一种应用排气管进行余热回收的装置及其控制方法与流程

本发明涉及汽车技术，尤其涉及车辆发动机尾气余热回收的技术，具体涉及一种应用排气管进行余热回收的装置及其控制方法。

背景技术：

在柴油机能量分配中，在中高转速发动机制动效率约为40％，而约60％的能量通过排气、辐射和冷却形式损失，其中排气带走的能量占比约为30％。通过技术手段实现对发动机排气余热回收利用，可以显著提高发动机效率，降低发动机油耗。

柴油机后处理转化效率对排温要求较高，在发动机冷启动或者小负荷工况下，发动机排温低，后处理转化效率低，排放差，随着排放越来越严苛，柴油机越来越重视排温热管理。

现有技术存在以下的缺点：

1、现有发动机使用单层排气管，大负荷时排气管的高温对临近部件的影响较大，对于进排气同侧发动机尤其严重，多加装排气管隔热罩进行防护；

2、现有发动机使用单层排气管，没有保温绝热作用，启动阶段和排温较低的工况，部分排气能量通过排气管散失，排气温度降低，不利于后处理效率提高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明设计了一种应用排气管进行余热回收的装置及其控制方法，本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种应用排气管进行余热回收的装置，所述装置包括：

双层结构的排气管，其包括：排气管废气通道和排气管工质通道，其中，

排气管废气通道与发动机本体相连，用于将所述发动机本体排出的废气排出，在所述排气管废气通道的壁上设置有排气温度压力传感器，用于检测排气的温度和压力，

排气管工质通道设置在所述排气管废气通道外侧，内部充有工质；

第一二位单通电磁阀、第二二位单通电磁阀、第三二位单通电磁阀和第四二位单通电磁阀，其均与所述排气管工质通道连接，并由控制单元控制其通断；

第一工质泵和第二工质泵，其均与所述排气管工质通道相连，第一工质泵用于朗肯循环对排气管工质通道中的工质加压，第二工质泵用于低排温时将排气管工质通道内工质抽出，使排气管工质通道内充满静态空气；

工质传感器，其设置于所述排气管工质通道之后，用于检测工质状态；

三通电磁阀和冷凝器，排气管工质通道经由该三通电磁阀与膨胀机相连，三通电磁阀用于控制工质是否通过通路进入冷凝器，当工质状态满足要求时，三通电磁阀不加电，工质进入膨胀机做功后进入冷凝器，经所述冷凝器冷凝后的工质进入储液罐，所述储液罐上设置有储液罐放气电磁阀和储液罐压力传感器；

空气滤清器，其与排气管工质通道连接，实现进入排气管工质通道的空气清洁。

其中，所述排气管废气通道上设置涡轮增压器以用于对发动机进气进行增压，涡后排气管用于将废气排出，所述涡后排气管连接有后处理装置对废气进行后处理。

一种排气管余热回收的控制方法，该控制方法是使用上述的应用排气管进行余热回收的装置来执行的，该控制方法包括：

在高速大负荷工况，双层结构的排气管中充满有机工质，排气管工质通道做为朗肯循环的蒸发器，排气管工质通道内的工质吸收废气中的热量，变成过热蒸汽，并通过所述膨胀机做功，进行能量回收；

在启动阶段和排温低的小负荷工况，双层结构的排气管中充满静态空气，对发动机排气进行绝热保温。

所述的控制方法，具体实现过程如下：

在高速大负荷工况，当所述发动机排气温度达到要求温度时，所述控制单元控制所述第一二位单通电磁阀、所述第四二位单通电磁阀接通，并根据所述工质传感器反馈的工质状态控制所述第一工质泵转速使进入工质通道的工质压力满足要求，同时，当所述工质传感器检测到工质状态不满足要求时，所述三通电磁阀加电工质通过通路进入所述冷凝器，当工质状态满足要求时，所述三通电磁阀不加电，工质进入膨胀机做功后进入所述冷凝器，冷凝后的工质进入所述储液罐，后通过所述第一工质泵加压，完成一个朗肯循环；

在冷启动或者小负荷工况，当所述发动机排气温度低于要求温度时，所述控制单元控制所述第一工质泵停止运转，控制所述第一二位单通电磁阀、所述第四二位单通电磁阀关闭，控制所述第二二位单通电磁阀、所述第三二位单通电磁阀接通，控制所述第二工质泵运转，将所述排气管工质通道内工质抽出，经过所述冷凝器冷凝后进入所述储液罐，同时空气经过所述空气滤清器、所述第二二位单通电磁阀进入所述排气管工质通道，通过所述工质传感器检测排气管工质通道内工质是否已排净，当所述排气管工质通道内工质排净后，所述控制单元控制所述第二二位单通电磁阀、所述第三二位单通电磁阀关闭，控制第二工质泵停止运转，使排气管工质通道内充满静态空气。

特别地，当所述储液罐的压力大于等于要求压力时，对所述储液罐放气电磁阀加电，实现所述储液罐放气，当所述储液罐的压力小于要求压力时，根据发动机运转情况，确定继续进行余热回收还是结束余热回收。

本发明的优点在于：

1、排气管采用双层排气管结构，通过控制可以实现余热回收与绝热保温作用；

2、在启动阶段和排温低的小负荷工况，通过控制双层排气管的工质通道内充满静态空气，排气管具有绝热作用，减少废气能量传递损失，对发动机排气进行绝热保温，有利于后处理效率提升；

3、高速大负荷工况，排气管工质通道充满工质，做为朗肯循环蒸发器，进行余热回收，提高发动机效率；

4、排气管工质通道做为朗肯循环蒸发器，解决了传统朗肯循环蒸发器布置难题，便于朗肯循环系统布置；

5、排气管工质通道做为朗肯循环蒸发器，内部排温高，有利于提高朗肯循环效率；

6、高速大负荷工况，排气管工质通道充满工质，使排气管表面温度降低，减少高温对相邻部件的影响，同时可以取消排气管隔热罩。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明实施方式的余热回收装置系统结构示意图。

图2示出了根据本发明实施方式的余热回收装置的控制方法流程示意图。

其中，1发动机本体、2排气管废气通道、3排气温度压力传感器、4涡轮增压器、5涡后排气管、6后处理装置、7第一二位单通电磁阀、8第二二位单通电磁阀、9空气滤清器、10排气管工质通道、11第一工质泵、12储液罐、13储液罐放气电磁阀、14储液罐压力传感器、15冷凝器、16控制单元、17膨胀机、18三通电磁阀、19第二工质泵、20第三二位单通电磁阀、21第四二位单通电磁阀、22工质传感器

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的系统结构示意图如图1所示。本发明系统中，发动机排气管应用双层结构并与朗肯循环系统结合，发动机运行过程中，通过控制器控制，该系统既能实现余热回收又能实现排温热管理。在高速大负荷工况，双层排气管中充满有机工质，排气管工质通道做为朗肯循环的蒸发器，工质在工质通道内吸收废气中热量，变成过热蒸汽，并通过膨胀机做功，进行能量回收；在启动阶段和排温低的小负荷工况，通过控制双层排气管的工质通道内充满静态空气，排气管具有绝热作用，减少废气能量传递损失，对发动机排气进行绝热保温。

该余热回收装置包括：

双层结构的排气管，其包括：排气管废气通道2和排气管工质通道10，

排气管废气通道2与发动机本体1相连，用于将所述发动机本体1排出的废气排出，在所述排气管废气通道2的壁上设置有排气温度压力传感器3用于检测排气的温度和压力；

排气管工质通道10设置在所述排气管废气通道2外侧，内部充有工质；

第一二位单通电磁阀7、第二二位单通电磁阀8、第三二位单通电磁阀20和第四二位单通电磁阀21与排气管工质通道10连接，并由控制单元16控制其通断；

两个工质泵，第一工质泵11和第二工质泵19，其均和所述排气管工质通道10相连，第一工质泵11用于朗肯循环对排气管工质通道中的工质加压，第二工质泵19用于低排温时将排气管工质通道内工质抽出，使工质通道内充满静态空气；

工质传感器22设置于所述排气管工质通道10之后，用于检测工质状态；

三通电磁阀18和冷凝器15，排气管工质通道10经由该三通电磁阀18与膨胀机17相连，三通电磁阀18用于控制工质是否通过通路进入冷凝器15，当工质状态满足要求时，三通电磁阀18不加电，工质进入膨胀机17做功后进入冷凝器15，经所述冷凝器15冷凝后的工质进入储液罐12，所述储液罐12上设置有储液罐放气电磁阀13和储液罐压力传感器14；

空气滤清器9，与排气管工质通道连接，实现进入排气管工质通道的空气清洁。

其中，所述排气管废气通道2上设置涡轮增压器4用于发动机进气进行增压，涡后排气管5用于将废气排出，所述涡后排气管5连接有后处理装置6对废气进行后处理。

上述应用排气管进行余热回收的装置采用以下控制方法对其进行控制并执行余热回收：

在高速大负荷工况，通过排气温度压力传感器3检测发动机排温达到要求时，控制单元16控制第一二位单通电磁阀7、第四二位单通电磁阀接通，并根据工质传感器22反馈的工质状态控制第一工质泵11转速使进入工质通道的工质压力满足要求。同时为了防止在朗肯循环启动阶段，工质蒸发不完全进入膨胀机，使膨胀机损坏，系统设置三通电磁阀18，当工质传感器22检测到工质状态不满足要求时，三通电磁阀18加电工质通过旁通通路进入冷凝器15，当工质状态满足要求时，三通电磁阀不加电，工质进入膨胀机做功后进入冷凝器15，冷凝后的工质进入储液罐12，后通过第一工质泵11加压，完成一个朗肯循环。

在冷启动或者小负荷工况，当发动机排气温度低于要求温度时，控制单元16控制第一工质泵11停止运转，控制第一二位单通电磁阀7、第四二位单通电磁阀21关闭，控制第二二位单通电磁阀8、第三二位单通电磁阀20接通，控制第二工质泵运转，将排气管工质通道内工质抽出，经过冷凝器15冷凝后进入储液罐12，同时空气经过空气滤清器9、第二二位单通电磁阀进入排气管工质通道。通过工质传感器22检测排气管工质通道内工质是否已排净，当工质通道内工质排净后，控制单元16控制第二二位单通电磁阀8、第三二位单通电磁阀20关闭，控制第二工质泵停止运转。排气管工质通道内充满静态空气，起到绝热保温的作用，有利于提高排气温度，提高后处理效率，改善排放。

上述控制方法的实现流程如图2所示。

本申请涉及的余热回收装置(系统)的整体发明构思的关键点：

1、排气管采用双层结构；

2、双层排气管与朗肯循环结合，既可以实现余热回收又可以对排气进行绝热保温；

3、系统设置第一、第二、第三、第四二位单通电磁阀，通过控制不同电磁阀通断实现不同功能；

4、系统设置有空气滤清器9，保证在低排温时，进入排气管工质通道的空气清洁；

5、系统设置两个工质泵，第一工质泵用于正常朗肯循环对工质加压，第二工质泵用于低排温时将排气管工质通道内工质抽出，使工质通道内充满静态空气；

6、系统设置有三通电磁阀18，根据工质蒸发后的状态，实现工质的旁通与做功，有利于保护膨胀机；

7、储液罐上设置有压力传感器与放气电磁阀，可以实时监测其中压力，保证系统安全。

此外，说明书实施例中的排气管为涡前排气歧管，其并非作为具体限定，该余热回收装置可以应用于整个排气管。

另外，在本发明中，空气通过滤清器进入排气管工质通道，起到绝热作用。还可以应用其他气体，如氮气、氩气等惰性气体。

为了达到控制目的，可以根据不同传感器特性，在不同位置加装不同传感器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。