[發明專利]發動機能量綜合利用系統及控制方法

有效

• 申請號: 201410743096.0
• 申請日: 2015-08-04
• 公開（公告）號: CN104500159A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 楊凱;張紅光;王宏進;貝晨;常瑩
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: F01K23/04
• 分類號: F01K23/04;F01K23/10;F02B41/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明屬于能量綜合利用技術領域，涉及發動機能量綜合利用系統及控制方法。該系統利用有機工質(非共沸混合工質)作為發動機的冷卻介質，并吸收發動機機體散發的熱量，通過蒸發器將發動機排氣能量傳遞給有機工質，使有機工工質變為高溫高壓氣體，通過膨脹機將有機工質的能量轉化為軸功輸出，將膨脹機輸出軸與發動機輸出軸耦合，實現能量的綜合利用，根據發動機、蒸發器、有機工質的運行狀態調節發動機能量綜合利用系統的運行狀態。

背景技術

發動機缸內燃料燃燒后大部分能量通過發動機排氣、冷卻系統排放到大氣中，只有小部分能量被利用輸出軸功，這不僅造成了大量的能源浪費，還造成了環境溫度的增加。如果可以將發動機排氣和冷卻系統的能量回收，并進行綜合利用，將大大提高燃料燃燒能量的利用率，降低發動機能源消耗，減少污染物和熱量的排放。

目前利用發動機余熱的主要方法包括：余熱取暖、溫差發電、余熱制冷、有機朗肯循環余熱回收。利用余熱取暖技術可以提高發動機燃料燃燒能量的利用率，但只適用于冬季，在其它季節仍然會造成能量的浪費。溫差發電技術受到熱電轉化材料轉換效率的限制，目前還無法滿足實用化。余熱制冷機組體積龐大、效率較低，也不適用于發動機能量綜合利用。利用有機朗肯循環系統回收發動機余熱能是目前較為理想的方式，但尚處于研究階段，并且存在結構復雜、工質泵耗功、轉換功率如何利用等問題。

發明內容

本發明的目的是提供一套發動機能量綜合利用系統及控制方法。將發動機機體散熱能量、發動機排氣能量、發動機輸出能量綜合利用，提高發動機燃料的利用效率、降低能量消耗。

本發明采用技術方案如下：

采用有機工質(非共沸混合工質)作為發動機機體的冷卻介質，將發動機機體的散熱量傳遞給有機工質，預熱有機工質，利用蒸發器將發動機排氣能量傳遞給預熱后的有機工質，使有機工質蒸發，利用膨脹機將氣態有機工質的能量轉化為軸功輸出，利用動力耦合裝置將膨脹機的軸功與發動機曲軸軸功耦合，實現發動機能量的綜合利用。

發動機能量綜合利用系統及控制方法，包括：冷卻回路、熱功轉換回路、控制回路。

所述冷卻回路，包括發動機、電磁三通閥、膨脹閥、冷凝器、工質泵。冷卻回路各部件的連接關系為：電磁三通閥與發動機冷卻水套出口相連，電磁三通閥、膨脹閥、冷凝器、工質泵依次首尾相連，工質泵與發動機冷卻水套進口相連，工質泵通過聯軸器與發動機曲軸連接，由發動機曲軸驅動工質泵旋轉。

所述熱功轉換回路，包括發動機、電磁三通閥、蒸發器、膨脹機、單向閥、冷凝器、工質泵。熱功轉換回路各部件的連接關系為：電磁三通閥、蒸發器、常開電磁閥、膨脹機、單向閥、冷凝器、工質泵依次首尾相連，發動機排氣管、常開電磁閥、蒸發器依次首尾相連，電磁三通閥與發動機冷卻水套出口相連，工質泵與發動機冷卻水套進口相連，工質泵通過聯軸器與發動機曲軸連接，由發動機曲軸驅動工質泵旋轉，膨脹機輸出軸通過動力耦合器與發動機曲軸連接，實現膨脹機軸功與發動機軸功的共同輸出

所述控制回路，包括控制模塊、發動機排氣溫度傳感器、發動機排氣壓力傳感器、發動機排氣質量流量傳感器、蒸發器出口排氣溫度傳感器、蒸發器出口有機工質溫度傳感器、蒸發器出口有機工質壓力傳感器、發動機冷卻水套出口處有機工質溫度傳感器、有機工質質量流量傳感器、發動機轉速傳感器、發動機轉矩傳感器、常閉電磁閥、常開電磁閥、電磁三通閥、攪拌器電機、風扇驅動電機、動力耦合器。

控制回路各部件連接及安裝位置為：發動機排氣溫度傳感器、發動機排氣壓力傳感器、發動機排氣質量流量傳感器、蒸發器出口排氣溫度傳感器、蒸發器出口有機工質溫度傳感器、蒸發器出口有機工質壓力傳感器、發動機冷卻水套出口處有機工質溫度傳感器、有機工質質量流量傳感器、發動機轉速傳感器、發動機轉矩傳感器、常閉電磁閥、常開電磁閥、電磁三通閥、攪拌器電機、風扇驅動電機、動力耦合器分別通過線束與控制模塊相連，發動機排氣溫度傳感器、發動機排氣壓力傳感器、發動機排氣質量流量傳感器分別安裝在發動機排氣管上，蒸發器出口排氣溫度傳感器安裝在蒸發器熱流體側出口處，蒸發器出口有機工質溫度傳感器、蒸發器出口有機工質壓力傳感器分別安裝在蒸發器冷流體側出口處，發動機冷卻水套出口處有機工質溫度傳感器、有機工質質量流量傳感器分別安裝在發動機冷卻水套出口處，發動機轉速傳感器、發動機轉矩傳感器安裝在發動機飛輪盤上，常閉電磁閥、常開電磁閥并聯安裝在發動機排氣管后，電磁三通閥安裝在發動機冷卻水套與蒸發器之間，攪拌器電機安裝在冷凝器底部，風扇驅動電機安裝在冷凝器前側，動力耦合器安裝在膨脹機輸出軸和發動機曲軸之間。