一種應用排氣管進行余熱回收的裝置及其控制方法與流程

本發明涉及汽車技術，尤其涉及車輛發動機尾氣余熱回收的技術，具體涉及一種應用排氣管進行余熱回收的裝置及其控制方法。

背景技術：

在柴油機能量分配中，在中高轉速發動機制動效率約為40％，而約60％的能量通過排氣、輻射和冷卻形式損失，其中排氣帶走的能量占比約為30％。通過技術手段實現對發動機排氣余熱回收利用，可以顯著提高發動機效率，降低發動機油耗。

柴油機后處理轉化效率對排溫要求較高，在發動機冷啟動或者小負荷工況下，發動機排溫低，后處理轉化效率低，排放差，隨著排放越來越嚴苛，柴油機越來越重視排溫熱管理。

現有技術存在以下的缺點：

1、現有發動機使用單層排氣管，大負荷時排氣管的高溫對臨近部件的影響較大，對于進排氣同側發動機尤其嚴重，多加裝排氣管隔熱罩進行防護；

2、現有發動機使用單層排氣管，沒有保溫絕熱作用，啟動階段和排溫較低的工況，部分排氣能量通過排氣管散失，排氣溫度降低，不利于后處理效率提高。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明設計了一種應用排氣管進行余熱回收的裝置及其控制方法，本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一種應用排氣管進行余熱回收的裝置，所述裝置包括：

雙層結構的排氣管，其包括：排氣管廢氣通道和排氣管工質通道，其中，

排氣管廢氣通道與發動機本體相連，用于將所述發動機本體排出的廢氣排出，在所述排氣管廢氣通道的壁上設置有排氣溫度壓力傳感器，用于檢測排氣的溫度和壓力，

排氣管工質通道設置在所述排氣管廢氣通道外側，內部充有工質；

第一二位單通電磁閥、第二二位單通電磁閥、第三二位單通電磁閥和第四二位單通電磁閥，其均與所述排氣管工質通道連接，并由控制單元控制其通斷；

第一工質泵和第二工質泵，其均與所述排氣管工質通道相連，第一工質泵用于朗肯循環對排氣管工質通道中的工質加壓，第二工質泵用于低排溫時將排氣管工質通道內工質抽出，使排氣管工質通道內充滿靜態空氣；

工質傳感器，其設置于所述排氣管工質通道之后，用于檢測工質狀態；

三通電磁閥和冷凝器，排氣管工質通道經由該三通電磁閥與膨脹機相連，三通電磁閥用于控制工質是否通過通路進入冷凝器，當工質狀態滿足要求時，三通電磁閥不加電，工質進入膨脹機做功后進入冷凝器，經所述冷凝器冷凝后的工質進入儲液罐，所述儲液罐上設置有儲液罐放氣電磁閥和儲液罐壓力傳感器；

空氣濾清器，其與排氣管工質通道連接，實現進入排氣管工質通道的空氣清潔。

其中，所述排氣管廢氣通道上設置渦輪增壓器以用于對發動機進氣進行增壓，渦后排氣管用于將廢氣排出，所述渦后排氣管連接有后處理裝置對廢氣進行后處理。

一種排氣管余熱回收的控制方法，該控制方法是使用上述的應用排氣管進行余熱回收的裝置來執行的，該控制方法包括：

在高速大負荷工況，雙層結構的排氣管中充滿有機工質，排氣管工質通道做為朗肯循環的蒸發器，排氣管工質通道內的工質吸收廢氣中的熱量，變成過熱蒸汽，并通過所述膨脹機做功，進行能量回收；

在啟動階段和排溫低的小負荷工況，雙層結構的排氣管中充滿靜態空氣，對發動機排氣進行絕熱保溫。

所述的控制方法，具體實現過程如下：

在高速大負荷工況，當所述發動機排氣溫度達到要求溫度時，所述控制單元控制所述第一二位單通電磁閥、所述第四二位單通電磁閥接通，并根據所述工質傳感器反饋的工質狀態控制所述第一工質泵轉速使進入工質通道的工質壓力滿足要求，同時，當所述工質傳感器檢測到工質狀態不滿足要求時，所述三通電磁閥加電工質通過通路進入所述冷凝器，當工質狀態滿足要求時，所述三通電磁閥不加電，工質進入膨脹機做功后進入所述冷凝器，冷凝后的工質進入所述儲液罐，后通過所述第一工質泵加壓，完成一個朗肯循環；

在冷啟動或者小負荷工況，當所述發動機排氣溫度低于要求溫度時，所述控制單元控制所述第一工質泵停止運轉，控制所述第一二位單通電磁閥、所述第四二位單通電磁閥關閉，控制所述第二二位單通電磁閥、所述第三二位單通電磁閥接通，控制所述第二工質泵運轉，將所述排氣管工質通道內工質抽出，經過所述冷凝器冷凝后進入所述儲液罐，同時空氣經過所述空氣濾清器、所述第二二位單通電磁閥進入所述排氣管工質通道，通過所述工質傳感器檢測排氣管工質通道內工質是否已排凈，當所述排氣管工質通道內工質排凈后，所述控制單元控制所述第二二位單通電磁閥、所述第三二位單通電磁閥關閉，控制第二工質泵停止運轉，使排氣管工質通道內充滿靜態空氣。

特別地，當所述儲液罐的壓力大于等于要求壓力時，對所述儲液罐放氣電磁閥加電，實現所述儲液罐放氣，當所述儲液罐的壓力小于要求壓力時，根據發動機運轉情況，確定繼續進行余熱回收還是結束余熱回收。

本發明的優點在于：

1、排氣管采用雙層排氣管結構，通過控制可以實現余熱回收與絕熱保溫作用；

2、在啟動階段和排溫低的小負荷工況，通過控制雙層排氣管的工質通道內充滿靜態空氣，排氣管具有絕熱作用，減少廢氣能量傳遞損失，對發動機排氣進行絕熱保溫，有利于后處理效率提升；

3、高速大負荷工況，排氣管工質通道充滿工質，做為朗肯循環蒸發器，進行余熱回收，提高發動機效率；

4、排氣管工質通道做為朗肯循環蒸發器，解決了傳統朗肯循環蒸發器布置難題，便于朗肯循環系統布置；

5、排氣管工質通道做為朗肯循環蒸發器，內部排溫高，有利于提高朗肯循環效率；

6、高速大負荷工況，排氣管工質通道充滿工質，使排氣管表面溫度降低，減少高溫對相鄰部件的影響，同時可以取消排氣管隔熱罩。

附圖說明

通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對于本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優選實施方式的目的，而并不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1示出了根據本發明實施方式的余熱回收裝置系統結構示意圖。

圖2示出了根據本發明實施方式的余熱回收裝置的控制方法流程示意圖。

其中，1發動機本體、2排氣管廢氣通道、3排氣溫度壓力傳感器、4渦輪增壓器、5渦后排氣管、6后處理裝置、7第一二位單通電磁閥、8第二二位單通電磁閥、9空氣濾清器、10排氣管工質通道、11第一工質泵、12儲液罐、13儲液罐放氣電磁閥、14儲液罐壓力傳感器、15冷凝器、16控制單元、17膨脹機、18三通電磁閥、19第二工質泵、20第三二位單通電磁閥、21第四二位單通電磁閥、22工質傳感器

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施方式。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施方式，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這里闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠將本公開的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。

本發明的系統結構示意圖如圖1所示。本發明系統中，發動機排氣管應用雙層結構并與朗肯循環系統結合，發動機運行過程中，通過控制器控制，該系統既能實現余熱回收又能實現排溫熱管理。在高速大負荷工況，雙層排氣管中充滿有機工質，排氣管工質通道做為朗肯循環的蒸發器，工質在工質通道內吸收廢氣中熱量，變成過熱蒸汽，并通過膨脹機做功，進行能量回收；在啟動階段和排溫低的小負荷工況，通過控制雙層排氣管的工質通道內充滿靜態空氣，排氣管具有絕熱作用，減少廢氣能量傳遞損失，對發動機排氣進行絕熱保溫。

該余熱回收裝置包括：

雙層結構的排氣管，其包括：排氣管廢氣通道2和排氣管工質通道10，

排氣管廢氣通道2與發動機本體1相連，用于將所述發動機本體1排出的廢氣排出，在所述排氣管廢氣通道2的壁上設置有排氣溫度壓力傳感器3用于檢測排氣的溫度和壓力；

排氣管工質通道10設置在所述排氣管廢氣通道2外側，內部充有工質；

第一二位單通電磁閥7、第二二位單通電磁閥8、第三二位單通電磁閥20和第四二位單通電磁閥21與排氣管工質通道10連接，并由控制單元16控制其通斷；

兩個工質泵，第一工質泵11和第二工質泵19，其均和所述排氣管工質通道10相連，第一工質泵11用于朗肯循環對排氣管工質通道中的工質加壓，第二工質泵19用于低排溫時將排氣管工質通道內工質抽出，使工質通道內充滿靜態空氣；

工質傳感器22設置于所述排氣管工質通道10之后，用于檢測工質狀態；

三通電磁閥18和冷凝器15，排氣管工質通道10經由該三通電磁閥18與膨脹機17相連，三通電磁閥18用于控制工質是否通過通路進入冷凝器15，當工質狀態滿足要求時，三通電磁閥18不加電，工質進入膨脹機17做功后進入冷凝器15，經所述冷凝器15冷凝后的工質進入儲液罐12，所述儲液罐12上設置有儲液罐放氣電磁閥13和儲液罐壓力傳感器14；

空氣濾清器9，與排氣管工質通道連接，實現進入排氣管工質通道的空氣清潔。

其中，所述排氣管廢氣通道2上設置渦輪增壓器4用于發動機進氣進行增壓，渦后排氣管5用于將廢氣排出，所述渦后排氣管5連接有后處理裝置6對廢氣進行后處理。

上述應用排氣管進行余熱回收的裝置采用以下控制方法對其進行控制并執行余熱回收：

在高速大負荷工況，通過排氣溫度壓力傳感器3檢測發動機排溫達到要求時，控制單元16控制第一二位單通電磁閥7、第四二位單通電磁閥接通，并根據工質傳感器22反饋的工質狀態控制第一工質泵11轉速使進入工質通道的工質壓力滿足要求。同時為了防止在朗肯循環啟動階段，工質蒸發不完全進入膨脹機，使膨脹機損壞，系統設置三通電磁閥18，當工質傳感器22檢測到工質狀態不滿足要求時，三通電磁閥18加電工質通過旁通通路進入冷凝器15，當工質狀態滿足要求時，三通電磁閥不加電，工質進入膨脹機做功后進入冷凝器15，冷凝后的工質進入儲液罐12，后通過第一工質泵11加壓，完成一個朗肯循環。

在冷啟動或者小負荷工況，當發動機排氣溫度低于要求溫度時，控制單元16控制第一工質泵11停止運轉，控制第一二位單通電磁閥7、第四二位單通電磁閥21關閉，控制第二二位單通電磁閥8、第三二位單通電磁閥20接通，控制第二工質泵運轉，將排氣管工質通道內工質抽出，經過冷凝器15冷凝后進入儲液罐12，同時空氣經過空氣濾清器9、第二二位單通電磁閥進入排氣管工質通道。通過工質傳感器22檢測排氣管工質通道內工質是否已排凈，當工質通道內工質排凈后，控制單元16控制第二二位單通電磁閥8、第三二位單通電磁閥20關閉，控制第二工質泵停止運轉。排氣管工質通道內充滿靜態空氣，起到絕熱保溫的作用，有利于提高排氣溫度，提高后處理效率，改善排放。

上述控制方法的實現流程如圖2所示。

本申請涉及的余熱回收裝置(系統)的整體發明構思的關鍵點：

1、排氣管采用雙層結構；

2、雙層排氣管與朗肯循環結合，既可以實現余熱回收又可以對排氣進行絕熱保溫；

3、系統設置第一、第二、第三、第四二位單通電磁閥，通過控制不同電磁閥通斷實現不同功能；

4、系統設置有空氣濾清器9，保證在低排溫時，進入排氣管工質通道的空氣清潔；

5、系統設置兩個工質泵，第一工質泵用于正常朗肯循環對工質加壓，第二工質泵用于低排溫時將排氣管工質通道內工質抽出，使工質通道內充滿靜態空氣；

6、系統設置有三通電磁閥18，根據工質蒸發后的狀態，實現工質的旁通與做功，有利于保護膨脹機；

7、儲液罐上設置有壓力傳感器與放氣電磁閥，可以實時監測其中壓力，保證系統安全。

此外，說明書實施例中的排氣管為渦前排氣歧管，其并非作為具體限定，該余熱回收裝置可以應用于整個排氣管。

另外，在本發明中，空氣通過濾清器進入排氣管工質通道，起到絕熱作用。還可以應用其他氣體，如氮氣、氬氣等惰性氣體。

為了達到控制目的，可以根據不同傳感器特性，在不同位置加裝不同傳感器。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。