專利名稱：回收車輛煙氣余熱的復合動力系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種回收車輛煙氣余熱的復合動力系統及方法，屬于能源與動力領域。
背景技術：
車輛發動機目前的熱效率一般為33%，而其排氣余熱約占整個系統輸入燃料熱值的33%。目前車輛發動機煙氣溫度較高，一般為600ΙΓ1000K，直接排放至環境不僅造成局部的熱污染，而且存在極大的浪費。回收發動機排氣余熱，提高車輛整體的能源利用效率是目前的一個研究熱點，研究者們提出了燃料電池混合動力汽車、回收煙氣余熱用于汽車空調等多種方案。然而由于發動機排氣壓力較低，從排氣中采集熱量后會影響到發動機自身的性能，而且目前提出的獨立排氣余熱回收利用系統結構復雜，成本較高。而真正獲得應有的煙氣余熱回收利用多集中在汽車空調領域，在其他領域應用較少。目前已有多種煙氣余熱回收利用技術。有機朗肯循環技術具有結構簡單、機械加工要求低、成本小和流體適應范圍廣等特點，可以應用在多種余熱回收場合，特別適用于中低溫煙氣余熱回收，是一種較為成熟的商業應用技術。如果能夠回收車輛發動機排氣余熱，同時不影響發動機自身的工作可靠性。不改動或者較少改動車輛發動機外圍的環境空氣冷卻系統和動力傳輸子系統。利用有機朗肯循環技術回收發動機排氣余熱，并利用車輛原有的動力傳輸子系統輸出其機械功，增加車輛輸出動力及熱效率，同時利用環境空氣冷卻子系統對有機朗肯循環子系統的冷凝器進行冷卻。則不僅能夠增加車輛動力輸送系統的動力，實現了節能減排，而且對車輛動力系統改動不大。
發明內容
本發明的目的在于提出一種可以提高車輛輸出動力，增加車輛運輸能力，減小車輛排氣熱污染的回收車輛煙氣余熱的復合動力系統及方法。一種回收車輛煙氣余熱的復合動力系統，包括發動機熱轉功子系統、環境空氣冷卻子系統、動力傳輸子系統；其中發動機熱轉功子系統包括具有吸氣端和排氣端的發動機、 依次與發動機排氣端相連的煙氣觸媒凈化裝置、煙氣消音裝置和排氣閥；發動機還具有冷卻劑進口和冷卻劑出口 ；其中環境空氣冷卻子系統包括具有冷卻空氣進口、冷卻空氣出口、 冷卻劑進口和冷卻劑出口的發動機散熱裝置；發動機散熱裝置的冷卻劑出口通過第一循環泵與發動機冷卻劑進口相連，發動機的冷卻劑出口與發動機散熱裝置冷卻劑進口相連； 其中動力傳輸子系統包括通過曲軸與發動機動力聯接的主軸、與主軸動力聯接的動力傳動裝置、還包括一個與該動力傳動裝置相連的啟動電機；其特征在于該系統還包括有機朗肯循環子系統，該子系統包括安裝于發動機熱轉功子系統的煙氣消音裝置中的多回路換熱器、與多回路換熱器氣相出口相連的有機透平、與有機透平乏氣出口相連的有機工質冷凝器、與有機工質冷凝器的有機工質出口相連的儲液罐，儲液罐通過有機循環泵與多回路換熱器液相進口相連；上述環境空氣冷卻子系統還包括冷凝器冷卻裝置；該冷凝器冷卻裝置的冷卻劑出口通過第二循環泵與有機工質冷凝器的冷卻劑進口相連，有機工質冷凝器的冷卻劑出口與冷凝器冷卻裝置冷卻劑進口相連；上述動力傳輸子系統還包括與所述動力傳動裝置相連的輔助傳動機構，該輔助傳動機構與有機透平主軸動力聯接；上述有機朗肯循環子系統中有機工質沸點高于冷卻劑沸點。上述的回收車輛煙氣余熱的復合動力系統的工作過程，包括以下過程發動機將燃料熱能轉化為機械能，輸送給動力傳輸子系統；同時將排氣廢熱通過煙氣觸媒凈化裝置、 煙氣消音裝置、排氣閥排放至環境空氣中；同時將冷卻劑廢熱通過發動機散熱裝置排放至環境空氣中；其特征在于還包括以下過程多回路換熱器吸收發動機排氣廢熱將其轉換為有機工質的熱能，有機工質的熱能通過有機透平轉化為機械能，并將機械能輸送至動力傳輸子系統；有機透平乏氣通過有機工質冷凝器換熱后變為液相，被送至儲液罐，再經過有機循環泵循環進入多回路換熱器；而有機工質冷凝器廢熱通過冷凝器冷卻裝置排放至環境空氣中；多回路換熱器出口煙氣壓力較低，為防止環境空氣倒流影響發動機性能，采用文丘里噴管式排氣閥。通過利用上述有機朗肯循環子系統，可以回收發動機煙氣余熱并將其轉化為機械能輸送給車輛動力傳輸子系統，從而可以增加車輛整體的動力輸出，提高車輛的運輸能力， 降低排氣熱污染。上述發動機熱轉功子系統的排氣閥為文丘里噴管式排氣閥，多回路換熱器出口煙氣壓力較低，采用文丘里噴管式排氣閥可以提高排氣流速，還可防止環境空氣倒流影響發動機性能。此處離發動機較遠，采集熱量對發動機性能影響小，而且由于文丘里管對排氣的引射作用，排氣速度仍較高，還可防止煙氣對多回路換熱器腐蝕。多回路換熱器位于發動機排氣系統觸媒凈化裝置后端，煙氣中毒害性和腐蝕性成分較低，對多回路換熱器要求不高，而且此處排氣溫度仍較高，多回路換熱器結構可以做的較為緊湊。上述有機朗肯循環子系統中的有機透平通過齒輪等輔助傳動機構與動力傳輸子系統的動力傳動裝置相連，在車輛發動機運行平穩后，可以利用與車輛動力傳動裝置相連的輔助傳動機構啟動有機朗肯循環子系統。而當有機朗肯循環子系統達到穩定運行工況后，有機朗肯循環子系統又可通過輔助傳動機向發動機動力傳輸子系統輸出軸功，增加車輛整體輸出機械能。上述有機朗肯循環子系統中的有機工質沸點高于冷卻劑沸點。其中有機朗肯循環子系統選擇沸點較高的有機工質主要是為了提高多回路換熱器的火用效率，而且可以保證多回路換熱器出口煙氣溫度不至于太低，從而防止煙氣對多回路換熱器的腐蝕。而有機朗肯循環子系統冷凝器冷卻采用另一種沸點較低的冷卻劑，一方面可以較空冷或者水冷方式具有更高的換熱系數，降低有機工質冷凝器尺寸，而且該冷卻劑在密封系統中循環工作，比較潔凈。上述有機朗肯循環子系統中的冷卻劑和發動機散熱裝置中的冷卻劑相同。工質相同，這樣有利于環境空氣冷卻系統的統一控制，有機朗肯循環子系統與發動機的整體檢測和維護方便。上述有機朗肯循環子系統中的冷凝器冷卻裝置與發動機散熱裝置布置在同一位置。同一位置，即均位于環境空氣冷卻系統。這種布置方式只需要在環境空氣冷卻子系統的原有位置，增加布置空冷冷凝器(有機朗肯循環子系統)冷卻器，結構較為緊湊，不需要改動車輛發動機原有的布置。上述煙氣消音裝置和多回路換熱器可采用一體化結構，所述一體化結構具體可為換熱翅片管結構。煙氣從翅片側流過，有機工質從翅片管內流過，可以采用順流或者逆流布置。該結構緊湊、在降低排氣壓力、消除排氣噪聲的同時，能夠回收煙氣廢熱。
圖1是現有車輛活塞式內燃機動力系統； 圖2是本發明車輛煙氣余熱回收復合動力系統。
具體實施例方式下面參照圖1、圖2說明回收車輛煙氣余熱的復合動力系統的運行過程。圖2是本發明提出的車輛煙氣余熱回收復合動力系統。該系統的工作過程如下 啟動第一循環泵，并經過啟動電機驅動活塞式發動機開始運轉；環境中的空氣從活塞式發動機吸氣端進入發動機熱轉功子系統的發動機氣缸和燃料燃燒，燃燒后的煙氣熱能推動活塞運動轉化為曲軸的機械能，待發動機正常工作后切斷啟動電機，并將機械能輸送給動力傳輸子系統，同時冷卻發動機氣缸冷卻劑的環境空氣冷卻子系統啟動；從發動機排氣端輸出的高壓高溫排氣先經過觸媒凈化裝置脫除煙氣中的毒害性和腐蝕性成分；高溫高壓凈化煙氣進入煙氣消音裝置，在降低煙氣壓力的同時起到消音的作用。由于此時有機朗肯循環子系統未啟動運行，排氣熱能在煙氣消音裝置中將熱量直接輻射給環境；排出煙氣消音裝置的煙氣經過排氣閥排入環境空氣中。至此，如果不啟動有機朗肯循環子系統，該系統運行過程與圖1相同。以上過程達到穩定后，啟動有機朗肯循環子系統第二循環泵，保證冷卻劑能夠對有機朗肯循環子系統有機工質冷凝器有效冷卻，因為環境空氣冷卻子系統在之前已經啟動；利用啟動電機啟動有機循環泵，再利用啟動電機啟動有機朗肯循環子系統有機透平，有機朗肯循環子系統有機透平轉速不斷增加，待有機朗肯循環子系統有機透平運行至額定轉速后，然后利用聯接在有機透平主軸上的輔助傳動機構將有機朗肯循環子系統的輸出軸功傳遞給動力傳輸子系統。至此，協同利用活塞式發動機及有機朗肯循環子系統的復合動力系統開始運行。
權利要求
1.一種回收車輛煙氣余熱的復合動力系統，包括發動機熱轉功子系統、環境空氣冷卻子系統、動力傳輸子系統；其中發動機熱轉功子系統包括具有吸氣端和排氣端的發動機、依次與發動機排氣端相連的煙氣觸媒凈化裝置、煙氣消音裝置和排氣閥；發動機還具有冷卻劑進口和冷卻劑出口 ；其中環境空氣冷卻子系統包括具有冷卻空氣進口、冷卻空氣出口、冷卻劑進口和冷卻劑出口的發動機散熱裝置；發動機散熱裝置的冷卻劑出口通過第一循環泵與發動機冷卻劑進口相連，發動機的冷卻劑出口與發動機散熱裝置冷卻劑進口相連；其中動力傳輸子系統包括通過曲軸與發動機動力聯接的主軸、與主軸動力聯接的動力傳動裝置、還包括一個與該動力傳動裝置相連的啟動電機；其特征在于該系統還包括有機朗肯循環子系統，該子系統包括安裝于發動機熱轉功子系統的煙氣消音裝置中的多回路換熱器、與多回路換熱器氣相出口相連的有機透平、與有機透平乏氣出口相連的有機工質冷凝器、與有機工質冷凝器的有機工質出口相連的儲液罐，儲液罐通過有機循環泵與多回路換熱器液相進口相連；上述環境空氣冷卻子系統還包括冷凝器冷卻裝置；該冷凝器冷卻裝置的冷卻劑出口通過第二循環泵與有機工質冷凝器的冷卻劑進口相連，有機工質冷凝器的冷卻劑出口與冷凝器冷卻裝置冷卻劑進口相連；上述動力傳輸子系統還包括與所述動力傳動裝置相連的輔助傳動機構，該輔助傳動機構與有機透平主軸動力聯接；上述有機朗肯循環子系統中有機工質沸點高于冷卻劑沸點。
2.根據權利要求1所述的回收車輛煙氣余熱的復合動力系統，其特征在于朗肯循環子系統中的冷卻劑和發動機散熱裝置中的冷卻劑相同。
3.根據權利要求1所述的回收車輛煙氣余熱的復合動力系統，其特征在于朗肯循環子系統中的冷凝器冷卻裝置與發動機散熱裝置布置在同一位置。
4.根據權利要求1所述的回收車輛煙氣余熱的復合動力系統，其特征在于朗肯循環子系統中的煙氣消音裝置和多回路換熱器為一體化結構。
5.根據權利要求4所述的回收車輛煙氣余熱的復合動力系統，其特征在于消音裝置和多回路換熱器的一體化結構具體為換熱翅片管結構。
6.根據權利要求1所述的回收車輛煙氣余熱的復合動力系統工作過程，包括以下過程發動機將燃料熱能轉化為機械能，輸送給動力傳輸子系統；同時將排氣廢熱通過煙氣觸媒凈化裝置、煙氣消音裝置、文丘里噴管式排氣閥排放至環境空氣中；同時將冷卻劑廢熱通過發動機散熱裝置排放至環境空氣中；其特征在于還包括以下過程多回路換熱器吸收發動機排氣廢熱將其轉換為有機工質的熱能，有機工質的熱能通過有機透平轉化為機械能，并將機械能輸送至動力傳輸子系統； 有機透平乏氣通過有機工質冷凝器換熱后變為液相，被送至儲液罐，再經過有機循環泵循環進入多回路換熱器；而有機工質冷凝器廢熱通過冷凝器冷卻裝置排放至環境空氣中；多回路換熱器出口煙氣壓力較低，為防止環境空氣倒流影響發動機性能，采用文丘里噴管式排氣閥。上述有機 上述有機 上述有機 上述煙氣
全文摘要
一種回收車輛煙氣余熱的復合動力系統及方法，屬于能源與動力等領域。其特征在于該系統還包括有機朗肯循環子系統，該子系統包括安裝于發動機熱轉功子系統的煙氣消音裝置中的多回路換熱器、與多回路換熱器氣相出口相連的有機透平、與有機透平乏氣出口相連的有機工質冷凝器、與有機工質冷凝器的有機工質出口相連的儲液罐，儲液罐通過有機循環泵與多回路換熱器液相進口相連；上述環境空氣冷卻子系統還包括冷凝器冷卻裝置；本發明具有結構簡單緊湊和效率高等特點，能夠提高車輛運輸能力或減小發動機結構尺寸，改善車輛節能減排性能。
文檔編號F01K25/10GK102230412SQ201110147248
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者岳晨, 焦煒琦, 韓東 申請人:南京航空航天大學