朗肯循环系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种朗肯循环系统及其控制方法，属于发动机尾气废热回收的技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来，随着汽车产销量的不断增加以及汽车产业的能耗在总能耗中占有的比例越来越大，汽车节能减排问题越来越受到重视。从目前车用内燃机的热平衡看，用于动力输出的功率一般只占燃料燃烧总热量的30%?45% (柴油机)或20%?30% (汽油机)。以废热形式排出的热量占燃烧总热量的55%?70% (柴油机)或70%?80% (汽油机)，主要包括循环冷却水带走的热量和排气带走的热量。其中排气带走的热量约占进入发动机燃料燃烧所产生热量的40%?45% (汽油机)，35%?40% (高速柴油机)或30%?40% (中速柴油机)。由此可知，车用内燃机的热效率较低，燃料燃烧产生的热量中能够被有效利用的只有三分之一左右。这不仅会造成热量的损失，而且还会对环境造成危害。因此，如何实现车用内燃机余热能量的有效转化再利用，已经成为一个亟待解决的问题。
[0003]近年来，全世界各大内燃机相关研究机构和制造商都开始研究内燃机的余热回收技术，并且已经研发出了利用朗肯循环(Rankine Cycle)来回收废热的技术。通常，朗肯循环主要包括工质箱、增压装置(例如栗)、热交换装置(例如蒸发器)、能量转化装置(例如膨胀机)以及冷却装置(例如冷凝器)。使用时，所述栗将一种工质(例如水)升压之后与高温的发动机排气在所述蒸发器上进行热交换，该工质被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入膨胀机中做功，做功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却凝结成液态，再回到栗中，完成一个循环。经过此过程之后，相当于将发动机尾气的废热转化成可以利用的机械能，以实现能量的回收与利用。
[0004]然而，采用朗肯循环来进行内燃机的余热回收，存在许多技术难点，其中主要的技术难点是系统优化以及关键部件的控制。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种优化的朗肯循环系统及其控制方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种朗肯循环系统，用以收集发动机排气管的废热，所述朗肯循环系统包括顺序连接的工质箱、用以从所述工质箱中向外抽取工质的增压装置、用以与所述发动机排气管进行换热的热交换装置、能量转化装置以及冷却装置，所述朗肯循环系统还包括能够将所述冷却装置的出口的工质重新回到所述冷却装置中的再冷凝管路。
[0007]作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有安装在所述冷却装置的出口的压力传感器、温度传感器以及位于所述压力传感器与所述温度传感器下游的第一三通阀，所述第一三通阀包括与所述冷却装置的出口相连的第一入口、与所述工质箱相连的第一出口以及与所述再冷凝管路相连的第二出口。
[0008]作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统还包括能够将所述热交换装置的出口的工质重新回到所述热交换装置的再蒸发管路。
[0009]作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有安装在所述热交换装置的出口的压力传感器、温度传感器以及位于所述压力传感器与所述温度传感器下游的第二三通阀，所述第二三通阀包括与所述热交换装置的出口相连的第二入口、与所述能量转化装置相连的第三出口以及与所述再蒸发管路相连的第四出口。
[0010]作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有安装在所述热交换装置的入口的压力传感器以及温度传感器。
[0011]作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统还设有将所述增压装置的出口的工质直接回到所述工质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阀。
[0012]作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统还设有将所述热交换装置的出口的工质直接引向所述冷却装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阀。
[0013]作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有安装在所述能量转化装置的出口的压力传感器以及温度传感器。
[0014]本发明还涉及如下技术方案:一种朗肯循环系统的控制方法，所述朗肯循环系统用以收集发动机排气管的废热，所述朗肯循环系统包括顺序连接的工质箱、增压装置、热交换装置、能量转化装置以及冷却装置，所述控制方法包括:
51:判断所述热交换装置的出口的工质状态，如果所述工质状态为非气态，则不将所述工质通入所述能量转化装置；如果所述工质状态为气态，则将所述工质通入所述能量转化装置；
52:判断所述冷却装置的出口的工质状态，如果所述工质状态为非液态，则不将所述工质通入所述工质箱，而是通过再冷凝管路将所述工质重新回到所述冷却装置中进行冷却，直到所述工质状态为液态，才将所述工质通入所述工质箱。
[0015]作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤SI中，所述热交换装置的出口安装有压力传感器以及温度传感器，通过所述压力传感器以及所述温度传感器的读数来判断所述工质的状态。
[0016]作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤SI中，当所述工质状态为非气态时，通过减少进入所述热交换装置的工质或者通过再蒸发管路将所述工质重新回到所述热交换装置中进行蒸发，从而使所述热交换装置的出口的工质状态变为气态。
[0017]作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有将所述增压装置的出口的工质直接回到所述工质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阀；在步骤SI中，通过将所述第一控制阀打开，使一部分工质通过所述第一旁通管路直接回到所述工质箱的方法来减少进入所述热交换装置的工质。
[0018]作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤SI中，当所述工质状态为非气态时，通过第二旁通管路将该工质直接通入所述冷却装置中。
[0019]相较于现有技术，本发明通过设置再冷凝管路，当所述冷却装置的出口的工质状态为非液态时，将该工质重新回到所述冷却装置中进行冷却，从而能够确保所述冷却装置的出口的工质状态，提升了所述朗肯循环系统的性能。
【附图说明】
[0020]图1是本发明朗肯循环系统在第一实施方式中的原理图。
[0021]图2是本发明朗肯循环系统在第二实施方式中的原理图。
[0022]图3是本发明朗肯循环系统在第三实施方式中的原理图。
[0023]图4是本发明朗肯循环系统在第四实施方式中的原理图。
[0024]图5是本发明朗肯循环系统的控制方法对应于上述第一、第二实施方式的流程示意图。
[0025]图6是本发明朗肯循环系统的控制方法对应于上述第三、第四实施方式的流程示意图。
【具体实施方式】
[0026]请参图1所示，本发明揭示了一种朗肯循环系统100，用以收集发动机排气管的废热。所述朗肯循环系统100包括顺序连接的工质箱1、用以从所述工质箱I中向外抽取工质的增压装置2、用以与所述发动机排气管200进行换热的热交换装置3、能量转化装置4以冷却装置5。在本发明图示的实施方式中，所述增压装置2为工质栗，所述热交换装置3为蒸发器或者锅炉，所述能量转化装置4为膨胀机用以驱动一个负载41，所述冷却装置5为冷凝器。
[0027]另外，所述朗肯循环系统100还包括能够将所述冷却装置5的出口的工质重新回到所述冷却装置5中的再冷凝管路6。所述朗肯循环系统100还设有安装在所述冷却装置5的出口的压力传感器61、温度传感器62以及位于所述压力传感器61与所述温度传感器62下游的第一三通阀63。所述第一三通阀63包括与所述冷却装置5的出口相连的第一入口631、与所述工质箱I相连的第一出口 632以及与所述再冷凝管路6相连的第二出口 633。
[0028]因为每一种工质都有确定的饱和温度和饱和压力值，通过温度传感器以及压力传感器的测量，能够得出该工质的状态。因此，通过所述压力传感器61与所述温度传感器62的读数能够得出所述冷却装置5的出口的工质状态。如果所述工质状态为未完全冷凝的非液态(例如气液两相)，则关闭所述第一三通阀63的第一出口 632，不将所述工质通入所述工质箱1，同时打开所述第一三通阀63的第二出口 633，通过所述再冷凝管路6将所述工质重新回到所述冷却装置5中进行冷却，直到所述工质被完全冷凝为液态。
[0029]请参图1所示，在本发明图示的第一实施方式中，所述朗肯循环系统100还包括能够将所述热交换装置3的出口的工质重新回到所述热交换装置3的再蒸发管路7。所述朗肯循环系统100设有安装在所述热交换装置3的出口的压力传感器71、温度传感器72以及位于所述压力传感器71与所述温度传感器72下游的第二三通阀73。所述第二三通阀73包括与所述热交换装置3的出口相连的第二入口 731、与所述能量转化装置4相连的第三出口 732以及与所述再蒸发管路7相连的第四出口 733。
[0030]通过所述压力传感器71与所述温度传感器72的读数能够得出所述热交换装置3的出口的工质状态。如果所述工质状态为未完全蒸发的非气态(例如气液两相)，则关闭所述第二三通阀73的第三出口 732，不将所述工质通入所述能量转化装置4，以免损坏所述能量转化装置4。同时，打开所述第二三通阀73的第四出口 733，通过所述再蒸发管路7将所述工质重新回到所述热交换装置3中进行蒸