[发明专利]一种适用于发动机变工况的余热回收系统及方法

说明书

本发明提供了一种适用于发动机变工况的余热回收系统及方法，包括预热器、三通阀、烟气蒸发器、膨胀机、回热器、冷凝风扇、工质泵、储液罐、冷凝器。该系统是一种基于有机朗肯循环的单级余热回收系统，可以同时回收发动机缸套水的余热和发动机尾气的余热，特别是与发动机尾气换热的烟气蒸发器可以实现循环工质和发动机尾气的变换热面积，进而实现对发动机变工况的适应调节。

技术领域

本发明涉及一种适用于发动机变工况的余热回收系统及方法，属于发动机技术领域。

背景技术

发动机余热回收技术是一种将发动机尾气、冷却液、废气再循环热、增压中冷空气等余热源进行回收，通过膨胀机转化为有用功输出的循环装置，主要包括膨胀机、蒸发器、冷凝器和工质泵四大部件，部分系统构型为提高效率还可能包括回热器、预热器和过热器等。重型商用车柴油机使用余热回收技术，可以提升3-4%的发动机热效率，具备节油6-8%的技术潜力，是实现55%热效率发动机的必备技术手段。

但目前的余热回收系统设计方法，往往只选择发动机的常用工况点或者最高热效率点来做单一固定工况点的匹配设计，设计完的余热回收系统蒸发器、预热器、冷凝器等换热器的尺寸和换热面积也即随之固定，因而余热回收系统的设计参数也往往只能在选择的设计工况点实现高效率运行，偏离设计工况点整个系统的效率就会大幅降低或者不满足运行要求。对于重型商用车来说，发动机的常用工况点是中负荷，而大负荷的余热量较多，基本为中负荷的两倍左右，如果只按中等负荷匹配余热回收系统，发动机在大负荷运行时，就要将多余的热量放掉，避免系统超指标运行；而如果按照大负荷设计余热回收系统，则中负荷的系统运行也会存在运行参数偏离设计要求的问题，且车辆的常用运行工况不在系统的高效率运行区。比如，烟气蒸发器的设计参数主要考虑两点，一是循环工质也即冷源的出口温度不宜过高，工质温度过高容易产生分解变质，另一是烟气蒸发器热源也即尾气出口温度不能低于120℃的酸露点温度，否则容易生成含硫液滴，对排气尾管和烟气蒸发器产生腐蚀。下表1为按照发动机大负荷工况设计的烟气蒸发器换热面积在中等负荷工况运行时的结果，大负荷尾气出口温度120℃，满足酸露点的要求，工质出口温度130℃，同时达到了工质运行的最大容许温度，这样可以保证发动机大负荷时尾气热量的充分利用；但发动机运行到中负荷时，因为换热器面积过大，尾气和工质换热过度，导致尾气出口温度只有89℃，低于120℃的酸露点温度要求，而工质温度过高，高于了工质的最高容许温度。因此存在如果按大负荷设计烟气蒸发器，中负荷就会换热过度，如果按照中负荷设计烟气换热器，大负荷时换热面积不足，热量不能充分利用的问题。

表1不同负荷烟气换热器冷热源进出口的温度值

按照单个运行工况点设计余热回收系统及其零部件，存在无法兼容重型柴油机变工况的匹配问题，因此，设计一种可以同时适用于发动机中负荷和大负荷的余热回收系统，对于扩大余热回收技术的应用范围和技术推广具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供了一种适用于发动机变工况的余热回收系统及方法，可以实现循环工质和发动机尾气的变换热面积，进而实现对发动机变工况的适应。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种适用于发动机变工况的余热回收系统包括，预热器、三通阀、烟气蒸发器、膨胀机、回热器、冷凝风扇、工质泵、储液罐、冷凝器；

所述预热器的工质进口与回热器低温工质的出口通过管路相连，预热器的工质出口与三通阀的进口相连，预热器的缸套水进出口与发动机缸套水管路相连；三通阀的两个出口分别与烟气蒸发器的工质边缘进口和中间进口相连；烟气蒸发器的工质出口与膨胀机的工质进口相连，烟气蒸发器的烟气进出口与发动机的排气管路相连；膨胀机的工质出口与回热器的高温工质进口相连；回热器的高温工质出口与冷凝器的入口相连，回热器的低温工质入口与工质泵的出口相连；工质泵的入口与储液罐的出口相连；储液罐的入口与冷凝器的出口相连；冷凝风扇安装与冷凝器的一侧。

优选的，烟气蒸发器的工质侧有两个进口和一个出口，其中一个工质进口在烟气蒸发器边缘，一个工质进口在烟气蒸发器中间。