抽气回热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可切换模式的抽气回热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法，用于回收发动机的排气余热能，属于节能减排领域。
【背景技术】
[0002]从发动机的能量平衡来看，输出的有效功率一般只占燃油燃烧总热量的30% -45% (柴油机)或20%-30% (汽油机)，余热能量主要通过排气和冷却介质(冷却水、机油散热等)被排放到大气中。由此可以看出，对于车用发动机，其余热能量具有很大的节能潜力，余热能回收利用技术有广泛的应用空间。
[0003]此外，余热能回收利用技术由于不需要消耗其他任何能源，仅依靠技术的进步即可实现，因而受到了越来越多的重视。目前，发动机余热能利用技术主要集中在增压、余热制冷、余热取暖、余热发电和改良燃料燃烧性能等几个方面。在当前车用余热利用的各种技术方案中，有机朗肯循环余热回收技术的热效率最高，是最有可能首先实现产业化的技术。有机朗肯循环通常分为简单有机朗肯循环、回热有机朗肯循环、开式抽气回热有机朗肯循环、闭式抽气回热有机朗肯循环、再热有机朗肯循环等集中结构方案。其中，开式抽气回热有机朗肯循环系统与闭式抽气回热有机朗肯循环系统具有较高的热效率，能够较好地回收发动机排气能量。
[0004]然而，两种抽气回热有机朗肯循环系统均有着各自的优缺点:开式抽气回热有机朗肯循环系统由于其回热器采用的是接触式换热器，更有利于冷热流体的热量交换，故换热性能较好；但是开式抽气回热有机朗肯循环中，回热器冷热流体的入口压力须保证一致，这就对抽气段管路以及工质泵的控制提出了较高的要求，在发动机工况不够稳定时较难实现。闭式抽气回热有机朗肯循环中，回热器冷热流体的入口压力无需保证一致，这就降低了对抽气压力及工质泵压力的控制难度，有利于发动机工况复杂多变时使用；然而由于闭式抽气回热有机朗肯循环系统的回热器采用的是间壁式换热器，其换热效率较低。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了提出一种能够根据发动机的运行状况自动切换模式的抽气回热式有机朗肯循环发动机余热回收系统及控制方法，该系统主要由发动机系统、开式抽气回热有机朗肯循环系统、闭式抽气回热有机朗肯循环系统、冷却系统和控制系统组成。通过调节不同阀门的开闭，实现余热回收系统的停机与运转以及在开式抽气回热有机朗肯循环系统与闭式抽气回热有机朗肯循环系统之间的转换，从而更好地利用发动机的排气余热能量。
[0006]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案:
[0007]本发明所提出的抽气回热式有机朗肯循环发动机余热回收系统，该系统包括发动机系统、开式抽气回热有机朗肯循环系统、闭式抽气回热有机朗肯循环系统、冷却系统和控制系统。
[0008]上述的发动机系统，包括发动机、涡轮、压气机、排气通路。其中涡轮后的排气通路分为两个支路，一条支路直接与大气相连(不考虑三元催化器等设备)；另一条支路与蒸发器相连，排气在蒸发器内与工质进行换热，将热量传递给工质后进入大气中。
[0009]上述的开式抽气回热有机朗肯循环系统，包括蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质过滤器、工质泵、开式回热器以及工质管路。其中工质在蒸发器中与发动机排气进行换热，形成高温高压蒸汽；在冷凝器中膨胀后的工质乏气与冷却水换热，冷凝为液态工质。此夕卜，在膨胀机与储液罐前的工质泵处均另设有旁路，确保在紧急情况下能够旁通膨胀机及工质泵，从而保护整个系统不被损坏。
[0010]上述的闭式抽气回热有机朗肯循环系统，包括蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质过滤器、工质泵、开式回热器、闭式回热器以及工质管路。其中开式回热器在上述系统中作为工质混合器使用。
[0011]上述的冷却系统主要包括水泵、散热器及相应的连接管路。其中冷却水在冷凝器中吸收工质乏气所释放出的热量，将工质冷却，冷却水随后在散热器中与外界环境进行换热，将热量释放到大气中。
[0012]上述的控制系统主要包括排气温度传感器、蒸发器出口排气温度传感器、蒸发器出口工质温度传感器、蒸发器出口工质压力传感器、膨胀机抽气口工质压力传感器、工质泵出口工质压力传感器、开式回热器进口工质压力传感器、工质质量流量计、电磁控制阀、控制单元(ECU)以及相应的连接线路。其中控制单元采集系统中温度、压力传感器、工质质量流量计的信号，经过分析处理后作出判断，并发出信号，控制各电磁阀的开启、闭合，从而实现余热回收系统的起动、停机以及在开式、闭式抽气回热有机朗肯循环系统中的切换。
[0013]与现有的技术方案相比，本发明具有如下优点。
[0014]1.采用两种(开式、闭式)抽气回热有机朗肯循环方案回收发动机的排气余热能量。两种抽气回热式有机朗肯循环系统与简单有机朗肯循环系统相比，具有更高的热效率，更有利于回收发动机排气余热。
[0015]2.通过控制发动机排气的各支路阀门的开启和关闭，可以根据需要建立或切断发动机系统和抽气回热式有机朗肯循环系统的连接，在不影响发动机运行的情况下实现余热回收系统的平稳起动与停止。
[0016]3.根据发动机的运行工况，通过合理的控制策略，能够迅速地在开式抽气回热有机朗肯循环与闭式抽气回热有机朗肯循环系统之间切换，以实现发动机排气余热的高效利用。
[0017]4.通过给膨胀机与储液罐前的工质泵设置旁路，可以确保系统发生紧急情况时能够迅速旁通膨胀机与工质泵，从而保证了整个系统不受损坏，延长了系统部件的使用寿命。
【附图说明】
[0018]图1是抽气回热式有机朗肯循环发动机余热回收系统的示意图；
[0019]图中:1、发动机；2、压气机；3、祸轮；4排气温度传感器；5、电磁阀一 ；6、电磁阀二 ；12、电磁阀三；13、电磁阀四；21、电磁阀五；25、电磁阀六；27、电磁阀七；28、电磁阀八；30、电磁阀九；31、电磁阀十；35、电磁阀^ ;37、电磁阀十二 ；7、蒸发器出口排气温度传感器；8、蒸发器；9蒸发器出口工质温度传感器；10、蒸发器出口工质压力传感器；11、工质质量流量计；14、膨胀机；15、发电机；16、膨胀机抽气口工质压力传感器；17、冷凝器；18、水泵；19、散热器；20、储液罐；22、工质过滤器；23、工质泵；24、工质泵出口工质压力传感器；26、膨胀阀；29、闭式回热器；32、开式回热器；33、工质泵；34、开式回热器进口工质压力传感器36、工质泵；38、控制单元。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0021]如图1所示，抽气回热式有机朗肯循环发动机余热回收系统，该系统包括发动机系统、开式抽气回热有机朗肯循环系统、闭式抽气回热有机朗肯循环系统、冷却系统和控制系统。上述的发动机系统，包括发动机(I)、压气机(2)、涡轮(3)、进气通路、排气通路。上述开式抽气回热有机朗肯循环系统，包括蒸发器(8)、工质质量流量计(11)、膨胀机(14)、发电机(15)、冷凝器(17)、储液罐(20)、工质过滤器(22)、工质泵(23)、开式回热器(32)、工质泵(36)以及连接它们的管路；上述闭式抽气回热有机朗肯循环系统，包括蒸发器(8)、工质质量流量计(11)、膨胀机(14)、发电机(15)、冷凝器(17)、储液罐(20)、工质过滤器
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