CN112377298A - 基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合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基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合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，涡轮后方的涡轮尾气管、内燃机自然排气三通管道和能量回收三通管道以三通方式相连，能量回收三通管道连接低温差斯特林发动机，低温差斯特林发动机依次连接发电机、储能单元。本发明过控制单元对各个阀门的控制实现内燃机不同工况下两进排气通道之间的切换，利用发电机转化为电能并通过储能单元加以储存，实现低温差斯特林发动机对不同工况下内燃机尾气余热能量的回收。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种发动机，具体地说是发动机排气能量利用系统。
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实现增压发动机不同工况下尾气余热回收的基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用系统及其利用方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用系统，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，涡轮后方的涡轮尾气管、内燃机自然排气三通管道和能量回收三通管道以三通方式相连，能量回收三通管道连接低温差斯特林发动机，低温差斯特林发动机依次连接发电机、储能单元。
本发明基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用系统还可以包括：
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、低温差斯特林发动机包括冷缸、热缸和轴，热缸的直径小于能量回收三通管道直径，低温差斯特林发动机插入到能量回收三通管道中并与其轴线重合，轴与发电机相连。
本发明基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用方法，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和大气相通的进气口形成内燃机自然吸气通道；通过控制单元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，形成自然排气通道；控制单元关闭涡轮旁通阀门；
(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和大气相通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，控制单元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，使尾气进入涡轮中，同时通过控制单元内部预置参数与所处工况的对比，控制涡轮旁通阀门开度以防止涡轮转速超过最大转速。
本发明基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用方法还可以包括：
1、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，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，若二者已经开通两阀门控制器不做任何操作，否则通过控制单元对两阀门所开放的通道进行控制，使两阀门上的上述两个通道打开，与此同时，检测涡轮旁通阀门的开度，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，否则通过控制单元对阀门的开度进行调整。
本发明的优势在于：
1、本发明能够通过低温差斯特林发动机回收尾气中能量并把其储存为电能，提高了发动机的循环效率。
2、本发明能够在高工况和低工况之间进行切换，拓宽了运行功率范围，能够实现不同功率运行，使设计的排气能量回收系统可行性高、稳定性强。
3、整套系统具有结构尺寸小、重量轻、适应性强的特点，其不仅能够适用于汽车、摩托等结构紧凑、空间狭小的场所，同时也能广泛应用于客车、船舶等大型交通运输工具上，整套系统的运行范围极为广泛。
4、本发明选用低温差斯特林发动机作为尾气能量回收设备，其具有尺寸小、重量轻、理论热效率高、运行平稳、噪声小及能够运行在各种温差下运行的特点。以其作为能量回收设备使得整套系统具有能够回收各种品质能量的特点，同时也使整套系统能够运行在不同的工况，是整套系统具有很好的可靠性和稳定性。
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，本发明基于低温差斯特林发动机的增压发动机排气能量综合利用系统，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、能量回收三通管道8、低温差斯特林发动机9、发电机10、储能单元11、内燃机自然排气三通管道12、涡轮旁通阀门13、控制单元14、管道等组成，具体结构如下：
1、进气道三通阀门2具有两个进气口和一个排气口，排气口与内燃机1进气道直接相连，其中一个进气口与压气机3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具有两个排气口和一个进气口，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12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13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；
2、能量回收三通管道8具有一个直径大于另两个支管的大直径支管，所述的直径较小的两根支管分别与涡轮出口和内燃机自然排气三通管道12的最后一个支管相连；低温差斯特林发动机9包含有冷缸、热杠、轴等主要部分，热杠的直径小于能量回收三通管道12的较大直径的支管，低温差斯特林发动机9的热杠插入到能量回收三通管道12的较大直径的支管中并与其轴线重合，低温差斯特林发动机9的轴与发电机10相连，发电机10经导线与储能元件11相连，控制单元14与各个阀门相连。
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13为蝶阀，三者均与控制单元14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13能够进行阀门开度的控制。
控制单元14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13实现气体流动路径的控制以实现不同工况下尾气余热能量的回收，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14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12相连的排气口打开，形成自然排气通道；涡轮旁通阀门13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，废气从排气管道排出经排气道三通阀门5进入内燃机自然排气三通管道12，最终从能量回收三通管道8的直径较大的支管排出并为低温差斯特林发动机9提供热量，使其做功带动发电机10旋转发电，储存于储能单元11中。
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14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12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14内部预置参数与所处工况的对比，实现对涡轮旁通阀门13开度的控制以防止涡轮7转速过快。来源于压气机3的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7做功通过涡轮轴4带动压气机3旋转，同时涡轮旁通阀门13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12中，最终与涡轮7所排出尾气汇聚于能量回收三通管道8，经其直径较大的支管排出并为低温差斯特林发动机9提供热量，使其做功带动发电机10旋转发电，储存于储能单元11中。
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13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13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，使两阀门上的上述两个通道打开，与此同时，系统会检测涡轮旁通阀门13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 (5)
1.基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用系统，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，涡轮后方的涡轮尾气管、内燃机自然排气三通管道和能量回收三通管道以三通方式相连，能量回收三通管道连接低温差斯特林发动机，低温差斯特林发动机依次连接发电机、储能单元。
2.根据权利要求1所述的基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用系统，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所述的基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用系统，其特征是：低温差斯特林发动机包括冷缸、热缸和轴，热缸的直径小于能量回收三通管道直径，低温差斯特林发动机插入到能量回收三通管道中并与其轴线重合，轴与发电机相连。
4.基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用方法，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和大气相通的进气口形成内燃机自然吸气通道；通过控制单元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，形成自然排气通道，控制单元关闭涡轮旁通阀门；废气从排气管道排出经排气道三通阀门进入内燃机自然排气三通管道，最终从能量回收三通管道排出并为低温差斯特林发动机提供热量，使其做功带动发电机旋转发电，储存于储能单元中；
(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和大气相通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，控制单元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，使尾气进入涡轮中，同时通过控制单元内部预置参数与所处工况的对比，控制涡轮旁通阀门开度以防止涡轮转速超过最大转速；废气从排气管排出后，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能量回收三通管道，为低温差斯特林发动机提供热量，使其做功带动发电机旋转发电，储存于储能单元中。
5.根据权利要求4所述的基于低温差斯特林发动机的发动机排气能量综合利用方法，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，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，若二者已经开通两阀门控制器不做任何操作，否则通过控制单元对两阀门所开放的通道进行控制，使两阀门上的上述两个通道打开，与此同时，检测涡轮旁通阀门的开度，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，否则通过控制单元对阀门的开度进行调整。
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