[發明專利]一種渦輪復合內燃機余熱利用裝置及其控制方法

有效

• 申請號: 201810449774.0
• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN108757163B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 趙榮超;李巍華;諸葛偉林;張揚軍
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: F02B41/10
• 分類號: F02B41/10;F01N5/02;F22B1/18
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;黃海波

本發明公開了一種渦輪復合內燃機余熱利用裝置及其控制方法，包括控制器、蒸汽發生器、電控閥門、依次連接內燃機進氣口的壓氣機和中冷器，所述內燃機排氣口依次連接增壓渦輪和可變幾何動力渦輪的進氣口，所述可變幾何動力渦輪的輸出端依次連接無級變速器、液力偶合器和齒輪對，所述齒輪對的輸出端與內燃機曲軸驅動連接；所述可變幾何動力渦輪的出氣口連接蒸汽發生器進行換熱，所述蒸汽發生器的出氣口通過電控閥門連接增壓渦輪進氣口；所述控制器分別與內燃機內的負荷傳感器、電控閥門、可變幾何動力渦輪和無級變速器電路連接。本發明可以回收更多的排氣能量，使渦輪復合內燃機的全工況性能得到顯著提升，提高發動機在中高負荷的熱效率，降低油耗。

技術領域

發明屬于內燃機熱力循環領域，尤其涉及一種渦輪復合內燃機余熱利用裝置及其控制方法。

背景技術

國內外眾多科研機構均開展了內燃機余熱利用研究，當前，余熱利用的主要技術方案包括朗肯循環、渦輪復合。

（1）朗肯循環

余熱利用朗肯循環的基本原理如圖1所示，在內燃機排氣管中外接朗肯循環系統，高溫排氣在蒸發器加熱工質使之氣化，然后工質在膨脹機中做功發電，膨脹后的工質經冷凝器和氣液分離器后，工質在泵中加壓，然后再回到蒸發器中吸收排氣熱量，完成一個完整的朗肯循環。

盡管朗肯循環余熱回收效果顯著，但系統較為復雜，體積較大、成本較高，有機工質價格較高，并且面臨泄露的難題。因此要實現有機朗肯循環在車用內燃機上的應用，還需解決這些難題。

（2）渦輪復合

典型渦輪復合內燃機的結構如圖2所示，在內燃機增壓渦輪下游串聯一級動力渦輪，使排氣在動力渦輪中進一步膨脹做功，動力渦輪功率通過齒輪和液力偶合器傳到內燃機曲軸，增加發動機功率輸出，降低油耗。渦輪復合系統相對簡單，結構緊湊，增加成本低，目前已被成功應用于重型柴油機中。渦輪復合技術由于在排氣中增加了一級動力渦輪，內燃機的排氣背壓顯著提高，泵氣功損失嚴重，因此對內燃機熱力循環效率產生負面影響，制約了渦輪復合技術的節油潛力。此外，車用內燃機工況變化復雜，渦輪復合內燃機的工況適應能力較差，在低轉速工況下燃油改善不明顯。

目前，渦輪復合研究中主要通過排氣在動力渦輪中膨脹獲得回收能量，提高幅值有限。原因在于氣體在動力渦輪膨脹后的溫度依然較高，排氣余熱能未被充分利用，進一步提高動力渦輪膨脹比則導致內燃機排氣背壓過高，動力渦輪回收功率不足以彌補內燃機泵氣損失。

發明內容

針對上述技術問題，本發明旨在提供一種渦輪復合內燃機余熱利用裝置及其控制方法，提高渦輪復合內燃機的節油潛力，通對渦輪后的排氣能量進一步回收利用，以顯著降低內燃機的油耗，并解決渦輪復合內燃機變工況性能不理想的問題。

本發明通過如下技術方案實現：

本發明一方面提供了一種渦輪復合內燃機余熱利用裝置，包括：控制器、蒸汽發生器、電控閥門、依次連接內燃機進氣口的壓氣機和中冷器，所述內燃機排氣口依次連接增壓渦輪和可變幾何動力渦輪的進氣口，所述可變幾何動力渦輪的輸出端依次連接無級變速器、液力偶合器和齒輪對，所述齒輪對的輸出端與內燃機曲軸驅動連接；所述可變幾何動力渦輪的出氣口連接所述蒸汽發生器進行換熱，所述蒸汽發生器的出氣口通過電控閥門連接所述增壓渦輪進氣口；所述控制器分別與內燃機內的負荷傳感器、電控閥門、可變幾何動力渦輪和無級變速器電路連接，用于根據所檢測的內燃機負荷信號對電控閥門的開關狀態、可變幾何動力渦輪的開度和無級變速器減速比進行協同控制。使可變幾何動力渦輪回收更多排氣能量。提高發動機在中高負荷的熱效率，降低油耗。

進一步地，所述的電控閥門為常閉閥門。

進一步地，所述的蒸汽發生器包括水箱、水泵、換熱器、蒸汽儲存罐，所述的水箱通過管路依次連接水泵、換熱器、蒸汽儲存罐、電控閥門，所述可變幾何動力渦輪的出氣口連接所述換熱器進行換熱。