CN207315535U - 一种汽车内燃机热能回收发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种汽车内燃机热能回收发电系统，包括发电装置、热媒介回收装置、热回收装置，所述的热回收装置包括高温余热回收子装置和低温余热回收子装置，所述的发电装置包括超高速发电机、以及用于驱动超高速发电机的低压膨胀机和高压膨胀机；所述的高温余热回收子装置、高压膨胀机、热媒介回收装置首尾相连形成高温热回收回路；所述的低温余热回收子装置、低压膨胀机、热媒介回收装置首尾相连形成低温热回收回路。本实用新型的系统具有热量回收彻底、节油率高、可以智能化控制的优点。

Description

一种汽车内燃机热能回收发电系统

技术领域

本实用新型涉及汽车余热回收领域，特别是一种汽车内燃机热能回收发电系统。

背景技术

2020年，我国汽车行业将实施第四阶段油耗限值标准，即百公里油耗需达到5升以内，届时不能达标的内燃机汽车将不再允许上路。企业油耗在现有油耗基础上降低油耗近34%，难度特别大。内燃机余热利用节能技术，将是保证汽车达到这一新油耗标准必不可少的技术之一。

有机朗肯循环（ORC）技术是低温余热发电的主流技术，可以将发动机排气中的热能进行回收发电，或做为直接与发动机动力复合，达到节约燃油消耗、减少排放的目的。据美国环保署公开报道，余热利用技术综合节能可达5%-15%。而目前国际上最先进的ORC技术可以回收热能达到45%。最低热能回收温度95℃。

近年来工业领域余热利用技术应用进展较快，国内很多企业通过引进再创新，开发出多种工业余热发电设备，最小发动功率可以达到125KW左右，有效地促进了节能减排技术的发展；但是产品价格昂贵，每千瓦发电功率的工业ORC产品市场售价约1万元左右。

小型ORC产品技术突破较困难。由于小型化后效率严重下降，对热能利用、低温膨胀、超高速发电、系统设计、控制系统等方面技术的要求大幅提高，因此100KW以内小型余热发电设备，特别是能够在汽车上安装使用的发电功率30KW以内的高效余热发电设备国内尚未开发出来。

到目前为止，国内小型余热发电设备试验与验证效果看，能够达到的效果是大约节油效率1%左右。国内在余热利用效率上达不到理想的结果的主要原因是还没有突破技术的关键因素，如高效换热与热能利用技术、高效透平与能量转换技术、超高速发电与控制技术等等，如果这些技术没有突破，按照传统的设计思想与理论，所开发的余热发电设备，必然达不到相应的技术目标。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种节油效率高的汽车内燃机热能回收发电系统。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种汽车内燃机热能回收发电系统，包括发电装置、热媒介回收装置、热回收装置，所述的热回收装置包括高温余热回收子装置和低温余热回收子装置，所述的发电装置包括超高速发电机、以及用于驱动超高速发电机的低压膨胀机和高压膨胀机；

所述的高温余热回收子装置、高压膨胀机、热媒介回收装置首尾相连形成高温热回收回路；

所述的低温余热回收子装置、低压膨胀机、热媒介回收装置首尾相连形成低温热回收回路。

超高速发电机是指转速达到2万转/分钟以上的发电机，其用以提高效率，减小发电机体积。超高速发电装置与一个或多个涡轮膨胀机为同轴安装，以减少动力传递过程的机械损失，并进一步提高效率。

在上述的汽车内燃机热能回收发电系统中，还包括用于将高压膨胀机输出至热媒介回收装置的热媒介和低温余热回收子装置输出的热媒介换热的换热器；

所述的低温余热回收子装置和低压膨胀机之间通过两个可切换的管路连接，其中一个管路连接有所述的换热器；

当低温余热回收子装置输出的热媒介切换至经过换热器时，所述的低温热回收回路为第一低温热回收回路；

当低温余热回收子装置输出的热媒介切换至直接输出至低压膨胀机时，所述的低温热回收回路为第二低温热回收回路。

在上述的汽车内燃机热能回收发电系统中，所述的高温余热回收子装置用于吸收汽车尾气热量；

或

所述的高温余热回收子装置用于吸收涡轮增压器中的废热和汽车尾气热量。

在上述的汽车内燃机热能回收发电系统中，所述的低温余热回收子装置用于吸收发动机冷却水热能。

在上述的汽车内燃机热能回收发电系统中，所述的高压膨胀机的出口和入口之间设有连接管，所述的连接管上设有控制阀。

在上述的汽车内燃机热能回收发电系统中，还包括控制器，所述的控制器用于控制高温热回收回路、低温热回收回路同时或单独工作。

在上述的汽车内燃机热能回收发电系统中，所述的控制器用于控制高温热回收回路与第一低温热回收回路或第二低温热回收回路同时或单独工作；所述的控制器还用于控制控制阀的开合。

在上述的汽车内燃机热能回收发电系统中，所述的热媒介回收装置包括依次连接的冷凝器、气液分离器、热媒介储罐和高压泵，所述的冷凝器通过换热器与高压膨胀机相连，所述的高压泵通过一三通电磁阀与高温热回收回路和低温热回收回路相连。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1.与现有技术相比，经过能量分布式利用，可以将发动机余热充分提取，使介质达到较高的能级水平，提升气体介质携带的能量，从而提高发电量；

2.经过模拟测试和实际应用验证，综合节油率可以达到5%左右；

3.控制方面，根据不断捕捉发动机工况，预测每一级热源的能量分布，从而提前调控介质的流量，已达到当前状态下发电量最大化；

4.当系统捕捉到某一发动机工况下，余热能量不足以将介质加热到推动膨胀机到能够发电的转速水平，控制系统会发出指令，截止介质通过膨胀机，以减小发动机负荷。

附图说明

图1为本实用新型的实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1一种汽车内燃机热能回收发电系统，包括发电装置、热媒介回收装置、热回收装置，所述的热回收装置包括高温余热回收子装置和低温余热回收子装置，所述的发电装置包括超高速发电机1、以及用于驱动超高速发电机1的低压膨胀机2和高压膨胀机3；超高速发电机1的电力输出至一稳压变压器4，使之能够正常对电池充电。

所述的高温余热回收子装置、高压膨胀机3、热媒介回收装置首尾相连形成高温热回收回路；

所述的低温余热回收子装置、低压膨胀机2、热媒介回收装置首尾相连形成低温热回收回路。

需要特别说明的是，在本实施例中，高温热回收回路是指用于回收汽车高温尾气的热量回收回路，其包含一个高温换热器16，当然当汽车为带蜗轮增压发动机时，这时的高温热回收回路就包含两个高温换热器16，设置在前的高温换热器16用于吸收蜗轮废气的热能，设置在后的高温换热器16吸收高温尾气的热能。

而低温热回收回路则一般用于回收发动机冷却水一类的低热值的热能，其采用低温换热器14。

在本实施例中高温换热器16和低温换热器14仅指代换热的介质的温度高低不同，不代表专用换热器。

所述的热媒介回收装置包括依次连接的冷凝器5、气液分离器6、热媒介储罐7和高压泵8，所述的冷凝器5通过换热器13与高压膨胀机3相连，所述的高压泵8通过一三通电磁阀9与高温热回收回路和低温热回收回路相连。

所述的高压膨胀机3的出口和入口之间设有连接管10，所述的连接管10上设有控制阀11。

上述的三通电磁阀9和控制阀11均通过控制器12控制。控制器12同时还控制稳压变压器4的工作。

当车辆正常行驶或发动机稳定工况下，高温热回收回路、低温热回收回路同时工作；

当发动机转速低于第一预设值高于第二预设值时，降低高温热回收回路的热媒介流量，提高低温热回收回路的热媒介流量；具体来说，控制三通电磁阀9的开度来调节不同回路的流量。

当发动机转速低于第二预设值时，控制控制阀11使连接管10连通。

第一预设值和第二预设值的设置根据车辆的性能可以进行灵活选择；一般地：第一预设值设定为废气涡轮增压启动转速，第二预设值为900转/分钟左右。

本实施例为了进一步提高热量回收精度，本实施例还包括用于将高压膨胀机3输出至热媒介回收装置的热媒介和低温余热回收子装置输出的热媒介换热的换热器13；

所述的低温余热回收子装置和低压膨胀机2之间通过两个可切换的管路连接，其中一个管路连接有所述的换热器13；

当低温余热回收子装置输出的热媒介切换至经过换热器13时，所述的低温热回收回路为第一低温热回收回路；

当低温余热回收子装置输出的热媒介切换至直接输出至低压膨胀机2时，所述的低温热回收回路为第二低温热回收回路。

具体来说，可以在低温余热回收子装置的输出端设置两个阀门15，以控制不同的回路流向。

这么设置的好处在于，当换热器13中高温的热媒介的温度高于第一预设温度时，高温热回收回路、第一低温热回收回路同时工作；这时，说明高温热回收回路热值含量高，为了提高热量回收效率并且提高低温热回收回路的热能驱动力，采用该回路配置是适宜的。

当换热器13中高温的热媒介的温度低于第一预设温度时，高温热回收回路、第二低温热回收回路同时工作。这时，说明高温热回收回路热值含量低，低温热回收回路已经不能从换热器13吸收热能，并且有可能降低低温热回收回路的热能，因此在此工况下应予以避免使用换热器13。

在本实施例中，第一预设温度可以根据发动机的规格自由设置，一般设定第一预设温度为106℃-110℃之间。

通过上述的设置，可以提高低品位的热能的回收效果，提高节油效率。

并且非常重要的是，本实施例采用了可分配流量的三通电磁阀9，当车辆工况不稳定时，提高或降低高温热回收回路的流量，使高温热回收回路中的热媒介加热后处于较高的温度，以推动高压膨胀机3正常工作。

同时根据车辆工况，灵活调节第一低温热回收回路和第二低温热回收回路的使用，使低温热回收回路中的热媒介可以以最高温度输出至低压膨胀机2，以推动低压膨胀机2正常工作。

本实施例还设置了连接管10，当发动机处于冷启动或者其他无法带动超高速发电机1的情况下，超高速发电机1不工作，以免增加发动机在冷启动负荷，影响发动机启动或排放性能指标。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种汽车内燃机热能回收发电系统，包括发电装置、热媒介回收装置、热回收装置，其特征在于：所述的热回收装置包括高温余热回收子装置和低温余热回收子装置，所述的发电装置包括超高速发电机、以及用于驱动超高速发电机的低压膨胀机和高压膨胀机；

所述的高温余热回收子装置、高压膨胀机、热媒介回收装置首尾相连形成高温热回收回路；所述的低温余热回收子装置、低压膨胀机、热媒介回收装置首尾相连形成低温热回收回路。

2.根据权利要求1所述的汽车内燃机热能回收发电系统，其特征在于，还包括用于将高压膨胀机输出至热媒介回收装置的热媒介和低温余热回收子装置输出的热媒介换热的换热器；

所述的低温余热回收子装置和低压膨胀机之间通过两个可切换的管路连接，其中一个管路连接有所述的换热器；

当低温余热回收子装置输出的热媒介切换至经过换热器时，所述的低温热回收回路为第一低温热回收回路；

当低温余热回收子装置输出的热媒介切换至直接输出至低压膨胀机时，所述的低温热回收回路为第二低温热回收回路。

3.根据权利要求1或2所述的汽车内燃机热能回收发电系统，其特征在于，所述的高温余热回收子装置用于吸收汽车尾气热量；

或

所述的高温余热回收子装置用于吸收涡轮增压器中的废热和汽车尾气热量。

4.根据权利要求1或2所述的汽车内燃机热能回收发电系统，其特征在于，所述的低温余热回收子装置用于吸收发动机冷却水热能。

5.根据权利要求1所述的汽车内燃机热能回收发电系统，其特征在于，所述的高压膨胀机的出口和入口之间设有连接管，所述的连接管上设有控制阀。

6.根据权利要求2所述的汽车内燃机热能回收发电系统，其特征在于，还包括控制器，所述的控制器用于控制高温热回收回路与第一低温热回收回路或第二低温热回收回路同时或单独工作；所述的控制器还用于控制控制阀的开合。

7.根据权利要求2所述的汽车内燃机热能回收发电系统，其特征在于，所述的热媒介回收装置包括依次连接的冷凝器、气液分离器、热媒介储罐和高压泵，所述的冷凝器通过换热器与高压膨胀机相连，所述的高压泵通过一三通电磁阀与高温热回收回路和低温热回收回路相连。