CN203223307U - 变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统，属于余热回收技术领域。本实用新型利用采用有机工质的朗肯循环来吸收发动机工作时排气携带的余热，利用膨胀机将高焓工质膨胀过程中的焓变转换为有用功输出,带动发电机发电，利用控制系统实现发动机不同工况下排气余热利用的最大化。本实用新型减少了发动机向大气环境的散热量，减缓温室效应的影响。减少发动机尾气温度，提高了城市环境的舒适性，可应用于各种车用发动机，尤其是车用汽油机。

Description

变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统

技术领域

本实用新型属于余热回收技术领域，涉及变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统。该系统利用采用有机工质的朗肯循环来吸收发动机工作时排气携带的余热，利用控制系统根据发动机工况的不同相应改变蒸发器的换热面积大小和有机朗肯循环回路工质的流量。 

背景技术

当前车用发动机的燃料燃烧产生的热能只有一小部份被转换为有用功输出，还有近三分之二的热能被发动机的排气、冷却系统和发动机本体的对流和辐射散热白白消耗掉。如果这部份浪费的能量能得到有效利用，一方面可以提高发动机燃料的总热效率，节省能源消耗量，另一方面，可以降低发动机做功时向环境的散热，改善环境质量，减缓全球变暖的趋势。 

目前利用发动机废弃的余热的方法主要有：利用余热取暖，利用废气高温的温差发电，利用余热的吸附式热泵制冷和利用余热的有机朗肯循环发电或输出有用功。利用余热取暖在冬季可以较好的利用发动机的余热，但在其它季节不需要取暖时无法充分利用发动机的余热。利用温差发电技术受到转换效率低的限制，目前还无法实现实用化的应用。利用吸附式热泵制冷装置往往体积太大，效率不高，也不适合车用发动机应用。利用有机朗肯循环的余热回收技术在当前效率是最高的，采用有机朗肯循环系统目前还在研究阶段，当前的型式都很少考虑车用发动机工作工况变化范围广，动态工作过程持续时间长，余热热量不稳定的特点，在某一个工况点能实现发动机余热的最大化利用，但在其它工况点则很难做到。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统。针对车用发动机工作时排气余热能变化大不稳定的特点，利用开关控制阀来调节蒸发器的换热面积，同时利用工质泵调节电机来调节有机工质的流 量，保证发动机动态工作过程中因排气余热大范围变化时有机朗肯循环回路中有机工质能充分吸收发动机排气的余热能，尽可能降低发动机排气管出口的尾气温度值，同时使有机朗肯循环能输出最大的有用功。 

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术解决方案: 

利用采用有机工质的朗肯循环来吸收发动机工作时排气携带的余热，利用膨胀机将高焓工质膨胀过程中的焓变转换为有用功输出,带动发电机发电，利用控制系统实现发动机不同工况下排气余热利用的最大化。 

变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统，利用采用有机工质的朗肯循环来吸收发动机工作时排气携带的余热，利用膨胀机将高焓工质膨胀过程中的焓变转换为有用功输出,带动发电机发电，利用控制系统实现发动机不同工况下排气余热利用的最大化； 

所述的有机朗肯循环，工质泵12的出口与蒸发器4的入口通过管道相连，蒸发器4的出口同时与开关控制阀28和开关控制阀29的入口相连，开关控制阀28的出口与蒸发器5的入口相连，蒸发器5的出口同时与开关控制阀26和开关控制阀27的入口相连，开关控制阀26的出口与蒸发器6的入口相连，蒸发器6的出口与开关控制阀25的入口相连，开关控制阀25、开关控制阀27、开关控制阀29的出口同时与膨胀机7的入口相连，膨胀机7的出口与冷凝器9的入口相连，冷凝器9的出口与工质泵12的入口相连；调节电机13与工质泵12相连并驱动其运转，压力调节阀14与工质泵12并联，用于限制有机朗肯循环回路的最高蒸发压力，膨胀机7与发电机8相连，带动其发电，冷凝器风扇10安装在冷凝器9的正前方，由与其同轴的冷凝器风扇调节电机11驱动； 

所述的蒸发器为管翅式热交换器，蒸发器6、蒸发器5和蒸发器4的管侧流体为有机工质，壳侧流体为来自发动机的高温排气，蒸发器6的壳侧入口通过管道与发动机涡轮3的排气口相连，蒸发器5的壳侧入口与蒸发器6的壳侧出口通过管道相连，蒸发器4的壳侧入口与蒸发器5的壳侧出口通过管道相连，蒸发器4的壳侧出口通过管道与大气环境相通，在蒸发器6的排气入口前的管道上串接排气常开开关阀23，在排气常开开关阀23的入口前的管道上的旁路排气管上串接排气常闭开关阀24。

本实用新型的变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统，包括有机朗肯循环回路和控制通路。上述用于发动机的余热热功转换的有机朗肯循环回路包含的部件有：工质泵、有机朗肯循环回路压力调节阀、有机朗肯循环回路调节电机、蒸发器、开关控制阀、膨胀机、发电机、冷凝器、冷凝器风扇、冷凝器风扇调节电机、排气常开开关阀、排气常闭开关阀以及连接它们的管道。 

上述用于控制的控制通路包含的部件有：控制单元、发动机转速传感器、油门位置传感器、大气环境温度传感器、起动开关、排气尾气温度传感器、有机工质过热温度传感器、有机工质冷凝温度传感器、有机朗肯循环回路调节电机、冷凝器风扇调节电机、开关控制阀、排气常开开关阀、排气常闭开关阀以及连接这些部件的线束。 

有机朗肯循环回路各部件的连接关系是：有机朗肯循环回路工质泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器通过管道相连组成循环回路，有机朗肯循环回路调节电机与有机朗肯循环回路工质泵相连并驱动其运转，通过调节电机转速来控制有机工质的流量，有机朗肯循环回路压力调节阀与有机朗肯循环回路工质泵并联，用以限制最高蒸发压力，开关控制阀串接在蒸发器之间的管路上以及蒸发器与膨胀机之间的管路上，用以调节蒸发器换热面积，膨胀机的输出轴与发电机的输入轴相连，带动发电机发电，冷凝器风扇安装在冷凝器的正前方，由与其同轴的冷凝器风扇调节电机驱动，通过调节电机转速来调节冷凝器风扇转速，从而控制流过冷凝器的冷空气流量，以此来调节有机工质冷凝温度。 

三个蒸发器的排气侧通过管路依次相连，来自发动机涡轮的排气口的高温排气依次流过这三个蒸发器，之后变成低温废气排入大气环境中；排气常开开关阀串接在蒸发器和涡轮之间的管道上，在排气常开开关阀的入口前的管道上的旁路排气管上串接排气常闭开关阀。 

用于控制有机朗肯循环回路运行的控制通路各部件的连接关系是：发动机转速传感器、油门位置传感器、大气环境温度传感器、起动开关、排气尾气温度传感器、有机工质过热温度传感器、有机工质冷凝温度传感器、有机朗肯循环回路调节电机、冷凝器风扇调节电机、开关控制阀、排气常开开关阀、排气常闭开关阀分别与控制单元通过线束相连，排气尾气温度传感器安装在蒸发器与大气环境相通的连接管道上，有机工质过热温度传感器安装在膨胀机入口侧的管道上， 有机工质冷凝温度传感器安装在冷凝器出口侧的管道上，开关控制阀串接在蒸发器之间的管路以及蒸发器与膨胀机相连的管路上。 

上述的控制通路中的控制单元含有电源电路、主单片机电路、模拟量输入电路、数字量输入电路、复位电路、时钟电路、电机驱动电路、开关驱动电路和通讯电路。模拟量输入电路对油门位置传感器、排气尾气温度传感器、有机工质过热温度传感器、有机工质冷凝温度传感器和大气环境温度传感器输出的模拟量进行信号调理；数字量输入电路对发动机转速传感器和起动开关输出的数字量进行信号调理；模拟量输入电路的输出端与主单片机电路中的单片机的模拟量采集端口连接；数字量输入电路输出端与主单片机电路中的单片机的数字输入输出端口连接；所述的电机驱动电路的输入端与主单片机电路的输出端相连，单片机中的程序采集输入的信号，并进行数字滤波处理，计算驱动信号的值，从单片机的脉冲宽度调制（PWM）端口输出控制信号给电机驱动电路；电机驱动电路的输出端分别与有机朗肯循环回路调节电机和冷凝器风扇调节电机连接；所述的开关驱动电路的输入端与主单片机电路的输出端相连，单片机中的程序从单片机的数字输出端口输出控制信号给开关驱动电路，开关驱动电路的输出端分别与排气常开开关阀、排气常闭开关阀和五个开关控制阀连接；所述的通讯电路一端与主单片机电路中的单片机的CAN接口相连，另一端与计算机或其它电控单元的CAN总线通讯端口相连，实现与计算机的监控通讯以及与其它电控单元的数据通讯功能。 

变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统控制方法，包括：采集发动机转速传感器和油门位置传感器的信号，以此来判断发动机输出功率的大小，当发动机输出功率低于额定功率的三分之一时，程序控制各个开关控制阀，使第一个蒸发器工作来吸收发动机排气的余热，其它两个蒸发器关闭，程序根据采集的发动机转速传感器和油门位置传感器的信号值，查2维MAP图得到驱动有机朗肯循环回路调节电机的PWM信号占空比的前馈控制值，同时根据采集的发动机排气管出口尾气温度传感器的尾气温度值，采用闭环比例积分控制器计算驱动有机朗肯循环回路调节电机的PWM信号占空比的反馈控制值，叠加后输出给有机朗肯循环回路调节电机的电机驱动电路，比例积分控制器的比例系数K_{p_A}和积分系数K_{i_A}由具体试验整定得到； 

当发动机输出功率高于额定功率的三分之一并小于额定功率的三分之二时，程序控制相应的开关控制阀利用第一个蒸发器和第二个蒸发器来吸收发动机排气的余热，此时程序根据采集的发动机转速传感器和油门位置传感器的信号值，查2维MAP图得到驱动有机朗肯循环回路调节电机的PWM信号占空比的前馈控制值，同时根据采集的发动机排气管出口尾气温度传感器的尾气温度值，采用闭环比例积分控制器计算驱动有机朗肯循环回路调节电机的PWM信号占空比的反馈控制值，叠加后输出给有机朗肯循环回路调节电机的电机驱动电路，比例积分控制器的比例系数K_{p_B}和积分系数K_{i_B}由具体试验整定得到； 

当发动机输出功率高于额定功率的三分之二时，程序控制相应的开关控制阀，同时利用第一个蒸发器、第二个蒸发器和第三个蒸发器来吸收发动机排气的余热，此时程序根据采集的发动机转速传感器和油门位置传感器的信号值，查2维MAP图得到驱动有机朗肯循环回路调节电机的PWM信号占空比的前馈控制值，同时根据采集的发动机排气管出口尾气温度传感器的尾气温度值，采用闭环比例积分控制器计算驱动有机朗肯循环回路调节电机的PWM信号占空比的反馈控制值，叠加后输出给有机朗肯循环回路调节电机的电机驱动电路，比例积分控制器的比例系数K_{p_C}和积分系数K_{i_C}由具体试验整定得到； 

采集大气环境温度传感器信号为输入参数，计算有机朗肯循环回路目标冷凝温度，并与从冷凝温度传感器采集的冷凝温度实际值比较，采用比例积分控制器计算驱动冷凝器风扇调节电机的PWM信号占空比值，调节电机驱动电路。 

在正常工作时，程序控制排气常开开关阀打开，排气常闭开关阀关闭，当采集的各传感器信号中出现异常时，程序控制排气常开开关阀关闭，排气常闭开关阀打开，同时关闭整个余热发电系统，并通过通讯端口发送报警信号。 

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和有益效果： 

1．针对车用发动机工作时，工况变化范围大，排气携带的余热能大小差别很大的特点，控制系统根据发动机的不同工况相应调节蒸发器换热面积的大小，并采用前馈加反馈控制的方法来调节有机朗肯循环回路的工作状态以及发动机排气管出口的尾气温度，实现在发动机各种工况下的发动机余热能的充分利用；由于利用余热发电，提高发动机的有用功输出，在同样的功率输出情况下，节省 了燃油的消耗率。 

2．采用多个蒸发器串联，并利用开关控制阀来控制有机工质的流向的方法来调节蒸发器与发动机排气之间的换热面积，这种改变蒸发器面积的方法结构简单，成本低，且可靠性高。 

3．根据车用发动机工作时排气的不同热力状态，采用了有机工质R245fa作为有机朗肯循环回路的工质，与其它材料相比，它们具有良好的安全性，对环境的破坏小，同时具有高的热功转换效率。 

4．减少发动机向大气环境的散热量，减缓温室效应的影响。减少发动机尾气温度，提高城市环境的舒适性。 

本实用新型可应用于各种车用发动机，尤其是车用汽油机。 

附图说明

图1为本实用新型的余热发电系统连接图。 

图2为电控单元的硬件结构简图。 

图3为开关控制阀的控制方法原理图。 

图4为有机朗肯循环回路控制方法原理图。 

图5为冷凝器风扇调节电机控制方法原理图。 

图6为故障保护控制方法原理图 

图7为程序总体流程图。 

图中：1-压气机；2－发动机缸体；3－排气涡轮；4－蒸发器；5－蒸发器；6－蒸发器；7－膨胀机；8－发电机；9－冷凝器；10－冷凝器风扇；11－冷凝器风扇调节电机；12－有机朗肯循环回路工质泵；13－有机朗肯循环回路调节电机；14－有机朗肯循环回路压力调节阀；15－控制单元；16－大气环境温度传感器；17－起动开关；18－发动机转速传感器；19－油门位置传感器；20－排气温度传感器；21－有机工质冷凝温度传感器；22－有机工质过热温度传感器；23－排气常开开关阀；24－排气常闭开关阀；25－开关控制阀；26－开关控制阀；27－开关控制阀；28－开关控制阀；29－开关控制阀。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。 

本实用新型的变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统，其连接图如图1所示，包括有机朗肯循环回路和控制通路。上述用于发动机的余热热功转换的有机朗肯循环回路包含的部件有：工质泵12、有机朗肯循环回路调节电机13、有机朗肯循环回路压力调节阀14、蒸发器4、开关控制阀28、开关控制阀29、蒸发器5、开关控制阀26、开关控制阀27、蒸发器6、开关控制阀25、膨胀机7、发电机8、冷凝器9、冷凝器风扇10、冷凝器风扇调节电机11、排气常开开关阀23、排气常闭开关阀24以及连接它们的管路。上述用于控制的控制通路包含的部件有：控制单元15、发动机转速传感器18、油门位置传感器19、起动开关17、大气环境温度传感器16、排气管出口尾气温度传感器20、有机工质冷凝温度传感器21、有机工质过热温度传感器22、排气常开开关阀23、排气常闭开关阀24、开关控制阀25、开关控制阀26、开关控制阀27、开关控制阀28、开关控制阀29、有机朗肯循环回路调节电机13、冷凝器风扇调节电机11以及连接这些部件的线束。 

上述变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统内各部件的连接关系是： 

有机朗肯循环回路各部件的连接关系是：有机朗肯循环回路工质泵12的出口与蒸发器4的入口通过管道相连，蒸发器4的出口同时与开关控制阀28和开关控制阀29的入口相连，开关控制阀28的出口与蒸发器5的入口相连，蒸发器5的出口同时与开关控制阀26和开关控制阀27的入口相连，开关控制阀26的出口与蒸发器6的入口相连，蒸发器6的出口与开关控制阀25的入口相连，开关控制阀25、开关控制阀27、开关控制阀29的出口同时与膨胀机7的入口相连，膨胀机7的出口与冷凝器9的入口相连，冷凝器9的出口与工质泵12的入口相连，有机朗肯循环回路调节电机13与有机朗肯循环回路工质泵12相连并驱动其运转，通过调节电机13的转速来控制有机工质的流量，有机朗肯循环回路压力调节阀14与有机朗肯循环回路工质泵12并联，用以限制最高蒸发压力，膨胀机7的输出轴与发电机8的输入轴相连，带动发电机发电，冷凝器风扇10安装在冷凝器9的正前方，由与其同轴的冷凝器风扇调节电机11驱动，通过调节电机11的转速来调节冷凝器风扇转速，从而控制流过冷凝器9的冷空气流量，以此 来调节有机工质冷凝温度。 

蒸发器4、蒸发器5和蒸发器6的排气侧通过管路依次相连，蒸发器6的排气入口与发动机涡轮3的排气口管路相连，蒸发器4的排气出口通过管路与大气相通，排气常开开关阀23串接在蒸发器6和涡轮3之间的管道上，在排气常开开关阀23的入口前的管道上的旁路排气管上串接排气常闭开关阀24。 

用于控制有机朗肯循环回路运行的控制通路各部件的连接关系是：发动机转速传感器18、油门位置传感器19、大气环境温度传感器16、起动开关17、排气尾气温度传感器20、有机工质过热温度传感器22、有机工质冷凝温度传感器21、有机朗肯循环回路调节电机13、冷凝器风扇调节电机11、开关控制阀25、开关控制阀26、开关控制阀27、开关控制阀28、开关控制阀29、排气常开开关阀23、排气常闭开关阀24分别与控制单元15通过线束相连，排气尾气温度传感器20安装在蒸发器4与大气环境相通的连接管道上，有机工质过热温度传感器22安装在膨胀机7入口侧的管道上，有机工质冷凝温度传感器21安装在冷凝器9出口侧的管道上，开关控制阀28串接在蒸发器4和蒸发器5之间的管路上，开关控制阀29串接在蒸发器4的出口到膨胀机7的入口之间的管路上，开关控制阀26串接在蒸发器5和蒸发器6之间的管路上，开关控制阀27串接在蒸发器5的出口到膨胀机7的入口之间的管路上，开关控制阀25串接在蒸发器6的出口到膨胀机7的入口之间的管路上。 

上述的变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统的控制通路的结构连接简图如图2所示。控制单元中含有电源电路、主单片机电路、模拟量输入电路、数字量输入电路、复位电路、时钟电路、电机驱动电路、开关驱动电路和通讯电路。模拟量输入电路对油门位置传感器19、排气尾气温度传感器20、有机工质过热温度传感器22、有机工质冷凝温度传感器21和大气环境温度传感器16输出的模拟量进行信号调理；数字量输入电路对发动机转速传感器18和起动开关17输出的数字量进行信号调理；模拟量输入电路的输出端与主单片机电路中的单片机的模拟量采集端口连接；数字量输入电路输出端与主单片机电路中的单片机的数字输入输出端口连接；所述的电机驱动电路的输入端与主单片机电路的输出端相连，单片机中的程序采集输入的信号，并进行数字滤波处理，计算驱动信号的值，从单片机的脉冲宽度调制（PWM）端口输出控制信号给电机驱动 电路；电机驱动电路的输出端分别与有机朗肯循环回路调节电机13和冷凝器风扇调节电机11连接；所述的开关驱动电路的输入端与主单片机电路的输出端相连，单片机中的程序从单片机的数字输出端口输出控制信号给开关驱动电路，开关驱动电路的输出端分别与排气常开开关阀23、排气常闭开关阀24、开关控制阀25、开关控制阀26、开关控制阀27、开关控制阀28和开关控制阀29连接；所述的通讯电路一端与主单片机电路中的单片机的CAN接口相连，另一端与计算机或其它电控单元的CAN总线通讯端口相连，实现与计算机的监控通讯以及与其它电控单元的数据通讯功能。 

上述的有机朗肯循环回路的工质为有机物流体，如某种制冷剂R245fa。 

本实用新型的工作原理如下： 

在车用发动机开始点火起动时，起动开关17接通，控制单元15上电开始工作，预先存储在控制单元15中的程序采集油门位置传感器19、发动机转速传感器18、大气环境温度传感器16、排气尾气温度传感器20、有机工质过热温度传感器22和有机工质冷凝温度传感器21的信号，根据发动机转速和油门位置信号判断发动机尾气余热能的大小，利用开关控制阀25、开关控制阀26、开关控制阀27、开关控制阀28和开关控制阀29设定相应的蒸发器换热面积，在此基础上，采用开关前馈控制加闭环反馈控制计算输出驱动信号，控制有机朗肯循环回路调节电机13的转速，采用闭环反馈控制计算输出驱动信号，控制冷凝器风扇调节电机11的转速；当程序检测到的传感器信号正常时，保持排气常开开关阀23打开，排气常闭开关阀24关闭，当程序检测到传感器的信号出现异常时，关闭排气常开开关阀23，打开排气常闭开关阀24。 

上述的开关控制阀控制方法原理如图3所示，车用发动机在实际工作时，其发动机转速和输出转矩会随着路面和车速等的变化而发生相应的改变，通常在发动机控制中采用发动机转速和油门位置两个信号来判断发动机工作的区域。发动机的怠速转速n_idle作为稳定的最小发动机转速，对应于发动机额定功率点的转速设定为最大发动机转速n_max，发动机正常工作时，转速在n_idle和n_max之间变化，在某一个发动机转速下，油门位置信号从最小稳定位置到100％满负荷之间变化，发动机电子控制单元会根据油门位置信号来设定喷油量的大小，从而调节发动机输出转矩的大小，油门位置信号越大，发动机输出的转矩也越大。因此，以 发动机转速为横坐标，以油门位置为纵坐标，可以画出发动机输出功率的MAP图，以及对应的排气余热能的MAP图。设发动机额定功率点的输出功率为P_e，那么在对应发动机功率为2P_e/3,P_e/3的地方分别画出两条曲线如图3所示，以此两条曲线为分界线，可将发动机整个工作区域划分为I区、II区和III区。I区对应发动机功率小于P_e/3，此时仅利用蒸发器4来吸收发动机排气的余热能，控制系统打开开关控制阀29，关闭开关控制阀25、开关控制阀26、开关控制阀27和开关控制阀28；II区对应发动机功率大于P_e/3而小于2P_e/3，此时利用蒸发器4和蒸发器5来吸收发动机排气的余热能，控制系统打开开关控制阀27和28，关闭开关控制阀25、开关控制阀26和开关控制阀29；III区对应发动机功率大于2P_e/3，此时利用蒸发器4、蒸发器5和蒸发器6来吸收发动机排气的余热能，控制系统打开开关控制阀25、开关控制阀26和开关控制阀28，关闭开关控制阀27和开关控制阀29。 

上述的有机朗肯循环回路控制方法原理如图4所示，控制单元15中的程序根据采集的发动机转速传感器18和油门位置传感器19的信号，查2维MAP图得到开关控制阀工作区域选择信号PWM_sel，PWM_sel的值为1、2或3，对应为I区、II区或III区。程序根据的PWM_sel信号值来选择有机朗肯循环回路调节电机的驱动信号PWM_ORC的来源。当PWM_sel等于1时，对应于有机朗肯循环回路工作在I区，此时程序根据采集的发动机转速传感器18和油门位置传感器19的信号值，查2维MAP图A得到驱动有机朗肯循环回路调节电机13的PWM信号占空比的前馈控制值PWM_{ff_A}，同时根据采集的发动机排气管出口尾气温度传感器20的尾气温度值T_{exh_r}，采用闭环比例积分控制器计算驱动有机朗肯循环回路调节电机13的PWM信号占空比的反馈控制值PWM_{fb_A}，叠加后输出给有机朗肯循环回路调节电机13的电机驱动电路，发动机排气管出口尾气温度的目标值T_{exh_t}设为105摄氏度，比例积分控制器的比例系数K_{p_A}和积分系数K_{i_A}由具体试验整定得到。比例积分控制器包含比例调节环节和积分调节环节。比例调节的作用为按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差，比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分调节的作用为使系统消除稳态误差,提高无差度，如果有误差, 积分调节就进行,直至无差,积分调节才停止。I区对应的比例积分控制器的计算式如下： 

${\mathrm{PWM}}_{\mathrm{fb}\_A}=K_{p\_A}{(T_{\mathrm{exh}\_t}-T_{\mathrm{exh}\_r})}_n+K_{i\_A}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{exh}\_t}-T_{\mathrm{exh}\_r})}_k$

其中n表示当前时刻值，k表示从开始到当前的某一时刻值。 

当PWM_sel等于2时，对应于有机朗肯循环回路工作在II区，此时程序根据采集的发动机转速传感器18和油门位置传感器19的信号值，查2维MAP图B得到驱动有机朗肯循环回路调节电机13的PWM信号占空比的前馈控制值PWM_{ff_B}，同时根据采集的发动机排气管出口尾气温度传感器20的尾气温度值T_{exh_r}，采用闭环比例积分控制器计算驱动有机朗肯循环回路调节电机13的PWM信号占空比的反馈控制值PWM_{fb_B}，叠加后输出给有机朗肯循环回路调节电机13的电机驱动电路，比例积分控制器的比例系数K_{p_B}和积分系数K_{i_B}由具体试验整定得到。II区对应的比例积分控制器的计算式如下： 

${\mathrm{PWM}}_{\mathrm{fb}\_B}=K_{p\_B}{(T_{\mathrm{exh}\_t}-T_{\mathrm{exh}\_r})}_n+K_{i\_B}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{exh}\_t}-T_{\mathrm{exh}\_r})}_k$

当PWM_sel等于3时，对应于有机朗肯循环回路工作在III区，此时程序根据采集的发动机转速传感器18和油门位置传感器19的信号值，查2维MAP图C得到驱动有机朗肯循环回路调节电机13的PWM信号占空比的前馈控制值PWM_{ff_C}，同时根据采集的发动机排气管出口尾气温度传感器20的尾气温度值T_{exh_r}，采用闭环比例积分控制器计算驱动有机朗肯循环回路调节电机13的PWM信号占空比的反馈控制值PWM_{fb_C}，叠加后输出给有机朗肯循环回路调节电机13的电机驱动电路，比例积分控制器的比例系数K_{p_C}和积分系数K_{i_C}由具体试验整定得到。III区对应的比例积分控制器的计算式如下： 

${\mathrm{PWM}}_{\mathrm{fb}\_C}=K_{p\_C}{(T_{\mathrm{exh}\_t}-T_{\mathrm{exh}\_r})}_n+K_{i\_C}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{exh}\_t}-T_{\mathrm{exh}\_r})}_k$

上述的冷凝器风扇调节电机控制方法原理如图5所示，控制单元15中的程序采集大气环境温度传感器16信号，查1维表判断有机工质冷凝温度的目标值，该目标冷凝温度根据不同的大气环境温度条件，通过计算预先设定并作为1维表的形式存储在程序中，计算的目标冷凝温度与采集的实际有机工质冷凝温度传感 器21的信号值比较，采用比例积分控制器计算驱动冷凝器风扇调节电机11的控制信号值，随后输出给冷凝器风扇调节电机11的驱动电路。 

上述的故障保护控制方法原理如图6所示，控制单元15中的程序检测排气尾气温度传感器20、有机工质冷凝温度传感器21和有机工质过热温度传感器22的信号值，当检测它们的值都在正常范围内时，认定系统工作正常，程序控制排气常开开关阀23打开，排气常闭开关阀24关闭；当检测以上传感器的值至少有一个大于设定的最大值或低于设定的最小值时，判定系统工作出现异常，控制单元15中的程序控制排气常开开关阀23关闭，排气常闭开关阀24打开，同时关闭整个余热发电系统，并通过通讯端口发送报警信号。 

本实用新型的工作过程如下： 

在发动机开始点火起动时，起动开关17接通，控制单元15上电，控制程序开始工作，主程序的流程图如图7所示。首先，控制程序进行初始化操作，设定有关寄存器的值，将相关的控制参数调入到RAM中。随后，控制程序进行开中断操作，打开以10毫秒为周期的主循环控制程序。之后主循环控制程序判断10毫秒时间周期是否到达，如果没有，继续等待，如果到达，则进入传感器信号采集模块。传感器信号采集模块采集大气环境温度传感器16、发动机转速传感器18、油门位置传感器19、排气尾气温度传感器20、有机工质冷凝温度传感器21和有机工质过热温度传感器22的信号，分别进行数字滤波后存入RAM中，作为当前的实际信号值。之后，主循环控制程序判断传感器的信号是否在正常工作范围内，如果正常，程序进行正常的系统控制程序。首先程序根据发动机油门位置信号和发动机转速信号的当前值判断有机朗肯循环工作区域位于I区、II区还是III区。之后进入有机朗肯循环回路开关控制阀驱动模块，按照上述的开关控制阀控制方法原理的要求，设定开关控制阀的通断状态。接着，冷凝器风扇调节电机驱动模块按照上述的冷凝器风扇调节电机控制方法原理的要求，计算驱动信号值，输出给冷凝器风扇调节电机11的驱动电路。此后，进入有机朗肯循环回路调节电机驱动模块，按照上述的有机朗肯循环回路调节电机控制方法原理的要求，计算驱动信号值，输出给有机朗肯循环回路调节电机13的驱动电路。最后，主循环控制程序进入CAN通讯模块，检查是否发生上位机的通讯请求，如果有，CAN通讯模块按照上位机的要求发送相关的信息，如果没有，则结束此次10毫 秒周期的控制任务，进入等待，直到下一个10毫秒时间周期的到来。如果检测到有传感器的信号出现异常，程序首先打开排气常闭开关阀24，随后关闭排气常开开关阀23，并通过CAN通讯发送报警信号，之后，程序依次关闭有机朗肯循环回路调节电机13、冷凝器风扇调节电机11和发电机8，完成以上动作以后程序停止运行，等待维修人员来进行检修。 

Claims (5)

1.变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统，利用采用有机工质的朗肯循环来吸收发动机工作时排气携带的余热，利用膨胀机将高焓工质膨胀过程中的焓变转换为有用功输出,带动发电机发电，利用控制系统实现发动机不同工况下排气余热利用的最大化；其特征在于： 

所述的有机朗肯循环，工质泵(12)的出口与蒸发器(4)的入口通过管道相连，蒸发器(4)的出口同时与开关控制阀(28)和开关控制阀(29)的入口相连，开关控制阀(28)的出口与蒸发器(5)的入口相连，蒸发器(5)的出口同时与开关控制阀(26)和开关控制阀(27)的入口相连，开关控制阀(26)的出口与蒸发器(6)的入口相连，蒸发器(6)的出口与开关控制阀(25)的入口相连，开关控制阀(25)、开关控制阀(27)、开关控制阀(29)的出口同时与膨胀机(7)的入口相连，膨胀机(7)的出口与冷凝器(9)的入口相连，冷凝器(9)的出口与工质泵(12)的入口相连；调节电机(13)与工质泵(12)相连并驱动其运转，压力调节阀(14)与工质泵(12)并联，用于限制有机朗肯循环回路的最高蒸发压力，膨胀机(7)与发电机(8)相连，带动其发电，冷凝器风扇(10)安装在冷凝器(9)的正前方，由与其同轴的冷凝器风扇调节电机(11)驱动； 

所述的蒸发器为管翅式热交换器，蒸发器(6)、蒸发器(5)和蒸发器(4)的管侧流体为有机工质，壳侧流体为来自发动机的高温排气，蒸发器(6)的壳侧入口通过管道与发动机涡轮(3)的排气口相连，蒸发器(5)的壳侧入口与蒸发器(6)的壳侧出口通过管道相连，蒸发器(4)的壳侧入口与蒸发器(5)的壳侧出口通过管道相连，蒸发器(4)的壳侧出口通过管道与大气环境相通，在蒸发器(6)的排气入口前的管道上串接排气常开开关阀(23)，在排气常开开关阀(23)的入口前的管道上的旁路排气管上串接排气常闭开关阀(24)。 

2.根据权利要求1所述的变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统，其特征在于：所述的控制系统，由发动机转速传感器(18)，油门位置传感器(19)，起动开关(17)，大气环境温度传感器(16)，排气尾气温度传感器(20)，有机工质冷凝温度传感器(21)，有机工质过热温度传感器(22)，排气常开开关阀(23),排气常闭开关阀(24)，开关控制阀(25)，开关控制阀(26)，开关控制阀(27)， 开关控制阀(28)，开关控制阀(29)，有机朗肯循环回路调节电机(13),冷凝器风扇调节电机(11)与控制单元(15)通过线束相连组成；排气尾气温度传感器(20)安装在蒸发器(4)的壳侧出口的管道上，有机工质过热温度传感器(22)安装在膨胀机(7)入口侧的管道上，冷凝温度传感器(21)安装在冷凝器(9)出口侧的管道上。 

3.根据权利要求2所述的变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统，其特征在于：所述的控制单元（15）包括：电源电路、主单片机电路、模拟量输入电路、数字量输入电路、复位电路、时钟电路、电机驱动电路、开关驱动电路和通讯电路。 

4.根据权利要求3所述的变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统，其特征在于：所述的模拟量输入电路对油门位置传感器（19）、排气尾气温度传感器(20)、有机工质过热温度传感器(22)、有机工质冷凝温度传感器(21)和大气环境温度传感器(16)输出的模拟量进行信号调理；数字量输入电路对发动机转速传感器(18)和起动开关（19）输出的数字量进行信号调理；模拟量输入电路的输出端与主单片机电路中的单片机的模拟量采集端口连接；数字量输入电路输出端与主单片机电路中的单片机的数字输入输出端口连接。 

5.根据权利要求3所述的变蒸发器面积的发动机排气余热回收有机朗肯循环系统，其特征在于：所述的电机驱动电路的输入端与主单片机电路的输出端相连，从单片机的脉冲宽度调制（PWM）端口输出控制信号给电机驱动电路；电机驱动电路的输出端分别与有机朗肯循环回路调节电机(13)和冷凝器风扇调节电机(11)连接； 

所述的开关驱动电路的输入端与主单片机电路的输出端相连，单片机中的程序根据工作条件从单片机的数字输出端口输出控制信号给开关驱动电路，开关驱动电路的输出端分别与排气常开开关阀(5)、排气常闭开关阀(6)、开关控制阀(25)、开关控制阀(26)、开关控制阀(27)、开关控制阀(28)和开关控制阀(29)连接； 

所述的通讯电路一端与主单片机电路中的单片机的CAN接口相连，另一端 与计算机或其它控制单元（15）的CAN总线通讯端口相连，实现与计算机的监控通讯以及与其它控制单元（15）的数据通讯。 

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