[發(fā)明專利]二氧化碳布雷頓循環(huán)和渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)廢熱利用系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010555288.4
• 申請(qǐng)日: 2020-06-17
• 公開（公告）號(hào): CN111594289A
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖高良;張峰;鄂加強(qiáng);陳敬煒;冷爾維
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號(hào): F01K23/10
• 分類號(hào): F01K23/10;F01K25/10;F01K7/32;F02G5/02;F02B33/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 劉妮

本發(fā)明公開了車輛工程領(lǐng)域的二氧化碳布雷頓循環(huán)和渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)廢熱利用系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)中廢熱回收系統(tǒng)中采用的工質(zhì)不同從而導(dǎo)致廢熱回收系統(tǒng)的龐大復(fù)雜的缺陷。二氧化碳布雷頓循環(huán)和渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)廢熱利用系統(tǒng)，包括沿廢氣循環(huán)路徑中依次設(shè)置的內(nèi)燃機(jī)、廢熱換熱器、透平、高溫回?zé)崞鳌⒌蜏鼗責(zé)崞鳌㈩A(yù)冷器、主壓縮機(jī)和再壓縮機(jī)，本發(fā)明采用二氧化碳作為渦輪增壓和布雷頓循環(huán)的單一工質(zhì)，利用二氧化碳穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和臨界溫度低且臨界點(diǎn)附近具有較低壓縮因子，可回收高溫廢熱且具有結(jié)構(gòu)緊湊、熱效率高等特點(diǎn)，提高內(nèi)燃機(jī)燃料綜合利用率；布雷頓循環(huán)與渦輪增壓可共用一個(gè)透平進(jìn)行動(dòng)力輸出，降低了整體系統(tǒng)的復(fù)雜性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于車輛工程領(lǐng)域，具體是二氧化碳布雷頓循環(huán)和渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)廢熱利用系統(tǒng)。

背景技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)作為傳統(tǒng)的動(dòng)力輸出裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)、分布式能源系統(tǒng)、船艦和汽車動(dòng)力等領(lǐng)域，其燃料消耗占原油消耗的60％左右。然而，燃料燃燒所釋放的能量只有三分之一被轉(zhuǎn)化為輸出動(dòng)力，大部分能量以廢熱的形式排放至大氣中。因此，有效的回收內(nèi)燃機(jī)廢熱、實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用對(duì)于提高內(nèi)燃機(jī)燃料綜合利用效率具有重要意義。

傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)廢熱回收方式主要為渦輪增壓器和有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其中渦輪增壓器可回收排氣中的高溫能量，而有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)受工質(zhì)易受熱分解的限制只能回收部分低溫能量(100℃)。

渦輪增壓器中透平工質(zhì)為內(nèi)燃機(jī)成分復(fù)雜的排氣，其中含有的固體顆粒以及酸性氣體對(duì)透平葉片產(chǎn)生一定的沖蝕和腐蝕；經(jīng)過渦輪增壓器的排氣仍具有較高溫度(300℃～500℃)，而有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)受工質(zhì)性質(zhì)的影響無法回收這部分高溫能量，節(jié)能效果不明顯；廢熱回收裝置(包括渦輪增壓器和有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng))所采用的工質(zhì)不同(分別為排氣和有機(jī)工質(zhì))，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種單一工質(zhì)循環(huán)的系統(tǒng)，以節(jié)省廢熱回收裝置的占地面積和降低廢熱回收系統(tǒng)的復(fù)雜性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：包括沿廢氣循環(huán)路徑中依次設(shè)置的內(nèi)燃機(jī)、廢熱換熱器、透平、高溫回?zé)崞鳌⒌蜏鼗責(zé)崞鳌㈩A(yù)冷器、空氣壓氣機(jī)、電機(jī)、主壓縮機(jī)和再壓縮機(jī)，所述透平內(nèi)帶有葉輪，所述廢熱換熱器承接內(nèi)燃機(jī)高溫排氣且廢熱換熱器將熱量傳遞至超臨界二氧化碳，高溫高壓超臨界二氧化碳膨脹做功驅(qū)動(dòng)透平的葉輪旋轉(zhuǎn)，透平轉(zhuǎn)動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)主壓縮機(jī)、再壓縮機(jī)、空氣壓氣機(jī)和電機(jī)，做功后的超臨界二氧化碳經(jīng)過高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鳎诘蜏鼗責(zé)崞鲀?nèi)超臨界二氧化碳分流為主路徑循環(huán)和次路徑循環(huán)，主路徑的超臨界二氧化碳經(jīng)過預(yù)冷器、主壓縮機(jī)和高溫回?zé)崞骱蠡亓髦翉U熱換熱器以完成主路徑循環(huán)。

進(jìn)一步，次路徑的超臨界二氧化碳的行程中設(shè)有再壓縮機(jī)，所述再壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)件為透平，且次路徑的超臨界二氧化碳先經(jīng)過再壓縮機(jī)后，次路徑中的超臨界二氧化碳與主路徑的超臨界二氧化碳交匯于高溫回?zé)崞饕煌訜幔罱K次路徑的超臨界二氧化碳回流至廢熱換熱器以完成次路徑循環(huán)。

進(jìn)一步，低溫回?zé)崞髋c再壓縮機(jī)的交匯處帶有分流主路徑循環(huán)和次路徑循環(huán)的分流器，分流器的入口處朝向低溫回?zé)崞鳎至髌鞯膬蓚€(gè)出口處分別朝向預(yù)冷器和再壓縮機(jī)。

進(jìn)一步，再壓縮機(jī)與高溫回?zé)崞鞯慕粎R處帶有混合器，混合器的接收端朝向主壓縮機(jī)和再壓縮機(jī)，混合器的出口處朝向高溫回?zé)崞鳌?/p>

進(jìn)一步，透平的輸出軸與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸相連接，利用超臨界二氧化碳在透平內(nèi)膨脹做功驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而向外輸出電能。

進(jìn)一步，透平的輸出軸與空氣壓氣機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸相連接，透平驅(qū)動(dòng)空氣壓氣機(jī)將進(jìn)口空氣壓縮至一定壓力，提高燃燒室進(jìn)口空氣密度，增加內(nèi)燃機(jī)輸出功率。

進(jìn)一步，內(nèi)燃機(jī)燃料與空氣在氣缸內(nèi)燃燒后的高溫排氣進(jìn)入廢熱換熱器，將熱量傳遞至超臨界二氧化碳。

采用上述方案后實(shí)現(xiàn)了以下有益效果：