7，其工质出入口分别连接三通阀A5和三通阀B8 不同于膨胀阀6的接口；三通阀B8，其三个工质流道口分别连接环境换热器9、工质泵7和膨胀阀6；环境换热器9，为工质与环境换热场所，其工质口分别连接三通阀B8与容积式膨胀-压缩机3。
参阅图1所示，所述发动机及其子系统S2作为本发明余热、余能源，其包括：离合器2，两端分别连接所述热力循环系统S1的容积式膨胀-压缩机3机械轴与发动机曲轴1；发动机曲轴1，其前端与离合器2相连；发动机尾气路径R1，从排气总管出来后流入所述热力循环系统S1显热-潜热复合储热换热器4中有别于循环工质出入口的流道口，流经显热-潜热复合储热换热器4后排向大气。
作为本发明的优选实施方式，热力循环工质在热力循环系统(S1)的工质循环回路R2中进行正向热机循环或逆向热泵循环；当容积式膨胀-压缩机3工作在膨胀机模式时，三通阀A5和三通阀B8通过工质泵7接通，所述工质泵7、三通阀A5、显热-潜热复合储热换热器4、容积式膨胀-压缩机3、环境换热器9、三通阀B8构成正向热机循环回路；当容积式膨胀-压缩机3工作在压缩机模式时，三通阀A5和三通阀B8通过膨胀阀6接通，所述容积式膨胀-压缩机3、显热-潜热复合储热换热器4、三通阀A5、膨胀阀6、三通阀B8、环境换热器9构成逆向热泵循环回路。
本发明的工作过程如下：
参阅图2所示，当发动机进行制动时，系统进入发动机制动模式，工质循环路径R2如图2所示，此时所述热力循环系统S1的容积式膨胀-压缩机3工作在压缩机模式，所述发动机及其子系统S2的发动机曲轴1通过离合器2与容积式膨胀-压缩机3连接，倒拖其工作，热力循环工质在容积式膨胀-压缩机3中被加压至高温高压状态；此后工质进入所述热力循环系统S1的显热-潜热复合储热换热器4中，将热量传递给储热介质，自身被冷却至低温高压状态；此模式下，所述热力循环系统S1的三通阀A5和三通阀B8控制工质回路，使工质流经所述热力循环系统S1的膨胀阀6，工质经过膨胀，温度压力均下降，其中温度降低至低于环境温度；最后工质流入所述热力循环系统S1的环境换热器9升温至初始状态，然后进入容积式膨胀-压缩机3进入下一循环；以此热力循环实现将发动机制动时的动能转换为储热材料的热能储存下来，实现发动机制动余能的回收。
参阅图3所示，当发动机正常工作时，系统进入发动机正常工作模式，工质循环路径R2如图3所示，此时所述热力循环系统S1的三通阀A5和三通阀B8 控制工质回路，使工质流经所述热力循环系统S1的工质泵7，工质经过工质泵 7升压；此后工质进入所述热力循环系统S1的显热-潜热复合储热换热器4中，吸收储热介质热量，进入高温高压状态；此模式下，所述热力循环系统S1的容积式膨胀-压缩机3工作在膨胀机模式，工质进入容积式膨胀-压缩机3膨胀做功，容积式膨胀-压缩机3输出的机械功通过离合器2传递至所述发动机及其子系统S2的发动机曲轴1，经过膨胀的工质压力温度均下降；最后工质流入所述热力循环系统S1的环境换热器9进一步被冷却至环境温度，后进入工质泵7进入下一循环；以此热力循环实现将储热材料储存下来的热能转换为发动机曲轴动能，以补充发动机正常工作时的动力，实现发动机工作在较佳工况。此外，此模式下，发动机尾气流经所述热力循环系统S1的显热-潜热复合储热换热器4，将尾气中的废热传递给储热介质，实现发动机尾气余热的回收。

Claims (3)

1.一种基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用系统，其特征在于，包括热力循环系统（S1）和发动机及其子系统（S2）；
所述发动机及其子系统（S2）的发动机尾气路径（R1）经过热力循环系统（S1）的显热-潜热复合储热换热器（4），使尾气与显热-潜热复合储热换热器（4）里的储热介质进行热交换；热力循环系统（S1）的容积式膨胀-压缩机（3）机械轴与发动机及其子系统（S2）的发动机曲轴（1）通过离合器（2）连接；
所述热力循环系统（S1）包括容积式膨胀-压缩机（3）、显热-潜热复合储热换热器（4）、三通阀A（5）、膨胀阀（6）、工质泵（7）、三通阀B（8）和环境换热器（9）；热力循环工质在热力循环系统（S1）的工质循环路径（R2）中进行正向热机循环或逆向热泵循环；所述容积式膨胀-压缩机（3）的机械轴与所述发动机及其子系统（S2）的离合器（2）连接，容积式膨胀-压缩机（3）的工质出/入口两端分别连接环境换热器（9）一侧的工质口和显热-潜热复合储热换热器（4）；所述显热-潜热复合储热换热器（4）内部设有循环工质流道和发动机尾气流道，所述发动机尾气流道的入口与发动机及其子系统（S2）的排气管出口连通，发动机尾气流道的出口与大气连通，以此构成所述发动机尾气路径（S2）；所述循环工质流道的出/入口分别连接容积式膨胀-压缩机（3）和三通阀A（5）的第一流道口，三通阀A（5）的第三流道口通过膨胀阀（6）与三通阀B（8）的第三流道口连接，三通阀A（5）的第二流道通过工质泵（7）与三通阀B（8）的第二流道口连接，三通阀B（8）的第一流道口连接环境换热器（9）另一侧的工质口；所述环境换热器（9）为工质与环境换热场所。
2.如权利要求1所述的一种基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用系统，其特征在于，所述显热-潜热复合储热换热器（4）内部的储热介质为显热储热材料和潜热储热材料的复合材料。
3.一种权利要求1所述系统的基于热泵-热机双向循环的发动机余热余能综合利用方法，其特征在于：
当发动机进行制动时，系统进入发动机制动模式，此时所述热力循环系统（S1）的容积式膨胀-压缩机（3）工作在压缩机模式，热力循环工质在热力循环系统（S1）的工质循环路径（R2）中进行逆向热泵循环；所述发动机及其子系统（S2）的发动机曲轴（1）通过离合器（2）与容积式膨胀-压缩机（3）连接，倒拖其工作，热力循环工质在容积式膨胀-压缩机（3）中被加压至高温高压状态；此后工质进入所述热力循环系统（S1）的显热-潜热复合储热换热器（4）中，将热量传递给储热介质，自身被冷却至低温高压状态；此模式下，三通阀A（5）的第一流道口和第三流道口接通，三通阀B（8）的第三流道口和第二流道口接通，使工质流经所述热力循环系统（S1）的膨胀阀（6），工质经过膨胀，温度压力均下降，其中温度降低至低于环境温度；最后工质流入所述热力循环系统（S1）的环境换热器（9）升温至初始状态，然后进入容积式膨胀-压缩机（3）进入下一循环；以此热力循环实现将发动机制动时的动能转换为储热介质的热能储存下来，实现发动机制动余能的回收；
当发动机正常工作时，系统进入发动机正常工作模式，此时所述热力循环系统（S1）的容积式膨胀-压缩机（3）工作在膨胀机模式，热力循环工质在热力循环系统（S1）的工质循环路径（R2）中进行正向热机循环；此模式下，三通阀A（5）的第一流道口和第二流道口接通，三通阀B（8）的第一流道口和第二流道口接通，使工质流经所述热力循环系统（S1）的工质泵（7），工质经过工质泵（7）升压；此后工质进入所述热力循环系统（S1）的显热-潜热复合储热换热器（4）中，吸收储热介质热量，进入高温高压状态；然后工质进入容积式膨胀-压缩机（3）膨胀做功，容积式膨胀-压缩机（3）输出的机械功通过离合器（2）传递至所述发动机及其子系统（S2）的发动机曲轴（1），经过膨胀的工质压力温度均下降；最后工质流入所述热力循环系统（S1）的环境换热器（9）进一步被冷却至环境温度，后进入工质泵（7）进入下一循环；以此热力循环实现将储热介质储存下来的热能转换为发动机曲轴（1）动能，以补充发动机正常工作时的动力，实现发动机工作在较佳工况；此外，此模式下，发动机尾气流经所述热力循环系统（S1）的显热-潜热复合储热换热器（4），将尾气中的废热传递给储热介质，实现发动机尾气余热的回收。
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