專利名稱：發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)及其回收方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機排氣能量回收系統(tǒng)及其方法，具體是ー種發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)及其回收方法。
背景技術(shù)：
從目前發(fā)動機的熱平衡來看，用于動カ輸出的功率只占燃油燃燒總熱量的40% -50% (柴油機)或25%-40% (汽油機)，其它熱量則經(jīng)由冷卻系統(tǒng)和廢氣排入到大氣環(huán)境中。因此，回收利用發(fā)動機余熱是提高發(fā)動機熱效率的有效途徑。從國內(nèi)外排氣能量利用的技術(shù)途徑上來看，有制冷、采暖、溫差發(fā)電、燃料催化重整、后接動カ渦輪、加裝動カ循環(huán)裝置等方式。由于排氣能量具有品位低、回收比較困難的 特點，使得現(xiàn)有的ー些技術(shù)仍存在許多問題，如利用溫差發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率不高，采用燃料催化重整技術(shù)實施過程比較困難，利用余熱制冷和采暖用途比較單一，動カ渦輪適用范圍較窄，后接動カ循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜等等。中國專利公開號CN1363764A，
公開日2002年8月14日，發(fā)明的名稱為內(nèi)燃機注汽渦輪增壓系統(tǒng)，該申請案公開了ー種利用發(fā)動機排氣熱能加熱液態(tài)水，并將加熱后的過熱水蒸氣注入到渦輪前進行氣汽混合來增大渦輪膨脹功，從而達到改善發(fā)動機部分負(fù)荷性能的注汽渦輪增壓系統(tǒng)。由于高負(fù)荷エ況下發(fā)動機進氣參數(shù)受到爆發(fā)壓カ等條件的約束，因此限制了注汽渦輪增壓系統(tǒng)在高工況下的能量回收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供了一種發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)及其回收方法。它能改善渦輪增壓發(fā)動機熱效率、提高渦輪增壓發(fā)動機輸出功率。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的?！N發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)，包括壓氣機、配氣機構(gòu)、氣缸、潤輪、熱交換器、增壓水泵、引流管、排氣管、旁通管、熱交換器出氣管，其中，配氣機構(gòu)安裝在氣缸上，渦輪出氣管的出氣ロ、排氣管的進氣ロ、增壓水泵出水管的出水ロ、熱交換器出氣管的進氣ロ均與熱交換器相連接，熱交換器出氣管、旁通管及引流管通過三通管相連接，引流管安裝在渦輪進氣管上，壓氣機的進出口分別與壓氣機進氣管的出氣口和壓氣機出氣管的進氣ロ相連接，壓氣機出氣管的出氣ロ與氣缸相連接，渦輪的進出氣ロ分別與渦輪進氣管的出氣ロ和渦輪出氣管的進氣ロ相連接，渦輪進氣管的進氣ロ與氣缸相連接，增壓水泵的進出口分另IJ與增壓水泵進水管的出水口和增壓水泵出水管的進水口相連接。所述配氣機構(gòu)為可變氣門正時與升程的配氣機構(gòu)。所述發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)，還包括流量調(diào)節(jié)閥和旁通閥，其中，流量調(diào)節(jié)閥安裝在引流管上，旁通閥安裝在旁通管上。ー種利用所述發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)的回收方法，包括如下步驟步驟ー水通過熱交換器將發(fā)動機排出的高溫低壓的廢氣熱能轉(zhuǎn)化為高溫高壓具有做功能力的水蒸氣的壓能；步驟ニ具有做功能力的水蒸氣流經(jīng)渦輪，將壓能轉(zhuǎn)化為渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)機械能，并使得壓氣機的出ロ參數(shù)増大；步驟三通過調(diào)節(jié)配氣機構(gòu)中進氣門的關(guān)閉正時來保證發(fā)動機的最大爆發(fā)壓カ在許用范圍之內(nèi)，同時由于發(fā)動機進氣壓カ顯著増大，排氣能量最終以泵氣正功的形式在缸內(nèi)完成整個回收過程。發(fā)動機在注汽エ況運轉(zhuǎn)時，水經(jīng)水泵作用流經(jīng)熱交換器，并以發(fā)動機排出的廢氣為熱源，發(fā)生汽化吸熱過程，將廢氣熱能轉(zhuǎn)化為具有做功能力的水蒸氣的壓能；具有做功能力的水蒸氣注入到渦輪前，在渦輪內(nèi)膨脹做功用來增大渦輪的輸出功；經(jīng)渦前注汽之后，增大的渦輪輸出功使得同軸連接的壓氣機出口參數(shù)變大，通過調(diào)節(jié)配氣機構(gòu)改變進氣門關(guān)閉正時，來改變實際進入發(fā)動機的進氣量，以此來保證發(fā)動機的最高爆發(fā)壓カ在許用范圍之內(nèi)；由于渦前注汽過程使得流經(jīng)渦輪濕燃?xì)獾淖龉δ芰γ黠@增大，壓氣機的出口壓カ顯著増加，同時渦前壓カ只是因渦前流量增大而稍有増加，故而經(jīng)汽化吸熱所回收到的發(fā)動機排氣能量以泵氣正功的形式在缸內(nèi)完成整個回收過程。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)進氣門的關(guān)閉正時來保證發(fā)動機的最高爆發(fā)壓カ在許用范圍之內(nèi)，從而實現(xiàn)排氣能量以泵氣正功的形式在缸內(nèi)完成整個回收過程，其有益效果包括(I)采用所述能量回收系統(tǒng)可使發(fā)動機最高爆發(fā)壓カ控制在許用范圍之內(nèi)，解決了爆發(fā)壓カ限制高工況下能量回收的難題；(2)采用所述能量回收系統(tǒng)可有效改進發(fā)動機的熱效率，減少燃油消耗；(3)采用所述能量回收系統(tǒng)在發(fā)動機整機結(jié)構(gòu)不變的條件下通過增加ー些附加設(shè)備即可實現(xiàn)，相比于其它加裝動カ循環(huán)裝置的排氣能量回收方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的優(yōu)勢。


圖I為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明方法效果示意圖。圖中，I為壓氣機，2為配氣機構(gòu)，3為氣缸，4為渦輪，5為熱交換器，6為增壓水泵，7為旁通閥，8為流量調(diào)節(jié)閥，9為壓氣機進氣管，10為壓氣機出氣管，11為渦輪進氣管，12為引流管，13為旁通管，14為渦輪出氣管，15為排氣管，16為增壓水泵進水管，17為增壓水泵出水管，18為熱交換器出氣管。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例?！N發(fā)發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)，包括壓氣機、配氣機構(gòu)、氣缸、潤輪、熱交換器、增壓水泵、引流管、旁通管、排氣管、熱交換器出氣管，其中，配氣機構(gòu)安裝在氣缸上，渦輪出氣管的出氣ロ、排氣管的進氣ロ、增壓水泵出水管的出水ロ、熱交換器出氣管的進氣ロ均與熱交換器相連接，熱交換器出氣管、旁通管及引流管通過三通管相連接，引流管安裝在、渦輪進氣管上，壓氣機的進出口分別與壓氣機進氣管的出氣口和壓氣機出氣管的進氣ロ相連接，壓氣機出氣管的出氣ロ與氣缸相連接，渦輪的進出氣ロ分別與渦輪進氣管的出氣ロ和渦輪出氣管的進氣ロ相連接，渦輪進氣管的進氣ロ與氣缸相連接，增壓水泵的進出口分另Ij與增壓水泵進水管的出水口和增壓水泵出水管的進水口相連接。所述配氣機構(gòu)為可變氣門正時與升程的配氣機構(gòu)。所述發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)，還包括流量調(diào)節(jié)閥和旁通閥，其中，流量調(diào)節(jié)閥安裝在引流管上，旁通閥安裝在旁通管上。ー種利用所述發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)的回收方法，包括如下步驟步驟ー水通過熱交換器將發(fā)動機排出的高溫低壓的廢氣熱能轉(zhuǎn)化為高溫高壓具有做功能力的水蒸氣的壓能；
步驟ニ具有做功能力的水蒸氣流經(jīng)渦輪，將壓能轉(zhuǎn)化為渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)機械能，并使得壓氣機的出ロ參數(shù)増大；步驟三通過調(diào)節(jié)配氣機構(gòu)中進氣門的關(guān)閉正時來保證發(fā)動機的最大爆發(fā)壓カ在許用范圍之內(nèi)，同時由于發(fā)動機進氣壓カ顯著増大，排氣能量最終以泵氣正功的形式在缸內(nèi)完成整個回收過程。具體為如圖I所示,本實施例提供的發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng),包括壓氣機I、配氣機構(gòu)2、氣缸3、渦輪4、熱交換器5、增壓水泵6、引流管12、旁通管13、排氣管15、熱交換器出氣管18，其中，配氣機構(gòu)2安裝在氣缸3上，熱交換器出氣管18、旁通管13及引流管12三通連接，引流管12安裝在渦輪進氣管11上。壓氣機I的進出ロ分別與壓氣機進氣管9的出氣口和壓氣機出氣管10的進氣ロ相連接，壓氣機出氣管10的出氣ロ與氣缸相連接。渦輪4的進出氣ロ分別與渦輪進氣管11的出氣口和渦輪出氣管14的進氣ロ相連接，渦輪出氣管14的出氣ロ、排氣管15的進氣ロ、增壓水泵出水管17的出水ロ、熱交換器出氣管18的進氣ロ均與熱交換器相連接，渦輪進氣管11的進氣ロ與氣缸相連接。增壓水泵6的進出ロ分別與增壓水泵進水管16的出水口和增壓水泵出水管17的進水ロ相連接。還包括流量調(diào)節(jié)閥8和旁通閥7，流量調(diào)節(jié)閥8安裝在引流管12上，旁通閥7安裝在旁通管13上。如圖2所示，本實施例提供的發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收方法包括以下步驟步驟ー水通過熱交換器5將發(fā)動機排出的高溫低壓的廢氣熱能轉(zhuǎn)化為高溫高壓具有做功能力的水蒸氣的壓能；步驟ニ 具有做功能力的水蒸氣流經(jīng)渦輪4，將壓能轉(zhuǎn)化為渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)機械能，并使得壓氣機I的出ロ參數(shù)變大；步驟三通過調(diào)節(jié)配氣機構(gòu)2中進氣門的關(guān)閉正時來保證發(fā)動機的最大爆發(fā)壓カ在許用范圍之內(nèi)，同時由于發(fā)動機進氣壓カ顯著増大，排氣能量最終以泵氣正功的形式在缸內(nèi)完成整個回收過程。發(fā)動機在不注汽エ況運轉(zhuǎn)時，即為原機運轉(zhuǎn)エ況，空氣經(jīng)壓氣機I壓縮達到預(yù)期的增壓壓力，在配氣機構(gòu)2的作用下流經(jīng)氣缸3，經(jīng)缸內(nèi)循環(huán)過程變?yōu)閺U氣后流經(jīng)渦輪4，經(jīng)膨脹做功后的廢氣流經(jīng)熱交換器5之后，排入到大氣環(huán)境中。發(fā)動機在注汽エ況運轉(zhuǎn)吋，水在增壓水泵6的作用下達到一定的工作壓カ，經(jīng)熱交換器5之后變?yōu)檫^熱水蒸氣。在熱交換器5中，水同高溫低壓廢氣發(fā)生熱交換，整個過程可近似看作水的定壓加熱過程。至此，高溫廢氣中的熱能通過熱交換器轉(zhuǎn)化為高溫高壓具有做功能力的水蒸氣的壓能。過熱水蒸氣在流量調(diào)節(jié)閥8，旁通閥7的控制下，噴注到渦輪前的管路中，在渦輪前同氣缸3排出的廢氣發(fā)生氣汽混合過程，最終達到相同的溫度?；旌现蟮臐袢?xì)饬鹘?jīng)渦輪4膨脹做功，最終流經(jīng)熱交換器5排入到大氣環(huán)境中。由于渦輪前過熱水蒸氣的注入使得渦輪功顯著増大，増大的渦輪功使得同軸連接的壓氣機壓比及流量大幅増加。對于壓氣機I増大的出口參數(shù)，采用調(diào)節(jié)配氣機構(gòu)2的方法使得進氣門提前或者延遲關(guān)閉，來控制實際進入發(fā)動機的空氣流量以及進氣壓力，進而限制發(fā)動機的最高爆發(fā)壓カ在許用范圍之內(nèi)。在保證同原機具有相同的空氣流量的條件下，根據(jù)渦輪增壓器能量平衡關(guān)系式可明顯看出，増大的渦輪功將會使得進氣壓力大幅提高，進而泵氣正功顯著增カロ，至此排氣能量以泵氣正功的形式在缸內(nèi)完成整個回收過程。為了保證在各エ況下發(fā)動機同渦輪增壓器具有較好的匹配，所述配氣機構(gòu)可以是 可變氣門正時與升程的配氣機構(gòu)。為了保證發(fā)動機在不注汽的エ況下能夠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，所述熱交換器應(yīng)當(dāng)允許干式運行。以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動都是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)，其特征在于，包括壓氣機、配氣機構(gòu)、氣缸、潤輪、熱交換器、增壓水泵、引流管、排氣管、熱交換器出氣管和旁通管，其中，配氣機構(gòu)安裝在氣缸上，渦輪出氣管的出氣ロ、排氣管的進氣ロ、增壓水泵出水管的出水ロ、熱交換器出氣管的進氣ロ均與熱交換器相連接，熱交換器出氣管、旁通管及引流管通過三通管相連接，弓丨流管安裝在渦輪進氣管上，壓氣機的進出口分別與壓氣機進氣管的出氣口和壓氣機出氣管的進氣ロ相連接，壓氣機出氣管的出氣ロ與氣缸相連接，渦輪的進出氣ロ分別與渦輪進氣管的出氣口和渦輪出氣管的進氣ロ相連接，渦輪進氣管的進氣ロ與氣缸相連接，增壓水泵的進出口分別與增壓水泵進水管的出水口和增壓水泵出水管的進水口相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)，其特征在于，所述配氣機構(gòu)為可變氣門正時與升程的配氣機構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)，其特征在于，還包括流量調(diào)節(jié)閥和旁通閥，其中，流量調(diào)節(jié)閥安裝在引流管上，旁通閥安裝在旁通管上。
4.ー種利用如權(quán)利要求I所述的發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)的回收方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟ー水通過熱交換器將發(fā)動機排出的高溫低壓的廢氣熱能轉(zhuǎn)化為高溫高壓具有做功能力的水蒸氣的壓能； 步驟ニ 具有做功能力的水蒸氣流經(jīng)渦輪，將壓能轉(zhuǎn)化為渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)機械能，并使得壓氣機的出ロ參數(shù)增大； 步驟三通過調(diào)節(jié)配氣機構(gòu)中進氣門的關(guān)閉正時來保證發(fā)動機的最大爆發(fā)壓カ在許用范圍之內(nèi)，同時由于發(fā)動機進氣壓カ顯著増大，排氣能量最終以泵氣正功的形式在缸內(nèi)完成整個回收過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)動機排氣能量缸內(nèi)回收系統(tǒng)及其回收方法，回收系統(tǒng)包括壓氣機、配氣機構(gòu)、氣缸、渦輪、熱交換器、增壓水泵、引流管、旁通管、排氣管和熱交換器出氣管，其中，熱交換器出氣管、旁通管及引流管三通連接，引流管安裝在渦輪上；回收方法第一步將排氣熱能轉(zhuǎn)化為過熱水蒸氣的壓能，第二步將過熱水蒸氣的壓能通過渦前注汽轉(zhuǎn)化為渦輪增壓器旋轉(zhuǎn)機械能，并以此來增大壓氣機的出口參數(shù)，第三步通過調(diào)節(jié)配氣機構(gòu)，將發(fā)動機排出的廢氣能量最終以泵氣正功的形式完成整個回收過程。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)配氣機構(gòu)使得排氣能量在缸內(nèi)完成整個回收過程，可以有效提高發(fā)動機熱效率，增大發(fā)動機輸出功率，具有現(xiàn)實可行性。
文檔編號F02B41/10GK102678287SQ20121012895
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者崔毅, 曲栓, 朱思鵬, 鄧康耀 申請人:上海交通大學(xué)