CN104632357B - 内燃机的两级增压*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种内燃机的两级增压***，其包括涡轮增压***及有机朗肯循环增压***。涡轮增压***包括涡轮增压器。有机朗肯循环增压***包括：有机工质泵；蒸发器，接收有机工质泵输出的液态有机工质，连通涡轮增压器以接收涡轮增压器排出的废气，蒸发器接收的液态有机工质吸收蒸发器所接收的废气热量输出过热带压气态有机工质；膨胀机，接收过热带压气态有机工质并被过热带压气态有机工质驱动做功、输出乏气；冷凝器，冷却乏气；压缩机，与膨胀机同轴连接，经由膨胀机做功驱动压缩机对输入压缩机的进给空气进行压缩并输出被压缩的空气；涡轮增压器输出的压缩空气降温后供内燃机的各气缸使用，压缩机输出的被压缩空气降温后供内燃机的各气缸使用。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机领域，尤其涉及一种内燃机的两级增压***。
背景技术
内燃机尾气能量约占汽车总能源消耗率的35％，尾气能量的回收对内燃机***效率影响很大。内燃机涡轮增压***由涡轮机和空气压缩机构成。具有动力能的尾气驱动涡轮机旋转，涡轮机带动压缩机做功实现对空气增压。
涡轮增压器工况受限于尾气能量。若尾气能量过低，则涡轮增压器增压效果并不理想。当发动机工况发生变化时，涡轮增压器会有一个响应时间，即迟滞效应。为了解决以上问题，现有的涡轮增压器一般通过两级涡轮增压器充分利用尾气的动力能和一部分余热能。但受限于后续尾气处理，尾气能量并不能得到充分利用。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种内燃机的两级增压***，其能充分利用尾气的动力能与余热能，并提高内燃机燃油燃气的经济性。
本发明的另一目的在于提供一种内燃机的两级增压***，其能提高内燃机的增压比。
本发明的再一目的在于提供一种内燃机的两级增压***，其能提高内燃机总能的综合利用效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种内燃机的两级增压***，内燃机包括至少一个气缸，各气缸包括至少一个进气门和至少一个排气门，所述内燃机的两级增压***包括涡轮增压***及有机朗肯循环增压***。涡轮增压***包括：涡轮增压器，一端连通内燃机的各气缸的各排气门，涡轮增压器利用内燃机的各气缸的各排气门排出的废气的动力能对进入涡轮增压器中 的供给空气进行压缩并输出压缩空气且排出废气。有机朗肯循环增压***包括：有机工质泵，连通外部的有机工质储液罐，将有机工质储液罐中的液态有机工质输出；蒸发器，设置在有机工质泵的上游且连通有机工质泵以接收有机工质泵输出的液态有机工质，且连通涡轮增压***的涡轮增压器以接收涡轮增压器排出的废气，从而蒸发器所接收的液态有机工质吸收蒸发器所接收的废气热量且液态有机工质蒸发并输出为过热带压气态有机工质；膨胀机，设置在蒸发器的下游且连通蒸发器以接收蒸发器输出的过热带压气态有机工质并被过热带压气态有机工质驱动做功、并输出过热带压气态有机工质做功后的乏气；冷凝器，设置在膨胀机的下游且连通膨胀机并连通所述液态有机工质储液罐，以使膨胀机输出的乏气冷却成液态有机工质并将液态有机工质回收到有机工质储液罐；压缩机，与膨胀机同轴连接，经由膨胀机做功驱动压缩机对输入压缩机的进给空气进行压缩并输出被压缩空气；其中，接收涡轮增压器输出的压缩空气经降温后供内燃机的各气缸使用，压缩机输出的被压缩空气经降温后供内燃机的各气缸使用。
本发明的有益效果如下：
有机朗肯循环增压***将内燃机排出的废气余热能转化为动力能，经由有机工质膨胀机做功驱动压缩机对空气进行压缩。当***内燃机工况处于低速大负荷状态，涡轮增压***增压效果不明显时，有机朗肯循环增压***能够将废气的余热能转化为动力能，驱动压缩机对空气压缩，扩大了增压工况的适用范围，减小了内燃机涡轮增压***的迟滞效应，提高了内燃机低速运转的动力性能。而当内燃机的涡轮增压***处于正常负荷工作状态时，可通过回收废气的余热能，提高压缩空气的增压比，提升内燃机燃油燃气的经济性***本发明的内燃机的两级增压***的空气增压动力能量全部来自废气能量，实现了废气的余热能、余压能的综合利用，提高了内燃机总能的综合利用效率。
本发明的内燃机的两级增压***结构紧凑，内燃机具有较好的实用性。
附图说明
图1为根据本发明的内燃机的两级增压***的一实施例的示意图；
图2为根据本发明的内燃机的两级增压***的另一实施例的示意图；
图3为根据本发明的内燃机的两级增压***的另一实施例的示意图；
图4为根据本发明的内燃机的两级增压***的另一实施例的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1涡轮增压*** 26有机朗肯循环增压***中冷器
11涡轮增压器 27有机朗肯循环旁通***
12涡轮增压***中冷器 28电动阀门
13增压管路 3内燃机
2有机朗肯循环增压*** 31气缸
21有机工质泵 311进气门
22蒸发器 312排气门
23膨胀机 32曲轴
24冷凝器 V控制阀门
25压缩机 4控制器
5一体式中冷器
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的内燃机的两级增压***。
参照图1至图4，在根据本发明的内燃机的两级增压***中，内燃机3包括至少一个气缸31，各气缸31包括至少一个进气门311和至少一个排气门312，所述内燃机的两级增压***包括涡轮增压***1及有机朗肯循环增压***2。涡轮增压***1包括：涡轮增压器11，一端连通内燃机3的各气缸31的各排气门312，涡轮增压器11利用内燃机3的各气缸31的各排气门312排出的废气能量对进入涡轮增压器11中的供给空气进行压缩并输出压缩空气且排出废气。有机朗肯循环增压***2包括：有机工质泵21，连通外部的有机工质储液罐，将有机工质储液罐中的液态有机工质输出；蒸发器22，设置在有机工质泵21的上游且连通有机工质泵21以接收有机工质泵21输出的液态有机工质，且连通涡轮增压***1的涡轮增压器11以接收涡轮增压器11排出的废气，从而蒸发器22所接收的液态有机工质吸收蒸发器22所接收的废气热量且液态有机工质蒸发并输出为过热带压气态有机工质；膨 胀机23，设置在蒸发器22的下游且连通蒸发器22以接收蒸发器22输出的过热带压气态有机工质并被过热带压气态有机工质驱动做功、并输出过热带压气态有机工质做功后的乏气；冷凝器24，设置在膨胀机23的下游且连通膨胀机23并连通所述液态有机工质储液罐，以使膨胀机23输出的乏气冷却成液态有机工质并将液态有机工质回收到有机工质储液罐；以及压缩机25，与膨胀机23同轴连接，经由膨胀机23做功驱动压缩机25对输入压缩机25的进给空气进行压缩并输出被压缩空气。其中，接收涡轮增压器11输出的压缩空气经降温后供内燃机3的各气缸31使用，压缩机25输出的被压缩空气经降温后供内燃机3的各气缸31使用。
有机朗肯循环增压***2将内燃机3排出的废气的余热能转化为动力能，经由膨胀机23做功驱动压缩机25对输入压缩机25的进给空气进行压缩。当内燃机3的涡轮增压***1无输出或低输出(例如：内燃机工况发生变化、内燃机处于低速大负荷状态)使涡轮增压***1增压效果不明显时、有机朗肯循环增压***2能够实现废气的余热能转化为压缩机25的空气压缩能，扩大了增压工况的适用范围，减小了内燃机的涡轮增压***1的迟滞效应(即涡轮增压器11对内燃机3的工况变化有一定的响应时间，不能同步响应)，提高了内燃机低速运转的动力性能。而当内燃机3的涡轮增压***1处于正常负荷工作状态时，可通过回收废气的余热能，提高内燃机燃油燃气的经济性
本发明的内燃机的两级增压***的空气增压动力能量全部来自废气能量，实现了废气的余热能、余压能(即废气的动力能)的综合利用，提高了内燃机总能的综合利用效率。
本发明的内燃机的两级增压***结构紧凑，内燃机增压具有较好的实用性。
内燃机3的结构和具体布置形式并不限于附图所示的例子，具体地，内燃机3可以采用六个气缸31(参照图1和图2，但并不限于此，气缸31的数量可根据实际内燃机的气缸的数量确定)，多个气缸31的布置形式可以采用直列(参照图1和图2)、V型或水平对置，凸轮轴32可以采用单顶置凸轮轴(参照图1和图2)、或采用双顶置凸轮轴，各气缸31具有四个气门，即两个进气门311和两个排气门312(参照图1和图2，但并不限于此，进 气门311和排气门312的数量可根据实际需要确定)，换句话说，本领域内的技术人员可以对内燃机3的结构和具体布置形式按照实际需要进行相应的设置。
在根据本发明的内燃机的两级增压***的一实施例中，参照图1，涡轮增压***1还可包括：涡轮增压***中冷器12，一端连通于内燃机3的各气缸31的各进气门311而另一端连通于涡轮增压器11的另一端，以接收涡轮增压器11输出的压缩空气并使所接收的压缩空气降温且将降温的压缩空气输出，以供内燃机3的各气缸31使用。有机朗肯循环增压***2还可包括：有机朗肯循环增压***中冷器26，设置在压缩机25的下游并连通压缩机25，以接收压缩机25输出的被压缩空气并使所接收的被压缩空气降温且将降温的被压缩空气输出。输入有机朗肯循环增压***2的压缩机25中的进给空气为外部空气；有机朗肯循环增压***中冷器26可连通于涡轮增压***1的涡轮增压器11，降温的被压缩空气通入涡轮增压器11，以作为所述进入涡轮增压器11中的供给空气。
在根据本发明的内燃机的两级增压***的一实施例中，参照图2，涡轮增压***1还可包括：涡轮增压***中冷器12，连通涡轮增压器11的另一端，以接收涡轮增压器11输出的压缩空气并使所接收的压缩空气降温且将降温的压缩空气输出。有机朗肯循环增压***2还可包括：有机朗肯循环增压***中冷器26，设置在压缩机25的下游并一端连通压缩机25而另一端连通内燃机3的各气缸31的各进气门311，以接收压缩机25输出的被压缩空气并使所接收的被压缩空气降温且将降温的被压缩空气输出，以供内燃机3的各气缸31使用。输入涡轮增压***1的涡轮增压器11的供给空气为外部空气；涡轮增压***中冷器12连通于有机朗肯循环增压***2的压缩机25，降温的压缩空气通入压缩机25作为所述输入压缩机25的进给空气。
在根据本发明的内燃机的两级增压***的一实施例中，参照图3，涡轮增压***1还可包括：涡轮增压***中冷器12，连通涡轮增压器11的另一端，以接收涡轮增压器11输出的压缩空气并使所接收的压缩空气降温且将降温的压缩空气输出；以及增压管路13，一端连通于涡轮增压***中冷器12而另一端连通内燃机3的各气缸31的各进气门311。有机朗肯循环增压***2还可包括：有机朗肯循环增压***中冷器26，设置在压缩机25的下 游并连通压缩机25，以接收压缩机25输出的被压缩空气并使所接收的被压缩空气降温且将降温的被压缩空气输出。输入涡轮增压***1的涡轮增压器11的供给空气为外部空气；输入有机朗肯循环增压***2的压缩机25中的进给空气为外部空气；有机朗肯循环增压***中冷器26的输出端可与涡轮增压***中冷器12的输出端连接且与增压管路13连通，以使有机朗肯循环增压***中冷器26输出降温的被压缩空气与涡轮增压***中冷器12输出的降温的压缩空气混合而通入增压管路13。相比于图1和图2示出的实施例，图3示出的实施例能够减小空气流程，对原有涡轮增压***1影响较小，可仅通过调整有机朗肯循环增压***2即可提高增压比，增加内燃机燃烧室进口的空气密度和压力。具体地，通过监测内燃机排出的废气的流量和涡轮增压***1的涡轮增压器的工况，调控有机朗肯循环增压***2的有机工质进入膨胀机23的流量和进入与膨胀机23连接的压缩机25外部空气流量来调节压缩比，使有机朗肯循环增压***2的压缩机25输出的被压缩空气的状态参数与涡轮增压***1的涡轮增压器11输出的压缩空气的状态参数一致，然后再经涡轮增压***中冷器12和有机朗肯循环增压***中冷器26降温混合后进入内燃机3。在一实施例中，有机朗肯循环增压***中冷器26输出降温的被压缩空气与涡轮增压***中冷器12输出的降温的压缩空气在温度和压力上相同。
在根据本发明的内燃机的两级增压***的一实施例中，参照图4，所述内燃机的两级增压***还可包括：一体式中冷器5，一端连通于内燃机3的各气缸31的各进气门311而另一端连通于涡轮增压器11的压缩空气的输出端和压缩机25的被压缩空气的输出端，以使涡轮增压器11输出的压缩空气与压缩机25输出的被压缩空气混合后进入一体式中冷器5，一体式中冷器5将降温后的混合的压缩空气和被压缩空气输出，以供内燃机3的各气缸31使用。输入涡轮增压***1的涡轮增压器11的供给空气为外部空气；输入有机朗肯循环增压***2的压缩机25中的进给空气为外部空气。在一实施例中，涡轮增压器11输出的压缩空气与压缩机25输出的被压缩空气在温度和压力上相同。
在根据本发明的内燃机的两级增压***的一实施例中，参照图1至图4，有机朗肯循环增压***2还可包括：有机朗肯循环旁通***27，一端连通在 膨胀机23和蒸发器22之间而另一端连通在膨胀机23和冷凝器24之间；以及电动阀门28，设置于有机朗肯循环旁通***27，控制有机朗肯循环旁通***27的流量。有机朗肯循环旁通***27的设置可以匹配内燃机3的不同工况下的增压负荷，实现有机朗肯循环增压***2的压缩功输出可控。
在根据本发明的内燃机的两级增压***的一实施例中，参照图1至图4，所述内燃机的两级增压***还可包括：控制器4，通信连接涡轮增压***1和有机朗肯循环增压***2，控制涡轮增压***1和有机朗肯循环增压***2的运行(具体地对应控制涡轮增压***1和有机朗肯循环增压***2的各构件的运行)。控制器4可为车载电子控制器。
在一实施例中，有机朗肯循环增压***2的有机工质泵21为与控制器4通信连接的变频泵。
在根据本发明的内燃机的两级增压***的一实施例中，有机朗肯循环增压***2的冷凝器24可采用水冷冷却或空气冷却。但本发明不限于此，有机朗肯循环增压***2的冷凝器24也可采用其他本领域公知的冷却方式。
Claims (9)
1.一种内燃机的两级增压***，内燃机(3)包括至少一个气缸(31)，各气缸(31)包括至少一个进气门(311)和至少一个排气门(312)，所述内燃机的两级增压***包括涡轮增压***(1)；
涡轮增压***(1)包括：
涡轮增压器(11)，一端连通内燃机(3)的各气缸(31)的各排气门(312)，涡轮增压器(11)利用内燃机(3)的各气缸(31)的各排气门(312)排出的废气能量对进入涡轮增压器(11)中的供给空气进行压缩并输出压缩空气且排出废气；
其特征在于，所述内燃机的两级增压***还包括有机朗肯循环增压***(2)；
有机朗肯循环增压***(2)包括：
有机工质泵(21)，连通外部的有机工质储液罐，将有机工质储液罐中的液态有机工质输出；
蒸发器(22)，设置在有机工质泵(21)的上游且连通有机工质泵(21)以接收有机工质泵(21)输出的液态有机工质，且连通涡轮增压***(1)的涡轮增压器(11)以接收涡轮增压器(11)排出的废气，从而蒸发器(22)所接收的液态有机工质吸收蒸发器(22)所接收的废气热量且液态有机工质蒸发并输出为过热带压气态有机工质；
膨胀机(23)，设置在蒸发器(22)的下游且连通蒸发器(22)以接收蒸发器(22)输出的过热带压气态有机工质并被过热带压气态有机工质驱动做功、并输出过热带压气态有机工质做功后的乏气；
冷凝器(24)，设置在膨胀机(23)的下游且连通膨胀机(23)并连通所述液态有机工质储液罐，以使膨胀机(23)输出的乏气冷却成液态有机工质并将液态有机工质回收到有机工质储液罐；以及
压缩机(25)，与膨胀机(23)同轴连接，经由膨胀机(23)做功驱动压缩机(25)对输入压缩机(25)的进给空气进行压缩并输出被压缩空气；其中，接收涡轮增压器(11)输出的压缩空气经降温后供内燃机(3)的各气缸(31)使用，压缩机(25)输出的被压缩空气经降温后供内燃机(3)的各气缸(31)使用。
2.根据权利要求1所述的内燃机的两级增压***，其特征在于，
涡轮增压***(1)还包括：
涡轮增压***中冷器(12)，一端连通于内燃机(3)的各气缸(31)的各进气门(311)而另一端连通于涡轮增压器(11)的另一端，以接收涡轮增压器(11)输出的压缩空气并使所接收的压缩空气降温且将降温的压缩空气输出，以供内燃机(3)的各气缸(31)使用；
有机朗肯循环增压***(2)还包括：
有机朗肯循环增压***中冷器(26)，设置在压缩机(25)的下游并连通压缩机(25)，以接收压缩机(25)输出的被压缩空气并使所接收的被压缩空气降温且将降温的被压缩空气输出；
输入有机朗肯循环增压***(2)的压缩机(25)中的进给空气为外部空气；
有机朗肯循环增压***中冷器(26)连通于涡轮增压***(1)的涡轮增压器(11)，降温的被压缩空气通入涡轮增压器(11)，以作为所述进入涡轮增压器(11)中的供给空气。
3.根据权利要求1所述的内燃机的两级增压***，其特征在于，
涡轮增压***(1)还包括：
涡轮增压***中冷器(12)，连通涡轮增压器(11)的另一端，以接收涡轮增压器(11)输出的压缩空气并使所接收的压缩空气降温且将降温的压缩空气输出；
有机朗肯循环增压***(2)还包括：
有机朗肯循环增压***中冷器(26)，设置在压缩机(25)的下游并一端连通压缩机(25)而另一端连通内燃机(3)的各气缸(31)的各进气门(311)，以接收压缩机(25)输出的被压缩空气并使所接收的被压缩空气降温且将降温的被压缩空气输出，以供内燃机(3)的各气缸(31)使用；
输入涡轮增压***(1)的涡轮增压器(11)的供给空气为外部空气；
涡轮增压***中冷器(12)连通于有机朗肯循环增压***(2)的压缩机(25)，降温的压缩空气通入压缩机(25)作为所述输入压缩机(25)的进给空气。
4.根据权利要求1所述的内燃机的两级增压***，其特征在于，
涡轮增压***(1)还包括：
涡轮增压***中冷器(12)，连通涡轮增压器(11)的另一端，以接收涡轮增压器(11)输出的压缩空气并使所接收的压缩空气降温且将降温的压缩空气输出；以及
增压管路(13)，一端连通于涡轮增压***中冷器(12)而另一端连通内燃机(3)的各气缸(31)的各进气门(311)；
有机朗肯循环增压***(2)还包括：
有机朗肯循环增压***中冷器(26)，设置在压缩机(25)的下游并连通压缩机(25)，以接收压缩机(25)输出的被压缩空气并使所接收的被压缩空气降温且将降温的被压缩空气输出；
输入涡轮增压***(1)的涡轮增压器(11)的供给空气为外部空气；
输入有机朗肯循环增压***(2)的压缩机(25)中的进给空气为外部空气；
有机朗肯循环增压***中冷器(26)的输出端与涡轮增压***中冷器(12)的输出端连接且与增压管路(13)连通，以使有机朗肯循环增压***中冷器(26)输出降温的被压缩空气与涡轮增压***中冷器(12)输出的降温的压缩空气混合而通入增压管路(13)。
5.根据权利要求1所述的内燃机的两级增压***，其特征在于，
所述的内燃机的两级增压***还包括：
一体式中冷器(5)，一端连通于内燃机(3)的各气缸(31)的各进气门(311)而另一端连通于涡轮增压器(11)的压缩空气的输出端和压缩机(25)的被压缩空气的输出端，以使涡轮增压器(11)输出的压缩空气与压缩机(25)输出的被压缩空气混合后进入一体式中冷器(5)，一体式中冷器(5)将降温后的混合的压缩空气和被压缩空气输出，以供内燃机(3)的各气缸(31)使用；
输入涡轮增压***(1)的涡轮增压器(11)的供给空气为外部空气；
输入有机朗肯循环增压***(2)的压缩机(25)中的进给空气为外部空气。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的内燃机的两级增压***，其特征在于，有机朗肯循环增压***(2)还包括：
有机朗肯循环旁通***(27)，一端连通在膨胀机(23)和蒸发器(22)之间而另一端连通在膨胀机(23)和冷凝器(24)之间；以及
电动阀门(28)，设置于有机朗肯循环旁通***(27)，控制有机朗肯循环旁通***(27)的流量。
7.根据权利要求6所述的内燃机的两级增压***，其特征在于，所述内燃机的两级增压***还包括：
控制器(4)，通信连接涡轮增压***(1)和有机朗肯循环增压***(2)，控制涡轮增压***(1)和有机朗肯循环增压***(2)的运行。
8.根据权利要求4所述的内燃机的两级增压***，其特征在于，
有机朗肯循环增压***中冷器(26)输出降温的被压缩空气与涡轮增压***中冷器(12)输出的降温的压缩空气在温度和压力上相同。
9.根据权利要求5所述的内燃机的两级增压***，其特征在于，
涡轮增压器(11)输出的压缩空气与压缩机(25)输出的被压缩空气在温度和压力上相同。
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