一种高效发动机余热回收换热系统和方法与流程

本发明涉及一种高效发动机余热回收换热系统和方法，是一种汽车发动机排气系统的辅助装置和方法，是一种环保设施和方法。

背景技术：

传统的余热回收循环即“whr”技术，是一种将发动机尾气中余热回收做功或发电的技术。其可以减少尾气污染物排放量（与发动机再循环系统（egr）类似），同时回收发动机余热做功或发电，提高发动机热效率，使机动车行驶过程中更加的节油。由于，余热回收过程中需要通过蒸发器进行废气与换热工质的热交换，同时将工质加热至特定的过热蒸汽，因此蒸发器的热效率也直接联系着整个循环的余热回收效率。

目前机动车蒸发换热系统均是采用单一热源进行热交换，其输入端单一，蒸发器换热量低，系统热效率低。限于机动车现有的功能结构，以及承载限制，whr系统其空间布置以及系统重量也受到了极大的限制。whr系统的小型化、集成化以及高效化是一个需要解决的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种发动机余热回收换热系统和方法。所述的系统和方法通过在冷凝腔中设置不同的热气通道，将不同尾气集中进行热交换，并利用有机朗肯循环推动涡轮机做功，提高了发动机的热效率。

本发明的目的是这样实现的：一种高效发动机余热回收换热系统，包括：一个设有两个相互隔绝的废气流动通道的能够对egr尾气和scr尾气热量集中回收的蒸发器，所述蒸发器设有两个热源入口，通过阀组与发动机的排气管和scr的输出管管道连接，所述的蒸发器设有两个废气排出口，一个废气排出口与发动机的进气管管道连接，另一个废气排出口连接大气，所述的蒸发器工质输入端依次与工质泵、膨胀水箱、冷凝器、透平机、所述蒸发器的工质收集端管道连接。

进一步的，所述的蒸发器的扩散腔分割为两个相互独立的扩散腔室；所述的收集腔也同样分割为两个相互独立的收集腔室；所述的两个独立的扩散腔室和两个独立的收集腔室分别连接相互独立的换热管组形成egr尾气和scr尾气的两个独立尾气流动通道，所述的两组相互独立的换热管组设置在同一个蒸发腔中。

进一步的，所述蒸发器的工质收集端管道连接一旁通阀，所述的旁通阀的两个输出端分别与透平机输入端和冷凝器输入端管道连接。

进一步的，所述的蒸发器是管翅式蒸发器、板翅式蒸发器、板式蒸发器中的一种。

进一步的，所述的冷凝器是风冷型冷凝器或液冷型冷凝器。

进一步的，所述阀组是一个多阀瓣单体阀，所述的多阀瓣单体阀是设有两片独立的阀瓣并设有两个独立通道的四通阀，其中一个阀瓣控制egr尾气流动通道，另一个阀瓣控制scr尾气流动通道。

进一步的，所述的阀组是两个单片阀瓣的两通阀，其中一个两通阀控制egr尾气通道，另一个双两通阀控制scr尾气通道。

进一步的，所述的发动机排气管与scr连接的管道上设有涡轮增压器。

进一步的，所述的透平机输出轴与发电机连接。

一种使用上述回收换热系统的发动机余热回收换热方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，发动机排气：发动机排出的废气分为两支，一支egr尾气，一支排放废气；以下步骤2和步骤3两步骤平行进行；

步骤2，再循环：egr尾气经过阀组进入蒸发器热端的egr尾气流动通道，经换热管组与工质进行热交换，之后将降低温度后的egr尾气回收至发动机进气管，进入发动机再次燃烧；

步骤3，排放：排放废气先进入涡轮增压器的涡轮，推动涡轮转动，为进入发动机进气管的空气增压；经过涡轮增压器的排放废气通过scr进行净化，再经过阀组进入蒸发器的scr尾气流动通道，经由换热管组与工质进行热交换，之后将降低温度后的scr尾气直接或间接排入大气；

以下4-8步骤循环运行：

步骤4，蒸发：再循环废气和排放废气分别在热气换热管组和排气换热管组中与工质热交换，使工质气化蒸发为过热蒸汽，所蒸发的汽化工质在工质收集端收集后输送至透平机；

步骤5，做功：所述的过热蒸汽进入透平机做功，推动透平机涡轮旋转，透平机做功；当过热蒸汽不足以做功时，则开启旁通阀，使过热蒸汽直接回收至冷凝器；

步骤6，回收：经过做功后的乏汽化工质由透平机排出，回收至冷凝器；

步骤7，冷凝：乏汽化工质在冷凝器中与冷却介质进行热交换，凝结为液体工质；

步骤8，膨胀压缩：液体工质进入作为缓冲的膨胀水箱储存，再由工质泵压缩进入蒸发器再次进行蒸发。

本发明的优点和有益效果是：本发明将egr尾气与scr尾气在同一蒸发器内进行热交换，结构更加紧凑，提升了蒸发器热效率。利用介质由液体变为气体的相变过程吸收发动机废气中的热量推动涡轮机进而带动发电机发电，充分利用发动机废气中的热量发电，达到节能减排的效果，是一种提高发动机热机效率的解决方案。

附图说明

图1是本发明实施例一、六所述的系统原理示意图；

图2是本发明实施例三、六所述系统的原理示意图；

图3是本发明实施例五所述的系统原理示意图；

图4是本发明实施例七、八、九所述的系统原理示意图；

图5是本发明实施例十所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种发动机余热回收换热系统，如图1所示。图1中单线箭头表示发动机废气的流动方向，双线箭头表示余热回收循环的工质流动方向。本实施例包括：一个设有两个相互隔绝的废气流动通道的能够对egr尾气和scr尾气热量集中回收的蒸发器3，所述蒸发器设有两个热源入口301、302，通过阀组2与发动机1的排气管101和scr8的输出管901管道连接，所述的蒸发器设有两个废气排出口303、304，一个废气排出口与发动机的进气管102管道连接，即从排气管进入蒸发器的废气充分换热后再次进入发动机进气管做egr循环，另一个废气排出口连接大气，即从scr输出管进入蒸发器的废气在蒸发器内充分换热后经一些废弃处理，例如柴油颗粒捕集器（dpf）等后处理装置排入大气，所述的蒸发器工质输入端305依次与工质泵4、膨胀水箱5、冷凝器6、透平机7、所述蒸发器的工质收集端306管道连接。

本实施例的基本思路是：基于有机朗肯循环原理，通过循环工质吸收发动机尾气、egr尾气中的废热，将其转变为过热蒸汽，推动透平机做功。将发电机轴与透平机轴连接，使透平机带动发电机发电，从而提高发动机热效率，实现节能减排的效果。

本实施例主要由两部分组成：发动机尾气系统及余热回收系统。

发动机尾气系统，包括将发动机尾气通过后处理模块将尾气排入大气的尾气排放系统，以及将部分发动机尾气回收至燃烧室与空气混合重复燃烧的废气再循环系统。余热回收系统，包括余热回收循环工质，通过在蒸发器中与废气进行热交换形成过热工质蒸汽，同时过热工质蒸汽推动膨胀机做工，膨胀机连接同轴发电机发电，工质经过冷凝器过冷，后进入膨胀水箱，随工质泵重新进入蒸发器回收废热。

上述两部分阀组结合在一起，阀组有两种结构形式，一个多阀瓣单体阀或两个单阀瓣多体阀。多阀瓣单体阀是设有两片阀瓣的四通道阀，其分别连接scr尾气流通管道，scr尾气旁通管道，egr尾气流通管道以及egr旁通管道；第一阀瓣控制egr尾气流通管道以及egr尾气旁通管路，第二阀瓣控制scr尾气输入管路以及scr尾气旁通管路。两个单阀瓣多体阀是两个含有单片阀瓣的双通道阀。第一阀体的两个管道分别连接egr尾气流通管道以及egr旁通管道，其阀瓣控制egr尾气流通管道以及egr尾气旁通管路。第二阀体的两个管道分别连接scr尾气流通管道以及scr尾气旁通管路，其阀瓣控制scr尾气输入管路以及scr尾气旁通管路。

由于多热源集中在一个蒸发器换热，蒸发器的结构也需要改造，即将蒸发器的扩散段和收集段分别分割为两个部分，换热管组也分割为两个部分，也就是说将这个蒸发器的热端分为两个独立的通道，两个通道分别连接一个控制阀。发动机排出的废气也通过egr阀分为两个部分，一部分进入蒸发器的一个通道，废气在这个通道换热后，这部分废气回到发动机进气端，作为废气再循环。发动机排出废气的另一部分进入涡轮增加器和scr装置之后在经过第二个阀（或多阀瓣结构中的scr尾气管路）再进入蒸发器出另一个通道，在蒸发器的另一个通道换热后经其他后处理设备排入大气。

本实施例关键部件是蒸发器。蒸发器的大体结构与换热器类似，同样具有流动热空气的热端和流动冷却液（气）的冷端，也是一种利用换热管进行热交换的器件，只是蒸发器增加了热端收集设施，专门用于收集汽化后的工质。冷却工质在蒸发器中会发生相变，从输入端的液态在蒸发器中相变为气态。相对于换热器，由于工质不同的关系，蒸发器的效率更高，所吸收的热能能够得到更加充分的利用。

本实施例中的蒸发器的一个明显特点是设有两个相互隔绝的热气通道，分别通过egr尾气和scr尾气。这两股尾气其源头都是发动机排气管，由于经过了不同的路径，压力、温度以及气体组成（scr去掉了氮氧化物）发生差异，如果混合在一起，就会发生相互干扰，难以形成正常的循环。因此，本实施例将这两股气体隔绝，在蒸发器中分别设置两个通道，避免了两股尾气之间的干扰。

由于发动机的工作环境十分恶劣，所承受的载荷变化很大，所以发动机也被要求有十分宽泛承载能力，如转速和扭矩的变化范围均要求较大，这就使发动机排出的废气中的能量变化也很大。不可能将所有转速下的发动机废气都利用，只能利用发动机在高速运转时的废气，因此，在通常情况下，再循环冷却系统都设有egr阀。egr阀在发动机低速运转时开启，将发动机排出的废气直接排出，而在发动机高速运转时将排出的废气再循环。

本实施例中蒸发换热过程也同样适用使用egr的排放方式，即在低速是直排，高速时进行再循环和废气能量回收。

本实施例的阀体均设有旁通管路，对发动机排出的尾气分别处理，一部分通过egr阀送入蒸发器之后再循环，另一部分经过scr再送入蒸发器进行热交换，或者另一部分驱动涡轮增压器，再通过scr，再送入蒸发器进行热交换，以充分利用废气中的能量。

所述的旁通阀也可以是egr阀，即能够对排出的气体进行选择性的排放，或者进入蒸发器或者直接排出到大气中。

由于egr回路在部分低功率工况下仍需工作，而余热回收系统在此工况下无法运行（工质无法转换为过热蒸汽）。因此，在本实施例中，透平机工质入口以及蒸发器出口之间管路设有旁通阀及旁通管路，当whr系统工质未能达到工作状态时，旁通阀打开，系统工质通过旁通管路直接进入冷凝器。

为提高蒸发器的效率，可以使用各种换热管散热形式，如管翅式蒸发器，板翅式蒸发器，板式蒸发器等。

余热利用部分主要由透平机和冷凝器构成，还有作为缓冲储存工质的膨胀水箱和给工质加压的工质泵。

透平机是余热做功的主要设备。透平机由汽化的工质驱动，将热能转换为机械能，通过轴输出带动发电机产生电能或者通过轴输出带动其他机械装置做功，如散热风扇、水泵等。透平机可采用高效率的轴流式涡轮机或者离心式涡轮机等形式。

冷凝器则可以使用液体冷却或风冷等形式。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于蒸发器的细化。本实施例所述的蒸发器的扩散腔分割为两个相互独立的扩散腔室；所述的收集腔也同样分割为两个相互独立的收集腔室；所述的两个独立的扩散腔室和两个独立的收集腔室分别连接相互独立的换热管组形成egr尾气和scr尾气的两个独立尾气流动通道，所述的两组相互独立的换热管组设置在同一个蒸发腔中。

本实施例中egr尾气和scr尾气在蒸发器中通过两个相互隔绝的通道，在同一个蒸发腔中进行热交换，利用热交换将蒸发腔中的工质蒸发，输出至涡轮机中推动涡轮机做功。两个废气流在蒸发器内部封闭隔离，有自己的扩散器、换热管组和收集腔，形成一个完整的废气流通道，两个通道相互不干扰，两组换热管在一个蒸发腔中进行热交换，以提高热交换效率。蒸发器拥有两个进气口，两个出气口，一个工质入口，一个工质出口。该结构热量交换更加集中，减少工质在管路运输中的热量损失，提高了系统的换热效率。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于蒸发器工质收集端的细化。本实施例所述蒸发器的工质收集端管道连接一旁通阀9，所述的旁通阀的两个输出端分别与透平机的输入端701和冷凝器输入端601管道连接，如图2所示。

在一些情况下，例如，发动机怠速或低速运行时，蒸发器所产生的过热蒸汽不足以做功时，本实施例设置了旁通阀，将透平机旁路掉，使蒸发器产生的过热蒸汽直接送入冷凝器，以减少透平机的损耗。

旁通阀也可以设置在透平机的输出端与冷凝器输入端之间，旁通管则连接蒸发器输出端与旁通阀的入口。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于蒸发器的细化。本实施例所述的蒸发器是管翅式蒸发器、板翅式蒸发器、板式蒸发器中的一种。

常见的蒸发器包括：管翅式蒸发器，板翅式蒸发器，板式蒸发器等类型。其中管翅式蒸发器空间需求高，质量大，耐压性及气密性高。板式蒸发器，管壁薄，换热效率高，易拆洗，但其耐压抗腐蚀性较差，成本高。板翅式蒸发器，介于管翅式及板式蒸发器之间，可根据具体情况进行挑选。

本实施例可根据具体的应用环境对不同蒸发器结构进行选型，其后根据机动车egr率以及egr尾气与排气尾气的流量比，对传统蒸发器进行改进，即增加一对热气进、出口，分别将扩散腔和收集腔分割为两个互相隔离的部分，将换热管分为两组，分别连接不同部分的扩散腔和收集腔，形成两个独立的热气流动通道。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于冷凝器的细化。本实施例所述的冷凝器是风冷型冷凝器或液冷型冷凝器。

风冷型冷凝器依靠空气冷却，结构简单，维护方便，十分适应汽车的使用环境。液冷型冷凝器则需要液体循环系统，可以利用汽车发动机本身的冷却液循环系统。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于阀组的细化。本实施例所述阀组是一个多阀瓣单体阀，所述的多阀瓣单体阀是设有两片独立的阀瓣并设有两个独立通道的四通阀，其中一个阀瓣控制egr尾气流动通道，另一个阀瓣控制scr尾气流动通道。

本实施所述的多阀瓣单体阀是设有两片阀瓣的双通道阀，两片阀瓣各控制一个通道，两个通道是相互隔绝的，通过的两股气体之间互不干扰，只是经过一个阀体，由不同的阀瓣控制流动。发动机排气管分支为两路管道，第一路管道与多阀瓣单体阀第一路通道1011连接，第二路管道经过scr与多阀瓣单体阀的第二路通道1012连接。多阀瓣单体阀的输出也为两路201、202，分别与蒸发器的两个热源入口301、302连接，如图3所示。

两个阀瓣分别控制的两个气体流动通道都有尾气旁通通道，即在一些特定的状态下，如发动机怠速或转速过低的状态下，由于尾气的温度较低或其他原因，不足以进行换热做功或再循环，则需要将尾气直接排放，则两个阀瓣都能够关闭通向蒸发器的通道，而打开与大气连接的通道进行直接排放。在实际中，即便是这种直接排放，也有其他对尾气进行处理的措施，以便保护环境，这些是现有技术，不再熬述。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于阀组的细化。本实施例所述的阀组是两个单片阀瓣的两通阀，其中一个两通阀203控制egr尾气通道，另一个两通阀204控制scr尾气通道，如图1、2所示。

本实施所述的阀组是两个单片阀瓣的两通阀，分别控制egr尾气通道和scr尾气通道，如图3所示。实质上本实施例所述的阀组与实施例五所述阀组区别在于，实施例五所述的多阀瓣单体阀是一个阀体，本实施例所述的单片阀瓣的两通阀是两个分开的阀体，其控制方式完全相同。

本实施例所述的单片阀瓣的两通阀同样设有尾气旁通通道，即可以在特定条件下，将尾气直排。这里所述的直排的含义也包括一些常规的尾气处理，不是真的将尾气直接排放到大气中。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于发动机排气通道的细化。本实施例所述的发动机排气管与scr连接的管道上设有涡轮增压器10，如图4所示。

本实施例将废气的一部分作为涡轮增加器的动力输入到涡轮增压器的涡轮端，推动涡轮转动带动涡轮增压器的压缩机，为发动机进气端增压，提高发动机的燃烧效率。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于透平机的细化。本实施例所述的透平机输出轴与发电机11连接，如图4所示。

透平机的轴输出可以连接各种需要旋转输入的设备，如发电机、空调、风扇、水泵等。本实施例则将透平机的轴输出连接一个发电机进行发电，以补充蓄电池的能量或其他车上电器的用电。

实施例九：

本实施例是一种上述系统的发动机余热回收换热方法。所述方法的基本过程是：

发动机燃烧后的废气一部分经过阀组以及蒸发器冷却后回到同进气空气一起重新进入发动机，即egr循环。另一部分经过涡轮增压器、scr、旁通阀进入蒸发器与工质进行换热，后经排气管排出。余热回收工质从膨胀水箱进入工质泵，随后进入蒸发器与再循环尾气和排气尾气进行充分换热形成过热蒸汽。过热蒸汽进入透平机做功，然后进入冷凝器冷凝充分液化，最后回到膨胀水箱。期间，在过热蒸汽带动透平机做功后，透平机带动发电机发电。

所述方法的具体步骤如下，流程见图5所示：

步骤1，发动机排气：发动机排出的废气分为两支，一支egr尾气，一支排放废气；以下步骤2和步骤3两步骤平行进行。

废气分为两支，两支的分配比例按照根据机动车egr率以及egr尾气与排气尾气的流量比进行分配。分配的方式可以使用一个主管连接两个口径不同的支管，也可以使用多个阀瓣的分支阀，分配不同比例的废气。

步骤2，再循环：egr尾气经过阀组进入蒸发器热端的egr尾气流动通道，经换热管组与工质进行热交换，之后将降低温度后的egr尾气回收至发动机进气管，进入发动机再次燃烧。

应当说明的是阀组，不论是多阀瓣单体阀还是两个单阀瓣多体阀，本身就是一种分配阀，当发动机启动时，排出的废气温度较低，不足以达到再循环的能量，因此，阀组关闭，将废气排出，当废气的温度达到要求时，阀组开启，将废气通过蒸发器降温后送回发动机进气端，形成再循环。发动机排气岐管所排出的废气温度高达5-6百度，传统的egr冷却器将这么高温度的热气转换至循环水中降温，而循环水将这些热量白白的释放到大气中，不但浪费了燃料，还污染了环境。本实施例将这部分热量充分利用，可以达到更加有效利用燃料和保护环境的作用。

步骤3，排放：排放废气先进入涡轮增压器的涡轮，推动涡轮转动，为进入发动机进气管的空气增压；经过涡轮增压器的排放废气通过scr进行净化，再经过阀组进入蒸发器的scr尾气流动通道，经由换热管组与工质进行热交换，之后将降低温度后的scr尾气直接或间接排入大气。

排放的废气首先进入涡轮增压器，通过涡轮带动增压压缩机对进入发动机的空气加压，经过涡轮增压器的乏废气再通过scr净化后再通过旁通阀进入蒸发器。

再循环废气和排放废气走的是不同的路径，其中排放废气经过涡轮增压器和scr之后内部的能量已经消耗了许多，压力自然降低了，因此不能与再循环废气直接混合了。如果直接混合会降低再循环废气中的携带的能量，不利用与经过涡轮增压器增压的空气混合，因此蒸发器中设置了两个相互隔绝的空气流动通道，使再循环废气和排放废气走不同的通道，避免两者之间互相干扰。

以下4-8步骤循环运行：

步骤4，蒸发：再循环废气和排放废气分别在热气换热管组和排气换热管组中与工质热交换，使工质气化蒸发为过热蒸汽，所蒸发的汽化工质在工质收集端收集后输送至透平机。

工质可以采用有机朗肯循环专用的液体，以提高余热回收效率。

步骤5，做功：汽化工质进入透平机做功，推动透平机涡轮旋转，透平机做功。当过热蒸汽不足以做功时，则开启旁通阀，使过热蒸汽直接回收至冷凝器。

透平机做功，即将过热蒸汽中的能量转换为机械能，通过机械旋转传递到常规的旋转型发电机中。在一些情况下，例如，发动机怠速或低速运行时，蒸发器所产生的过热蒸汽不足以做功时，则将透平机旁路掉，将过热蒸汽直接送入冷凝器，以减少透平机的损耗。

步骤6，回收：经过做功后的乏汽化工质由透平机排出，回收至冷凝器。

透平机排出的乏蒸汽，虽然体积缩小压力也明显降低，但在进入冷凝器之前还处于过热状态，需要维持其中的压力，避免凝结。

步骤7，冷凝：乏汽化工质在冷凝器中与冷却介质进行热交换，凝结为液体工质。

冷凝器通过液体或气体热交换，将工质中携带的剩余热量吸收，降低工质的温度和压力，使工质冷凝为液体，工质的体积也缩小。

步骤8，膨胀压缩：液体工质进入作为缓冲的膨胀水箱储存，再由工质泵压缩进入蒸发器再次进行蒸发。

工质在冷凝后，先要进入膨胀水箱。膨胀水箱相当于一个缓冲器，容纳并积聚冷凝后较大量的液体工质，以便工质泵抽取。工质泵抽取工质并加压，使工质在达到蒸发器之前积聚一定的压力，一方面阻挡蒸发产生压力回流，一方面使工质达到相变的临界，使蒸发更加快速有效。

上述4-8步骤接近与多数相变吸热做功的循环，但关键在于本实施例中的相变温度较高，所形成的压力也较大，因此保证吸收余热的循环管路各个要素安全十分重要。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如蒸发器的形式、再循环的形式、净化器的形式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。