抽氣回熱式有機朗肯循環發動機余熱回收系統及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可切換模式的抽氣回熱式有機朗肯循環發動機余熱回收系統及控制方法，用于回收發動機的排氣余熱能，屬于節能減排領域。
【背景技術】
[0002]從發動機的能量平衡來看，輸出的有效功率一般只占燃油燃燒總熱量的30% -45% (柴油機)或20%-30% (汽油機)，余熱能量主要通過排氣和冷卻介質(冷卻水、機油散熱等)被排放到大氣中。由此可以看出，對于車用發動機，其余熱能量具有很大的節能潛力，余熱能回收利用技術有廣泛的應用空間。
[0003]此外，余熱能回收利用技術由于不需要消耗其他任何能源，僅依靠技術的進步即可實現，因而受到了越來越多的重視。目前，發動機余熱能利用技術主要集中在增壓、余熱制冷、余熱取暖、余熱發電和改良燃料燃燒性能等幾個方面。在當前車用余熱利用的各種技術方案中，有機朗肯循環余熱回收技術的熱效率最高，是最有可能首先實現產業化的技術。有機朗肯循環通常分為簡單有機朗肯循環、回熱有機朗肯循環、開式抽氣回熱有機朗肯循環、閉式抽氣回熱有機朗肯循環、再熱有機朗肯循環等集中結構方案。其中，開式抽氣回熱有機朗肯循環系統與閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統具有較高的熱效率，能夠較好地回收發動機排氣能量。
[0004]然而，兩種抽氣回熱有機朗肯循環系統均有著各自的優缺點:開式抽氣回熱有機朗肯循環系統由于其回熱器采用的是接觸式換熱器，更有利于冷熱流體的熱量交換，故換熱性能較好；但是開式抽氣回熱有機朗肯循環中，回熱器冷熱流體的入口壓力須保證一致，這就對抽氣段管路以及工質泵的控制提出了較高的要求，在發動機工況不夠穩定時較難實現。閉式抽氣回熱有機朗肯循環中，回熱器冷熱流體的入口壓力無需保證一致，這就降低了對抽氣壓力及工質泵壓力的控制難度，有利于發動機工況復雜多變時使用；然而由于閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統的回熱器采用的是間壁式換熱器，其換熱效率較低。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了提出一種能夠根據發動機的運行狀況自動切換模式的抽氣回熱式有機朗肯循環發動機余熱回收系統及控制方法，該系統主要由發動機系統、開式抽氣回熱有機朗肯循環系統、閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統、冷卻系統和控制系統組成。通過調節不同閥門的開閉，實現余熱回收系統的停機與運轉以及在開式抽氣回熱有機朗肯循環系統與閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統之間的轉換，從而更好地利用發動機的排氣余熱能量。
[0006]為了實現上述目標，本發明采用如下的技術解決方案:
[0007]本發明所提出的抽氣回熱式有機朗肯循環發動機余熱回收系統，該系統包括發動機系統、開式抽氣回熱有機朗肯循環系統、閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統、冷卻系統和控制系統。
[0008]上述的發動機系統，包括發動機、渦輪、壓氣機、排氣通路。其中渦輪后的排氣通路分為兩個支路，一條支路直接與大氣相連(不考慮三元催化器等設備)；另一條支路與蒸發器相連，排氣在蒸發器內與工質進行換熱，將熱量傳遞給工質后進入大氣中。
[0009]上述的開式抽氣回熱有機朗肯循環系統，包括蒸發器、膨脹機、冷凝器、儲液罐、工質過濾器、工質泵、開式回熱器以及工質管路。其中工質在蒸發器中與發動機排氣進行換熱，形成高溫高壓蒸汽；在冷凝器中膨脹后的工質乏氣與冷卻水換熱，冷凝為液態工質。此夕卜，在膨脹機與儲液罐前的工質泵處均另設有旁路，確保在緊急情況下能夠旁通膨脹機及工質泵，從而保護整個系統不被損壞。
[0010]上述的閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統，包括蒸發器、膨脹機、冷凝器、儲液罐、工質過濾器、工質泵、開式回熱器、閉式回熱器以及工質管路。其中開式回熱器在上述系統中作為工質混合器使用。
[0011]上述的冷卻系統主要包括水泵、散熱器及相應的連接管路。其中冷卻水在冷凝器中吸收工質乏氣所釋放出的熱量，將工質冷卻，冷卻水隨后在散熱器中與外界環境進行換熱，將熱量釋放到大氣中。
[0012]上述的控制系統主要包括排氣溫度傳感器、蒸發器出口排氣溫度傳感器、蒸發器出口工質溫度傳感器、蒸發器出口工質壓力傳感器、膨脹機抽氣口工質壓力傳感器、工質泵出口工質壓力傳感器、開式回熱器進口工質壓力傳感器、工質質量流量計、電磁控制閥、控制單元(ECU)以及相應的連接線路。其中控制單元采集系統中溫度、壓力傳感器、工質質量流量計的信號，經過分析處理后作出判斷，并發出信號，控制各電磁閥的開啟、閉合，從而實現余熱回收系統的起動、停機以及在開式、閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統中的切換。
[0013]與現有的技術方案相比，本發明具有如下優點。
[0014]1.采用兩種(開式、閉式)抽氣回熱有機朗肯循環方案回收發動機的排氣余熱能量。兩種抽氣回熱式有機朗肯循環系統與簡單有機朗肯循環系統相比，具有更高的熱效率，更有利于回收發動機排氣余熱。
[0015]2.通過控制發動機排氣的各支路閥門的開啟和關閉，可以根據需要建立或切斷發動機系統和抽氣回熱式有機朗肯循環系統的連接，在不影響發動機運行的情況下實現余熱回收系統的平穩起動與停止。
[0016]3.根據發動機的運行工況，通過合理的控制策略，能夠迅速地在開式抽氣回熱有機朗肯循環與閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統之間切換，以實現發動機排氣余熱的高效利用。
[0017]4.通過給膨脹機與儲液罐前的工質泵設置旁路，可以確保系統發生緊急情況時能夠迅速旁通膨脹機與工質泵，從而保證了整個系統不受損壞，延長了系統部件的使用壽命。
【附圖說明】
[0018]圖1是抽氣回熱式有機朗肯循環發動機余熱回收系統的示意圖；
[0019]圖中:1、發動機；2、壓氣機；3、禍輪；4排氣溫度傳感器；5、電磁閥一 ；6、電磁閥二 ；12、電磁閥三；13、電磁閥四；21、電磁閥五；25、電磁閥六；27、電磁閥七；28、電磁閥八；30、電磁閥九；31、電磁閥十；35、電磁閥^ ;37、電磁閥十二 ；7、蒸發器出口排氣溫度傳感器；8、蒸發器；9蒸發器出口工質溫度傳感器；10、蒸發器出口工質壓力傳感器；11、工質質量流量計；14、膨脹機；15、發電機；16、膨脹機抽氣口工質壓力傳感器；17、冷凝器；18、水泵；19、散熱器；20、儲液罐；22、工質過濾器；23、工質泵；24、工質泵出口工質壓力傳感器；26、膨脹閥；29、閉式回熱器；32、開式回熱器；33、工質泵；34、開式回熱器進口工質壓力傳感器36、工質泵；38、控制單元。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0021]如圖1所示，抽氣回熱式有機朗肯循環發動機余熱回收系統，該系統包括發動機系統、開式抽氣回熱有機朗肯循環系統、閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統、冷卻系統和控制系統。上述的發動機系統，包括發動機(I)、壓氣機(2)、渦輪(3)、進氣通路、排氣通路。上述開式抽氣回熱有機朗肯循環系統，包括蒸發器(8)、工質質量流量計(11)、膨脹機(14)、發電機(15)、冷凝器(17)、儲液罐(20)、工質過濾器(22)、工質泵(23)、開式回熱器(32)、工質泵(36)以及連接它們的管路；上述閉式抽氣回熱有機朗肯循環系統，包括蒸發器(8)、工質質量流量計(11)、膨脹機(14)、發電機(15)、冷凝器(17)、儲液罐(20)、工質過濾器
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