[发明专利]基于工况自动切换工作模式的车用有机朗肯循环余热回收系统

说明书

技术领域

本发明属于内燃机节能减排领域，涉及一种车用有机朗肯循环余热回收系统工作模式设计方法。

背景技术

从内燃机的能量平衡来看，燃料燃烧总能量中只有30％-45％(柴油机)或20％-30％(汽油机)用于动力输出，而大约35％的能量通过汽车尾气排放到大气中。因此，将内燃机的排气余热能高效转化再利用是提高内燃机总能效率、降低燃油消耗量、减少污染物排放的有效途径。相比于混合动力、汽车轻量化、减少空气阻力和附件耗能等技术，内燃机排气余热回收利用技术具有巨大的节能减排潜力。

目前，内燃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，而有机朗肯循环系统凭借其优越的性能受到了广泛的关注，并被应用于众多领域。然而，车用内燃机通常在变工况下运行，其排气余热能也在随之不断变化。因此，在确保有机朗肯循环系统安全、稳定运行的前提下，要实现对车用内燃机排气余热能的高效转化再利用，就必须设计合理的有机朗肯循环工作模式。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种能够根据内燃机的运行工况自动切换工作模式的有机朗肯循环余热回收系统，该系统主要由内燃机排气余热回收系统、有机工质电加热系统和控制系统组成。本发明将车用有机朗肯循环余热回收系统划分为四种工作模式：启动、怠速、做功、停机。启动模式：内燃机启动后，启动有机朗肯循环系统，同时旁通膨胀机，膨胀机不输出功率；怠速模式：膨胀机被冲转或维持空转，膨胀机不输出功率；做功模式：膨胀机输出功率；停机模式：内燃机停机，同时有机朗肯循环系统停机。以上四种工作模式之间的切换主要通过控制系统调节不同的阀门来实现。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：

本发明所提出的车用有机朗肯循环余热回收系统，主要由内燃机排气余热回收系统、有机工质电加热系统和控制系统组成。

上述内燃机排气余热回收系统，包括内燃机、排气通路、蒸发器、膨胀机、硅整流交流发电机、蓄电池、冷凝器、储液罐、工质过滤器、工质泵以及工质管路。内燃机加装有机朗肯循环系统后，为了避免由于故障(如蒸发器故障)导致排气背压过高，而影响内燃机自身的运行性能，本发明将排气通路设计为两个支路，一条支路直接与大气相连；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。另外，有机工质在蒸发器中与内燃机排气进行换热，形成高温高压蒸汽；膨胀后的工质乏气在冷凝器中与冷却水换热，冷凝为液态工质流回储液罐。

上述有机工质电加热系统，包括电加热器、蓄电池、冷凝器、储液罐、工质过滤器、工质泵以及工质管路。其中低温有机工质通过管道在压力作用下进入电加热器，沿着电加热容器内部特定换热流道，吸收电热元件工作中所产生的热量，从而使有机工质形成一定温度和压力的蒸汽，以维持膨胀机怠速运转；膨胀后的有机工质乏气在冷凝器中与冷却水换热，冷凝为液态工质后流回储液罐。此外，在储液罐前的工质泵处另设有旁通回路，确保在紧急情况下能够旁通工质泵，从而保护整个系统不被损坏。

上述的控制系统主要包括内燃机转速传感器、内燃机排气温度传感器、内燃机排气压差传感器、电加热器出口工质温度传感器、电加热器出口工质压力传感器、电加热器出口工质质量流量传感器、工质泵出口工质压力传感器、膨胀机转速传感器、冷凝器进口冷却水温度传感器、冷凝器出口冷却水温度传感器、冷凝器出口冷却水质量流量传感器、冷凝器出口工质温度传感器、冷凝器出口工质压力传感器、电磁离合器、电动阀、电磁阀、电磁三通阀、控制模块以及相应的连接线路等。其中控制模块采集系统中转速传感器、温度传感器、压力传感器、工质质量传感器的信号，经过分析处理后作出判断，并发出指令，控制电磁阀的动作，从而实现车用有机朗肯循环余热回收系统在四种工作模式之间的切换。

与现有的技术方案相比，本发明具有如下优点：

1.通过合理设置车用有机朗肯循环余热回收系统的工作模式及控制方式，可使其在四种工作模式(启动、怠速、做功和停机)之间切换，这样可以更加有效地适应车用内燃机的变工况运行，以实现对车用内燃机排气余热能的高效转化再利用。

2.当车用内燃机排气能量较小且波动较大时，可采用电加热器对有机工质加热以维持膨胀机的怠速运转(怠速模式)，这样可以避免当内燃机在不同工况下运行时，有机朗肯循环系统在四种工作模式之间频繁切换，造成余热回收效率过低、系统中各运行部件受到损害等不良影响。

3.控制系统可依据电加热器出口工质的温度、压力及工质质量流量传感器信号自动调节电加热器输出功率，使电加热器出口的工质温度保持稳定。