CN112377280A - 增压发动机排气能量梯级利用系统及其利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供增压发动机排气能量梯级利用系统及其利用方法，内燃机进气道通过三通方式连接压气机和大气，内燃机排气道通过三通方式连接涡轮进气三通管道和内燃机自然排气三通管道，涡轮进气三通管道和内燃机自然排气三通管道之间设置涡轮旁通阀门，换热锅炉液相出口连接汽轮机入口，冷凝器的高温流路出口通过换热增压泵连接换热锅炉液相入口。本发明能够实现内燃机不同工况下两进排气通道之间的切换，通过发电机和热电设备把动能和热能转化为电能并通过储能元件加以储存，实现通过分别包含有汽轮机和能量储存池的两条闭合工质回路对不同工况下内燃机尾气余热能量的梯级回收，提高能量利用率，实现能量更加合理的转化。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种发动机，具体地说是发动机的排气利用系统。
背景技术
内燃机以其热效率高、重量尺寸小、运行维护简便等特点成为主要的动力装置之一。内燃机作为动力输出的主要形式，其效率最高不过45％，大部分能量都以热能的形式散失，其中以尾气的形式散失的能量更是占到了总能量的35％左右。若是可以有效利用这部分比重大且品位高的尾气能量，将会降低燃油消耗而且提高发动机的有效输出功率，对于实现内燃机的节能减排具有重要意义。因此，通过回收利用尾气余热来提高内燃机燃料利用效率的方法日益受到重视。
发明内容
本发明的目的在于提供利用汽轮机和热电设备实现尾气能量回收的增压发动机排气能量梯级利用系统及其利用方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明增压发动机排气能量梯级利用系统，其特征是：内燃机进气道通过三通方式连接压气机和大气，内燃机排气道通过三通方式连接涡轮进气三通管道和内燃机自然排气三通管道，涡轮进气三通管道和内燃机自然排气三通管道之间设置涡轮旁通阀门，涡轮后方的换热锅炉进气三通管道、内燃机自然排气三通管道和换热锅炉气相进气通道以三通方式相连，换热锅炉液相出口连接汽轮机入口，冷凝器的高温流路入口连接汽轮机出口，冷凝器的高温流路出口通过换热增压泵连接换热锅炉液相入口，冷凝器的低温流路出口连接能量储存池入口，冷凝器的低温流路入口经冷凝泵连接能量储存池出口，发电机连接汽轮机的轴，并通过导线连接储能单元，能量储存池的外壁上附着热电设备，热电设备连接储能单元。
本发明还可以包括：
1、内燃机进气道、压气机和大气三通处安装进气道三通阀门，内燃机排气道、涡轮进气三通管道和内燃机自然排气三通管道三通处安装排气道三通阀门，进气道三通阀门、排气道三通阀门为球阀，涡轮旁通阀门为蝶阀。
2、所述能量储存池为储水箱结构，内部的一级回路工质为石蜡油。
3、换热锅炉、汽轮机、冷凝器、换热增压泵组成第一级能量回收系统，尾气从由换热锅炉进气三通管道进入换热锅炉气相流路中，传热给相变流路中的温度较低的一级回路工质，使液体工质气化通过管道进入汽轮机中吹动其旋转来带动发电机发电并通过导线传输，最终储存于储能单元中，一级回路工质流出汽轮机后进入冷凝器的高温流路，与低温流路的二级回路工质换热而液化，经过换热增压泵加速进入换热锅炉中完成第一级余热能量回收的工质循环；
冷凝器、冷凝泵、能量储存池、热电设备组成第二级能量回收系统，在冷凝器的低温流路中的二级回路工质受热温度提高，从低温流路出口进入能量储存池中使能量储存池温度升高，附着于其外表面的热电设备受热发电经导线进入储能单元，二级回路工质经过冷凝泵的作用流出能量储存池并加速流入冷凝器的低温流路中，完成第二级余热能量回收的工质循环。
本发明增压发动机排气能量梯级利用方法，其特征是：进气道三通阀门、排气道三通阀门、涡轮旁通阀门连接控制单元；
(1)内燃机处于低工况，内燃机的排气不足以带动涡轮增压器使其对空气加压，通过控制单元关闭进气道三通阀门与压气机相连的进气口，打开进气道三通阀门与大气的进气口形成内燃机自然吸气通道；关闭排气道三通阀门与涡轮进气三通管道相连的排气口，打开与内燃机自然排气三通管道相连的排气口，形成自然排气通，关闭涡轮旁通阀门；废气从排气管排出经排气道三通阀门进入内燃机自然排气三通管道，最终从换热锅炉进气三通管道进入换热锅炉的气相流路中，完成所述的两级尾气级余热能量回收；
(2)内燃机处于高工况，内燃机的排气能够带动涡轮增压器使其对空气加压，通过控制单元打开进气道三通阀门与压气机相连的进气口，关闭进气道三通阀门与大气的进气口使高压空气经进气道三通阀门进入内燃机气缸中，打开排气道三通阀门与涡轮进气三通管道相连的排气口，关闭与内燃机自然排气三通管道相连的排气口，通过控制单元内部预置参数与所处工况的对比，实现对涡轮旁通阀门开度的控制以防止涡轮转速超过最大转速；尾气从排气管排出后，经过排气道三通阀门进入涡轮中对涡轮做功以通过涡轮轴带动压气机旋转，同时涡轮旁通阀门部分打开，一部分尾气经其进入内燃机自然排气三通管道中，最终与涡轮所排出尾气汇聚于换热锅炉进气三通管道并进入到换热锅炉的气相流路中，完成所述的两级尾气余热能量回收。
本发明的优势在于：
1、本发明能够利用汽轮机以及热电设备，通过对管道的布置以及阀门的控制实现内燃机高、低工况下的尾气余热能量的梯级回收。
2、本发明具有高、低工况的两种工作模式，运行的功率范围广，能够回收不同品质的能量并储存起来，具有良好的适应能力。
3、本发明不仅能够适用于汽车、公交车等路用交通工具，而且能够广泛的应用于船舶、钻井平台等海上设备。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的阀门控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-2，增压发动机排气能量梯级利用系统，由内燃机1、进气道三通阀门2、压气机3、涡轮轴4、排气道三通阀门5、涡轮进气三通管道6、涡轮7、换热锅炉进气三通管道8、换热增压泵9、冷凝器10、汽轮机11、冷凝泵12、能量储存池13、热电设备14、储能单元15、发电机16、换热锅炉17、涡轮旁通阀门18、内燃机自然排气三通管道19、控制单元20等组成，其具体结构为：
1、进气道三通阀门2具有两个进气口和一个排气口，排气口与发动机进气道直接相连，其中一个进气口与压气机出口相连，压气机3经涡轮轴4与涡轮7相连；排气道三通阀门5具有两个排气口与一个进气口，进气口与内燃机1排气管相连，两个排气口分别与涡轮进气三通管道6、内燃机自然排气三通管道19的各一个支管相连，两个三通管道的另外各一个支管与涡轮旁通阀门18的两端连接，涡轮进气三通管道6的最后一个支路与涡轮7进口相连接，涡轮7出口和内燃机自然排气三通管道19的一个支管与换热锅炉进气三通管道的两个支管相连；
2、换热锅炉17共有气相和相变两个流路，其气相入口与换热锅炉进气三通管道8的一个支路相连，相变流路出口经管道与汽轮机11相连，所述冷凝器10包含高温和低温两个流路，高温流路入口与汽轮机出口相连，冷凝器10经换热增压泵9与换热锅炉17相连；所述的冷凝器10的低温流路出口连接于能量储存池13入口，冷凝器10入口经冷凝泵12与能量储存池13出口相连；
3、发电机16连接于汽轮机11的轴并通过导线与储能单元15连接，热电设备14附着于能量储存池13外表面并通过导线与储能单元相连，所有阀门均与控制单元20连接。
管道的外围包裹有保温隔热材料以防止热量的散失，管道之间的连接仅采用螺栓连接。
能量储存池为一个具有一个出口和一个入口的较小的储水箱，能量储存池内部的工质为高闪点、高沸点、比热容较高的石蜡油。
所述的排气道三通阀门5、进气道三通阀门2为球阀，所述的涡轮旁通阀门18为蝶阀，三者均与控制单元20连接并受其控制，进气道三通阀门2能够实现所述的两条进气口之间的流动切换与所述的排气口形成一条流动通路，排气道三通阀门5能够实现所述的两条排气口之间的流动切换与所述的进气口形成一条流动通路，涡轮旁通阀门18能够进行阀门开度的控制。
梯级利用为两级的能量回收，其具体表现为：
1、第一级能量回收系统由换热锅炉17、汽轮机11、冷凝器10、换热增压泵9以及一些管道组成，具体工作方式为：高温尾气从由换热锅炉进气三通管道8进入换热锅炉17气相流路中，传热给相变流路中的温度较低的一级回路工质，使液体工质气化通过管道进入汽轮机11中吹动其旋转来带动发电机16发电并通过导线传输，最终储存于储能单元15中，一级回路工质流出汽轮机11后进入冷凝器10的高温流路，与低温流路的二级回路工质换热而液化，经过换热增压泵9加速进入换热锅炉17中完成第一级余热能量回收的工质循环；
2、第二级能量回收由冷凝器10、冷凝泵12、能量储存池13、热电设备14以及一些管道组成，具体工作方式为：在冷凝器10的低温流路中的二级回路工质受热温度提高，从低温流路出口进入能量储存池13中使能量储存池温度升高，附着于其外表面的热电设备14受热发电经导线进入储能单元，二级回路工质经过冷凝泵12的作用流出能量储存池13并加速流入冷凝器10的低温流路中，完成第二级余热能量回收的工质循环。
所述控制在于控制单元20通过对所处工况的识别，控制排气道三通阀门5、进气道三通阀门2和涡轮旁通阀门18实现气体流动路径的控制，应用两条分别包含有汽轮机11以及热电设备13的回路实现尾气余热能量的梯级回收利用，具体实施方式如下：
1、内燃机1处于低工况，内燃机1的排气并不足以带动涡轮增压器使其对空气加压，通过控制单元20关闭进气道三通阀门2与压气机3相连的进气口，打开另一个进气口形成内燃机自然吸气通道使内燃机1自然吸气；排气道三通阀门5与涡轮进气三通管道6相连的排气口关闭，与内燃机自然排气三通管道19相连的排气口打开，形成自然排气通；涡轮旁通阀门18完全关闭。内燃机1经进气道三通阀门2自然吸气，空气在缸内参与燃烧做功后，废气从排气管排出经排气道三通阀门5进入内燃机自然排气三通管道19，最终从换热锅炉进气三通管道8进入换热锅炉17的气相流路中，完成所述的两级尾气级余热能量回收。
2、内燃机1处于高工况，内燃机1的排气能够带动涡轮增压器使其对空气加压，通过控制单元20打开进气道三通阀门2与压气机3相连的进气口，关闭另一个进气口使高压空气经进气道三通阀门2进入内燃机1气缸中，排气道三通阀门5与涡轮进气三通管道6相连的排气口打开，与内燃机自然排气三通管道19相连的排气口关闭，使高质量的尾气进入涡轮7中，同时通过控制单元20内部预置参数与所处工况的对比，实现对涡轮旁通阀门18开度的控制以防止涡轮转速过快。来源于压气机3高压空气经过进气道三通阀门2进入内燃机1气缸中，在气缸内参与燃烧做功，产生的尾气从排气管排出后，经过排气道三通阀门5进入涡轮7中对涡轮做功以通过涡轮轴4带动压气机3旋转，同时涡轮旁通阀门18打开一定角度，一部分尾气经其进入内燃机自然排气三通管道19中，最终与涡轮7所排出尾气汇聚于换热锅炉进气三通管道8并进入到换热锅炉17的气相流路中，完成所述的两级尾气余热能量回收。
工况识别以及阀门的具体控制流程为：如图2所示，首先对内燃机输出功率进行识别，然后判断其是否大于设定值，如果小于设定值判定系统处于低工况，会检测进气道三通阀门2和排气道三通阀门5判断二者开放的通道，若分别开放自然吸气通道和自然排气通道系统不进行操作，否则经过控制系统的分析通过控制单元来实现两阀门通道的切换，使二者分别开放上述两个通道，同时检查涡轮旁通阀门18是否完全关闭，若完全关闭系统不工作，否则通过控制单元实现涡轮旁通阀门18的关闭；若小于设定值判定系统处于高工况，检测进气道三通阀门2和排气道三通阀门5是否分别开放增压进气通道和废气涡轮通道，若二者已经开通两阀门控制器不做任何操作，否则通过控制系统的分析后通过控制器对两阀门所开放的通道进行控制，使两阀门的上述两个通道打开，与此同时，系统会检测涡轮旁通阀门18的开度，与同一工况下系统内部的预置参数进行对比，二者若相等涡轮旁通阀门的控制器不工作，否则经过控制系统的分析后控制器对阀门的开度进行调整。
Claims (7)
1.增压发动机排气能量梯级利用系统，其特征是：内燃机进气道通过三通方式连接压气机和大气，内燃机排气道通过三通方式连接涡轮进气三通管道和内燃机自然排气三通管道，涡轮进气三通管道和内燃机自然排气三通管道之间设置涡轮旁通阀门，涡轮后方的换热锅炉进气三通管道、内燃机自然排气三通管道和换热锅炉气相进气通道以三通方式相连，换热锅炉液相出口连接汽轮机入口，冷凝器的高温流路入口连接汽轮机出口，冷凝器的高温流路出口通过换热增压泵连接换热锅炉液相入口，冷凝器的低温流路出口连接能量储存池入口，冷凝器的低温流路入口经冷凝泵连接能量储存池出口，发电机连接汽轮机的轴，并通过导线连接储能单元，能量储存池的外壁上附着热电设备，热电设备连接储能单元。
2.根据权利要求1所述的增压发动机排气能量梯级利用系统，其特征是：内燃机进气道、压气机和大气三通处安装进气道三通阀门，内燃机排气道、涡轮进气三通管道和内燃机自然排气三通管道三通处安装排气道三通阀门，进气道三通阀门、排气道三通阀门为球阀，涡轮旁通阀门为蝶阀。
3.根据权利要求1或2所述的增压发动机排气能量梯级利用系统，其特征是：所述能量储存池为储水箱结构，内部的一级回路工质为石蜡油。
4.根据权利要求1或2所述的增压发动机排气能量梯级利用系统，其特征是：换热锅炉、汽轮机、冷凝器、换热增压泵组成第一级能量回收系统，尾气从由换热锅炉进气三通管道进入换热锅炉气相流路中，传热给相变流路中的温度较低的一级回路工质，使液体工质气化通过管道进入汽轮机中吹动其旋转来带动发电机发电并通过导线传输，最终储存于储能单元中，一级回路工质流出汽轮机后进入冷凝器的高温流路，与低温流路的二级回路工质换热而液化，经过换热增压泵加速进入换热锅炉中完成第一级余热能量回收的工质循环；
冷凝器、冷凝泵、能量储存池、热电设备组成第二级能量回收系统，在冷凝器的低温流路中的二级回路工质受热温度提高，从低温流路出口进入能量储存池中使能量储存池温度升高，附着于其外表面的热电设备受热发电经导线进入储能单元，二级回路工质经过冷凝泵的作用流出能量储存池并加速流入冷凝器的低温流路中，完成第二级余热能量回收的工质循环。
5.根据权利要求3所述的增压发动机排气能量梯级利用系统，其特征是：换热锅炉、汽轮机、冷凝器、换热增压泵组成第一级能量回收系统，尾气从由换热锅炉进气三通管道进入换热锅炉气相流路中，传热给相变流路中的温度较低的一级回路工质，使液体工质气化通过管道进入汽轮机中吹动其旋转来带动发电机发电并通过导线传输，最终储存于储能单元中，一级回路工质流出汽轮机后进入冷凝器的高温流路，与低温流路的二级回路工质换热而液化，经过换热增压泵加速进入换热锅炉中完成第一级余热能量回收的工质循环；
冷凝器、冷凝泵、能量储存池、热电设备组成第二级能量回收系统，在冷凝器的低温流路中的二级回路工质受热温度提高，从低温流路出口进入能量储存池中使能量储存池温度升高，附着于其外表面的热电设备受热发电经导线进入储能单元，二级回路工质经过冷凝泵的作用流出能量储存池并加速流入冷凝器的低温流路中，完成第二级余热能量回收的工质循环。
6.增压发动机排气能量梯级利用方法，其特征是：进气道三通阀门、排气道三通阀门、涡轮旁通阀门连接控制单元；
(1)内燃机处于低工况，内燃机的排气不足以带动涡轮增压器使其对空气加压，通过控制单元关闭进气道三通阀门与压气机相连的进气口，打开进气道三通阀门与大气的进气口形成内燃机自然吸气通道；关闭排气道三通阀门与涡轮进气三通管道相连的排气口，打开与内燃机自然排气三通管道相连的排气口，形成自然排气通，关闭涡轮旁通阀门；废气从排气管排出经排气道三通阀门进入内燃机自然排气三通管道，最终从换热锅炉进气三通管道进入换热锅炉的气相流路中，完成所述的两级尾气级余热能量回收；
(2)内燃机处于高工况，内燃机的排气能够带动涡轮增压器使其对空气加压，通过控制单元打开进气道三通阀门与压气机相连的进气口，关闭进气道三通阀门与大气的进气口使高压空气经进气道三通阀门进入内燃机气缸中，打开排气道三通阀门与涡轮进气三通管道相连的排气口，关闭与内燃机自然排气三通管道相连的排气口，通过控制单元内部预置参数与所处工况的对比，实现对涡轮旁通阀门开度的控制以防止涡轮转速超过最大转速；尾气从排气管排出后，经过排气道三通阀门进入涡轮中对涡轮做功以通过涡轮轴带动压气机旋转，同时涡轮旁通阀门部分打开，一部分尾气经其进入内燃机自然排气三通管道中，最终与涡轮所排出尾气汇聚于换热锅炉进气三通管道并进入到换热锅炉的气相流路中，完成所述的两级尾气余热能量回收。
7.根据权利要求6所述的增压发动机排气能量梯级利用方法，其特征是：对内燃机输出功率进行识别，然后判断其是否大于设定值，如果小于设定值判定系统处于低工况，检测进气道三通阀门和排气道三通阀门判断二者开放的通道，通过控制单元来实现两阀门通道的切换，使二者分别开放上述两个通道，同时检查涡轮旁通阀门是否完全关闭，若未完全关闭，则通过控制单元实现涡轮旁通阀门的关闭；若大于或等于设定值判定系统处于高工况，检测进气道三通阀门和排气道三通阀门是否分别开放增压进气通道和废气涡轮通道，通过控制器对两阀门所开放的通道进行控制，使两阀门的上述两个通道打开，检测涡轮旁通阀门的开度，与同一工况下控制单元的预置参数进行对比，二者若相等涡轮旁通阀门的控制器不工作，否则控制单元对阀门的开度进行调整。
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