本發(fā)明專利技術(shù)專利公開了一種利用空氣循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)排氣余熱能的系統(tǒng)。它是在內(nèi)燃機(jī)排氣管上附加一套空氣循環(huán)(布雷頓循環(huán)，Brayton?Air?Cycle)系統(tǒng)回收排氣余熱能并將其轉(zhuǎn)化為有效功。其技術(shù)方案為：空氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓到一定壓力后在換熱器中被加熱成高溫高壓的氣體，然后在渦輪中膨脹做功。渦輪輸出功用來帶動內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓，也可以帶動高速電機(jī)發(fā)電。此外，該系統(tǒng)還可以設(shè)計成回?zé)嵫h(huán)模式，通過兩級加熱進(jìn)一步提高能量回收效率。內(nèi)燃機(jī)電子控制系統(tǒng)根據(jù)排氣狀態(tài)實(shí)時調(diào)節(jié)空氣循環(huán)的工作壓力和流量，優(yōu)化循環(huán)效率。該發(fā)明專利技術(shù)以空氣為工質(zhì)能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果，并且結(jié)構(gòu)相對簡單，具有較好的應(yīng)用價值。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)專利是一種采用傳熱方式驅(qū)動空氣動力循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)排氣余熱能的系統(tǒng)。通過在內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)上耦合一套空氣動力循環(huán)裝置，將內(nèi)燃機(jī)高溫排氣的余熱能轉(zhuǎn)化為有效功輸出。系統(tǒng)輸出的有效功可以用來帶動進(jìn)氣系統(tǒng)的壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣增壓，也可用來帶動高速微型電機(jī)發(fā)電，提高內(nèi)燃機(jī)的能量利用效率。
技術(shù)介紹
當(dāng)前世界面臨最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是能源和環(huán)境問題，節(jié)能減排成為各個國家的重要發(fā)展戰(zhàn)略。近年來由于我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車保有量與日俱增，面臨的汽車能源需求和環(huán)境保護(hù)壓力日益加劇。內(nèi)燃機(jī)仍是當(dāng)今社會最主要的動力源，它發(fā)出的功率占全世界所有動力裝備總功率的50%以上，消耗的燃料占石油燃料總量的60%以上；同時，它也是人類最大的環(huán)境污染源之一，它排放的廢氣約占工業(yè)廢氣的50%左右。因此，節(jié)能減排是當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)技術(shù)進(jìn)步的主要動力與主要發(fā)展方向。 分析內(nèi)燃機(jī)的能量流可以知道，排氣約帶走了三分之一的能量。回收這部分排氣能量，可望使內(nèi)燃機(jī)的總能效率得到較大提升，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。在現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)排氣能量回收方式中，有利用廢氣二次膨脹的直接回收方式(例如采用復(fù)合渦輪增壓)，也有利用傳熱的間接回收方式(例如排氣系統(tǒng)后接蒸汽動力循環(huán))。廢氣直接膨脹往往是以增加內(nèi)燃機(jī)的排氣背壓為代價的，能量回收的效果并不明顯；采用傳熱方式回收內(nèi)燃機(jī)的排氣能量，帶來的附加排氣背壓很小，能量回收效率更高。目前研究比較多的是采用排氣系統(tǒng)后接閉式循環(huán)(例如朗肯循環(huán))裝置回收排氣余熱能。這類方式雖然能量回收效率較高，但是系統(tǒng)比較復(fù)雜，難以在內(nèi)燃機(jī)上實(shí)現(xiàn)。因此，回收效率較高、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低是廢氣能量回收系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)上實(shí)現(xiàn)的必要條件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
要解決的技術(shù)問題本專利技術(shù)專利的主要內(nèi)容在于提出一種利用空氣動力循環(huán)(布雷頓空氣循環(huán))回收內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱能的方法(系統(tǒng))，將回收的排氣能量用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓和高速電機(jī)發(fā)電。采用本專利技術(shù)可以克服現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)廢氣渦輪增壓存在的排氣背壓過大、效率低等缺點(diǎn)，解決現(xiàn)有的閉式廢氣能量回收底循環(huán)系統(tǒng)(例如朗肯循環(huán)系統(tǒng))結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等問題。技術(shù)方案在內(nèi)燃機(jī)排氣總管(11)上耦合一套空氣動力循環(huán)系統(tǒng)回收內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱能。該空氣動力循環(huán)系統(tǒng)基于布雷頓循環(huán)原理設(shè)計而成，包括3個核心部件換熱器(12)、渦輪(4)、壓氣機(jī)(15)。其工作原理為工質(zhì)空氣經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥(17)進(jìn)入壓氣機(jī)(15)，被加壓到預(yù)定的壓力，然后經(jīng)單向閥(13)后進(jìn)入換熱器(12);空氣在換熱器(12)中被高溫排氣加熱成高溫高壓氣體。而后,高溫高壓的空氣在渦輪(4)中膨脹做功，輸出軸功并帶動內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓氣機(jī)⑶以及高速電機(jī)(6)。之后，做功后的空氣從渦輪⑷出來排向環(huán)境。底循環(huán)系統(tǒng)回收的部分能量用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓，剩余的能量通過傳動軸(5)上的高速電機(jī)(6)回收(發(fā)電)。此外，高速電機(jī)(6)還用來實(shí)現(xiàn)對底循環(huán)系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)能量流的協(xié)調(diào)管理。其中，底循環(huán)工質(zhì)(空氣)的質(zhì)量流率由流量調(diào)節(jié)閥(17)來控制。壓氣機(jī)(15)的主要作用是提供一定的壓力驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)流動，同時還調(diào)節(jié)底循環(huán)工質(zhì)的工作壓力從而使底循環(huán)過程有較高的效率。渦輪(4)是高溫高壓氣體的膨脹做功裝置，是底循環(huán)系統(tǒng)的動力輸出設(shè)備。與以往的閉式循環(huán)相比，該底循環(huán)系統(tǒng)屬于開式循環(huán)，沒有冷凝器，這就簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)變得比較簡單，容易控制；此外，循環(huán)工質(zhì)為空氣，無需任何成本，節(jié)能環(huán)保。該底循環(huán)系統(tǒng)的控制策略為根據(jù)內(nèi)燃機(jī)在不同工況下的排氣能量流(由排氣質(zhì) 量流量和溫度得出)以及換熱器效率可以計算得出對應(yīng)的最佳底循環(huán)工質(zhì)(空氣)流量，并通過內(nèi)燃機(jī)電子控制系統(tǒng)控制空氣流量調(diào)節(jié)閥(17)的開度來實(shí)現(xiàn)；根據(jù)不同工況下的排氣溫度及底循環(huán)的過程特點(diǎn)，通過優(yōu)化計算得出對應(yīng)的最佳工作壓力，由內(nèi)燃機(jī)電子控制系統(tǒng)控制微型電機(jī)(16)來實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)(15)的目標(biāo)增壓壓力。此外，增壓系統(tǒng)高速電機(jī)(6)的工作模式也是由內(nèi)燃機(jī)電子控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制和調(diào)節(jié)。本專利技術(shù)專利的優(yōu)點(diǎn)可以概括為如下幾個方面I)本專利技術(shù)專利是采用傳熱方式回收內(nèi)燃機(jī)的廢氣余熱能。由于廢氣能量的主要表現(xiàn)形式是余熱能(遠(yuǎn)高于余壓能)，因此采用傳熱方式回收廢氣余熱能比通過廢氣二次膨脹(例如復(fù)合渦輪)回收余壓能具有更高的能量回收效率。與傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓方式(直接回收廢氣的余壓能)相比，通過傳熱方式回收內(nèi)燃機(jī)的廢氣余熱能帶來附加的排氣背壓小得多，可以使內(nèi)燃機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性都有較大地提高，顯著提升內(nèi)燃機(jī)的總能效率。2)本專利技術(shù)專利可以使增壓系統(tǒng)更好地適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)變工況工作。無論內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行在高速高負(fù)荷工況還是低速低負(fù)荷工況，都可以保證增壓系統(tǒng)具有較好的工作性能，這是由增壓器傳動軸上的高速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。在內(nèi)燃機(jī)起動工況時，底循環(huán)系統(tǒng)還沒有開始工作，直接由高速電機(jī)帶動進(jìn)氣壓氣機(jī)；在內(nèi)燃機(jī)低速和低負(fù)荷工況時，高速電機(jī)輔助帶動壓氣機(jī)壓縮進(jìn)氣，使進(jìn)氣達(dá)到目標(biāo)增壓壓力；在內(nèi)燃機(jī)高速高負(fù)荷工況時，渦輪同時帶動壓氣機(jī)和高速電機(jī)，將富余能量用于高速電機(jī)發(fā)電。通過這種方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)在全工況下與增壓器優(yōu)化匹配，既改善了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)增壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性，又解決了內(nèi)燃機(jī)低速時增壓壓力不夠的難題。3)與類似方法和技術(shù)(例如蒸汽動力循環(huán))相比，本專利技術(shù)專利的底循環(huán)系統(tǒng)為開式循環(huán)，不需要冷凝器，這樣就可以節(jié)約相關(guān)部件，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)比較容易，并且控制比較簡單。4)與類似方法和技術(shù)相比，本專利技術(shù)專利回收的排氣余熱能有多種用途，不但可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓，還可以帶動高速電機(jī)發(fā)電。這是因?yàn)樵谠鰤浩鱾鲃虞S上耦合了高速電機(jī)，可以對底循環(huán)系統(tǒng)能量流進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，提高廢氣能量回收效率和利用效率，優(yōu)化系統(tǒng)性能。5)本專利技術(shù)專利采用空氣為工質(zhì)，幾乎不需要成本。與采用有機(jī)工質(zhì)的閉式朗肯循環(huán)相比，可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。6)可以在本專利技術(shù)專利的基礎(chǔ)上設(shè)計成回?zé)崮Ｊ降目諝鈩恿ρh(huán)，利用渦輪出口尚有一定余熱的空氣預(yù)熱底循環(huán)的進(jìn)氣，可以進(jìn)一步提高底循環(huán)的能量回收效率。有益效果本專利技術(shù)專利具有現(xiàn)有類似專利或產(chǎn)品不具備的效果，它可以有效回收內(nèi)燃機(jī)排氣能量，提高內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，改善內(nèi)燃機(jī)增壓系統(tǒng)的動力性、可控性、瞬態(tài)響應(yīng)性。此外，與類似的內(nèi)燃機(jī)廢氣能量回收方法或技術(shù)相比，本專利技術(shù)專利結(jié)構(gòu)相對較簡單，成本更低，節(jié)能環(huán)保，易于在內(nèi)燃機(jī)上實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的市場推廣和應(yīng)用潛力。附圖說明下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖I示出了利用布雷頓空氣循環(huán)回收廢氣余熱能實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣增壓的方法。·圖2示出了利用布雷頓空氣回?zé)嵫h(huán)回收廢氣余熱能實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣增壓的方法。具體實(shí)施例方式本專利技術(shù)專利的優(yōu)選實(shí)例一為在某車用內(nèi)燃機(jī)上利用布雷頓空氣循環(huán)回收廢氣余熱能實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓。利用該專利技術(shù)專利將內(nèi)燃機(jī)廢氣能量轉(zhuǎn)化為底循環(huán)的有效輸出功帶動進(jìn)氣系統(tǒng)壓氣機(jī)，并將回收的富余有效功帶動高速電機(jī)發(fā)電，達(dá)到改善內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的目的。本專利技術(shù)專利主要包含兩大部分，內(nèi)燃機(jī)主循環(huán)和廢氣余熱能回收底循環(huán)。主循環(huán)是內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)，它通過產(chǎn)生廢氣為底循環(huán)提供熱源，其過程如下新鮮空氣經(jīng)空濾器(I)、進(jìn)氣總管(2)、進(jìn)氣壓氣機(jī)(3)、進(jìn)氣歧管(7)后進(jìn)入氣缸(9)中燃燒,燃燒后的高溫排氣經(jīng)排氣歧管(10)、排氣總管(11)進(jìn)入換熱器(12)中，成為底循環(huán)系統(tǒng)的高溫?zé)嵩础５籽h(huán)過程說明如下1)工質(zhì)空氣本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種利用空氣循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱能的系統(tǒng)，它是在內(nèi)燃機(jī)排氣總管(11)上耦合一套空氣動力循環(huán)(布雷頓循環(huán)，Brayton？Air？Cycle，簡稱底循環(huán))裝置，以內(nèi)燃機(jī)的排氣作為高溫?zé)嵩打?qū)動底循環(huán)，并將底循環(huán)的輸出功用于帶動高速微型電機(jī)(6)發(fā)電以及內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)壓氣機(jī)(3)，系統(tǒng)方案及組成說明如下：內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱回收底循環(huán)系統(tǒng)由渦輪(4)、換熱器(12)、單向閥(13)、管道(14)、壓氣機(jī)(15)、驅(qū)動電機(jī)(16)、空氣流量調(diào)節(jié)閥(17)組成；底循環(huán)的動力輸出裝置——渦輪(4)與內(nèi)燃機(jī)主循環(huán)的進(jìn)氣壓氣機(jī)(3)通過傳動軸(5)相連，傳動軸(5)上耦合一個高速微型電機(jī)(6)。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種利用空氣循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱能的系統(tǒng)，它是在內(nèi)燃機(jī)排氣總管(11)上率禹合一套空氣動力循環(huán)(布雷頓循環(huán)，Brayton Air Cycle,簡稱底循環(huán))裝置，以內(nèi)燃機(jī)的排氣作為高溫?zé)嵩打?qū)動底循環(huán)，并將底循環(huán)的輸出功用于帶動高速微型電機(jī)(6)發(fā)電以及內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)壓氣機(jī)(3)，系統(tǒng)方案及組成說明如下內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱回收底循環(huán)系統(tǒng)由渦輪(4)、換熱器(12)、單向閥(13)、管道(14)、壓氣機(jī)(15)、驅(qū)動電機(jī)(16)、空氣流量調(diào)節(jié)閥(17)組成；底循環(huán)的動力輸出裝置——渦輪⑷與內(nèi)燃機(jī)主循環(huán)的進(jìn)氣壓氣機(jī)(3)通過傳動軸(5)相連，傳動軸(5)上耦合一個高速微型電機(jī)(6)。2.如權(quán)利要求I所述的利用空氣循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱能的系統(tǒng)，其特征在于內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓氣機(jī)(3)是由底循環(huán)系統(tǒng)的渦輪(4)帶動，而不同于傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓(由內(nèi)燃機(jī)排氣渦輪直接驅(qū)動)。3.如權(quán)利要求I所述的利用空氣循環(huán)回收內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱能的系統(tǒng)，其特征在于內(nèi)燃機(jī)增壓系統(tǒng)的傳動軸(5)上耦合一個高速微型電機(jī)(6)，在輔助增壓的同時實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)能量流的統(tǒng)籌管理。在內(nèi)燃機(jī)起動、低速和低負(fù)荷工況時，由于底循環(huán)系統(tǒng)的滯后性或排氣能量不足導(dǎo)致渦輪(4)的輸出功不夠，這時高速微型電機(jī)(6)輔助帶動壓氣機(jī)(3)壓縮進(jìn)氣，使進(jìn)氣增壓到目標(biāo)壓力，保證內(nèi)燃機(jī)在低速低負(fù)荷時有較高的扭矩輸出；在內(nèi)燃機(jī)高速高負(fù)荷工況時，由于排氣能量充足使得渦輪(4)有富余的動力輸出，這時渦...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉敬平，付建勤，任承欽，徐政欣，朱國輝，楊漢乾，趙智超，
申請(專利權(quán))人：湖南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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