WO2013159299A1 - 基于布雷顿循环的余热利用系统及具有其的发动机 - Google Patents

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WO2013159299A1
WO2013159299A1 PCT/CN2012/074690 CN2012074690W WO2013159299A1 WO 2013159299 A1 WO2013159299 A1 WO 2013159299A1 CN 2012074690 W CN2012074690 W CN 2012074690W WO 2013159299 A1 WO2013159299 A1 WO 2013159299A1
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engine
air
utilization system
waste heat
turbocharger
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PCT/CN2012/074690
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诸葛伟林
宋宾阳
张扬军
张继忠
张俊跃
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清华大学
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0002—Controlling intake air
    • F02D41/0007—Controlling intake air for control of turbo-charged or super-charged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Waste heat utilization system based on Brayton cycle and engine with the same
  • the present invention relates to the field of engine waste heat utilization technology, and more particularly to a waste heat utilization system based on a Brayton cycle and an engine having the same. Background technique
  • the other type is the recovery of exhaust heat energy, such as a power cycle system that adds a heat exchanger to the exhaust system to recover the heat of the exhaust gas to heat the working fluid, such as the Brayton cycle system, the Rankine cycle system, and the Sterling cycle system. Forest circulation system, etc.
  • the power circulation system for recovering exhaust heat energy has less influence on engine performance, and has large recovery energy, but the structure is complicated, the system is large, and the control is difficult. Summary of the invention
  • the present invention aims to at least solve one of the technical problems existing in the prior art.
  • a waste heat utilization system for an engine is based on a Brayton cycle, the waste heat utilization system comprising: a turbocharger, the turbocharger utilizing from the engine The energy of the exhaust gas of the exhaust passage supercharges air entering the turbocharger, the air is supplied to the engine through an intake passage; and the control unit is disposed on the intake passage And controlling to divert a portion of the air in the intake passage to a Brayton cycle passage; a heat exchanger, the heat exchanger being disposed on the Brayton cycle passage for causing the Breton The air in the circulation passage exchanges heat with the exhaust gas; and a power turbine that is driven by the air that is exchanged by the heat exchanger.
  • the waste heat utilization system for an engine can convert part of the residual heat energy of the engine exhaust into mechanical work, and increase the total power output of the engine. Due to the shunting effect of the Brayton circulation passage on the engine gas siphon intake, Under the premise that the supercharged turbine does not overspeed under high-speed and high-load conditions, the air intake of the engine under low-speed conditions is further improved, thereby improving the power performance and fuel economy under the full working condition of the engine, and improving the operation of the vehicle. Performance, reducing the cost of use.
  • the heat exchanger is arranged to exchange heat between the exhaust gas discharged from the turbocharger and the air flowing through the Brayton circulation passage.
  • the heat exchanger is configured to exchange exhaust gas from the exhaust passage with the air flowing through the Brayton circulation passage, and after heat exchange Exhaust gas is supplied to the turbocharger.
  • the heat exchanger heats exhaust gas discharged from the turbine with the air.
  • control unit is controlled to be wide, and when the rotational speed of the engine exceeds a first threshold, the control wide opening increases as the rotational speed of the engine increases; When the engine speed reaches the second threshold, the control wide opening reaches a maximum (90°) and remains unchanged.
  • the waste heat utilization system further includes: a generator, an output shaft of the power turbine being coupled to the generator.
  • An engine according to an embodiment of the second aspect of the present invention includes a waste heat utilization system according to the embodiment of the first aspect of the present invention.
  • a vehicle according to an embodiment of the third aspect of the present invention includes the engine described in the embodiment of the second aspect of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of a waste heat utilization system for an engine according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic view of a waste heat utilization system for an engine according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic view showing control of a wide opening degree in the waste heat utilization system according to the present invention.
  • module refers to an application specific integrated circuit (AS IC ), circuit, processor (shared, dedicated, or group) and memory, combinatorial logic that performs one or more software or firmware programs, And/or other suitable components that provide the described functionality.
  • AS IC application specific integrated circuit
  • processor shared, dedicated, or group
  • memory combinatorial logic that performs one or more software or firmware programs, And/or other suitable components that provide the described functionality.
  • the waste heat utilization system 100 for the engine 200 includes a turbocharger 1, a control unit 2, a heat exchanger 3, and a power turbine 4.
  • the turbocharger 1 boosts the air entering the turbocharger 1 by the energy of the exhaust gas from the exhaust passage 210 of the engine 200, and the air is supplied to the engine 200 through the intake passage 220.
  • the turbocharger 1 is known in the prior art and is well known to those skilled in the art. A detailed description of the specific structure of the turbocharger 1 will be given in the following description, and will not be described in detail herein. .
  • the control unit 2 is disposed on the intake passage 220 and is controlled to divert a portion of the air in the intake passage 220 to the Brayton cycle passage 5, as shown in FIGS. 1 and 2, where it is to be noted that The unit 2 can understand a part of the air in the intake passage 220 in a broad sense, which can be understood as a variable greater than or equal to zero, that is, the control unit 1 can be reasonably controlled according to the actual working condition of the engine 200.
  • the amount of compressed air distributed to the intake passage 220 and the Brayton circulation passage 5, for example, when the engine 200 is in a low-speed, high-load condition, that is, when the amount of exhaust is small, the air compressed by the turbocharger 1 is less.
  • the control unit 2 can distribute all the compressed air of the turbocharger 1 to the intake passage 220, that is, the amount of compressed air distributed to the Brayton circulation passage 5 is zero, but this is due to an increase in the intake air amount of the turbocharger. There is more intake air in the hour cylinder, thereby improving the in-cylinder combustion state, improving the power output of the engine 200, and improving the dynamic performance of the engine 200 under low speed conditions.
  • the control unit 2 can distribute a part of the air compressed by the turbocharger 1 at this time.
  • the intercooler 7 is supplied while the remaining portion of the compressed air is distributed to the Brayton circulation passage 5, whereby the power performance and fuel economy of the engine 200 under high speed conditions can be greatly improved.
  • the heat exchanger 3 is disposed on the Brayton circulation passage 5 for exchanging heat between the air in the Brayton circulation passage 5 and the exhaust gas, wherein the heat exchanger 3 can be disposed before the turbocharger 1 or can be set to be turbocharged.
  • the exhaust gas discharged from the engine 200 may sequentially pass through the turbocharger 1 and the heat exchanger 3 or sequentially pass through the heat exchanger 3 and the turbocharger 1, and the setting position with respect to the heat exchanger 3 will be Detailed descriptions are given below, and are not described here.
  • Power turbine 4 It is driven by air that has undergone heat exchange through the heat exchanger 3.
  • the exhaust gas discharged from the engine 200 pushes the turbocharger 1 to operate and compresses the air entering it, and the compressed air is partially burned by the intake passage 220 into the cylinder of the engine 200.
  • This process can be understood as an engine circulation system; another part of the compressed air entering the heat exchanger 3 is heat exchanged with the high temperature exhaust gas discharged from the engine 200, and then enters the power turbine 4 to expand work, which can be understood as a Brayton cycle.
  • the Brayton cycle includes four processes of compression, endotherm, expansion, and exotherm.
  • the turbocharger 1 pressurizes the air as a compression process, and the endothermic process is equivalent to the compressed air in the Brayton cycle path 5.
  • the heat exchanger 3 exchanges heat with the exhaust gas discharged from the engine 200, and then the high-temperature compressed air after heat exchange by the heat exchanger 3 enters the power turbine 4 to expand work. Finally, the power turbine outlet gas enters the atmosphere, which is equivalent to the heat release process, completing the entire process.
  • Brayton cycle The compression process in the Brayton cycle is performed by the turbocharger 1, and the turbocharger 1 is also used by the engine cycle system, that is, the turbocharger 1 is shared by the Brayton cycle and the engine cycle system.
  • the power turbine 4 in the Brayton cycle is used to output the exhaust gas energy recovered by the Brayton cycle, and the power output of the power turbine 4 can be realized in the form of mechanical energy, for example, the output of the power turbine 4 is connected to the crankshaft 230 of the engine 200, of course, the power turbine 4
  • the power output can also be implemented in the form of electrical energy, for example, the output of the power turbine 4 is connected to the generator 6.
  • the power output of the power turbine 4 will be described in detail below and will not be described in detail herein.
  • the exhaust gas discharged from the engine 200 drives the turbocharger 1 to operate to pressurize fresh air entering the turbocharger 1, and the control unit 2 is based on the actual operating conditions of the engine 200.
  • the amount of compressed air distributed to the intake passage 220 and the Brayton circulation passage 5 is adjusted, that is, the amount of compressed air entering the engine circulation system and the Brayton cycle is adjusted.
  • the waste heat utilization system 100 for the engine 200 integrates the engine circulation system and the Brayton cycle system and dynamically adjusts the output power of the two systems according to the operating state of the engine 200, That is, under the full working condition of the engine 200, that is, whether the engine 200 is running at a low speed or at a full speed, the waste heat utilization system 100 can reasonably and fully utilize the exhaust energy of the engine 200, thereby improving the full working condition of the engine 200.
  • the power performance and fuel economy improve the vehicle's operating performance and reduce the cost of use.
  • the speed ensures that the supercharger does not overspeed when the engine is running at high speed. In this way, under low engine speed conditions (Breton circulation flow rate is 0), the engine gas can obtain more intake air, which improves the engine's low speed power performance and fuel economy.
  • waste heat utilization system 100 for the engine 200 has a reasonable structure and a compact structure, and the technical solution of the present invention can be realized simply by improving the supercharging system of the existing engine. Practicality.
  • the turbocharger 1 has no special requirements as long as it can effectively boost the air by utilizing the exhaust gas energy of the engine 200.
  • the turbocharger 1 includes a turbine 11 and a compressor 12 that is driven by exhaust gas from an exhaust passage 210 of the engine 200, which is driven by the turbine 11 and is forced into air.
  • the air of the machine 12 is supercharged.
  • the turbine 11 is disposed coaxially with the compressor 12, that is, the rotation of the turbine 11 drives the compressor 12 to rotate.
  • Other configurations relating to the turbocharger 1 such as the cooling lubrication system and the wastegate system and operating principles are well known in the art and are well known to those of ordinary skill in the art and will not be described in detail herein.
  • the heat exchanger 3 when the heat exchanger 3 is disposed behind the turbocharger 1, the heat exchanger 3 can make the slave turbine The exhaust gas discharged from the exhaust gas is exchanged with the air; as shown in Fig. 2, when the heat exchanger 3 is disposed before the turbocharger 1, the heat exchanger 3 can exhaust the exhaust gas and the air discharged from the exhaust passage 210 of the engine 200. Perform heat exchange.
  • the turbocharger 1 may also be a two-stage turbocharger system.
  • the two-stage turbocharger system includes a coaxial connection.
  • the high-pressure stage turbine and the high-pressure stage compressor and the coaxially connected low-pressure stage turbine and the low-pressure stage compressor are described as an example for the convenience of description before the two-stage turbocharger system is disposed in the heat exchanger 3.
  • the control unit 2 is controlled to be wide, and when the rotation speed of the engine 200 exceeds the first threshold, the control width 2 is opened, and the opening degree is within a certain range. As the engine speed of the engine 200 increases, the control wide 2 opening angle reaches a maximum (90.), and remains unchanged thereafter. That is, the engine 200 has a preset first threshold and a second threshold, and when the engine 200 is lower than the first threshold, it can be understood as the low-speed large-load condition in the above description, at this time due to the row of the engine 200.
  • the speed reduction mechanism has no special requirements, as long as the rotation speed of the power turbine 4 can be matched with the rotation speed of the crankshaft 230, and those skilled in the art can, depending on the actual situation, for example, the effect of deceleration, the stability of the transmission, and Space requirements to properly select the above speed reduction mechanism.
  • the rotational speed of the engine 200 is lower than the first threshold, the exhaust amount of the engine 200 is small, and the rotational speed at which the exhaust gas pushes the turbine 11 is low, so that the compressed air of the compressor 12 is less, in order to satisfy the engine 200.
  • the air intake requirement is such that the air-fuel ratio of the engine 200 cylinder is in an appropriate range, and the control width 2 is closed at this time, and the compressed air of the compressor 12 is cooled by the intercooler 7 and then supplied to the gas rainbow to ensure that the engine 200 is in use. Power output and fuel economy under this condition.
  • the exhaust gas of the exhaust passage 210 enters the turbine 11 and pushes the turbine 11 to rotate, and the turbine 11 drives the coaxially disposed compressor 12 to rotate to pressurize the air entering the compressor 12, and the control width 2 is opened at this time.
  • the amount of compressed air allocated to the intake passage 220 and the Brayton circulation passage 5 is different.
  • the control width 2 can adjust the opening angle of the wide door according to the actual actual rotational speed of the engine 200, and the opening angle is larger, thereby providing the mine
  • the circulation passage 5 has more compressed air, and the compressed air enters the heat exchanger 3 and exchanges heat with the exhaust gas discharged from the turbine 11 and entering the heat exchanger 3, and the portion of the air after the heat exchange enters the power turbine 4 to expand work.
  • the power turbine 4 is connected to the generator 6, and finally converts the energy of the exhaust gas recovered by the Brayton cycle into the electric energy of the generator 6 for use by other electrical equipment.
  • the control air width 2 can be allocated to the Brayton cycle to increase the power output of the Brayton cycle, thereby increasing the power output of the Brayton cycle.
  • the overall power output and fuel economy of the engine 200 are improved.
  • the waste heat utilization system 100 can maximize the efficiency of the engine total energy system, thereby improving the power output and fuel of the engine 200 under all working conditions. Economical, thereby reducing the cost of use.
  • the heat exchanger 3 is placed in front of the turbine 11, and the exhaust gas discharged from the engine 200 passes through the heat exchanger 3 and exchanges heat with the compressed air distributed to the Brayton cycle, and passes through the heat exchanger 3.
  • the exhaust gas after heat exchange flows through the turbine 11.
  • the engine 200 exhausts first heat exchange and then enters the power turbine 4 to expand work, thereby effectively increasing the temperature of the compressed air at the inlet of the power turbine 4 in the Brayton cycle, thereby improving the thermal efficiency of the Brayton cycle, but Since the pipeline between the engine 200 gas rainbow and the turbine 11 is large, the transient response of the turbine 11 is slow, and the turbo lag is large, the scheme is suitable for a power generation engine that does not require high transient response capability of the engine 200.
  • the waste heat utilization system 100 for the engine 200 according to an embodiment of the present invention, by integrating the Brayton cycle with the engine booster system, not only simplifies the system structure, but also is convenient and flexible to control, and is easy to implement on a vehicle engine.
  • An engine 200 according to an embodiment of the present invention includes a waste heat utilization system 100 according to the above-described embodiments of the present invention, with respect to the structure and working principle of the engine 200 such as a piston, a camshaft, a lubrication system, an ignition system, etc., and operations in the art.
  • the engine 200 uses six gas rainbows, and the arrangement can be used in an in-line, V-shaped or horizontally opposed manner, and the camshaft can be used with a single overhead camshaft.
  • the gas rainbow can have four valves, namely two intake valves and two exhaust valves, that is, those skilled in the art can completely follow the structure and specific arrangement of the engine 200.
  • the prior art is set accordingly.
  • the description of the terms “one embodiment”, “some embodiments”, “example”, “specific example”, or “some examples” and the like means a specific feature described in connection with the embodiment or example.
  • a structure, material or feature is included in at least one embodiment or example of the invention.
  • the schematic representation of the above terms does not necessarily mean the same embodiment or example.
  • the particular features, structures, materials, or characteristics described may be combined in a suitable manner in any one or more embodiments or examples.

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Abstract

一种用于发动机的余热利用系统（100），其基于布雷顿循环，包括：涡轮增压器（1），其利用来自发动机（200）的排气通路（210）的废气的能量对进入涡轮增压器（1）的空气进行增压；控制阀（2），其用于将进气通路（220）中的一部分空气分流至布雷顿循环通路（5）；设置在布雷顿循环通路（5）上的换热器（3），其用于将布雷顿循环通路（5）中的空气与废气进行换热；以及，动力涡轮（4），其被经过换热器（3）换热的空气驱动。还公开了一种具有该余热利用系统的发动机。该余热利用系统通过将布雷顿循环与发动机增压系统集成，不仅简化系统结构，且控制方便灵活，易于在车用发动机上实施。

Description

基于布雷顿循环的余热利用系统及具有其的发动机 技术领域
本发明涉及发动机余热利用技术领域， 尤其涉及一种基于布雷顿循环的余热利用系统 及具有该系统的发动机。 背景技术
余热利用是最有潜力的发动机节能减排技术之一。
目前发动机余热利用技术主要分为两类。 一类涉及回收发动机的排气余压能量， 例如 直接在排气系统中加入动力涡轮并利用排气余压推动其做功的涡轮复合系统。 但是， 在回 收排气余压能量的涡轮复合系统中， 动力涡轮的引入会导致发动机气虹的排气背压升高， 泵气损失增加， 从而对发动机性能影响较大， 且回收能量受限。
另外一类是回收排气余热能量， 例如在排气系统中加入换热器以回收排气热量、 从而 对工质进行加热的动力循环系统， 例如布雷顿循环系统、 朗肯循环系统、 斯特林循环系统 等。 回收排气余热能量的动力循环系统， 对发动机性能的影响较小， 回收能量大， 但结构 复杂， 系统体积大， 控制难度高。 发明内容
有鉴于此， 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明需要提供一种用于发动机的余热利用系统， 所述余热利用系统可提高发动机全 工况下的动力输出性能和燃油经济性。
此外， 本发明需要提供一种具有上述余热利用系统的发动机。 根据本发明第一方面实 施例的用于发动机的余热利用系统， 所述余热利用系统基于布雷顿循环， 所述余热利用系 统包括： 涡轮增压器， 所述涡轮增压器利用来自所述发动机的排气通路的废气的能量对进 入所述涡轮增压器的空气进行增压， 所述空气通过进气通路供给至所述发动机； 控制单元， 所述控制单元设置在所述进气通路上， 且控制成可将所述进气通路中的一部分所述空气分 流至布雷顿循环通路； 换热器， 所述换热器设置在所述布雷顿循环通路上， 用于使所述布 雷顿循环通路中的所述空气与所述废气进行换热； 以及动力涡轮， 所述动力涡轮被经过所 述换热器换热的所述空气驱动。
根据本发明实施例的用于发动机的余热利用系统可将发动机排气的部分余热能量转换 为机械功， 提高发动机总功率输出， 由于布雷顿循环通路对发动机气虹进气的分流作用， 可以在发动机高速大负荷工况下增压涡轮不发生超速的前提下， 进一步提高发动机低速工 况下的气虹进气量， 从而提高发动机全工况下的动力性能和燃油经济性， 提高车辆的操作 性能， 降低使用成本。
此外， 根据本发明实施例的用于发动机的余热利用系统结构紧凑， 只需对现有发动机 的增压系统进行简单的改进即可实现本发明的技术方案， 具有较好的实用性。 另外， 根据本发明实施例的用于发动机的余热利用系统， 还可以具有如下附加技术特 征：
在本发明的一个实施例中， 所述换热器设置成使从所述涡轮增压器排出的所述废气与 流经所述布雷顿循环通路的所述空气进行换热。
在本发明的另一个实施例中， 所述换热器设置成使来自所述排气通路的废气与流经所 述布雷顿循环通路的所述空气进行换热，且将经过换热之后的废气供给至所述涡轮增压器。
可选地， 所述涡轮增压器包括： 涡轮机， 所述涡轮机被来自所述发动机的所述排气通 路的废气推动做功； 以及压气机， 所述压气机由所述涡轮机驱动且对进入所述压气机的所 述空气进行增压。
在本发明的一个实施例中， 所述换热器使从所述涡轮机排放的废气与所述空气进行换 热。
在本发明的一个实施例中， 所述控制单元为控制阔， 且当所述发动机的转速超过第一 阈值时， 所述控制阔的开度随着所述发动机的转速的增加而增加； 当发动机的转速达到第 二阈值时， 所述控制阔的开度达到最大（90° ), 并保持不变。
在本发明的一个实施例中， 所述余热利用系统进一步包括： 发电机， 所述动力涡轮的 输出轴与所述发电机相连。
在本发明的一个实施例中， 所述动力涡轮的输出轴通过减速机构与所述发动机的曲轴 相连。
根据本发明第二方面实施例的发动机， 包括根据本发明第一方面实施例中描述的余热 利用系统。
根据本发明第三方面实施例的车辆， 包括根据本发明第二方面实施例中描述的发动机。 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出， 部分将在下面的描述中变得明 显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明
本发明的上述和 /或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明 显和容易理解， 其中：
图 1为根据本发明的第一实施例的、 用于发动机的余热利用系统的示意图；
图 2为根据本发明的第二实施例的、 用于发动机的余热利用系统的示意图； 以及 图 3显示了根据本发明的余热利用系统中控制阔的开度控制的示意图。 具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的， 仅用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。 下述说明本质上只是示例性的， 而不是以任何方式来限制本公开、 本公开的应用或者 使用。 为了简洁， 将在附图中使用相同的参考数字以识别相似的元件。 如此处所使用， 术 语至少 A、 B和 C中的至少一个必须理解为指的是逻辑（ A或者 B或者 C ), 使用非排他性逻 辑或者。 必须理解， 在不改变本公开的原理的情况下， 方法中的步骤可以不同的顺序来执 行。
如此处所使用， 术语模块、 单元指的是应用特定集成电路（AS IC )、 电路、 处理器（共 享、 专用或者成组）和执行一个或者更多个软件或者固件程序的存储器、 组合逻辑电路、 和 /或者提供所描述功能性的其他合适部件。
下面参考图 1-图 3首先描述根据本发明实施例的用于发动机 200的余热利用系统 100。 根据本发明实施例的余热利用系统 100基于布雷顿循环， 可设置于发动机 200排气通 路 210的下游用于收集发动机 200的排气能量， 其中关于布雷顿循环将在下面给出详细的 描述。
根据本发明实施例的用于发动机 200的余热利用系统 100 , 包括涡轮增压器 1、控制单 元 2、 换热器 3和动力涡轮 4。
涡轮增压器 1利用来自发动机 200的排气通路 210的废气的能量对进入涡轮增压器 1 的空气进行增压， 空气通过进气通路 220供给至发动机 200。 其中涡轮增压器 1 已为现有 技术并为本领域内的普通技术人员所熟知， 在下面的描述中对涡轮增压器 1 的具体结构将 给出详细的描述， 此处不再详细说明。
控制单元 2设置在进气通路 220上， 且控制成可将进气通路 220中的一部分空气分流 至布雷顿循环通路 5 , 如图 1和图 2所示， 这里， 需要说明的是， "控制单元 2可将进气通 路 220中的一部分空气" 中的 "一部分" 应作广义理解， 即可理解为大于等于零的一个变 量， 也就是说控制单元 1可根据发动机 200的实际工况来合理控制分配给进气通路 220和 布雷顿循环通路 5中的压缩空气量， 例如当发动机 200处于低速大负荷工况即排气量较少 时， 由涡轮增压器 1压缩的空气较少， 此时控制单元 2可将涡轮增压器 1压缩后的空气全 部分配给进气通路 220 , 即分配给布雷顿循环通路 5 的压缩空气量为零， 但由于涡轮增压 器进气量的增加使得此时缸内有更多的进气量， 从而改善缸内燃烧状态， 提高发动机 200 的动力输出， 改善发动机 200在低速工况下的动力性能。 当发动机 200处于低速大负荷或 中高速工况即排气量较多时， 由涡轮增压器 1压缩的空气较多， 此时控制单元 2可将一部 分经涡轮增压器 1压缩后的空气分配给中冷器 7 , 同时将剩余的另一部分压缩空气分配给 布雷顿循环通路 5 , 由此可大大提高发动机 200在高速工况下的动力性能和燃油经济性。
换热器 3设置在布雷顿循环通路 5上， 用于使布雷顿循环通路 5中的空气与废气进行 换热， 其中换热器 3可设在涡轮增压器 1之前也可设置涡轮增压器 1之后， 也就是说由发 动机 200排出的废气可依次经过涡轮增压器 1和换热器 3或依次经过换热器 3和涡轮增压 器 1 , 关于换热器 3的设置位置将在下面给出具体详细的说明， 此处不再赘述。 动力涡轮 4 被经过换热器 3换热的空气驱动。
根据本发明实施例的余热利用系统 100 , 发动机 200排出的废气推动涡轮增压器 1工 作并对进入其的空气进行压缩， 压缩后的空气一部分由进气通路 220进入发动机 200的气 缸燃烧做功， 此过程可理解为发动机循环系统； 另外一部分进入换热器 3的压缩空气与发 动机 200排出的高温废气进行热交换， 然后进入动力涡轮 4膨胀做功， 此过程可理解为布 雷顿循环。
布雷顿循环包括压缩、 吸热、 膨胀和放热四个过程， 其中涡轮增压器 1对空气的增压 作用相当于压缩过程， 吸热过程则相当于布雷顿循环通路 5中的压缩空气在换热器 3内与 发动机 200排出的废气进行热交换， 然后经过换热器 3换热后的高温压缩空气进入动力涡 轮 4膨胀做功， 最后动力涡轮出口气体进入大气相当于放热过程， 完成整个布雷顿循环。 其中布雷顿循环中的压缩过程由涡轮增压器 1完成， 而涡轮增压器 1也为发动机循环系统 所用， 也就是说， 涡轮增压器 1为布雷顿循环与发动机循环系统所共用。
布雷顿循环中的动力涡轮 4用于输出布雷顿循环回收的废气能量， 动力涡轮 4的功率 输出可以机械能的形式实现例如动力涡轮 4的输出端与发动机 200的曲轴 230相连， 当然 动力涡轮 4的功率输出也可以电能的形式实现例如动力涡轮 4的输出端与发电机 6相连， 关于动力涡轮 4的功率输出将在下面给出具体说明， 这里不再详细描述。
根据本发明实施例的余热利用系统 100 , 发动机 200排出的废气驱动涡轮增压器 1工 作以对进入涡轮增压器 1 内的新鲜空气进行增压， 控制单元 2根据发动机 200的实际工况 来调节分配给进气通路 220和布雷顿循环通路 5的压缩空气量， 即调节进入发动机循环系 统和布雷顿循环的压缩空气量。
具体而言， 当发动机 200在低速大负荷的工况下， 发动机 200的进气量较小， 因此排 气量也较小， 涡轮增压器 1可利用的废气能量也较小， 因此控制单元 2不分配给布雷顿循 环通路 5压缩空气，即经涡轮增压器 1压缩后的空气全部经过进气通路 220进入发动机 200 气缸， 从而保证发动机 200气缸的空燃比在合适范围内， 提高发动机 200的燃油经济性和 动力性能。
当发动机 200在低速小负荷或中高速工况下， 发动机 200的进气量相对较大， 因此排 气量也较大， 涡轮增压器 1可利用的废气能量也较大， 因此控制单元 2将经涡轮增压器 1 压缩后的一部分空气分配给布雷顿循环， 即这部分空气经过换热器 3与发动机 200排出的 废气进行换热后进入动力涡轮 4中膨胀做功， 动力涡轮 4最终可以机械能或电能等形式实 现布雷顿循环的能量输出， 而剩余的另一部经涡轮增压器 1压缩后的空气仍通过进气通路 220进入发动机 200的气虹内完成内燃机循环， 由此不仅提高了发动机 200的总功率输出， 改善发动机 200的燃油经济性， 同时还保证了发动机 200气缸的空燃比处在合适的范围内， 从而使发动机 200可稳定高效工作。
根据本发明实施例的用于发动机 200 的余热利用系统 100 , 通过将发动机循环系统和 布雷顿循环系统集成在一起并根据发动机 200的运行状态动态调节两个系统的输出功率， 即在发动机 200的全工况下， 也就是说无论发动机 200低速运转还是全速运转， 余热利用 系统 100均能对发动机 200的排气能量进行合理、 充分地利用， 从而提高发动机 200全工 况下的动力性能和燃油经济性， 提高车辆的操作性能， 降低使用成本。
此外， 釆用本发明实施例的用于发动机 200 的余热利用系统 100 , 还可提高发动机的 低速性能。 对于釆用不可调增压系统的普通增压发动机， 为防止发动机高速工况下增压器 超速， 在发动机低速工况下的增压器的工作转速较低， 发动机进气量受限， 导致发动机低 速工况的性能较低。 在本发明的实施例中， 由于布雷顿余热利用循环通路的加入， 在发动 机高速工况下可通过增加布雷顿循环的分流量控制增压器转速， 从而实现提高发动机低速 工况下增压器转速而保证发动机高速工况下增压器不超速。 这样在发动机低速工况下 （布 雷顿循环流量为 0 ), 发动机气虹可获得更多的进气量， 提高了发动机的低速动力性能和燃 油经济性。
此外， 根据本发明实施例的用于发动机 200的余热利用系统 100构造合理， 结构紧凑， 只需对现有发动机的增压系统进行简单的改进即可实现本发明的技术方案， 具有较好的实 用性。
在本发明的一个实施例中， 如图 1所示， 换热器 3可设置成使从涡轮增压器 1排出的 所述废气与流经布雷顿循环通路 5的空气进行换热。 也就是说， 发动机 200排出的废气首 先经过涡轮增压器 1 , 然后从涡轮增增压单元 1排出的废气进入换热器 3与布雷顿循环通 路 5 中的空气进行换热。 由于汽车发动机的工况可变性较大， 即工况相对不稳定， 发动机 经常在低转速和高转速之间变化， 因此本实施例更适用于汽车发动机系统， 由此可减小涡 轮增压器 1的涡轮迟滞现象， 从而保证发动机的工作状态对汽车工况变化有较快的响应。
当然， 本发明并不限于此， 在本发明的另一个实施例中， 换热器 3也可设置成使来自 排气通路 210的废气与流经布雷顿循环通路 5的空气进行换热， 且将经过换热之后的废气 供给至涡轮增压器 1。 由于本实施例中发动机 200的废气首先经过换热器 3 , 然后经过换热 器 3换热后的废气再经过涡轮增压器 1 , 如此可以增加换热器 3中的换热量， 但同时相当 于增加了发动机 200与涡轮增压器 1之间的管道体积， 从而使涡轮增压器 1的瞬态响应较 慢， 因此本实施例更适用于对涡轮增压器 1瞬态响应能力要求不高的发动机系统， 例如发 电用发动机系统。
涡轮增压器 1没有特殊要求， 只要能满足利用发动机 200的废气能量对空气进行有效 增压即可。 例如在图 1和图 1的示例中， 涡轮增压器 1 包括涡轮机 11和压气机 12 , 涡轮 机 11被来自发动机 200的排气通路 210的废气驱动，压气机 12由涡轮机 11驱动且对进入 压气机 12的空气进行增压， 具体地， 涡轮机 11与压气机 12共轴设置， 即涡轮机 11旋转 带动压气机 12旋转。其中关于涡轮增压器 1的其它结构例如冷却润滑系统以及废气旁通系 统和工作原理等已为现有技术， 并且为本领域内的普通技术人员所熟知， 这里不再详细描 述。
其中， 如图 1所示， 当换热器 3设置在涡轮增压器 1之后时， 换热器 3可使从涡轮机 11排放的废气与空气进行换热； 如图 2所示， 当换热器 3设置在涡轮增压器 1之前时， 换 热器 3可使从发动机 200排气通路 210中排放的废气与空气进行换热。
对于一些发动机 200排气量较大的实际情况， 例如发电用发电机， 涡轮增压器 1也可 为二级涡轮增压系统， 具体而言， 所述二级涡轮增压系统包括共轴连接的高压级涡轮机和 高压级压气机以及共轴连接的低压级涡轮机和低压级压气机， 其中为方便描述以二级涡轮 增压系统设置在换热器 3之前为例进行说明。 首先， 排气通路 210中的废气首先进入并推 动高压级涡轮机旋转， 然后废气从高压级涡轮机排出并进入低压级涡轮机推动低压级涡轮 缩， 压缩后的空气经冷却后进入高压級压气机被进一步压缩， 经高压級压气机二次压缩的 空气一部分可通过进气通路进入气虹燃烧做功， 剩余的一部分可通过换热器并与从低压级 涡轮机排出的废气进行换热， 换热后的空气进入动力涡轮 4以输出机械能或电能， 图未示 出。
也就是说， 本领域内的技术人员可根据发动机的实际工况， 即可根据发动机的实际排 气量来灵活设置与其相匹配的涡轮增压器 1的类型，以最大限度地利用发动机的排气能量， 提高发动机全工况下的动力输出和燃油经济性，例如上面描述的只具有一个涡轮机 11和压 气机 12的增压结构， 或上面描述的二级涡轮增压系统。
在本发明的一个具体示例中， 如图 1和图 3所示， 控制单元 2为控制阔， 且当发动机 200的转速超过第一阈值时， 控制阔 2开启， 在一定范围内其开度随着发动机 200的转速 的增加而增加， 当发动机转速达到第二阈值时， 控制阔 2开启角度达到最大（90。 ), 此后 保持不变。 也就是说， 发动机 200具有预先设定的第一阈值和第二阈值， 当发动机 200的 转速低于第一阈值时可以理解为上述描述中的低速大负荷工况， 此时由于发动机 200的排 气量较小， 因此控制阔 2关闭， 即由压气机 12压缩的空气全部由进气通路 220进入发动机 200 气缸内； 当发动机的转速超过第一阈值时， 可以理解为上述描述中的低速小负荷或中 高速工况， 此时由于发动机 200的气虹进气量有富余且排气能量较大， 因此控制阔 2打开。 具体而言， 当发动机的转速在第一阈值和第二阈值之间时，控制阔 2的开度随着发动机 200 的转速升高， 将更多地压缩空气分配至布雷顿循环通路 5 中； 当发动机的转速超过第二阈 值时， 控制阔 2的开启角度达到最大并保持不变。
需要说明的是， 图 3中所示的控制阔开度与发动机的转速之间的关系只是为了示意和 说明的目的， 而不是为了限定的目的， 普通技术人员可以通过仿真或者实际测量来获得。
通过设置控制阔 2 ,从而可根据发动机 200的实际工况来更加合理地分配给发动机 200 气虹和布雷顿循环通路 5不同的压缩空气量， 进而在保证发动机 200处在合适的空燃比范 围内， 进一步提高布雷顿循环的功率输出， 使发动机 200在全工况下的动力性能和燃油经 济性得到显著的改善， 降低使用成本。
布雷顿循环中的动力涡轮 4用于完成布雷顿循环的功率输出， 可选地， 动力涡轮 4可 与发动机 200的曲轴 230相连， 由于动力涡轮 4的转速高于曲轴 230的转速， 因此在动力 涡轮 4和曲轴 230之间应设置减速机构， 优选地， 所述减速机构为液力变矩器。 当然， 减 速机构还可以是液力耦合器或者是减速齿轮， 例如一级减速齿轮、 二级减速齿轮或多级减 速齿轮。 也就是说， 减速机构没有特殊要求， 只要能满足动力涡轮 4的转速与曲轴 230的 转速相匹配即可， 本领域内的普通技术人员可根据实际情况例如需要减速的效果、 传动的 稳定性以及空间要求来合理选择上述减速机构。
通过将动力涡轮 4与发动机 200的曲轴 230相连， 从而将布雷顿循环回收的废气能量 转换为曲轴 230的机械能以提高发动机 200的动力输出。
在本发明的另一个实施例中， 余热利用系统 100进一步包括发电机 6 , 动力涡轮 4的 输出轴与发电机 6相连以驱动发电机 6工作， 从而将布雷顿循环回收的废气能量转换为发 电机 6的电能以供车辆上的电子设备使用。
下面参考图 1描述根据本发明实施例的余热利用系统 100的具体工作过程， 其中为描 述方便、 清楚， 以发动机 200预先设定第一阈值、 第二阈值为界限， 以发动机 200转速低 于第一阈值、 介于两个阈值之间和高于第二阈值两种发动机的具体工况详细说明。
第一种工况， 当发动机 200的转速低于第一阈值时：
此时排气通路 210的废气进入涡轮机 11并推动涡轮机 11旋转，涡轮机 11带动同轴设 置的压气机 12旋转以对进入压气机 12内的空气进行增压，经过压气机 12增压后的空气经 过中冷器 7冷却后全部由进气通路 220供给至发动机 200气缸， 此时控制阔 2关闭， 布雷 顿循环通路 5中没有压缩空气进入换热器 3进行换热， 布雷顿循环输出功率为零。
也就是说， 由于发动机 200的转速低于第一阈值， 因此发动机 200的排气量较小， 废 气推动涡轮机 11旋转的转速较低， 从而使压气机 12压缩的空气较少， 为满足发动机 200 的进气要求， 并使发动机 200气缸的空燃比处在合适的范围， 控制阔 2此时关闭， 压气机 12压缩的空气经中冷器 7冷却后全部供给气虹使用， 进而保证发动机 200在此工况下的动 力输出和燃油经济性。
对于后两种工况， 当发动机 200的转速介于第一阈值和第二阈值之间以及高于第一阈 值时：
此时排气通路 210的废气进入涡轮机 11并推动涡轮机 11旋转，涡轮机 11带动同轴设 置的压气机 12旋转以对进入压气机 12内的空气进行增压， 控制阔 2此时处于打开状态以 分配给进气通路 220和布雷顿循环通路 5不同的压缩空气量， 具体而言， 控制阔 2可根据 发动机 200 当前的实际转速来调节阔门的开启角度， 开启角度越大， 从而提供给布雷顿循 环通路 5更多的压缩空气，这部分压缩空气进入换热器 3后与涡轮机 11排出并进入换热器 3的废气进行换热， 换热后的这部分空气进入动力涡轮 4 内膨胀做功， 动力涡轮 4与发电 机 6相连， 最终将布雷顿循环回收的废气能量转换为发电机 6的电能以供其它用电设备使 用。
由此， 在保证发动机 200气缸的空燃比处在合适范围内的前提下， 随发动机 200转速 的上升控制阔 2可分配给布雷顿循环更多的压缩空气以提高布雷顿循环的动力输出， 进而 提高发动机 200整体的功率输出和燃油经济性。
综上所述， 在发动机 200的全工况下， 根据本发明实施例的余热利用系统 100均能最 大限度地提高发动机总能系统的效率， 从而提高发动机 200全工况下的动力输出和燃油经 济性， 从而降低使用成本。
下面参考图 1和图 2对本发明的两个具体实施方案简单说明。
如图 1所示， 换热器 3置于涡轮机 11之后， 发动机 200排出的废气先流经涡轮机 11 , 然后进入换热器 3 , 并与控制阔 2分流给布雷顿循环的压缩空气进行热交换。 此方案下， 发动机 200气虹与涡轮机 11之间的管道体积较小， 发动机 200工况改变时， 涡轮机 11对 发动机 200工况变化的响应较快， 涡轮迟滞小， 该方案适用于车用发动机。
如图 1所示， 换热器 3置于涡轮 11之前， 发动机 200排出的废气先经过换热器 3 , 并 与控制阔 2分配给布雷顿循环的压缩空气进行热交换， 经过换热器 3换热后的废气再流经 涡轮机 11。 此方案下， 发动机 200排气先进行热交换再进入动力涡轮 4内膨胀做功， 由此 可有效提高布雷顿循环中动力涡轮 4入口处的压缩空气的温度， 从而提高布雷顿循环的热 效率， 但由于发动机 200气虹与涡轮机 11之间的管道体积较大， 涡轮机 11的瞬态响应较 慢， 涡轮迟滞大， 因此该方案适用于对发动机 200瞬态响应能力要求不高的发电用发动机。
根据本发明实施例的用于发动机 200 的余热利用系统 100 , 通过将布雷顿循环与发动 机增压系统集成， 不仅简化系统结构， 且控制方便灵活， 易于在车用发动机上实施。
根据本发明实施例的发动机 200 , 包括根据本发明上述实施例中描述的余热利用系统 100 , 关于发动机 200的结构及工作原理例如活塞、 凸轮轴、 润滑系统和点火系统等以及操 作对于本领域内的普通技术人员而言都是已知的， 例如发动机 200釆用六气虹， 其布置形 式可釆用直列、 V型或水平对置， 凸轮轴可釆用单顶置凸轮轴当然也可釆用双顶置凸轮轴， 气虹可具有四个气门， 即两个进气门和两个排气门， 也就是说， 本领域内的技术人员可对 发动机 200的结构和具体布置形式完全按照现有技术进行相应设置。
在本说明书的描述中， 参考术语 "一个实施例"、 "一些实施例"、 "示例"、 "具体示 例"、 或 "一些示例" 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、 材料或者 特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中， 对上述术语的示意性表述 不一定指的是相同的实施例或示例。 而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特点可以在 任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例， 本领域的普通技术人员可以理解： 在不脱离 本发明的原理和宗旨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， 本发 明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

权利要求
1、 一种用于发动机的余热利用系统， 所述余热利用系统基于布雷顿循环， 包括： 涡轮增压器（ 1；), 所述涡轮增压器（ 1 )利用来自所述发动机的排气通路的废气的能量 对进入所述涡轮增压器（1 ) 的空气进行增压， 所述空气通过进气通路供给至所述发动机； 控制单元（ 1 ), 所述控制单元（ 1 )设置在所述进气通路上， 且控制成可将所述进气通 路中的一部分所述空气分流至布雷顿循环通路；
换热器（3 ), 所述换热器（3 )设置在所述布雷顿循环通路上， 用于将所述布雷顿循环 通路中的所述空气与所述废气进行换热； 以及
动力涡轮（ 4 ), 所述动力涡轮（ 4 )被经过所述换热器（ 3 )换热的所述空气驱动。 1、 根据权利要求 1所述的余热利用系统， 其特征在于， 所述换热器（3 )设置成使从 所述涡轮增压器（ 1 )排出的所述废气与流经所述布雷顿循环通路的所述空气进行换热。
3、 根据权利要求 1所述的余热利用系统， 其特征在于， 所述换热器（3 )设置成使来 自所述排气通路的废气与流经所述布雷顿循环通路的所述空气进行换热， 且将经过换热之 后的废气供给至所述涡轮增压器（1 ) 。
4、 根据权利要求 2所述的余热利用系统， 其特征在于， 所述涡轮增压器（1 ) 包括： 涡轮机 ( 11 ), 所述涡轮机 ( 11 )被来自所述发动机的所述排气通路的废气驱动； 以及 压气机 ( 12 ), 所述压气机 ( 12 ) 由所述涡轮机 ( 11 )驱动且对进入所述压气机 ( 12 ) 的所述空气进行增压。
5、 根据权利要求 4所述的余热利用系统， 其特征在于， 所述换热器（3 )使从所述涡 轮机 ( 11 )排放的废气与所述空气进行换热。
6、 根据权利要求 1所述的余热利用系统， 其特征在于， 所述控制单元（2 )为控制阔， 且当所述发动机的转速超过第一阈值时， 所述控制阔的开度随着所述发动机的转速的增加 而增加； 以及当发动机转速达到第二阈值时， 所述控制阔的开度达到最大（90。 ), 并保持 不变。
7、根据权利要求 1所述的余热利用系统，其特征在于，所述进气通路上进一步设置有： 中冷器（7 ) , 用于冷却被所述涡轮增压器（1 )增压的空气并将经过冷却的所述空气 提供至所述发动机。
8、 根据权利要求 1所述的余热利用系统， 其特征在于， 进一步包括：
发电机（6 ) , 所述动力涡轮（4 ) 的输出轴与所述发电机（6 )相连。
9、 根据权利要求 1所述的余热利用系统， 其特征在于， 所述动力涡轮（4 ) 的输出轴 通过减速机构与所述发动机的曲轴相连。
10、 一种发动机， 包括如权利要求 1-10中任一项所述的余热利用系统。
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