CN105201683A - 一种发动机低品质余热回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机低品质余热回收装置，包括发动机、废气涡轮增压器、冷却液、换热器、无叶涡轮、发电机、冷凝器、水泵、流量调节阀、冷却液循环管路、控制器、可控风扇、压气机、增压器涡轮、控制线路等；无叶涡轮包括涡轮盘、涡轮轴、涡壳、垫片、压紧螺母和支承轴承等。所要解决的技术问题是提供一种发动机低品质余热回收装置，不仅能够实现冷却液余热和废气余热的联合回收和利用，同时以无叶涡轮回收冷却液余热，可以解决现有余热回收装置中涡轮膨胀比小而使废气无法充分膨胀，提高发动机余热回收效率。同时，无叶涡轮可以实现小流量条件下的能量回收，且制造简单，维护成本低、可靠性高。

Description

一种发动机低品质余热回收装置

技术领域

本发明涉及一种发动机低品质余热回收装置，具体涉及一种无叶涡轮回收发动机余热的装置，属于发动机余热回收技术领域。

背景技术

发动机的燃油燃烧热量约有30％以尾气形式排放到大气中，30％以摩擦和冷却散热等方式损失，仅有40％左右以有效功输出。可见，发动机的能量利用率不高。因此，如何最大限度地提高发动机能量利用效率是动力机械及相关学科所重点关注的问题。近年来，发动机余热回收已成为提高能量利用效率的研究热点，且内容广泛。在废气余热回收利用方面，主要有温差发电、取暖、制冷、利用废气余热作功以及混合涡轮增压(又称电辅助涡轮增压)等；冷却液余热回收主要是取暖和制冷。其中，利用废气余热作功的研究主要是基于朗肯循环的热力学装置，包括有机朗肯循环(OrganicRankCycle，ORC)、水蒸汽扩容循环以及Kalina循环等；混合涡轮增压是在废气涡轮增压器主轴上集成一个既能电动又能发电的高速电机，当废气驱动涡轮的能量大于压气机消耗能量时，多余的涡轮能量带动发电机发电并储存到蓄能单元，当涡轮能量不足时，蓄能单元给电机供电，电机驱动增压器转子高速旋转以满足增压需要。可见，涡轮是废气余热回收装置的关键部件。

在冷却液余热回收利用方面，目前主要是驾驶室取暖或加热，还没有看到回收冷却液余热进行作功的报道。一般地，发动机冷却液温度为80℃～95℃，长时间大负荷运行时可升至110℃～120℃左右。通常，这部分能量冬季用以取暖，夏季则直接经冷凝器损失了，同时还要消耗其它额外能量使冷凝器工作。

经查阅相关文献资料发现，几乎所有发动机余热回收装置的膨胀机都选用具有复杂叶片形状的有叶涡轮(简称涡轮)，其优点是技术成熟、性能稳定，缺点是对涡轮进口的气体状态要求苛刻，且涡轮效率受膨胀比限制难以提高。当工质在涡轮中膨胀作功出现气液两相区域时，涡轮效率大幅降低，同时还可能损坏涡轮叶片甚至造成严重事故。

经查阅相关文献资料发现，现有的发动机余热回收装置有废气余热回收、冷却液余热回收等，基本上都是对单一余热进行回收，很少看到对废气余热和冷却液余热进行联合回收的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是对发动机废气余热和冷却液余热进行联合回收，即提供一种发动机低品质余热回收装置，它不仅能够实现发动机冷却液余热和废气余热的联合回收和利用，同时还可以解决现有余热回收装置中涡轮膨胀比小而使废气无法充分膨胀，能量回收率较低的问题。

本发明所涉及的技术方案是一种发动机低品质余热回收装置。它包括发动机、废气涡轮增压器、冷却水套、冷却液、换热器、无叶涡轮、发电机、冷凝器、水泵、流量调节阀、发动机进气管、发动机排气管、冷却液循环管路、控制器、可控风扇等。其特征在于：所述发动机为汽车的动力装置；所述废气涡轮增压器与发动起进、排气管相连，由压气机、废气涡轮等组成，为现有技术的发动机废气涡轮增压器；所述冷却水套设置在发动机内部，冷却水套内充满冷却液；所述冷却液用于冷却发动机的高温零件并吸收热量，为现有技术条件下的发动机冷却液；所述换热器为板式或管片式换热器，废气和冷却液在换热器内部进行热交换；所述无叶涡轮为能量转换装置，由冷却液带动涡轮盘、涡轮轴高速旋转而作功，置于换热器之后；所述发电机由无叶涡轮的涡轮轴驱动，是本发明装置中的能量转换部件，也包括液压泵、水泵等能量转换部件；所述冷凝器置于无叶涡轮之后，为现有技术条件下的冷凝器；所述水泵把冷却液加压后泵入发动机冷却水套，为现有发动机所使用的水泵，包括机械水泵和电子水泵；所述流量调节阀置于冷却液循环管路中，实现对冷却液流量的调节；所述发动机的进气管和排气管分别与废气涡轮增压器的进口和出口相连；所述冷却液循环管路为余热回收装置中各部件的连接管路，为现有技术中的连接管路；所述控制器是余热回收装置的控制单元，对流量调节阀和可控风扇进行控制；所述可控风扇为电子风扇，由控制器依据发动机工况对其进行控制。

所述无叶涡轮由涡轮盘、涡轮轴、涡壳、垫片、压紧螺母和支承轴承等组成。其中，所述涡轮盘为薄型圆盘，其上设有1个中心圆孔和4个中心对称的排水孔；所述涡轮轴为圆柱形，其上加工有2处螺纹，用以安装压紧螺母；所述涡壳为壳体类零件，分别在其两侧设计有冷却液进口、两端设计有冷却液出口，且进口形状有助于冷却液以切线流入；所述垫片为空心圆盘状，内外直径分别对应涡轮轴直径和涡轮盘排水孔相应内径，厚度对应涡轮盘间隙；所述压紧螺母拧紧在涡轮轴上；所述支撑轴承为深沟球轴承，用以支撑涡轮轴。它们的连接关系是：所述垫片和涡轮盘相间地套装于涡轮轴上，以压紧螺母固定；固定后的涡轮盘安装于涡壳内，并通过深沟球轴承支撑在涡壳上。特别地，无叶涡轮中涡轮盘的数目，对发动机低品质余热回收装置的回收率有重要影响，应进行合理设计。

本发明的积极效果和优点在于：

本发明提出的发动机低品质余热回收装置，具有以下积极效果和优点：(1)发动机废气经废气涡轮增压器膨胀作功后，温度仍高于冷却液温度，之后进入换热器与冷却液进行热交换，冷却液在换热器中吸热温度升高后进入无叶涡轮作功并带动发电机发电，实现了废气余热和冷却液余热的联合回收，提高了发动机地能量利用效率；(2)无叶涡轮对工质状态没有严格要求，可以实现两相流动，因此冷却液可以在无叶涡轮中充分膨胀并实现能量回收最大化；(3)发动机废气余热经涡轮膨胀作功后，再次向冷却液放热，实现了废气余热的梯级利用，提高了余热回收效率；(4)与背景技术中发动机余热回收装置中的有叶涡轮相比，无叶涡轮可以实现小流量条件下的能量回收，且制造简单，维护成本低；(5)与背景技术中的发动机废气余热回收装置相比，本发明未引入其它工质，结构简单、成本低、可靠性高。

附图说明

图1为发动机低品质余热回收装置示意图。

图2为无叶涡轮纵剖面结构示意图。

图3为无叶涡轮盘结构示意图。

上述附图中的各标记意义如下：

1.发动机；2.废气涡轮增压器；3.发动机冷却水套；4.冷却液；5.换热器；6.无叶涡轮；7.发电机；8.冷凝器；9.水泵；10.流量旁通阀；11.发动机进气管；12.发动机排气管；13.冷却液循环管路；14控制器；15.可控风扇；16.压气机；17.增压涡轮；18.发动机废气；19.控制电路；20.涡轮盘；21.涡轮轴；22.涡壳；23.垫片；24.压紧螺母；25.支撑轴承；26.涡壳入口；27.涡壳出口；28.排水孔；29.轴孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，为本发明的整体结构示意图。发动机低品质余热回收装置包括发动机(1)、废气涡轮增压器(2)、发动机冷却水套(3)、冷却液(4)、换热器(5)、无叶涡轮(6)、发电机(7)、冷凝器(8)、水泵(9)、流量调节阀(10)、发动机进气管(11)、发动机排气管(12)、冷却液循环管路(13)、控制器(14)、可控风扇(15)、压气机(16)、增压器涡轮(17)、废气(18)、控制线路(19)等。

如图2所示，为本发明的无叶涡轮纵剖面结构示意图。包括涡轮盘(20)、涡轮轴(21)、涡壳(22)、垫片(23)、压紧螺母(24)和支承轴承(25)、涡壳入口(26)、涡壳出口(27)等。

如图3所示。为本发明的无叶涡轮盘结构示意图。包括涡轮盘(20)、排水孔(28)、轴孔(29)等。

如图1所示。具体实施时，发动机(1)工作时温度升高并产生废气；废气经排气管(12)进入废气涡轮增压器(2)，在其中膨胀作功后排出并进入换热器(5)；再具体地详细说明为：废气经排气管(12)进入增压器涡轮(17)膨胀作功并驱动压气机(16)工作，压气机(16)把进入其中的空气增压后经进气管(11)送入发动机(1)燃烧，涡轮(17)排出的废气(18)进入换热器(5)；冷却液(4)在发动机冷却水套(3)中吸热后温度升高，然后由冷却水套流出并与经过流量调节阀(10)的冷却液混合后进入换热器(5)；在换热器(5)中，冷却液(4)与废气(18)进行热交换，冷却液(4)吸收废气(18)的热量后温度升高；升温后的冷却液(4)经冷却液循环管路(13)进入无叶涡轮(6)，无叶涡轮(6)的入口经特殊设计以提高冷却液(4)的入口速度；冷却液(4)在无叶涡轮中带动涡轮盘(20)高速旋转，由于压紧螺母(24)把涡轮盘(20)和垫片(23)压紧在涡轮轴(21)上，因此涡轮盘(20)带动涡轮轴(21)高速旋转；涡轮轴(21)驱动发电机(7)工作并输出电能，实现了发动机低品质余热的回收利用。

针对无叶涡轮(6)，如图2所示。具体实施时，涡轮盘(20)与垫片(23)被压紧螺母(24)固定在涡轮轴(21)上，共同组成涡轮转子并装配于涡壳(22)内部，由两端的支撑轴承支撑于涡壳上；由换热器流出的冷却液(4)从涡壳入口(26)以切线方向高速流入无叶涡轮，并带动涡轮盘(20)和涡轮轴(21)高速旋转，之后由涡轮盘上的排水孔(28)经涡壳出口(27)流出并进入冷凝器(8)。

如图1所示。具体实施时，进入冷凝器(8)的冷却液(4)温度进一步降低为正常的发动机冷却水温，然后由水泵(9)泵入发动机(1)的冷却水套(3)，实现对发动机(1)的冷却，完成一个工作循环。

为了保证发动机正常工作，在余热回收装置中设计有控制器(14)、流量调节阀(10)和可控风扇(15)，可根据发动机(1)的运行工况对泵入冷却水套(3)的冷却液流量进行调节。

如图3所示。具体实施时，冷却液(4)从排水孔(28)中排出。

Claims (9)

1.一种发动机低品质余热回收装置，包括发动机(1)、废气涡轮增压器(2)、发动机冷却水套(3)、冷却液(4)、换热器(5)、无叶涡轮(6)、发电机(7)、冷凝器(8)、水泵(9)、流量调节阀(10)、发动机进气管(11)、发动机排气管(12)、冷却液循环管路(13)、控制器(14)、可控风扇(15)、压气机(16)、增压器涡轮(17)、废气(18)、控制线路(19)、涡轮盘(20)、涡轮轴(21)、涡壳(22)、垫片(23)、压紧螺母(24)、支承轴承(25)、涡壳入口(26)、涡壳出口(27)、排水孔(28)和轴孔(29)等。其特征在于：发动机(1)为汽车的动力装置；废气涡轮增压器(2)为现有技术的发动机废气涡轮增压器；冷却水套(3)设置在发动机内部，其中充满冷却液(4)；冷却液(4)用于冷却发动机的高温零件并吸收热量，为现有技术条件下的发动机冷却液；换热器(5)为板式或管片式换热器，废气和冷却液在换热器内部进行热交换；无叶涡轮(6)为能量转换装置，置于换热器(5)之后，由冷却液(4)带动涡轮盘(20)、涡轮轴(21)高速旋转而作功；发电机(7)由无叶涡轮(6)的涡轮轴(21)驱动，为本发明装置中的能量转换部件，也包括选用液压泵、水泵等能量转换部件；冷凝器(8)置于无叶涡轮之后，为现有技术条件下的冷凝器；水泵(9)把冷却液加压后泵入发动机冷却水套(3)，为现有发动机所使用的水泵，包括机械水泵和电子水泵；流量调节阀(10)置于冷却液循环管路(13)中，实现对冷却液流量的调节；发动机的进气管(11)和排气管(12)分别与废气涡轮增压器的进口和出口相连；冷却液循环管路(13)为余热回收装置中各部件的连接管路；控制器(14)是余热回收装置的控制单元，对流量调节阀(10)和可控风扇(15)进行控制；可控风扇(15)为电子风扇，由控制器依据发动机工况对其进行控制。

2.根据权利要求1所述的发动机低品质余热回收装置，其特征在于：废气涡轮增压器(2)排出的废气(18)与发动机(1)流出的冷却液(4)在换热器(5)内部进行热交换，冷却液(4)温度升高后进入无叶涡轮(6)作功，无叶涡轮(6)带动发电机(7)发电，实现对发动机冷却水余热和废气余热的联合回收和利用。

3.根据权利要求1所述的发动机低品质余热回收装置，其特征在于：发动机(1)排出的废气(18)经废气涡轮增压器(2)膨胀作功后，进入换热器(5)与冷却液(4)进行热交换，实现废气能量的梯级利用。

4.根据权利要求1所述的发动机低品质余热回收装置，其特征在于：根据发动机(1)的运行工况，控制器(14)、流量调节阀(10)和可控风扇(15)，对泵入冷却水套(3)的冷却液流量进行调节，以保证发动机正常工作。

5.根据权利要求1所述的发动机低品质余热回收装置，其特征在于：以无叶涡轮(6)回收发动机冷却液(4)热量，并带动发电机(7)发电，实现发动机低品质余热的回收利用。

6.根据权利要求1所述的发动机低品质余热回收装置，其特征在于：无叶涡轮(6)由涡轮盘(20)、涡轮轴(21)、涡壳(22)、垫片(23)、压紧螺母(24)和支承轴承(25)等组成。涡轮盘(20)为薄型圆盘；涡轮轴为圆柱形(21)；涡壳(22)为壳体类零件；垫片(23)为空心圆盘状，内外直径分别对应涡轮轴(21)直径和涡轮盘排水孔(28)相应内径，厚度对应涡轮盘(20)间隙；压紧螺母(24)拧紧在涡轮轴(21)上；支撑轴承(25)为深沟球轴承。它们的连接关系是：垫片(23)和涡轮盘(20)相间地套装于涡轮轴(21)上，以压紧螺母(24)固定；固定后的涡轮盘(20)安装于涡壳(22)内，并通过深沟球轴承支撑在涡壳(22)上。

7.根据权利要求1所述的发动机低品质余热回收装置，其特征在于：无叶涡轮(6)中涡轮盘(20)的数目，依据发动机主要技术参数进行合理设计。

8.根据权利要求1所述的发动机低品质余热回收装置，其特征在于：以无叶涡轮(6)回收发动机冷却液热量，由无叶涡轮轴(21)输出作功，涡轮轴(21)驱动的能量转换装置包括液压泵、水泵、发电机等装置。

9.根据权利要求1所述的发动机低品质余热回收装置，其特征在于：无叶涡轮(21)对工质状态没有严格限制，其内部可以实现气液两相流动，进而充分地回收发动机余热。