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CN101936216A - 废气余能气动综合利用装置 - Google Patents

废气余能气动综合利用装置 Download PDF

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Abstract

废气余能气动综合利用装置属发动机废气能量回收技术领域，本发明中控制器分别与发动机工况感知子系统、残气动力涡轮气动能量回收子系统、气动能量存储-转换子系统和朗肯循环气动能量回收子系统连接；残气动力涡轮气动能量回收子系统、朗肯循环气动能量回收子系统均可单独与发动机工况感知子系统和气动能量存储-转换子系统串接，形成独立的气动式废气能量回收系统；本发明同时利用残气的焓能和废气的热能，能量回收率高，并以高压空气作为能量转换的载体，回收份额大、能量转换次数少，结构简单，对发动机系统改动小，可方便实现发动机余能的回收和机械能利用。

Description

废气余能气动综合利用装置
技术领域
本发明属发动机废气能量回收技术领域，具体涉及发动机废气能量通过残气动力涡轮、朗肯循环动力涡轮产生高压空气，并以气动形式转化为机械能的装置。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，能源短缺也日趋严重，节能已成为各国普遍关心的问题。作为主要能源的石油，其供求矛盾尤为突出，因此对于汽车行业来说，如何降低燃油消耗从而节省费用，成为了研究的热点和前沿。
发动机排出的高温废气带走了相当于有效功率的热能，此部分能量即使部分利用也可大幅度改善柴油机的经济性。该领域的研究主要集中在基于郎肯循环的动力涡轮发电、吸收式制冷、热能直接利用和温差发电等领域。考虑到车用发动机的用途及技术现状，吸收式制冷、热能直接利用实效性较差，同时，郎肯循环发电方式效率很低，且系统较为庞杂。温差发电目前尚处于原理性研究阶段，由于温差发电材料成本很高，能量回收率很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用发动机废气能量产生能量密度较高的高压压缩空气，然后利用气动机械能转化装置实现机械能的利用，从而方便利用发动机废气能量，提高发动机热效率降低燃料消耗量的发动机废气余能利用装置。
本发明控制器35、发动机工况感知子系统I、残气动力涡轮气动能量回收子系统II、气动能量存储-转换子系统III和朗肯循环气动能量回收子系统IV组成，其中控制器35分别与发动机工况感知子系统I、残气动力涡轮气动能量回收子系统II、气动能量存储-转换子系统III和朗肯循环气动能量回收子系统IV连接；发动机工况感知子系统I中的进气总管4分别与残气动力涡轮气动能量回收子系统II中的中间冷却器12和可控增压装置13连接，发动机排气总管5经残气动力涡轮气动能量回收子系统II中的比例控制阀7与残气动力涡轮8连接；残气动力涡轮8的出口端和比例控制阀7的旁通口，均与朗肯循环气动能量回收子系统IV中的换热蒸发器23入口连接，可控增压装置13与气动能量存储-转换子系统III中的高压分流阀15连接；气动能量存储-转换子系统III中的朗肯高压气体分流阀20与朗肯循环气动能量回收子系统IV中的朗肯可控增压机构30连接。
发动机工况感知子系统I由发动机1、工况传感器2、进气传感器3、发动机进气总管4、发动机排气总管5和发动机排气传感器6组成，其中发动机1机体分别与工况传感器2、置有进气传感器3的进气总管4、置有发动机排气传感器6的排气总管5连接；进气总管4还分别与残气动力涡轮气动能量回收子系统II中的中间冷却器12和可控增压装置13连接；发动机排气总管5还经残气动力涡轮气动能量回收子系统II中的比例控制阀7与残气动力涡轮8连接；发动机工况感知子系统I还与控制器35连接。
残气动力涡轮气动能量回收子系统II由比例控制阀7、残气动力涡轮8、传动机构9、压气机构10、原机进气管路11、中间冷却器12和可控增压装置13组成，其中比例控制阀7、残气动力涡轮8、传动机构9、压气机构10、中间冷却器12、发动机工况感知子系统I中的进气总管4串联连接；原机进气管路11与压气机构10入口连接；可控增压装置13的低压入口与发动机工况感知子系统I中的进气总管4连接；可控增压装置13增压出口与气动能量存储-转换子系统III中的高压气体分流阀15连接；比例控制阀7入口与发动机工况感知子系统I中的发动机排气总管5连接；残气动力涡轮8两端还分别与传动机构9和朗肯循环气动能量回收子系统IV中的换热蒸发器23连接；残气动力涡轮气动能量回收子系统II还与控制器35连接。
气动能量存储-转换子系统III由高压气体传感器14、高压气体分流阀15、高压储气机构16、高压储气传感器17、四通比例阀18、气动马达19、朗肯高压气体分流阀20和朗肯高压气体传感器21组成，其中高压气体分流阀15的入口与残气动力涡轮气动能量回收子系统II中的可控增压装置13连接，高压气体分流阀15的两个出口分别与高压储气机构16、四通比例阀18入口之一连接；朗肯高压气体分流阀20入口与朗肯循环气动能量回收子系统IV中的朗肯可控增压机构30连接，朗肯高压气体分流阀20出口分别与高压储气机构16、四通比例阀18入口之一连接；高压储气机构16出口与四通比例阀18入口之一连接；四通比例阀18出口与气动马达19连接；高压气体传感器14、朗肯高压气体传感器21、高压储气传感器17分别置于高压气体分流阀15入口、朗肯高压气体分流阀20入口、高压储气机构16；气动能量存储-转换子系统III还与控制器35连接。
朗肯循环气动能量回收子系统IV由废气传感器22、换热蒸发器23、消音器24、相变减压器25、朗肯动力涡轮26、朗肯传动机构27、朗肯压气机构28、朗肯压气传感器29、朗肯可控增压机构30、单向增压泵31、朗肯介质贮存器32、冷凝器回流器33、朗肯介质传感器34组成，其中朗肯介质贮存器32、单向增压泵31、换热蒸发器23、相变减压器25、朗肯动力涡轮26、冷凝器回流器33串联连接；朗肯动力涡轮26、朗肯传动机构27、朗肯压气机构28、朗肯可控增压机构30串联连接；废气传感器22、朗肯介质传感器34、朗肯压气传感器29分别置于换热蒸发器23入口、单向增压泵31出口和朗肯压气机构28出口；换热蒸发器23废气出口与消音器24入口连接；换热蒸发器23入口分别与残气动力涡轮气动能量回收子系统II中残气动力涡轮8的出口端，以及比例控制阀7的旁通口连接；朗肯可控增压机构30增压出口与气动能量存储-转换子系统III中的朗肯高压气体分流阀20入口连接；朗肯循环气动能量回收子系统IV还与控制器35连接。
残气动力涡轮气动能量回收子系统II、朗肯循环气动能量回收子系统IV均可单独与发动机工况感知子系统I和气动能量存储-转换子系统III串联连接，形成独立的气动式废气能量回收系统。
本发明的工作过程是：当发动机1运转时，排气传感器6可检测发动机1的排气状态、工况传感器2可检测发动机1的工况，并传送给控制器35。根据特定的判断原则，控制器35经比例控制阀7控制通过残气动力涡轮8的废气量，残气动力涡轮8实现旋转运动；残气动力涡轮8通过传动机构9将旋转运动传递至压气机构10，压气机构10将原机进气管路11中的气体压缩至中等压力，并进入进气总管4，可控增压机构13调控来自进气总管4的气量，并在控制器35的调控下升至更高压力，输送至高压气体分流阀15。上述过程即实现了利用排气焓能的残气动力涡轮废气能量气动回收。
经比例控制阀7分流和残气动力涡轮8出口的废气，仍具有一定的热能，控制器35根据废气传感器22、朗肯压气传感器29、朗肯介质传感器34感知的相关信号，控制单向增压泵31的流量和出口压力，朗肯工作介质在换热蒸发器23中吸热，并形成过饱和蒸汽，此高压蒸汽通过相变减压器25成为高速气态流体，并通过朗肯动力涡轮26带动其旋转；朗肯动力涡轮26通过朗肯传动机构27，将旋转运动传递至朗肯压气机构28，朗肯压气机构28将环境空气压缩至中等压力，朗肯可控增压机构30调控气量，并在控制器35的调控下升至高压，输送至朗肯高压气体分流阀20；上述过程即实现了利用废气热能的朗肯循环气动能量回收。
高压气体传感器14、朗肯高压气体传感器21分别感知来自于残气动力涡轮气动能量回收子系统II和朗肯循环气动能量回收子系统IV的高压气体状态，并传送至控制器35，控制器35根据特定算法，调控高压气体分流阀15和朗肯高压气体分流阀20进入高压储气机构16和四通比例阀18的气量；四通比例阀18的三个入口，可单独或同时接受来自于高压气体分流阀15、朗肯高压气体分流阀20、高压储气机构16的高压气体，并经出口输送至气动马达19，从而驱动气动马达19产生旋转机械能。上述过程即实现了利用高压气体的能量存储和转换。
本发明的有益效果在于：利用残气动力涡轮、朗肯循环动力涡轮驱动增压机构产生中等压缩空气，并经可控增压机构产生能量密度较高的高压空气，通过分流阀输送至高压储气机构或四通比例阀。连接在四通比例阀出口端的气动马达在来自储气装置、两个高压气体分流阀的高压气体推动下，产生方便发动机使用的中速、大扭矩的旋转机械能。该系统可同时利用发动机排气的焓能和热能，并以高压空气作为能量转换的载体，回收份额大、能量转换次数少、结构简单、对发动机系统改动小，可方便实现发动机余能的回收和机械能利用。
附图说明
图1为废气余能气动综合利用装置的结构示意图
其中：I.工况感知子系统  II.残气动力涡轮气动能量回收子系统  III.气动能量存储-转换子系统  IV.朗肯循环气动能量回收子系统  1.发动机  2.工况传感器  3.进气传感器  4.进气总管  5.排气总管  6.排气传感器  7.比例控制阀  8.残气动力涡轮  9.传动机构  10.压气机构  11.原机进气管路  12.中间冷却器  13.可控增压机构  14.高压气体传感器  15.高压气体分流阀  16.高压储气机构  17.高压储气传感器18.四通比例阀  19.气动马达  20.朗肯高压气体分流阀  21.朗肯高压气体传感器22.废气传感器  23.换热蒸发器  24.消音器  25.相变减压器  26.朗肯动力涡轮27.朗肯传动机构  28.朗肯压气机构  29.朗肯压气传感器  30.朗肯可控增压机构31.单向增压泵  32.朗肯介质贮存器  33.冷凝器回流器  34.朗肯介质传感器  35.控制器
具体实施方式
以下结合附图1对本发明技术方案作进一步详细阐述：
当发动机1运转时，排气传感器6可检测发动机排气状态、工况传感器2可检测发动机的工况，并传送给控制器35。根据特定的判断原则，控制器35经比例控制阀7控制通过残气动力涡轮8的废气量，残气动力涡轮8实现旋转运动。残气动力涡轮8通过传动机构9将旋转运动传递至压气机构10，压气机构10将原机进气管路11中的气体压缩至中等压力并进入进气总管4，可控增压机构13调控来自进气总管4的气量并升至高压输送至高压气体分流阀15。
经比例控制阀7分流和残气动力涡轮8出口的废气仍具有一定的热能，控制器35根据废气传感器22、朗肯压气传感器29、朗肯介质传感器34感知的相关信号，控制单向增压泵31的流量和出口压力，朗肯工作介质在换热蒸发器23中吸热并形成过饱和蒸汽，此高压蒸汽通过相变减压器25成为高速气态流体并通过朗肯动力涡轮26带动其旋转。朗肯动力涡轮26通过朗肯传动机构27将旋转运动传递至朗肯压气机构28，朗肯压气机构28将环境空气压缩至中等压力，朗肯可控增压机构30调控气量并升至高压输送至朗肯高压气体分流阀20。
高压气体传感器14、朗肯高压气体传感器21分别感知来自于残气动力涡轮气动能量回收子系统II和朗肯循环气动能量回收子系统IV的高压气体状态并传送至控制器35，控制器35根据特定算法调控高压气体分流阀15和朗肯高压气体分流阀20进入高压储气机构16和四通比例阀18的气量。四通比例阀18的三个入口可单独或同时接受来自于高压气体分流阀15、朗肯高压分流阀20、高压储气机构16的高压气体并经出口输送至气动马达19，从而驱动气动马达19产生旋转机械能。
以上仅就发动机的实施案例说明了本发明技术方案的结构原理，按此方案完全可以利用到更多的燃烧式动力机械中。
实际应用中由残气动力涡轮8、压气机构10、可控增压机构13、高压气体分流阀15作为主要构件的残气动力涡轮气动能量回收子系统II和以朗肯动力涡轮26、朗肯压气机构28、朗肯高压气体分流阀20构成的朗肯循环气动废气能量回收子系统IV可单独与工况感知子系统I、气动能量存储转换子系统III构成相应的废气能量回收完整系统。
可控增压装置13和朗肯可控增压装置30具有下列功能：1.入口有可控阀调整进入其内部的总流量；2.内部增压度由控制器35调节。

Claims (6)

1.一种废气余能气动综合利用装置，其特征在于由控制器(35)、发动机工况感知子系统(I)、残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)、气动能量存储-转换子系统(III)和朗肯循环气动能量回收子系统(IV)组成，其中控制器(35)分别与发动机工况感知子系统(I)、残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)、气动能量存储-转换子系统(III)和朗肯循环气动能量回收子系统(IV)连接；发动机工况感知子系统(I)中的进气总管(4)分别与残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)中的中间冷却器(12)和可控增压装置(13)连接，发动机排气总管(5)经残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)中的比例控制阀(7)与残气动力涡轮(8)连接；残气动力涡轮(8)的出口端和比例控制阀(7)的旁通口，均与朗肯循环气动能量回收子系统(IV)中的换热蒸发器(23)入口连接，可控增压装置(13)与气动能量存储-转换子系统(III)中的高压分流阀(15)连接；气动能量存储-转换子系统(III)中的朗肯高压气体分流阀(20)与朗肯循环气动能量回收子系统(IV)中的朗肯可控增压机构(30)连接。
2.按权利要求1所述的废气余能气动综合利用装置，其特征在于所述的发动机工况感知子系统(I)由发动机(1)、工况传感器(2)、进气传感器(3)、发动机进气总管(4)、发动机排气总管(5)和发动机排气传感器(6)组成，其中发动机(1)机体分别与工况传感器(2)、置有进气传感器(3)的进气总管(4)、置有发动机排气传感器(6)的排气总管(5)连接；进气总管(4)还分别与残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)中的中间冷却器(12)和可控增压装置(13)连接；发动机排气总管(5)还经残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)中的比例控制阀(7)与残气动力涡轮(8)连接；发动机工况感知子系统(I)还与控制器(35)连接。
3.按权利要求1所述的废气余能气动综合利用装置，其特征在于所述的残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)由比例控制阀(7)、残气动力涡轮(8)、传动机构(9)、压气机构(10)、原机进气管路(11)、中间冷却器(12)和可控增压装置(13)组成，其中比例控制阀(7)、残气动力涡轮(8)、传动机构(9)、压气机构(10)、中间冷却器(12)、发动机工况感知子系统(I)中的进气总管(4)串联连接；原机进气管路(11)与压气机构(10)入口连接；可控增压装置(13)的低压入口与发动机工况感知子系统(I)中的进气总管(4)连接；可控增压装置(13)增压出口与气动能量存储-转换子系统(III)中的高压气体分流阀(15)连接；比例控制阀(7)入口与发动机工况感知子系统(I)中的发动机排气总管(5)连接；残气动力涡轮(8)两端还分别与传动机构(9)和朗肯循环气动能量回收子系统(IV)中的换热蒸发器(23)连接；残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)还与控制器(35)连接。
4.按权利要求1所述的废气余能气动综合利用装置，其特征在于所述的气动能量存储-转换子系统(III)由高压气体传感器(14)、高压气体分流阀(15)、高压储气机构(16)、高压储气传感器(17)、四通比例阀(18)、气动马达(19)、朗肯高压气体分流阀(20)和朗肯高压气体传感器(21)组成，其中高压气体分流阀(15)的入口与残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)中的可控增压装置(13)连接，高压气体分流阀(15)的两个出口分别与高压储气机构(16)、四通比例阀(18)入口之一连接；朗肯高压气体分流阀(20)入口与朗肯循环气动能量回收子系统(IV)中的朗肯可控增压机构(30)连接，朗肯高压气体分流阀(20)出口分别与高压储气机构(16)、四通比例阀(18)入口之一连接；高压储气机构(16)出口与四通比例阀(18)入口之一连接；四通比例阀(18)出口与气动马达(19)连接；高压气体传感器(14)、朗肯高压气体传感器(21)、高压储气传感器(17)分别置于高压气体分流阀(15)入口、朗肯高压气体分流阀(20)入口、高压储气机构(16)；气动能量存储-转换子系统(III)还与控制器(35)连接。
5.按权利要求1所述的废气余能气动综合利用装置，其特征在于所述的朗肯循环气动能量回收子系统(IV)由废气传感器(22)、换热蒸发器(23)、消音器(24)、相变减压器(25)、朗肯动力涡轮(26)、朗肯传动机构(27)、朗肯压气机构(28)、朗肯压气传感器(29)、朗肯可控增压机构(30)、单向增压泵(31)、朗肯介质贮存器(32)、冷凝器回流器(33)、朗肯介质传感器(34)组成，其中朗肯介质贮存器(32)、单向增压泵(31)、换热蒸发器(23)、相变减压器(25)、朗肯动力涡轮(26)、冷凝器回流器(33)串联连接；朗肯动力涡轮(26)、朗肯传动机构(27)、朗肯压气机构(28)、朗肯可控增压机构(30)串联连接；废气传感器(22)、朗肯介质传感器(34)、朗肯压气传感器(29)分别置于换热蒸发器(23)入口、单向增压泵(31)出口和朗肯压气机构(28)出口；换热蒸发器(23)废气出口与消音器(24)入口连接；换热蒸发器(23)入口分别与残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)中残气动力涡轮(8)的出口端，以及比例控制阀(7)的旁通口连接；朗肯可控增压机构(30)增压出口与气动能量存储-转换子系统(III)中的朗肯高压气体分流阀(20)入口连接；朗肯循环气动能量回收子系统(IV)还与控制器(35)连接。
6.按权利要求1所述的废气余能气动综合利用装置，其特征在于残气动力涡轮气动能量回收子系统(II)、朗肯循环气动能量回收子系统(IV)均可单独与发动机工况感知子系统(I)和气动能量存储-转换子系统(III)串联连接，形成独立的气动式废气能量回收系统。
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