CN110792491B - 一种内燃机尾气能量高效回收利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内燃机尾气能量高效回收利用系统，属于内燃机尾气能量回收利用领域，该系统首先利用温差发电装置对内燃机尾气中高温余热能进行回收利用，并回收利用蜗壳表面原本辐射到周围大气中的高温热量；其次利用涡轮增压装置对内燃机尾气中压力能进行高效回收利用，并通过石墨封严装置提高涡轮增压装置的效率；最后利用有机朗肯循环装置对内燃机尾气中低温余热能进行高效回收利用，由于低温余热能的温度较低，因此避免了有机朗肯循环所用工质在高温环境下工作而发生分解的风险，确保了有机朗肯循环的循环效率和工作可靠性。本发明通过对温差发电装置、高效涡轮增压装置以及有机朗肯循环装置的优化组合，实现能量的综合高效阶梯回收利用。

Description

一种内燃机尾气能量高效回收利用系统
技术领域
本发明属于内燃机尾气能量回收利用领域，更具体地，涉及一种高效涡轮增压装置、温差发电装置以及有机朗肯循环装置的车用内燃机尾气能量回收利用系统。
背景技术
近年来随着能源枯竭和环境污染等问题的日益加剧，车用内燃机的节能和减排已经成为世界各国重点关注的问题。内燃机在工作过程中，排放到周围大气中的尾气会带走约占总燃料35％的能量，这部分能量未被利用而浪费掉。因此，对内燃机尾气能量的回收利用是实现节能减排、降低内燃机燃油消耗率的重要方法。
内燃机尾气能量主要包括压力能和余热能两种。对压力能的回收利用主要采用涡轮增压技术；对余热能的回收利用主要采用温差发电技术或有机朗肯循环。
涡轮增压技术是提高内燃机经济性和降低有害物质排放的重要技术手段。涡轮增压系统主要是由涡轮和压气机组成，内燃机尾气中的压力能驱动涡轮高速旋转，涡轮带动压气机压缩做功，对空气进行压缩并将高压空气提供给内燃机。因此涡轮的效率影响压气机的做功能力，进而影响内燃机的热效率。目前为适应内燃机脉冲排气的特点，提高涡轮的效率，涡轮增压系统均采用了可调几何涡轮，即涡轮的导流叶片(导叶)可以根据内燃机的排气特性进行自动调节。由于导叶可调，因此在导叶的两端与壁面之间存在间隙，如图1所示。气流在流经导叶时由于间隙的存在必然会产生较强的间隙泄漏流。而间隙泄漏流会造成流动损失增加，从而导致涡轮效率大幅下降。因此，导叶间隙的存在会降低内燃机的热效率，增加耗油率。
涡轮增压系统中涡轮的蜗壳通常采用铸铁材料进行制造，铸铁材料具有较好的耐热性，从而可以使蜗壳承受较高的温度。目前，涡轮增压系统与内燃机的连接方式为涡轮的蜗壳直接连接在内燃机排气歧管的出口，由于内燃机尾气余热能的温度较高(600℃～700℃)，在热传导的作用下，蜗壳表面的温度也较高(约350℃)。蜗壳表面的这部分热量会直接辐射到周围大气中而浪费掉。
有机朗肯循环系统是内燃机尾气余热能回收利用最有效的技术手段之一。有机朗肯循环技术是采用低沸点的有机工质与工业余热资源进行热交换，低沸点有机工质转变为高温高压的工质蒸汽，工质蒸汽在涡轮膨胀机内膨胀做功推动涡轮转动，从而输出轴功。但是有机工质在长期的中低温环境中循环，其工质必定会发生热分解，从而导致系统性能偏离设计工况。一般地，有机朗肯循环所用工质的分解温度要低于350℃，而内燃机的排气温度一般高达600～700℃。因此，较高的余热温度有可能会造成有机朗肯循环工质发生分解，从而导致有机朗肯循环的循环效率降低，工作可靠性变差。这是制约有机朗肯循环系统对高温排气余热能进行回收利用的重要因素之一。
综上所述，无论是采用涡轮增压系统，还是有机朗肯循环系统均未实现对能量的高效回收利用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种内燃机尾气能量综合高效阶梯回收利用系统，由此解决现有涡轮增压系统和有机朗肯循环系统均未实现内燃机尾气能量高效回收利用的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种内燃机尾气能量综合高效阶梯回收利用系统，包括：温差发电装置、涡轮增压装置以及有机朗肯循环装置；
其中，所述温差发电装置包括散热器、温差发电机、水箱及水泵；所述涡轮增压装置包括可调几何涡轮、压气机及第一中冷器；所述有机朗肯循环装置包括有机工质泵、有机工质储液罐、蒸发器、第三膨胀机及第二冷凝器；
所述散热器位于内燃机排气歧管出口和所述可调几何涡轮进口之间；所述水泵连接所述水箱，用于将水从所述水箱中抽出并加压成高压液态水，所述高压液态水分别流经所述可调几何涡轮的蜗壳表面和所述散热器表面进行热交换，并被加热成高温高压水蒸汽；所述高温高压水蒸汽作为所述温差发电机的热源；
所述压气机与所述可调几何涡轮同轴连接，内燃机尾气在经过所述散热器后的高压燃气在所述可调几何涡轮中膨胀做功，以驱动所述压气机旋转做功从而产生高压高温空气，所述高压高温空气经由所述第一中冷器冷却后进入内燃机中进行循环做功，经由所述第一中冷器流出的部分高压低温空气作为所述温差发电机的冷源；
所述有机工质泵连接所述有机工质储液罐，用于将所述有机工质储液罐中的有机工质抽出并加压成高压液态工质，所述高压液态工质流入所述蒸发器中与所述可调几何涡轮排出的低温尾气进行热交换，被加热成高温高压气态工质，所述高温高压气态工质进入所述第三膨胀机中进行膨胀做功，由所述第三膨胀机膨胀做功后的低温低压气态工质进入所述第二冷凝器中进行冷却后变为液态工质，并流入所述有机工质储液罐，完成一次系统做功循环。
在本发明中，首先利用温差发电装置对内燃机尾气中的高温余热能进行回收利用，其次利用涡轮增压装置对内燃机尾气中的压力能进行回收利用，最后利用有机朗肯循环装置对内燃机尾气中的低温余热能进行回收利用，从而实现了对内燃机尾气能量的综合高效阶梯回收利用。
优选地，所述涡轮增压装置还包括：石墨封严装置；
所述石墨封严装置包括支撑盘侧的石墨封严环、蜗壳侧的石墨封严环；
所述石墨封严环位于所述支撑盘上的石墨环安装槽，所述石墨封严环设置有若干通孔，用于安装导叶的旋转轴；所述石墨封严环位于所述蜗壳上的石墨环安装槽；所述石墨封严环和所述石墨封严环分别位于所述导叶的两侧，且与所述导叶刚性摩擦接触，用于对导叶与壁面之间的间隙进行接触封严。
优选地，在所述石墨封严环和所述石墨封严环的安装槽底面均设置有冷却空气流道，来源于所述第一中冷器后的部分高压低温空气从进口流入所述冷却空气流道，对所述石墨封严环和所述石墨封严环进行冷却后从出口流入所述可调几何涡轮中，并与所述可调几何涡轮内的高压燃气进行掺混后做功。
优选地，所述温差发电装置还包括：第一膨胀机、第二膨胀机及发电机；
所述热源的高温高压水蒸汽经过所述温差发电机后，驱动所述第一膨胀机膨胀做功并带动所述发电机进行发电；所述冷源的高压低温空气经过所述温差发电机后，驱动所述第二膨胀机膨胀做功并带动所述发电机进行发电，所述第二膨胀机流出的空气变成乏气直接排入到大气中。
优选地，所述温差发电装置还包括所述温差发电装置还包括第一冷凝器；
所述第一冷凝器位于所述第一膨胀机与所述水箱之间；所述第一膨胀机流出的低温低压气态水经过所述第一冷凝器后变成常温常压液态水并流回到所述水箱中，完成一次做功循环。
优选地，所述有机朗肯循环装置还包括：所述有机朗肯循环装置还包括：压缩机及第二中冷器；
所述压缩机与所述第三膨胀机同轴连接，由所述第三膨胀机做功驱动所述压缩机旋转做功并产生高压高温空气，所述高压高温空气经过所述第二中冷器后变成高压低温空气，并流入所述涡轮增压装置中的压气机中进行再次压缩，从而形成两级压缩系统。
优选地，所述第一膨胀机和所述第二膨胀机串联。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明通过对温差发电装置、高效涡轮增压装置以及有机朗肯循环装置的优化组合，回收利用内燃机尾气中的高温余热能、压力能和低温余热能，实现能量的综合高效阶梯回收利用，从而提高了整个内燃机的热效率，这对于内燃机的节能减排而言意义重大。
(2)利用温差发电装置实现对内燃机尾气中高温余热能的高效回收利用，同时通过温差发电装置回收利用了涡轮的蜗壳表面原本辐射到周围大气中的高温热量，提高了能量的利用率。
(3)通过涡轮增压装置实现对内燃机尾气中压力能的高效利用，同时采用了石墨封严装置，提高了涡轮效率，进而提高了压气机的做功能力以及内燃机的热效率。
(4)利用有机朗肯循环装置对内燃机尾气中低温余热能的高效回收利用。由于内燃机尾气中的高温余热能通过温差发电装置和涡轮增压装置作用后，其温度已经大幅降低从而变成低温余热能，因此避免了有机朗肯循环所用工质在高温环境下工作而发生分解的风险，确保了有机朗肯循环的循环效率和工作可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种涡轮间隙示意图；
图2是本发明实施例提供的一种内燃机尾气能量回收利用系统示意图；
图3是本发明实施例提供的一种石墨封严装置示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-内燃机气缸，2-高效散热器，3-温差发电机，4-第一膨胀机，5-第二膨胀机，6-发电机，7-第一冷凝器，8-水箱，9-水泵，10-涡轮，11-压气机，12-第一中冷器，13-蒸发器，14-有机工质泵，15-有机工质储液罐，16-第二冷凝器，17-第三膨胀机，18-压缩机，19-第二中冷器，21-支撑盘侧石墨封严环，22-导叶，23-蜗壳侧石墨封严环，24-蜗壳，25-支撑盘，26-冷却空气进口，27-冷却空气出口，28-通孔，29-导叶旋转轴，210-冷却空气流道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图2所示是本发明实施例提供的一种内燃机尾气能量回收利用系统的结构示意图，主要包括温差发电装置、涡轮增压装置以及有机朗肯循环装置。
内燃机气缸1在工作过程中会排出高温高压尾气，首先利用温差发电装置对内燃机尾气中的高温余热能进行回收利用，同时对涡轮的蜗壳表面原本辐射到大气中的热量进行回收利用。
在本发明实施例中，温差发电装置主要包括：高效散热器2、温差发电机3、第一膨胀机4、第二膨胀机5、发电机6、第一冷凝器7、水箱8及水泵9等。内燃机气缸1排出的高温尾气首先经过高效散热器2进行散热，高效散热器2在不损失内燃机尾气压力能的基础上，会尽可能多的将尾气中的高温热量传导出来。水泵9连接水箱8，用于将水从水箱8中抽出并进行加压成高压液态水。高压液态水首先流经涡轮10的蜗壳表面进行热交换，吸收涡轮10的蜗壳表面原本辐射到周围大气中的热量后，形成高压水蒸汽；然后高压水蒸汽流经高效散热器2的表面进行进一步的热交换，形成高温高压水蒸汽。高温高压水蒸汽作为温差发电机3的热源。温差发电机3的冷源来自于涡轮增压装置中的第一中冷器12流出的一部分高压低温空气。在冷源和热源的作用下，温差发电机3发电并输出电力。热源的高温高压水蒸汽经过温差发电机3后仍具有一定的压力能，因此可以驱动第一膨胀机4膨胀做功并带动发电机6进行发电。同时冷源的高压低温空气经过温差发电机3后仍具有一定的压力能，也可以驱动第二膨胀机5膨胀做功并带动发电机6进行发电。为提高发电机6的发电功率，将第一膨胀机4和第二膨胀机5进行串联，以增大输入到发电机6轴上的扭矩。第二膨胀机5流出的空气变成乏气直接排入到大气中。第一膨胀机4流出的低温低压气态水经过第一冷凝器7后变成常温常压液态水并流回到水箱8中，完成一次做功循环。
内燃机尾气在经过高效散热器2之后，再利用涡轮增压装置对尾气中的压力能进行回收利用。
在本发明实施例中，涡轮增压装置包括涡轮10、压气机11、第一中冷器12以及石墨封严装置等。涡轮10连接在高效散热器2的下游，压气机11与涡轮10同轴连接。高效散热器2流出的高压燃气在涡轮10中膨胀做功并驱动压气机11旋转做功从而产生高压高温空气。第一中冷器12连接在压气机11的下游，高压高温空气经过第一中冷器12后变成高压低温空气，并流入内燃机气缸1中进行循环做功。
为提高涡轮的效率，本发明实施例中采用了石墨封严装置对导叶与壁面之间的间隙进行封严。
在本发明实施例中，如图3所示，石墨封严装置包括支撑盘25侧的石墨封严环21、蜗壳24侧的石墨封严环23、冷却空气进口26、冷却空气流道210及冷却空气出口27等。在支撑盘25上设置石墨环安装槽，用于安装石墨封严环21，石墨封严环21设置有若干通孔28，用于安装导叶22的旋转轴29。同样在蜗壳24上设置有石墨环安装槽，用于安装石墨封严环23。石墨封严环21和石墨封严环23分别位于涡轮导叶22的两侧，石墨封严环21及石墨封严环23与导叶22刚性摩擦接触，用于对导叶与壁面之间的间隙进行接触封严。由于石墨具有自我润滑作用以及摩擦系数小等优点，在不影响导叶自由转动的同时抑制了导叶两端的间隙泄漏流。同时在石墨封严环21和石墨封严环23的安装槽底面设置有冷却空气流道210，用于对石墨封严环21和石墨封严环23进行空气冷却。冷却空气来源于第一中冷器12后的一部分高压低温空气，冷却空气从进口26流入冷却空气流道210，对石墨封严环21和石墨封严环23进行冷却后从出口27流入涡轮10中，并与涡轮10内的高压燃气进行掺混后做功。
内燃机尾气经过温差发电装置和涡轮增压装置后，尾气中的压力能已被充分利用，而高温余热能变为低温余热能，仍有部分热能未被利用。因此在涡轮增压装置涡轮10的出口采用有机朗肯循环装置对尾气中的低温余热能进行回收利用。
在本发明实施例中，有机朗肯循环装置包括有机工质泵14、有机工质储液罐15(工质包括但不限于R245fa)、蒸发器13、第三膨胀机17、第二冷凝器16、压缩机18及第二中冷器19等。有机工质泵14连接有机工质储液罐15，用于将有机工质抽出并加压成高压液态有机工质。蒸发器13连接在有机工质泵14的下游，高压液态有机工质流入蒸发器13中与涡轮排出的低温燃气进行热交换，从而被加热成高温高压蒸汽。低温燃气经过蒸发器13后变成乏气直接排到周围大气中。第三膨胀机17连接在蒸发器13的下游，高温高压气态有机工质进入第三膨胀机17中膨胀做功，同时变成低温低压的气态有机工质。压缩机18与第三膨胀机17同轴连接，第三膨胀机17做功驱动压缩机18旋转做功并产生高压高温空气。第二中冷器19安装在压缩机18的下游，压缩机18出口的高压高温空气经过第二中冷器19后变成高压低温空气，并流入涡轮增压装置中的压气机11中进行再次压缩，从而形成两级压缩系统。第二冷凝器16连接在第三膨胀机17的下游，第三膨胀机17流出的低温低压气态有机工质经过第二冷凝器16冷却后变成常温常压的液态有机工质，并流回到有机工质储液罐15中，完成一次做功循环。由于有机朗肯循环装置在低温余热能环境下工作，大幅降低了工作过程中所用工质发生分解的风险，从而确保了有机朗肯循环的循环效率和工作可靠性。
本发明通过温差发电装置、涡轮增压装置以及有机朗肯循环装置的优化组合，实现了内燃机尾气中压力能和余热能的综合高效阶梯回收利用，从而提高了能量的利用率，实现了节能减排的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种内燃机尾气能量高效回收利用系统，其特征在于，包括：温差发电装置、涡轮增压装置以及有机朗肯循环装置；
其中，所述温差发电装置包括散热器(2)、温差发电机(3)、水箱(8)及水泵(9)；所述涡轮增压装置包括可调几何涡轮(10)、压气机(11)及第一中冷器(12)；所述有机朗肯循环装置包括有机工质泵(14)、有机工质储液罐(15)、蒸发器(13)、第三膨胀机(17)及第二冷凝器(16)；
所述散热器(2)位于内燃机排气歧管出口和所述可调几何涡轮(10)进口之间；所述水泵(9)连接所述水箱(8)，用于将水从所述水箱(8)中抽出并加压成高压液态水，所述高压液态水分别流经所述可调几何涡轮(10)的蜗壳表面和所述散热器(2)表面进行热交换，并被加热成高温高压水蒸汽；所述高温高压水蒸汽作为所述温差发电机(3)的热源；
所述压气机(11)与所述可调几何涡轮(10)同轴连接，内燃机尾气在经过所述散热器(2)后的高压燃气在所述可调几何涡轮(10)中膨胀做功，并驱动所述压气机(11)旋转做功从而产生高压高温空气，所述高压高温空气经由所述第一中冷器(12)冷却后进入内燃机中进行循环做功，经由所述第一中冷器(12)流出的部分高压低温空气作为所述温差发电机(3)的冷源；
所述有机工质泵(14)连接所述有机工质储液罐(15)，用于将所述有机工质储液罐(15)中的有机工质抽出并加压成高压液态工质，所述高压液态工质流入所述蒸发器(13)中与所述可调几何涡轮(10)排出的低温尾气进行热交换，被加热成高温高压气态工质，所述高温高压气态工质进入所述第三膨胀机(17)中进行膨胀做功，由所述第三膨胀机(17)膨胀做功后的低温低压气态工质进入所述第二冷凝器(16)中进行冷却后变为液态工质，并流入所述有机工质储液罐(15)，完成一次系统做功循环。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮增压装置还包括：石墨封严装置；
所述石墨封严装置包括支撑盘(25)侧的石墨封严环(21)、蜗壳(24)侧的石墨封严环(23)；
所述支撑盘(25)侧的石墨封严环(21)位于所述支撑盘(25)上的石墨环安装槽，所述支撑盘(25)侧的石墨封严环(21)设置有若干通孔(28)，用于安装导叶(22)的旋转轴(29)；所述蜗壳(24)侧的石墨封严环(23)位于所述蜗壳(24)上的石墨环安装槽；所述支撑盘(25)侧的石墨封严环(21)和所述蜗壳(24)侧的石墨封严环(23)分别位于所述导叶(22)的两侧，且与所述导叶(22)刚性摩擦接触，用于对导叶与壁面之间的间隙进行接触封严。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述支撑盘(25)侧的石墨封严环(21)和所述蜗壳(24)侧的石墨封严环(23)的安装槽底面均设置有冷却空气流道(210)，来源于所述第一中冷器(12)后的部分高压低温空气从进口(26)流入所述冷却空气流道(210)，对所述支撑盘(25)侧的石墨封严环(21)和所述蜗壳(24)侧的石墨封严环(23)进行冷却后从出口(27)流入所述可调几何涡轮(10)中，并与所述可调几何涡轮(10)内的高压燃气进行掺混后做功。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的系统，其特征在于，所述温差发电装置还包括：第一膨胀机(4)、第二膨胀机(5)及发电机(6)；
所述热源的高温高压水蒸汽经过所述温差发电机(3)后，驱动所述第一膨胀机(4)膨胀做功并带动所述发电机(6)进行发电；所述冷源的高压低温空气经过所述温差发电机(3)后，驱动所述第二膨胀机(5)膨胀做功并带动所述发电机(6)进行发电，所述第二膨胀机(5)流出的空气变成乏气直接排入到大气中。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述温差发电装置还包括第一冷凝器(7)；
所述第一冷凝器(7)位于所述第一膨胀机(4)与所述水箱(8)之间；所述第一膨胀机(4)流出的低温低压气态水经过所述第一冷凝器(7)后变成常温常压液态水并流回到所述水箱(8)中，完成一次做功循环。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述有机朗肯循环装置还包括：压缩机(18)及第二中冷器(19)；
所述压缩机(18)与所述第三膨胀机(17)同轴连接，由所述第三膨胀机(17)做功驱动所述压缩机(18)旋转做功并产生高压高温空气，所述高压高温空气经过所述第二中冷器(19)后变成高压低温空气，并流入所述涡轮增压装置中的压气机(11)中进行再次压缩，从而形成两级压缩系统。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一膨胀机(4)和所述第二膨胀机(5)串联。
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