CN114263512A - 一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发动机余热回收技术领域,具体提供一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,包括与发动机冷却液管道连通的预热蒸发器、与发动机烟气管道连通的蒸发器、与EGR废气管道相连通的过热器、与发动机增压空气管道相连通的中冷器;工质泵通过流量调节阀分别连接到中冷器和回热器,中冷器和回热器的出口依次连接预热蒸发器、蒸发器、过热器、膨胀机;膨胀机通过回热器与冷凝器连通,冷凝器的出口连通到工质泵。提高了系统的热效率;通过工质分流加热和部分蒸发设计,使增压空气和冷却液充分放热,保证了系统的余热回收率。
Description
技术领域
本发明涉及发动机余热回收技术领域,具体涉及一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统。
背景技术
现阶段车载发动机转变为有效功的热当量约占燃料燃烧释放能量的35%-50%(柴油机)、25%-40%(汽油机),其余热量以冷却水或烟气的形式被耗散。对汽车发动机余热进行有效回收利用可提高能源利用效率,降低发动机能源消耗及相应的温室气体CO2和大气污染物NOx、SOx、颗粒物等排放,具有重要的节能和环保效益。
有机朗肯循环技术是现阶段最切实可行的车载发动机余热动力回收方案。发动机余热源主要包括烟气余热、缸套水余热,对于涡轮增压和废气再循环(EGR,Exhaust GasRecirculation)发动机还包括中冷器增压空气余热和EGR废气余热。各余热源热量和品位不同:缸套水余热属于低品位热源,但热量较大;中冷器增压空气余热属于中低品位热源;烟气余热属中高品位热源;EGR废气余热属于高品位热源,但热量较少。为有效回收各部分发动机余热,从热力学层面考虑,基于能量梯级利用的原则,在有机朗肯循环构型中对应不同余热源应设计不同蒸发压力,以此来降低可用能耗散。
相应地,系统需配备多个工质泵和膨胀机。使得系统较为复杂,成本较高,控制难度较大,不利于发动机余热回收系统的有效应用。
发明内容
现有的有机朗肯循环系统需配备多个工质泵和膨胀机。使得系统较为复杂,成本较高,控制难度较大,不利于发动机余热回收系统的应用,为了克服上述现有技术中的不足,本发明提供一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统。
本发明的技术方案是:
本发明技术方案提供一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,包括冷凝器、与发动机冷却液管道连通的预热蒸发器、与发动机烟气管道连通的蒸发器、回热器、工质泵、与EGR废气管道连通的过热器、与发动机增压空气管道连通的中冷器;
冷凝器和工质泵连通,工质泵通过流量调节阀分别与中冷器和回热器连通,然后依次连接预热蒸发器、蒸发器、过热器、膨胀机。膨胀机通过回热器和冷凝器连通。工质工作过程如下:
工质泵出口的工质经流量调节阀分流,一部分进入中冷器吸收发动机增压空气余热,另一部分进入回热器吸收膨胀机乏汽热量。两部分流体加热后混合进入预热蒸发器吸收发动机冷却液余热进行预热和部分蒸发,然后依次流经蒸发器吸收发动机烟气余热进行完全蒸发,流经过热器吸收EGR废气余热进行过热。过热器出口的高温工质再进入膨胀机膨胀做功,膨胀机出口乏气进入回热器和冷凝器放热后再进入工质泵升压至蒸发压力。
从以上技术方案可以看出,本发明具有以下优点:通过回热措施,提高了系统的热效率;通过工质泵出口的分流加热和预热蒸发器中的部分蒸发设计,使得发动机增压空气余热和冷却液余热充分放热,保证了系统的余热回收率。同时,工质蒸发压力较低,膨胀压比较小,有利于膨胀机的高效设计。该系统构型简单,净输出功率高,且运动部件少,便于在整车上布置安装。
此外,本发明设计原理可靠,结构简单,具有非常广泛的应用前景。
由此可见,本发明与现有技术相比,具有突出的实质性特点和显著地进步,其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统框图。
图2为当发动机没有EGR废气时发动机余热回收单压有机朗肯循环系统框图。
图3为当发动机没有增压空气余热时发动机余热回收单压有机朗肯循环系统框图。
图4为当发动机没有EGR废热和增压空气余热时发动机余热回收单压有机朗肯循环系统框图。
图中,1-预热蒸发器,2-蒸发器,3-过热器,4-膨胀机,5-回热器,6-冷凝器,7-工质泵,8-流量调节阀,9-中冷器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。下面对本发明中出现的关键术语进行解释。
如图1所示,本发明实施例提供一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,包括与发动机冷却液管道连通的预热蒸发器1、与发动机烟气管道连通的蒸发器2、与EGR废气管道相连通的过热器3、与发动机增压空气管道相连通的中冷器9;
工质泵7通过流量调节阀8分别连接到中冷器9和回热器5,中冷器9和回热器5的出口连接到预热蒸发器1,预热蒸发器1与蒸发器2连通,蒸发器2与过热器3连接,过热器3连接有膨胀机4,膨胀机4通过回热器5与冷凝器6连通;冷凝器6的出口连通到工质泵7。
具体工作过程为:冷凝器6出口的饱和液态工质经工质泵7加压至蒸发压力后经流量调节阀8分流成两部分:一部分进入中冷器9吸收增压空气余热,另一部分进入回热器5吸收膨胀机乏汽热量。两部分工质吸热后仍处于过冷状态,然后混合进入预热蒸发器1,被发动机冷却液定压加热至两相状态。预热蒸发器1出口的两相工质依次流经蒸发器2和过热器3定压吸收烟气余热和EGR废气余热,进行完全蒸发和过热过程。保证工质有一定的过热度,是为了避免工质膨胀过程出现液态工质,在膨胀机4中产生液击。过热器3出口的高温工质进入膨胀机4做功,膨胀机4出口的低压工质乏汽在回热器5定压放热后进入冷凝器6,被冷却水或者空气冷却至饱和液体状态进入工质泵7,完成循环。
工质与高压空气换热在中冷器9中进行,工质与EGR废气换热在发动机EGR冷却器中进行。中冷器和EGR冷却器都属于车辆原有部件,如此可降低余热回收系统成本。
本系统性能如下:以中国重汽MC13发动机1100rpm,1200Nm工况点余热参数为热源条件,对本发明单压有机朗肯循环系统进行了有机工质优选和系统参数优化。选择R245fa为循环工质,蒸发温度为81℃,膨胀机进口温度为125℃,冷凝温度为35℃,预热蒸发器出口工质干度为0.7。利用Simulink仿真了余热回收系统在发动机全MAP内的性能,结果表明本发明单压有机朗肯循环系统可使发动机最高热效率从47.2%提升至50.58%。
如图2所示,当发动机不采用EGR技术时,就没有EGR废气余热。本发明实施例提供一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,包括与发动机冷却液管道连通的预热蒸发器1、与发动机烟气管道连通的蒸发器2、与发动机增压空气管道相连通的中冷器9;
工质泵7通过流量调节阀8分别连接到中冷器9和回热器5,中冷器9和回热器5的出口连接到预热蒸发器1,预热蒸发器1与蒸发器2连通,蒸发器2连接有膨胀机4,膨胀机4通过回热器5与冷凝器6连通;冷凝器6的出口连通到工质泵。
冷凝器6出口的工质经过工质泵7加压至蒸发压力后工被流量调节阀8分流,一部分进入中冷器9吸收高压空气余热,另一部分进入回热器5吸收膨胀机乏汽热量,两部分工质分别加热后混合进入预热蒸发器1与发动机冷却液进行热量交换,热量交换后的工质进入蒸发器2吸收发动机烟气的余热,蒸发器2出口的气态工质进入膨胀机4做功后依次流经回收器5和冷凝器6放热后进入工质泵7。
工质在预热蒸发器1中吸收发动机冷却液余热进行预热和部分蒸发,在蒸发器2吸收发动机烟气余热进行完全蒸发。
如图3所示,当发动机采用自然进气方式时,就没有增压空气余热和中冷器。本发明实施例提供一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,包括与发动机冷却液管道连通的预热蒸发器1、与发动机烟气管道连通的蒸发器2、与EGR废气管道相连通的过热器3;
冷凝器6通过工质泵7连接有回热器5,回热器5通过预热蒸发器1与蒸发器2连通,蒸发器2通过过热器3连通有膨胀机4,膨胀机4通过回热器5与冷凝器6连通;
冷凝器6出口的工质经过工质泵7加压至蒸发压力后进入回热器5吸收膨胀机乏汽热量,然后进入预热蒸发器1与发动机冷却液进行热量交换,热量交换后的工质进入蒸发器2吸收发动机烟气的余热,蒸发器2出口的工质进入过热器3吸收EGR废气预热,过热器3出口的高温工质进入膨胀机4做功,然后依次进入回收器5和冷凝器6放热后进入工质泵7。
工质在预热蒸发器1中吸收发动机冷却液余热进行预热和部分蒸发;然后依次流经蒸发器2和过热器3,分别吸收发动机烟气余热和EGR废气余热,进行完全蒸发和过热。
如图4所示,当发动机既没有增压空气余热也没有EGR废气余热时,本发明实施例提供一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,包括与发动机冷却液管道连通的预热蒸发器1、与发动机烟气管道连通的蒸发器2;
冷凝器6通过工质泵7连接有回热器5,回热器5通过预热蒸发器1与蒸发器2连通,蒸发器2连接有膨胀机4,膨胀机4通过回热器5与冷凝器6连通;
冷凝器6出口的工质经过工质泵7加压至蒸发压力后进入回热器5吸收膨胀机乏汽热量,然后进入预热蒸发器1与冷却液进行热量交换,热量交换后的工质进入蒸发器2吸收发动机烟气的余热,蒸发器2出口的高温工质进入膨胀机4做功后依次进入回收器5和冷凝器6放热后进入工质泵7。
工质在预热蒸发器1中吸收发动机冷却液余热进行预热和部分蒸发,在蒸发器2吸收发动机烟气余热进行完全蒸发。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述,但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下,本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换,而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,其特征在于,包括冷凝器、与发动机冷却液管道连通的预热蒸发器、与发动机烟气管道连通的蒸发器、回热器和工质泵;
冷凝器和工质泵连通,工质泵与回热器连通,回热器通过预热蒸发器与蒸发器连通,蒸发器的出口与膨胀机连通,膨胀机通过回热器与冷凝器连通。
2.根据权利要求1所述的车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,其特征在于,冷凝器出口的工质经过工质泵加压至蒸发压力后进入回热器吸收膨胀机乏汽热量,然后进入预热蒸发器与发动机冷却液进行热量交换,热量交换后的工质进入蒸发器吸收发动机烟气的余热,蒸发器出口的工质进入膨胀机做功后依次进入回收器和冷凝器放热后进入工质泵。
3.根据权利要求1所述的车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,其特征在于,该系统还包括与EGR废气管道相连通的过热器;
蒸发器通过过热器与膨胀机连通;
蒸发器出口的工质进入过热器吸收EGR废气余热,过热器出口的高温工质进入膨胀机做功,然后依次进入回收器和冷凝器放热后进入工质泵。
4.根据权利要求3所述的车载发动机余热回收单压有机朗肯循环系统,其特征在于,该系统还包括与发动机增压空气管道相连通的中冷器;
工质泵还通过中冷器与预热蒸发器连接;
工质泵和中冷器之间还设有流量调节阀;工质泵出口的工质经流量调节阀分流,一部分进入中冷器吸收高压空气余热,另一部分进入回热器吸收膨胀机乏汽热量,两部分工质分别加热后混合进入预热蒸发器,然后依此流经蒸发器、过热器、膨胀机、回热器和冷凝器。
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