一種聯合熱力循環系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種聯合熱力循環系統，包括：發動機、甲醇燃料箱(1)、甲醇泵(2)、甲醇流量調節閥(3)、甲醇裂解器(4)、散熱器(8)、氣液分離器(9)、單向閥(10)、儲氣罐(11)、氣體壓力傳感器(12)、氣體流量調節閥(13)，該熱力循環系統利用內燃機的排氣余熱催化裂解甲醇，通過利用發動機的一個氣缸用來回收高溫高壓甲醇裂解氣的壓力能膨脹作功，利用氣液分離器回收未裂解的液態甲醇，并把膨脹做功完畢后的甲醇裂解氣引入內燃機進行燃燒，實現了余熱回收、燃料裂解、膨脹做功、改性燃燒這一系列過程，充分提高了發動機排氣能量的利用率，達到了內燃機余熱梯級回收利用和改良燃料的雙重目的。
【專利說明】
一種聯合熱力循環系統
技術領域
[0001]本發明屬于余熱回收技術領域，尤其涉及一種聯合熱力循環系統。
【背景技術】
[0002]能源危機已成為制約我國經濟發展和國家安全的首要問題。內燃機節能是國家節能工作的主戰場之一，通過提高內燃機熱效率來改善我國能源利用效率，意義極為重大。內燃機大約只有30%-40%的燃油能量轉化為有效功，剩余的大部分燃油能量通過冷卻水和排氣散失掉了，如何回收利用這股散失的能量成了近年來國內外的研究熱點。開展內燃機余熱高效回收利用，在內燃機上實現復合熱力循環將是國際內燃機新的發展趨勢，凸顯了巨大的節能潛力。
[0003]近幾年對內燃機底循環的研究開始興起，內燃機底循環是相對于內燃機缸內熱力循環(奧托循環或迪塞爾循環)而言的，是附加在內燃機系統上，用于回收利用內燃機余熱的一種熱力循環系統。在2012年5月31日，湖南大學的劉敬平等在《Applied ThermalEngineering〉〉發表的論文〈〈Comparison and analysis of engine exhaust gas energyrecovery potential through var1us bottom cycles》公開了多種底循環的比較分析方法，在2013年5月25日，湖南大學的付建勤等在《內燃機學報》發表的論文《回熱布雷頓空氣循環回收內燃機廢氣余熱的模擬》公開了一種底循環的模擬方法;在2014年6月I日，天津大學的李曉寧在其博士論文《柴油機余熱回收底循環系統及排氣換熱器設計與性能優化》中公開了一種柴油機余熱回收的底循環系統優化方法。目前國際上出現了多種內燃機余熱回收的技術途徑，包括排氣余熱驅動朗肯循環(輸出有效功或發電)、改善內燃機進氣性能(渦輪增壓)、排氣直接驅動動力渦輪(輸出膨脹功或發電)、溫差發電、驅動制冷循環、改良燃料等多種形式。但是，這些余熱回收技術手段都比較單一，只能對內燃機的余熱進行單級回收，余熱能量利用率不高。
[0004]此外，甲醇突出的中溫(200°C-450°C)裂解性能、具有高熱值的甲醇裂解氣和甲醇燃料的經濟性，使得甲醇裂解在內燃機余熱回收上的應用得到了廣泛研究。傳統的利用方式是將甲醇裂解氣直接作為燃料燃燒，其主要的改進方式是在催化劑選擇和裂解器結構設計方面，而將裂解器作為整個熱力循環系統的一部分其改進方式卻很少被研究。從熱力循環系統的角度考慮，經過裂解器催化裂解產生的甲醇裂解氣本身是高溫高壓氣體，不僅具有可觀的壓力能和動能，而且氣體中還含有一定量未裂解的甲醇蒸汽。因此，如果能回收高溫高壓裂解氣體的壓力能、動能以及未裂解的甲醇，將進一步提高整個熱力循環系統的能量利用率。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對目前內燃機只有30%-40%的燃油能量轉化為有效功，剩余的大部分燃油能量通過冷卻水和排氣散失掉這一現狀，提出了一種“余熱回收一燃料裂解一膨脹做功一改性燃燒”的新型聯合熱力循環系統，高效回收利用內燃機的廢氣余熱能，利用內燃機的廢氣余熱對甲醇進行裂解，把裂解產生的高溫高壓氣體引入內燃機的一個氣缸進行膨脹做功，并把膨脹做功后的裂解氣噴入內燃機進行燃燒，在保持內燃機現有功率不變情況下，達到改良燃料、減少燃料消耗，高效梯級利用內燃機余熱的目的。
[0006]本發明的技術方案是提供了一種聯合熱力循環系統，包括:發動機、甲醇燃料箱、甲醇栗、甲醇流量調節閥、甲醇裂解器、散熱器、氣液分離器、單向閥、儲氣罐、氣體壓力傳感器、氣體流量調節閥，其特征在于:
[0007]液態甲醇從甲醇燃料箱流出，經甲醇栗加壓到一定的工作壓力，然后經甲醇流量調節閥進入甲醇催化裂解器；
[0008]發動機的排氣總管與甲醇催化裂解器串聯，作為甲醇催化裂解的熱源;液態甲醇在甲醇催化裂解器中催化裂解產生甲醇裂解氣以及少量未裂解的甲醇蒸汽；
[0009]甲醇裂解氣以及未裂解的甲醇蒸汽進入發動機的膨脹缸，推動活塞做功;做功完畢后的甲醇裂解氣和甲醇蒸汽進入散熱器進行冷卻，使剩余的甲醇蒸汽液化；
[0010]甲醇裂解氣和液態甲醇進入氣液分離器進行分離，分離出的甲醇裂解氣通過單向閥進入儲氣罐中儲存，分離出的液態甲醇回流至甲醇燃料箱進行循環利用；
[0011]儲氣罐中的甲醇裂解氣經甲醇裂解氣流量調節閥進行流量調節后與空氣混合進入發動機中的燃燒缸參與燃燒做功過程。
[0012]本發明的有益效果主要表現在以下幾個方面:
[0013]I)液態甲醇的壓縮性很低，只需消耗很小的壓縮功就可以將液態甲醇壓力提升到所需水平；
[0014]2)系統采用電子控制系統實現液態甲醇與裂解氣的精確計量與噴射，可以在內燃機變工況運行時對甲醇流量和裂解氣流量進行實時精準控制，確保甲醇裂解反應器內的工質充分吸熱裂解以及內燃機的工況運行平穩。
[0015]3)本發明的新型聯合熱力循環的優選實例中，四缸發動機只有三個氣缸進行燃燒，還有一個氣缸并不參與燃燒，它作為膨脹缸回收高溫高壓裂解氣的壓力能與動能。發動機的動力來源除了發動機原燃料的燃燒外，還包括由甲醇裂解反應器出口端的高溫高壓裂解氣所做的膨脹功以及氣液分離器的氣體出口端裂解氣的燃燒，與傳統內燃機余熱回收熱力系統有很大不同。
[0016]4)甲醇工質完成了一個熱源為內燃機排氣余熱的蒸汽動力底循環后，裂解的氣體參與發動機的燃燒，未裂解的甲醇可以通過氣液分離器回收循環利用。本新型聯合熱力循環將四缸發動機的一個氣缸用來回收高溫高壓裂解氣的膨脹功，相比原發動機，使用新的聯合熱力循環的發動機不僅可以輸出相同的功率，而且還可以減少燃料量消耗、降低排放，最終達到節能減排的目的。
[0017]5)甲醇裂解后的氣體其熱值較液態甲醇得到了很大提高，甲醇燃料的理化性能得到改良。甲醇裂解氣是富氫氣體，燃燒速度快，使缸內熱力循環的等容性增加，熱效率升高。
[0018]6)通過ECU對甲醇流量調節閥和氣體流量調節閥的實時精確控制，可以確保甲醇裂解率在內燃機不同運行工況下達到最佳值，同時保證內燃機工況的運行平穩，使整個聯合熱力循環的性能達到最優。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的一種聯合熱力循環系統系統原理結構圖；
[0020]其中:1_甲醇燃料箱，2-甲醇栗，3-甲醇流量調節閥，4-甲醇裂解器，5-膨脹缸，6-第一燃燒缸、6-2第二燃燒缸、6-3-第三燃燒缸，7-發動機，8-散熱器，9-氣液分離器，10-單向閥，11-儲氣罐，12-氣體壓力傳感器，13-氣體流量調節閥，14-底循環E⑶，15-發動機E⑶；
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明的原理和系統做進一步的詳細說明。需要說明的是本實施方式是敘述性的，而非限定性的，不以此限定本發明的保護范圍。
[0022 ]如圖1所示，本發明的提供了一種包括“余熱回收一燃料裂解一膨脹做功一改性燃燒”過程的聯合熱力循環系統，包括發動機做功的主循環和甲醇裂解、膨脹、回流的底循環，整個聯合熱力循環系統包括:發動機7、甲醇燃料箱1、甲醇栗2、甲醇流量調節閥3、甲醇裂解器4、散熱器8、氣液分離器9、單向閥10、儲氣罐、氣體壓力傳感器12、氣體流量調節閥13、發動機ECUl 5、底循環ECUl 4;
[0023]—種“余熱回收一燃料裂解一膨脹做功一改性燃燒”的新型聯合熱力循環系統，主循環是發動機的工作過程，其產生的高溫廢氣為底循環提供熱源，底循環是甲醇催化裂解后，裂解氣膨脹做功并參與發動機燃燒做功的過程。同時需要特別說明的是，該聯合熱力循環系統中，裂解燃料不限于甲醇，還可以為乙醇、丙醇、丁醇和生物柴油中的一種。
[0024]圖1中實線表示發動機工作循環，長虛線表示底循環，點畫線表示ECU控制線路。
[0025]聯合熱力循環的詳細工作過程為:甲醇燃料箱I的出口端與甲醇栗2串聯，燃料箱中的甲醇通過甲醇栗2栗出，甲醇經甲醇流量調節閥3后進入甲醇催化裂解器4;發動機7的排氣總管與甲醇催化裂解器4串聯，發動機7排氣總管的高溫廢氣對甲醇催化裂解器4的甲醇進行加熱后排出，甲醇在甲醇催化裂解器4中發生催化裂解反應產生高溫高壓的催化裂解氣以及一部分未裂解的甲醇蒸汽;把產生的高溫高壓裂解氣和甲醇蒸汽引入發動機的一個氣缸，為區分正常燃燒的氣缸，下面稱膨脹缸5，高溫高壓的氣體在膨脹缸5中推動活塞進行做功；
[0026]做功完畢后，溫度和壓力都降低的氣體進入散熱器8中進一步進行冷卻，使其中未裂解的甲醇氣體液化，裂解氣和液態甲醇進入氣液分離器9進行分離，分離出的裂解氣通過單向閥10進入儲氣罐11中儲存，分離出的液態甲醇回流至甲醇燃料箱I中循環利用；
[0027]儲氣罐11中的裂解氣經裂解氣流量調節閥13進行流量調節后與空氣混合進入發動機7中正常燃燒的氣缸，裂解氣分別進入第一燃燒缸6-1、第二燃燒缸6-2、第三燃燒缸6-3參與燃燒做功。需要指出的是，可以通過合理優化進排氣相位，使發動機膨脹缸的輸出既定功率。
[0028]需要詳細說明的是，發動機電子控制單元(發動機ECU)15和底循環電子控制單元(底循環ECU)14共同實現對聯合熱力循環系統的精確監測和實時控制。底循環ECU14與發動機ECU15相連接，底循環ECU14通過讀取發動機ECU15的信號來獲得發動機運行工況的信息，根據發動機ECU15反饋的信息來對甲醇流量調節閥3、氣體流量調節閥13以及甲醇栗2進行控制。底循環ECU14根據工況需求確定噴入甲醇裂解器中的甲醇流量，實時調節甲醇流量調節閥3和氣體流量調節閥13的開度以及甲醇栗2的工作壓力，使甲醇裂解率達到最優，同時使裂解氣的壓力足以保證發動機膨脹缸輸出既定功率，且使整個發動機整機運行平穩;采用氣體壓力傳感器12實時監測儲氣罐11的壓力，若壓力過低，將信號反饋給底循環ECU14，底循環ECU14發出信號調大甲醇流量調節閥3的開度，增大甲醇流量，產生更多的裂解氣補償儲氣罐11中的氣體;反之，若壓力超過某個限值，底循環ECU14發出信號調小甲醇流量調節閥3的開度，減小甲醇流量，減少裂解氣的生成，防止儲氣箱出現壓力過大的情況，這樣可以使儲氣罐11中的氣體壓力時刻維持在一個合理的范圍。
[0029]為了使聯合熱力循環可以根據內燃機的不同運行工況，實時調整甲醇流量、裂解氣流量和栗的工作壓力，使熱力循環系統與內燃機工況相適應，使整個系統的性能達到最優，本發明為該熱力循環設計了一種聯合熱力循環系統的控制方法:
[0030]I)發動機處于任何運行狀態時，當底循環ECU檢測到儲氣罐壓力值為其設計最大值的80 %時，底循環ECU控制甲醇栗關閉，不再進行甲醇燃料裂解，同時，底循環ECU根據發動機ECU傳來的進氣流量信號，來對此時所需裂解氣的量進行計算，對氣體流量閥開啟開度進行控制，裂解氣進入燃燒缸內燃燒；當底循環ECU檢測到儲氣罐壓力值未達到其設計最大值的80%時，若底循環ECU讀取到的發動機ECU的排氣溫度大于等于300°C，則底循環ECU控制甲醇栗和甲醇流量調節閥開啟，底循環系統開始正常工作，若底循環ECU讀取到的發動機E⑶的排氣溫度小于300°C，則底循環E⑶控制甲醇栗關閉，底循環系統不工作。
[0031]2)當發動機ECU檢測到發動機處于啟動狀態時，此時底循環ECU控制甲醇栗關閉，甲醇燃料不進入甲醇裂解器中裂解，底循環系統不工作;此時如果儲氣罐如果存有裂解氣，則底循環ECU控制氣體流量調節閥開啟，底循環ECU根據發動機ECU傳來的進氣流量信號，來對此時所需裂解氣的量進行計算，對氣體流量閥開度進行控制，此時氣體流量閥開啟開度控制為一個較低的值。
[0032]3)當發動機ECU檢測到發動機處于怠速狀態時，由于怠速需要輸出功率極小，為節約甲醇燃料，此時底循環ECU控制甲醇栗關閉，甲醇燃料不進入甲醇裂解器中裂解，底循環系統不工作；同時，為保證怠速下發動機缸內燃燒穩定，此時底循環ECU控制氣體流量調節閥關閉，裂解氣不進入燃燒缸內燃燒。
[0033]4)當發動機ECU檢測到發動機處于正常運轉狀態時，由底循環E⑶讀取發動機ECU的排氣溫度信號進行如下判斷并做相應控制:a.當排氣溫度低于300°C時，此時底循環ECU控制甲醇栗關閉，甲醇燃料不進入甲醇裂解器中裂解，底循環系統不工作。b.當排氣溫度大于等于300°C時，則底循環ECU控制甲醇栗和甲醇流量調節閥開啟，底循環ECU根據發動機ECU傳來的動力輸出信號，即根據發動機此時扭矩大小，來計算所需裂解氣的壓力值和流量值，根據排氣溫度與甲醇裂解率的數值對應關系(此數值關系已事先寫入底循環ECU)可以得到所需液態甲醇的流量值，進而可以根據這數值關系對甲醇流量調節閥的開度進行控制，以及對甲醇栗的工作壓力進行控制；同時，底循環ECU根據發動機ECU傳來的進氣流量信號得到發動機此時進氣流量值，根據進氣量與對應所需裂解氣量的數值關系(此數值關系已事先寫入底循環ECU)來對氣體流量調節閥的開度進行控制。
[0034]5)當發動機ECU檢測到發動機處于急加速狀態時，由于排氣溫度會有延遲，，此時底循環ECU讀取到發動機ECU傳來的動力輸出信號會有一個躍升，若扭矩的增大幅度超過一設定值時(此值根據發動機額定扭矩不同而不同)，為使發動機動力性得到保證，此時底循環ECU不再同時根據排氣溫度信號和扭矩信號來進行判斷，而是直接根據發動機扭矩增大信號來相應的快速增大甲醇栗的工作壓力、甲醇流量閥的開度以及氣體流量閥的開度，以保證加速響應。
[0035]6)當發動機ECU檢測到發動機處于急減速狀態時，由于排氣溫度的延遲性，此時底循環ECU讀取到發動機ECU傳來的動力輸出信號會有一個驟減，若扭矩的減小幅度超過一設定值時(此值根據發動機額定扭矩不同而不同)，為使發動機膨脹缸輸出功率能夠及時減小而與其他三缸匹配，此時底循環ECU不再同時根據排氣溫度信號和扭矩信號來進行判斷，而是直接根據發動機扭矩較小信號來相應的快速較小甲醇栗的工作壓力、甲醇流量閥的開度以及氣體流量閥的開度，以保證發動機運行平穩。
[0036]7)當發動機ECU檢測到發動機處于熄火狀態時，此時底循環ECU控制甲醇栗關閉，甲醇燃料不進入甲醇裂解器中裂解，底循環系統不工作；同時，底循環ECU控制氣體流量調節閥關閉，裂解氣不再進入燃燒缸內。
【主權項】
1.一種聯合熱力循環系統，包括:發動機、甲醇燃料箱(I)、甲醇栗(2)、甲醇流量調節閥(3)、甲醇裂解器(4)、散熱器(8)、氣液分離器(9)、單向閥(10)、儲氣罐(11)、氣體壓力傳感器(12)、氣體流量調節閥(13)，其特征在于: 液態甲醇從甲醇燃料箱(I)流出，經甲醇栗(2)加壓到一定的工作壓力，然后經甲醇流量調節閥(3)進入甲醇催化裂解器(4); 發動機(7)的排氣總管與甲醇催化裂解器(4)串聯，作為甲醇催化裂解的熱源;液態甲醇在甲醇催化裂解器(4)中催化裂解產生甲醇裂解氣以及少量未裂解的甲醇蒸汽； 甲醇裂解氣以及未裂解的甲醇蒸汽進入發動機的膨脹缸(5)，推動活塞做功;做功完畢后的甲醇裂解氣和甲醇蒸汽進入散熱器(8)進行冷卻，使剩余的甲醇蒸汽液化； 甲醇裂解氣和液態甲醇進入氣液分離器(9)進行分離，分離出的甲醇裂解氣通過單向閥(10)進入儲氣罐(11)中儲存，分離出的液態甲醇回流至甲醇燃料箱(I)進行循環利用； 儲氣罐(11)中的甲醇裂解氣經甲醇裂解氣流量調節閥(13)進行流量調節后與空氣混合進入發動機(7)中的第一燃燒缸(6-1)、第二燃燒缸(6-2)和第三燃燒缸(6-3)參與燃燒做功過程。2.根據權利要求1所述的一種聯合熱力循環系統，其特征在于:發動機膨脹缸(5)并不參與燃燒，只進行膨脹、排氣兩個過程;而其余氣缸，即第一燃燒缸(6-1)、第二燃燒缸(6-2)和第三燃燒缸(6-3)進行正常燃燒做功過程;膨脹缸(5)通過回收高溫高壓甲醇裂解氣的壓力能進行膨脹做功。3.根據權利要求1所述的一種聯合熱力循環系統，其特征在于:還包括發動機ECU(15)、底循環ECU(H)，其中:甲醇流量調節閥(3)、甲醇裂解氣流量調節閥(13)以及甲醇栗(2)都是由底循環ECU(H)控制，而且儲氣罐(11)也由底循環ECU(H)進行監控； 底循環ECU(H)能夠讀取發動機ECU(15)的信號，根據內燃機的不同運行工況，實時調整甲醇流量、甲醇裂解氣流量和甲醇栗(2)的工作壓力，使熱力循環系統與內燃機工況相適應； 底循環ECU(14)同時通過壓力傳感器(12)對儲氣罐(11)的壓力進行實時監控，根據儲氣罐(11)中壓力值對甲醇流量和甲醇栗(2)的工作壓力進行調節，使儲氣罐(11)中的氣體壓力保持穩定。4.根據權利要求1所述的一種聯合熱力循環系統，其特征在于:甲醇裂解氣進入發動機的第一燃燒缸(6-1)、第二燃燒缸(6-2)和第三燃燒缸(6-3)直接參與燃燒，其中，甲醇裂解氣能夠噴入進氣道與空氣混合后參與燃燒，或者甲醇裂解氣直接噴入發動機燃燒缸進行燃/9ti ο5.根據權利要求1所述的一種聯合熱力循環系統的控制方法，其特征在于: 發動機處于任何運行狀態時，當底循環ECU檢測到儲氣罐壓力值為其設計最大值的80 %時，底循環ECU控制甲醇栗關閉，不再進行甲醇燃料裂解，同時，底循環ECU根據發動機ECU傳來的進氣流量信號，對此時所需裂解氣的量進行計算，對氣體流量閥開啟開度進行控制，裂解氣進入燃燒缸內燃燒； 當底循環ECU檢測到儲氣罐壓力值未達到其設計最大值的80%時，若底循環ECU讀取到的發動機ECU檢測到的排氣溫度大于等于300°C，則底循環ECU控制甲醇栗和甲醇流量調節閥開啟，底循環系統開始正常工作，若底循環ECU讀取到的發動機ECU的排氣溫度小于300°C，則底循環ECU控制甲醇栗關閉，底循環系統不工作。6.根據權利要求5所述的一種聯合熱力循環系統的控制方法，其特征在于: 當發動機ECU檢測到發動機處于啟動狀態時，此時底循環ECU控制甲醇栗關閉，甲醇燃料不進入甲醇裂解器中裂解，底循環系統不工作； 此時如果儲氣罐存有裂解氣，則底循環ECU控制氣體流量調節閥開啟，底循環ECU根據發動機ECU傳來的進氣流量信號，對此時所需裂解氣的量進行計算，對氣體流量閥開度進行控制。7.根據權利要求5所述的一種聯合熱力循環系統的控制方法，其特征在于: 當發動機ECU檢測到發動機處于怠速狀態時，此時底循環ECU控制甲醇栗關閉，甲醇燃料不進入甲醇裂解器中裂解，底循環系統不工作；同時，為保證怠速下發動機缸內燃燒穩定，此時底循環ECU控制氣體流量調節閥關閉，裂解氣不進入燃燒缸內燃燒。8.根據權利要求5所述的一種聯合熱力循環系統的控制方法，其特征在于: 當發動機ECU檢測到發動機處于正常運轉狀態時，由底循環ECU讀取發動機ECU檢測到的排氣溫度信號進行如下判斷并做相應控制: a.當排氣溫度低于300°C時，此時底循環ECU控制甲醇栗關閉，甲醇燃料不進入甲醇裂解器中裂解，底循環系統不工作； b.當排氣溫度大于等于300°C時，則底循環ECU控制甲醇栗和甲醇流量調節閥開啟，底循環ECU根據發動機ECU傳來的動力輸出信號，來計算所需裂解氣的壓力值和流量值。9.根據權利要求5所述的一種聯合熱力循環系統的控制方法，其特征在于: 當發動機ECU檢測到發動機處于急加速狀態時，由于排氣溫度會有延遲，此時底循環ECU讀取到發動機ECU傳來的動力輸出信號會有一個躍升，若扭矩的增大幅度超過一設定值時，此時底循環ECU不再同時根據排氣溫度信號和扭矩信號來進行判斷，而是直接根據發動機扭矩增大信號快速增大甲醇栗的工作壓力、甲醇流量閥的開度以及氣體流量閥的開度。10.根據權利要求5所述的一種聯合熱力循環系統的控制方法，其特征在于: 當發動機ECU檢測到發動機處于急減速狀態時，由于排氣溫度的延遲性，此時底循環ECU讀取到發動機ECU傳來的動力輸出信號會有一個驟減，若扭矩的減小幅度超過一設定值時，為使發動機膨脹缸輸出功率能夠及時減小而與其他三缸匹配，此時底循環ECU不再同時根據排氣溫度信號和扭矩信號來進行判斷，而是直接根據發動機扭矩較小信號來相應的快速較小甲醇栗的工作壓力、甲醇流量閥的開度以及氣體流量閥的開度。
【文檔編號】F01D17/10GK105863764SQ201610477613
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】付建勤, 周峰, 劉敬平, 王書千, 舒俊, 周賢杰, 李洋洋
【申請人】湖南大學