基于工況自動切換工作模式的車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于內(nèi)燃機節(jié)能減排領(lǐng)域，涉及一種車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)工作模式設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從內(nèi)燃機的能量平衡來看，燃料燃燒總能量中只有30% -45% (柴油機)或20% -30% (汽油機)用于動力輸出，而大約35%的能量通過汽車尾氣排放到大氣中。因此，將內(nèi)燃機的排氣余熱能高效轉(zhuǎn)化再利用是提高內(nèi)燃機總能效率、降低燃油消耗量、減少污染物排放的有效途徑。相比于混合動力、汽車輕量化、減少空氣阻力和附件耗能等技術(shù)，內(nèi)燃機排氣余熱回收利用技術(shù)具有巨大的節(jié)能減排潛力。
[0003]目前，內(nèi)燃機余熱能利用技術(shù)主要集中在增壓、余熱制冷、余熱取暖、余熱發(fā)電和改良燃料燃燒性能等幾個方面，而有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)憑借其優(yōu)越的性能受到了廣泛的關(guān)注，并被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。然而，車用內(nèi)燃機通常在變工況下運行，其排氣余熱能也在隨之不斷變化。因此，在確保有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的前提下，要實現(xiàn)對車用內(nèi)燃機排氣余熱能的高效轉(zhuǎn)化再利用，就必須設(shè)計合理的有機朗肯循環(huán)工作模式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了提出一種能夠根據(jù)內(nèi)燃機的運行工況自動切換工作模式的有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由內(nèi)燃機排氣余熱回收系統(tǒng)、有機工質(zhì)電加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。本發(fā)明將車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)劃分為四種工作模式:啟動、怠速、做功、停機。啟動模式:內(nèi)燃機啟動后，啟動有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，同時旁通膨脹機，膨脹機不輸出功率；怠速模式:膨脹機被沖轉(zhuǎn)或維持空轉(zhuǎn)，膨脹機不輸出功率；做功模式:膨脹機輸出功率；停機模式:內(nèi)燃機停機，同時有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)停機。以上四種工作模式之間的切換主要通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不同的閥門來實現(xiàn)。
[0005]為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案:
[0006]本發(fā)明所提出的車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，主要由內(nèi)燃機排氣余熱回收系統(tǒng)、有機工質(zhì)電加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。
[0007]上述內(nèi)燃機排氣余熱回收系統(tǒng)，包括內(nèi)燃機、排氣通路、蒸發(fā)器、膨脹機、硅整流交流發(fā)電機、蓄電池、冷凝器、儲液罐、工質(zhì)過濾器、工質(zhì)泵以及工質(zhì)管路。內(nèi)燃機加裝有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)后，為了避免由于故障(如蒸發(fā)器故障)導(dǎo)致排氣背壓過高，而影響內(nèi)燃機自身的運行性能，本發(fā)明將排氣通路設(shè)計為兩個支路，一條支路直接與大氣相連；另一條支路與蒸發(fā)器相連，排氣在蒸發(fā)器內(nèi)與工質(zhì)進行換熱，將熱量傳遞給工質(zhì)后進入大氣中。另外，有機工質(zhì)在蒸發(fā)器中與內(nèi)燃機排氣進行換熱，形成高溫高壓蒸汽；膨脹后的工質(zhì)乏氣在冷凝器中與冷卻水換熱，冷凝為液態(tài)工質(zhì)流回儲液罐。
[0008]上述有機工質(zhì)電加熱系統(tǒng)，包括電加熱器、蓄電池、冷凝器、儲液罐、工質(zhì)過濾器、工質(zhì)泵以及工質(zhì)管路。其中低溫有機工質(zhì)通過管道在壓力作用下進入電加熱器，沿著電加熱容器內(nèi)部特定換熱流道，吸收電熱元件工作中所產(chǎn)生的熱量，從而使有機工質(zhì)形成一定溫度和壓力的蒸汽，以維持膨脹機怠速運轉(zhuǎn)；膨脹后的有機工質(zhì)乏氣在冷凝器中與冷卻水換熱，冷凝為液態(tài)工質(zhì)后流回儲液罐。此外，在儲液罐前的工質(zhì)泵處另設(shè)有旁通回路，確保在緊急情況下能夠旁通工質(zhì)泵，從而保護整個系統(tǒng)不被損壞。
[0009]上述的控制系統(tǒng)主要包括內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速傳感器、內(nèi)燃機排氣溫度傳感器、內(nèi)燃機排氣壓差傳感器、電加熱器出口工質(zhì)溫度傳感器、電加熱器出口工質(zhì)壓力傳感器、電加熱器出口工質(zhì)質(zhì)量流量傳感器、工質(zhì)泵出口工質(zhì)壓力傳感器、膨脹機轉(zhuǎn)速傳感器、冷凝器進口冷卻水溫度傳感器、冷凝器出口冷卻水溫度傳感器、冷凝器出口冷卻水質(zhì)量流量傳感器、冷凝器出口工質(zhì)溫度傳感器、冷凝器出口工質(zhì)壓力傳感器、電磁離合器、電動閥、電磁閥、電磁三通閥、控制模塊以及相應(yīng)的連接線路等。其中控制模塊采集系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、工質(zhì)質(zhì)量傳感器的信號，經(jīng)過分析處理后作出判斷，并發(fā)出指令，控制電磁閥的動作，從而實現(xiàn)車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)在四種工作模式之間的切換。
[0010]與現(xiàn)有的技術(shù)方案相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0011]1.通過合理設(shè)置車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的工作模式及控制方式，可使其在四種工作模式(啟動、怠速、做功和停機)之間切換，這樣可以更加有效地適應(yīng)車用內(nèi)燃機的變工況運行，以實現(xiàn)對車用內(nèi)燃機排氣余熱能的高效轉(zhuǎn)化再利用。
[0012]2.當車用內(nèi)燃機排氣能量較小且波動較大時，可采用電加熱器對有機工質(zhì)加熱以維持膨脹機的怠速運轉(zhuǎn)(怠速模式)，這樣可以避免當內(nèi)燃機在不同工況下運行時，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)在四種工作模式之間頻繁切換，造成余熱回收效率過低、系統(tǒng)中各運行部件受到損害等不良影響。
[0013]3.控制系統(tǒng)可依據(jù)電加熱器出口工質(zhì)的溫度、壓力及工質(zhì)質(zhì)量流量傳感器信號自動調(diào)節(jié)電加熱器輸出功率，使電加熱器出口的工質(zhì)溫度保持穩(wěn)定。
[0014]4.控制系統(tǒng)可依據(jù)冷凝器進出口冷卻水的溫度及質(zhì)量流量傳感器信號自動調(diào)節(jié)冷凝器的冷凝強度，以保證膨脹后的有機工質(zhì)乏氣在冷凝器中與冷卻水換熱后變?yōu)轱柡鸵?br>??τ O
【附圖說明】
[0015]圖1是車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的示意圖；
[0016]圖2是車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)啟動工作模式示意圖；
[0017]圖3是車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)怠速工作模式示意圖；
[0018]圖4是車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)做功工作模式示意圖。
[0019]圖中:1、內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速傳感器；2、控制模塊；3、電磁閥a ;4、電磁閥b ;8、電磁閥c ；19、電磁閥d ;5、內(nèi)燃機排氣溫度傳感器；6、蒸發(fā)器；7、內(nèi)燃機排氣壓差傳感器；9、膨脹機；10、硅整流交流發(fā)電機；11、電磁三通閥a ;16、電磁三通閥b ; 12、電加熱器出口工質(zhì)質(zhì)量流量傳感器；13、電加熱器出口工質(zhì)溫度傳感器；14、電加熱器出口工質(zhì)壓力傳感器；15、電加熱器；17、開關(guān)繼電器；18、蓄電池；20、膨脹閥；21、儲液罐；22、冷凝器；23、工質(zhì)泵；24、電磁離合器；25、工質(zhì)過濾器；26、電動閥a ;31、電動閥b ;27、工質(zhì)泵出口工質(zhì)壓力傳感器；28、曲軸；29、內(nèi)燃機；30、膨脹機轉(zhuǎn)速傳感器；32、冷凝器進口冷卻水溫度傳感器；33、冷凝器出口冷卻水溫度傳感器；34、冷凝器出口冷卻水質(zhì)量流量傳感器；35、冷凝器出口工質(zhì)溫度傳感器；36、冷凝器出口工質(zhì)壓力傳感器。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0021]圖1是車用有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)示意圖，其連接關(guān)系如圖1所示，基于工況自動切換工作模式的有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括內(nèi)燃機排氣余熱回收系統(tǒng)、有機工質(zhì)電加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。上述的內(nèi)燃機排氣余熱回收系統(tǒng)包括內(nèi)燃機(29)、排氣通路、蒸發(fā)器出)、膨脹機(9)、硅整流交流發(fā)電機(10)、蓄電池(18)、冷凝器(22)、儲液罐(21)、工質(zhì)過濾器(25)、工質(zhì)泵(23)以及工質(zhì)管路；上述有機工質(zhì)電加熱系統(tǒng)，包括電加熱器(15)、蓄電池(18)、膨脹機(9)、冷凝器(22)、儲液罐(21)、工質(zhì)過濾器(25)、工質(zhì)泵(23)以及工質(zhì)管路；上述控制系統(tǒng)包括內(nèi)燃機