专利名称：基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制系统及方法，主要用于回收发动机排气余热，属于节能减排领域。
背景技术：
相关研究表明，发动机转变为有效功的热当量占燃料燃烧发热量的30% 45% (柴油机)或20% 30% (汽油机)。以废热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55% 70% (柴油机)或70% 80% (汽油机)。汽车燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右被有效利用，大部分的能量损失则通过发动机的冷却水散热和高温尾气排热。发动机余热回收技术的开发和应用在国内尚处于起步阶段。随着能源供应日益紧张，节能、降耗、提高能源利用率，越来越引起人们的重视，发动机余热的回收是必然趋势。目前，国内外利用发动机排气余热发电技术主要有半导体温差发电、蒸汽动力发电和废气涡轮发电三种，半导体温差发电的装置具有结构简单、体积小、重量轻、无运动部件、无噪声、安全可靠、寿命长等特点，是一种非常理想的能量转换方式。但由于热电转换效率低，只能利用发动机排气余热的一小部分，有待于进一步提高热电转换效率和寻找具有更高热电转换效率的材料。蒸汽动力发电装置在利用低品位热能方面有优势，但此系统的缺陷是较为复杂笨重且无工质回收装置。废气涡轮发电装置结构简单，易于安装，但会对发动机工作性能产生影响，需要进一步研究。从上述分析可以看出，应采用一种结构合理、操纵简单、余热回收效果明显并且造价成本低的系统对发动机排气余热进行回收，但此方面的研究还处于初步研究阶段，当前的型式都没有考虑如何合理控制一个完整系统，包括发动机循环、有机朗肯循环、冷却水循环及润滑油循环的工作过程。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制系统及方法。该系统主要由发动机循环、有机朗肯循环、冷却水循环和润滑油循环四种循环相耦合的方式组成了一个余热回收系统，发动机在不同工况下运转时，通过合理的控制系统的四个循环，使系统能够实现启动方便、运行平稳、停机迅速，当系统出现故障时，使系统能够紧急制动。为了实现上述目标，本发明采用如下措施本发明的基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制系统，包括发动机循环、 有机朗肯循环、冷却水循环及润滑油循环共四个循环。上述用于回收发动机排气余热的发动机循环包含的部件有由增压器、发动机中冷器、发动机、涡轮器、蒸发器通过连接管路组成，发动机散热器和发动机测功机安装在发动机上。第一排气温度传感器安装在蒸发器尾气侧进口，第二排气温度传感器安装在蒸发器尾气侧出口。上述用于回收发动机排气余热的有机朗肯循环包含的部件有蒸发器、气液分离器、单螺杆膨胀机、润滑油分离器、冷凝器、储液罐、工质过滤器、工质流量计、工质泵通过连接管路组成闭合回路，单螺杆膨胀机测功机连接在单螺杆膨胀机上，第一阀门安装在气液分离器和单螺杆膨胀机之间，第二阀门安装在冷凝器工质侧的进口，真空泵安装在冷凝器和润滑油分离器之间，第三阀门安装在真空泵的进口处。第一工质温压传感器安装在蒸发器工质侧的入口，第二工质温压传感器安装在单螺杆膨胀机的进口，第三工质温压传感器安装在冷凝器的入口，第四工质温压传感器安装在冷凝器工质侧的出口。上述用于回收发动机排气余热的冷却水循环包含的部件有单螺杆膨胀机测功机、冷凝器、水泵、冷却塔通过连接管路组成，其中冷凝器和单螺杆膨胀机测功机并联连接。 第四阀门安装在水泵和冷却塔之间。上述用于回收发动机排气余热的润滑油循环包含的部件有单螺杆膨胀机、油泵、 储油槽、润滑油过滤器、润滑油分离器通过连接管路组成闭合回路。冷却风扇安装在储油槽上，润滑油温度传感器安装在储油槽的出口。本发明的基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制方法，包括系统的启动、 运行、停机过程，当其出现故障时，能够实现紧急制动。所述的系统启动过程为，首先启动有机朗肯循环，第一阀门和第二阀门保持开启，打开真空泵对其进行抽真空处理，操作完毕后，关闭阀门。然后从储液罐向此循环中充氮气，操作完毕后，从储液罐处向有机朗肯循环中加注工质R245fa。打开工质泵，工质经工质过滤器、工质流量计、工质泵、蒸发器工质侧、 气液分离器主口，气液分离器液态口，通过管路回到储液罐。然后启动冷却水循环，打开第四阀门向循环中进行补水，完成后关闭阀门。启动水泵，冷却水经冷却塔和水泵，一部分冷却水进入冷凝器冷却水侧，另一部分冷却水进入单螺杆膨胀机测功机，最后都回到冷却塔。 启动发动机循环，打开发动机，空气经压气机、发动机中冷器、发动机和涡轮器，最终排到大气中。启动润滑油循环，打开油泵，润滑油经储油槽、油泵、单螺杆膨胀机、润滑油分离器、润滑油过滤器，最后回到储油槽。启动后系统开始运行，工质经储液罐、工质经工质过滤器、工质流量计、工质泵、在蒸发器中和排气进行换热，然后工质从气液分离器主口进入气液分离器，一部分液态工质经气液分离器液态口回到储液罐，另一部分气态工质经气液分离器气态口进入单螺杆膨胀机，在膨胀机中和润滑油混合，工质和润滑油的混合物从单螺杆膨胀机出来后，进入润滑油分离器，被分离出来的工质进入冷凝器工质侧，最终回到储液罐。被润滑油分离器分离出来的润滑油，经润滑油过滤器，回到储油槽中，然后通过工质泵再一次被喷到单螺杆膨胀机中。其中通过润滑油温度传感器监测润滑油温度，当油温大于或等于这个温度时系统将报警，这时将冷却风扇打开，冷却风扇将润滑油冷却至工作温度，关闭冷却风扇。冷却水经水泵，一部分冷却水进入冷凝器和工质进行换热，另一部分冷却水进入单螺杆膨胀机测功机， 最后都回到冷却塔。其中水泵为变频泵，通过控制水泵调节冷却水的流量，进而控制冷凝器的冷却强度。试验完毕后停机，首先停止发动机循环，即停止发动机的运转。在停止有机朗肯循环，即关闭工质泵。然后停止润滑油循环，即关闭油泵。最后停止冷却水循环，即关闭水泵。当系统出现故障时，需进行紧急制动操作，首先关闭第一阀门和第二阀门，然后进行停机操作。本发明与现有技术相比，具有以下优点
1、综合考虑了发动机循环、有机朗肯循环、冷却水循环及润滑油循环共四个循环的工作顺序对整个余热回收系统的影响，使其能够更加合理的工作，且不影响发动机的工作性能。2、根据发动机在不同工况下运转，通过合理的控制，使此系统能够实现启动方便、 运行平稳、停机迅速，当系统出现故障时，使其能够实现紧急制动。减小了系统中各部件出现故障的可能性，进一步延长了主要部件的使用寿命。3、该系统回收了大量排气余热，充分减小了排气余热的热污染，提高了城市环境的舒适性。
图1为基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制系统示意中1-增压器；2-发动机中冷器；3-发动机；4-涡轮器；5-发动机散热器；6-发动机测功机；7-蒸发器；8-气液分离器；9-单螺杆膨胀机；10-单螺杆膨胀机测功机；11-真空泵；12-冷凝器；13-储液罐；14-工质过滤器；15-工质质量流量计；16-工质泵；17-油泵；18-储油槽； 19-冷却风扇；20-润滑油过滤器；21-润滑油分离器；22-水泵；23-冷却塔；24-第一排气温度传感器；25-第二排气温度传感器；26-第一工质温压传感器；27-第二工质温压传感器；28-第三工质温压传感器；29-第四工质温压传感器；30-润滑油温度传感器；31-第一阀门；32-第二阀门；33-第三阀门；34-第四阀门。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。本发明基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制系统，其连接图如图1所示，包括发动机循环、有机朗肯循环、冷却水循环及润滑油循环共四个循环。并详述了系统在启动、运行、停机，当系统出现故障时，使其能够紧急制动的操作过程。首先启动有机朗肯循环，先用真空泵11对整个系统进行抽真空处理，以保证工质不会向环境中泄漏，完成后关闭第三阀门33。然后从储液罐13向系统中充氮气，一方面排空系统中的空气，因为空气中有水蒸气，当遇到制冷剂时，系统管道内壁将出现结霜，从而增加了系统的沿程阻力损失。一方面，当系统中充满氮气后，对系统的各部件及管路接口处进行检漏。完成上述操作后，从储液罐13向有机朗肯循环中加注工质R245fa，当加到设计好的工质质量，则停止加注工质。然后打开工质泵16，工质经储液罐13、工质过滤器14、工质流量计15、工质泵16、蒸发器7工质侧、气液分离器8主口，气液分离器8液态口，通过管路回到储液罐13。此过程应正常工作10分钟，以保证蒸发器中工质侧充满工质，防止蒸发器被高温排气损坏。然后启动冷却水循环，首先启动冷却塔，从第四阀门34处对系统进行补水，完成上述操作后关闭阀门，打开水泵22，一部分冷却水进入冷凝器12冷却水侧，另一部分进入单螺杆膨胀机测功机10，最后都回到冷却塔23，在进行下一次循环。在冬季进行试验时，由于环境温度较低，试验完成后将冷却水从第四阀门34处排出，以免冻裂管路。其中水泵22 为变频泵，通过调节冷却水的流量，进而控制冷凝器的冷却强度。使冷却水循环也正常工作 10分钟。
在启动润滑油循环，首先向储油槽18中加注润滑油，然后启动油泵17，润滑油经油泵17被喷到单螺杆膨胀机9中，然后工质和润滑油的混合物进入润滑油分离器21，被分离出来的润滑油经润滑油过滤器20回到储油槽18，重新进行下一次循环。把润滑油温度设定为某个目标值，当油温大于或等于这个温度时系统将报警，这时将冷却风扇19打开，冷却风扇将润滑油冷却至工作温度，关闭冷却风扇19。最后启动发动机循环，根据试验需要，首先启动发动机，将其调节到设定的工况点，空气进入增压器1，增压后的空气经发动机中冷器2进入发动机3，燃油与空气混合后在气缸中燃烧，排气经排气管、涡轮机4，然后进入蒸发器7的尾气侧和工质进行换热，最后排到环境中。蒸发器7尾气侧入口处安装第一排气温度传感器M的目的在于，时时监测此处排气温度，使其不超过工质R245fa的分解温度，当超过此温度时工质将处在不稳定的状态，可能会变性，系统的性能恶化，甚至无法工作，损坏设备仪器。蒸发器7尾气侧出口处安装第二排气温度传感器25的目的在于，时时监测此处排气温度，不能使其降低到酸露点以下，当低于此温度时，排气就会产生结露现象，出现酸露。这不仅会使传热面出现黏结积灰现象，增大传热热阻，还将发生严重的腐蚀。当系统运行时，工质在蒸发器7中和排气进行换热，然后工质从气液分离器8主口进入气液分离器8，一部分液态工质经气液分离器8液态口回到储液罐13，另一部分气态工质经气液分离器8气态口进入单螺杆膨胀机9，在膨胀机中膨胀做功，并由单螺杆膨胀机测功机10测出其输出功，工质和润滑油的混合物进入润滑油过滤器20，被分离出来的工质进入冷凝器12和冷却水进行换热，把工质冷却成液态，液态工质最终回到储液罐13。最后液态工质经工质过滤器14重新回到工质泵16，进行下一次循环。数据显示稳定后，即数据的上下浮动为5 %，开始记录数据。当试验完毕后，进行停机操作，先关闭发动机3，然后依次停止有机朗肯循环即关闭工质泵16，润滑油循环即关闭润滑油泵17，冷却水循环即关闭水泵22，这样操作的目的是防止系统中部件的损坏。当单螺杆膨胀机出现故障时，先关闭第一阀门31和第二阀门32，然后完成停机操作。
权利要求
1.基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制系统，包括发动机循环、有机朗肯循环、冷却水循环和润滑油循环共四个循环；其特征在于所述的发动机循环，由增压器(1)、 发动机中冷器O)、发动机(3)、涡轮器G)、蒸发器(7)通过管路连接组成，发动机散热器 (5)和发动机测功机(6)安装在发动机上；第一排气温度传感器04)安装在蒸发器尾气侧进口，第二排气温度传感器0 安装在蒸发器尾气侧出口 ；所述的有机朗肯循环，由蒸发器(7)、气液分离器(8)、单螺杆膨胀机(9)、润滑油分离器(21)、冷凝器(12)、储液罐(13)、工质过滤器(14)、工质流量计(15)、工质泵(16)通过管路连接组成闭合回路，单螺杆膨胀机测功机(10)连接在单螺杆膨胀机(9)上，第一阀门 (31)安装在气液分离器(8)和单螺杆膨胀机(9)之间，第二阀门(32)安装在冷凝器(12) 工质侧的进口，真空泵(11)安装在冷凝器(12)和润滑油分离器之间，第三阀门(33) 安装在真空泵(11)的进口处；第一工质温压传感器06)安装在蒸发器(7)工质侧的入口， 第二工质温压传感器(XT)安装在单螺杆膨胀机(9)的进口，第三工质温压传感器08)安装在冷凝器(1 工质侧的入口，第四工质温压传感器09)安装在冷凝器(1 工质侧的出 Π ；所述的冷却水循环，由单螺杆膨胀机测功机(10)、冷凝器(1 、水泵0 、冷却塔03) 通过管路连接组成闭合回路，其中水泵0 为变频泵，冷凝器(1 和单螺杆膨胀机测功机 (10)并联连接，第四阀门(34)安装在水泵(22)和冷却塔(23)之间；所述的润滑油循环，由单螺杆膨胀机(9)、油泵(17)、储油槽(18)、润滑油过滤器OO)、 润滑油分离器通过管路连接组成闭合回路；冷却风扇(19)安装在储油槽(18)上，润滑油温度传感器(30)安装在储油槽(18)的出口。
2.应用权利要求1所述的基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制系统的方法， 其特征在于包括系统的启动、运行、停机过程，当其出现故障时，能够实现紧急制动；所述的系统启动过程为，首先启动有机朗肯循环，第一阀门(31)和第二阀门(32)保持开启，打开真空泵(11)对其进行抽真空处理，操作完毕后，关闭第三阀门(33)；然后从储液罐(13) 向此循环中充氮气，操作完毕后，从储液罐(1 处向有机朗肯循环中加注工质R245fa;然后打开工质泵(16)，工质经储液罐(13)、工质过滤器(14)、工质流量计(15)、工质泵(16)、 蒸发器(7)工质侧、气液分离器(8)主口，气液分离器(8)液态口，通过管路回到储液罐 (13)；然后启动冷却水循环，打开第四阀门(34)向循环中进行补水，完成后关闭第四阀门 (34)；打开水泵(22)，冷却水经冷却塔和水泵(22)，一部分冷却水进入冷凝器(12)冷却水侧，另一部分冷却水进入单螺杆膨胀机测功机(10)，最后都回到冷却塔；启动发动机循环，打开发动机(3)，空气经压气机(1)、发动机中冷器O)、发动机(3)、涡轮器(4) 和蒸发器(7)排气侧，最终排到大气中；启动润滑油循环，打开油泵(17)，润滑油经储油槽 (18)、油泵(17)、单螺杆膨胀机(9)、润滑油分离器、润滑油过滤器(20)，最后回到储油槽(18)；启动后系统开始运行，工质经储液罐(13)、工质过滤器(14)、工质流量计(15)、工质泵 (16)、在蒸发器(7)中和排气进行换热，然后工质从气液分离器(8)主口进入气液分离器 (8)，一部分液态工质经气液分离器(8)液态口回到储液罐(13)，另一部分气态工质经气液分离器(8)气态口进入单螺杆膨胀机(9)推动膨胀机做功，工质和润滑油的混合物从单螺杆膨胀机(9)出来后，进入润滑油分离器(21)，被分离出来的工质进入冷凝器(1 工质侧，最终回到储液罐(13)；被润滑油分离器分离出来的润滑油，经润滑油过滤器OO)回到储油槽(18)中，然后通过油泵(17)再一次被喷到单螺杆膨胀机(9)中；其中通过润滑油温度传感器(30)监测润滑油温度，当油温大于或等于这个温度时系统将报警，这时将冷却风扇(19)打开，冷却风扇将润滑油冷却至工作温度，关闭冷却风扇(19)；冷却水经水泵 (22)，一部分冷却水进入冷凝器(1 和工质进行换热，另一部分冷却水进入单螺杆膨胀机测功机(10)，最后回到冷却塔；其中水泵0 为变频泵，通过控制水泵0 调节冷却水的流量，进而控制冷凝器的冷却强度；试验完毕后停机，首先停止发动机循环，即停止发动机(3)的运转；在停止有机朗肯循环，即关闭工质泵(16)；然后停止润滑油循环，即关闭油泵(17)；最后停止冷却水循环，即关闭水泵02)；当系统出现故障时，需进行紧急制动操作，首先关闭第一阀门(31)和第二阀门(32)， 然后进行停机操作。
全文摘要
基于有机朗肯循环的发动机排气余热回收控制系统及方法属于节能减排领域。主要由发动机循环、有机朗肯循环、冷却水循环和润滑油循环四个循环相耦合的方式组成了一个余热回收系统，根据发动机在不同工况下运转，通过合理的控制，使此系统能够实现启动方便、运行平稳、停机迅速，当系统出现故障时，使其能够实现紧急制动。在不影响发动机正常工作的情况下，最终实现系统的性能达到最优，并使发动机排气余热的利用率大幅度提高，从而改善了发动机排气对环境的热污染。
文档编号F01P3/20GK102410054SQ20111031841
公开日2012年4月11日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者刘彬, 姚宝峰, 张健, 张红光, 杨凯, 陈研 申请人:北京工业大学