朗肯循環系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種朗肯循環系統及其控制方法，屬于發動機尾氣廢熱回收的技術領域。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著汽車產銷量的不斷增加以及汽車產業的能耗在總能耗中占有的比例越來越大，汽車節能減排問題越來越受到重視。從目前車用內燃機的熱平衡看，用于動力輸出的功率一般只占燃料燃燒總熱量的30%?45% (柴油機)或20%?30% (汽油機)。以廢熱形式排出的熱量占燃燒總熱量的55%?70% (柴油機)或70%?80% (汽油機)，主要包括循環冷卻水帶走的熱量和排氣帶走的熱量。其中排氣帶走的熱量約占進入發動機燃料燃燒所產生熱量的40%?45% (汽油機)，35%?40% (高速柴油機)或30%?40% (中速柴油機)。由此可知，車用內燃機的熱效率較低，燃料燃燒產生的熱量中能夠被有效利用的只有三分之一左右。這不僅會造成熱量的損失，而且還會對環境造成危害。因此，如何實現車用內燃機余熱能量的有效轉化再利用，已經成為一個亟待解決的問題。
[0003]近年來，全世界各大內燃機相關研究機構和制造商都開始研究內燃機的余熱回收技術，并且已經研發出了利用朗肯循環(Rankine Cycle)來回收廢熱的技術。通常，朗肯循環主要包括工質箱、增壓裝置(例如栗)、熱交換裝置(例如蒸發器)、能量轉化裝置(例如膨脹機)以及冷卻裝置(例如冷凝器)。使用時，所述栗將一種工質(例如水)升壓之后與高溫的發動機排氣在所述蒸發器上進行熱交換，該工質被加熱汽化，直至成為過熱蒸汽后，進入膨脹機中做功，做功后的低壓蒸汽進入冷凝器被冷卻凝結成液態，再回到栗中，完成一個循環。經過此過程之后，相當于將發動機尾氣的廢熱轉化成可以利用的機械能，以實現能量的回收與利用。
[0004]然而，采用朗肯循環來進行內燃機的余熱回收，存在許多技術難點，其中主要的技術難點是系統優化以及關鍵部件的控制。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種優化的朗肯循環系統及其控制方法。
[0006]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:一種朗肯循環系統，用以收集發動機排氣管的廢熱，所述朗肯循環系統包括順序連接的工質箱、用以從所述工質箱中向外抽取工質的增壓裝置、用以與所述發動機排氣管進行換熱的熱交換裝置、能量轉化裝置以及冷卻裝置，所述朗肯循環系統還包括能夠將所述冷卻裝置的出口的工質重新回到所述冷卻裝置中的再冷凝管路。
[0007]作為本發明進一步改進的技術方案，所述朗肯循環系統設有安裝在所述冷卻裝置的出口的壓力傳感器、溫度傳感器以及位于所述壓力傳感器與所述溫度傳感器下游的第一三通閥，所述第一三通閥包括與所述冷卻裝置的出口相連的第一入口、與所述工質箱相連的第一出口以及與所述再冷凝管路相連的第二出口。
[0008]作為本發明進一步改進的技術方案，所述朗肯循環系統還包括能夠將所述熱交換裝置的出口的工質重新回到所述熱交換裝置的再蒸發管路。
[0009]作為本發明進一步改進的技術方案，所述朗肯循環系統設有安裝在所述熱交換裝置的出口的壓力傳感器、溫度傳感器以及位于所述壓力傳感器與所述溫度傳感器下游的第二三通閥，所述第二三通閥包括與所述熱交換裝置的出口相連的第二入口、與所述能量轉化裝置相連的第三出口以及與所述再蒸發管路相連的第四出口。
[0010]作為本發明進一步改進的技術方案，所述朗肯循環系統設有安裝在所述熱交換裝置的入口的壓力傳感器以及溫度傳感器。
[0011]作為本發明進一步改進的技術方案，所述朗肯循環系統還設有將所述增壓裝置的出口的工質直接回到所述工質箱的第一旁通管路以及用以控制所述第一旁通管路的第一控制閥。
[0012]作為本發明進一步改進的技術方案，所述朗肯循環系統還設有將所述熱交換裝置的出口的工質直接引向所述冷卻裝置的第二旁通管路以及用以控制所述第二旁通管路的第二控制閥。
[0013]作為本發明進一步改進的技術方案，所述朗肯循環系統設有安裝在所述能量轉化裝置的出口的壓力傳感器以及溫度傳感器。
[0014]本發明還涉及如下技術方案:一種朗肯循環系統的控制方法，所述朗肯循環系統用以收集發動機排氣管的廢熱，所述朗肯循環系統包括順序連接的工質箱、增壓裝置、熱交換裝置、能量轉化裝置以及冷卻裝置，所述控制方法包括:
51:判斷所述熱交換裝置的出口的工質狀態，如果所述工質狀態為非氣態，則不將所述工質通入所述能量轉化裝置；如果所述工質狀態為氣態，則將所述工質通入所述能量轉化裝置；
52:判斷所述冷卻裝置的出口的工質狀態，如果所述工質狀態為非液態，則不將所述工質通入所述工質箱，而是通過再冷凝管路將所述工質重新回到所述冷卻裝置中進行冷卻，直到所述工質狀態為液態，才將所述工質通入所述工質箱。
[0015]作為本發明進一步改進的技術方案，在步驟SI中，所述熱交換裝置的出口安裝有壓力傳感器以及溫度傳感器，通過所述壓力傳感器以及所述溫度傳感器的讀數來判斷所述工質的狀態。
[0016]作為本發明進一步改進的技術方案，在步驟SI中，當所述工質狀態為非氣態時，通過減少進入所述熱交換裝置的工質或者通過再蒸發管路將所述工質重新回到所述熱交換裝置中進行蒸發，從而使所述熱交換裝置的出口的工質狀態變為氣態。
[0017]作為本發明進一步改進的技術方案，所述朗肯循環系統設有將所述增壓裝置的出口的工質直接回到所述工質箱的第一旁通管路以及用以控制所述第一旁通管路的第一控制閥；在步驟SI中，通過將所述第一控制閥打開，使一部分工質通過所述第一旁通管路直接回到所述工質箱的方法來減少進入所述熱交換裝置的工質。
[0018]作為本發明進一步改進的技術方案，在步驟SI中，當所述工質狀態為非氣態時，通過第二旁通管路將該工質直接通入所述冷卻裝置中。
[0019]相較于現有技術，本發明通過設置再冷凝管路，當所述冷卻裝置的出口的工質狀態為非液態時，將該工質重新回到所述冷卻裝置中進行冷卻，從而能夠確保所述冷卻裝置的出口的工質狀態，提升了所述朗肯循環系統的性能。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明朗肯循環系統在第一實施方式中的原理圖。
[0021]圖2是本發明朗肯循環系統在第二實施方式中的原理圖。
[0022]圖3是本發明朗肯循環系統在第三實施方式中的原理圖。
[0023]圖4是本發明朗肯循環系統在第四實施方式中的原理圖。
[0024]圖5是本發明朗肯循環系統的控制方法對應于上述第一、第二實施方式的流程示意圖。
[0025]圖6是本發明朗肯循環系統的控制方法對應于上述第三、第四實施方式的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0026]請參圖1所示，本發明揭示了一種朗肯循環系統100，用以收集發動機排氣管的廢熱。所述朗肯循環系統100包括順序連接的工質箱1、用以從所述工質箱I中向外抽取工質的增壓裝置2、用以與所述發動機排氣管200進行換熱的熱交換裝置3、能量轉化裝置4以冷卻裝置5。在本發明圖示的實施方式中，所述增壓裝置2為工質栗，所述熱交換裝置3為蒸發器或者鍋爐，所述能量轉化裝置4為膨脹機用以驅動一個負載41，所述冷卻裝置5為冷凝器。
[0027]另外，所述朗肯循環系統100還包括能夠將所述冷卻裝置5的出口的工質重新回到所述冷卻裝置5中的再冷凝管路6。所述朗肯循環系統100還設有安裝在所述冷卻裝置5的出口的壓力傳感器61、溫度傳感器62以及位于所述壓力傳感器61與所述溫度傳感器62下游的第一三通閥63。所述第一三通閥63包括與所述冷卻裝置5的出口相連的第一入口631、與所述工質箱I相連的第一出口 632以及與所述再冷凝管路6相連的第二出口 633。
[0028]因為每一種工質都有確定的飽和溫度和飽和壓力值，通過溫度傳感器以及壓力傳感器的測量，能夠得出該工質的狀態。因此，通過所述壓力傳感器61與所述溫度傳感器62的讀數能夠得出所述冷卻裝置5的出口的工質狀態。如果所述工質狀態為未完全冷凝的非液態(例如氣液兩相)，則關閉所述第一三通閥63的第一出口 632，不將所述工質通入所述工質箱1，同時打開所述第一三通閥63的第二出口 633，通過所述再冷凝管路6將所述工質重新回到所述冷卻裝置5中進行冷卻，直到所述工質被完全冷凝為液態。
[0029]請參圖1所示，在本發明圖示的第一實施方式中，所述朗肯循環系統100還包括能夠將所述熱交換裝置3的出口的工質重新回到所述熱交換裝置3的再蒸發管路7。所述朗肯循環系統100設有安裝在所述熱交換裝置3的出口的壓力傳感器71、溫度傳感器72以及位于所述壓力傳感器71與所述溫度傳感器72下游的第二三通閥73。所述第二三通閥73包括與所述熱交換裝置3的出口相連的第二入口 731、與所述能量轉化裝置4相連的第三出口 732以及與所述再蒸發管路7相連的第四出口 733。
[0030]通過所述壓力傳感器71與所述溫度傳感器72的讀數能夠得出所述熱交換裝置3的出口的工質狀態。如果所述工質狀態為未完全蒸發的非氣態(例如氣液兩相)，則關閉所述第二三通閥73的第三出口 732，不將所述工質通入所述能量轉化裝置4，以免損壞所述能量轉化裝置4。同時，打開所述第二三通閥73的第四出口 733，通過所述再蒸發管路7將所述工質重新回到所述熱交換裝置3中進行蒸