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CN103726950A - 二冲程内燃机双回路余热回收系统 - Google Patents

二冲程内燃机双回路余热回收系统 Download PDF

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CN103726950A CN201310755644.7A CN201310755644A CN103726950A CN 103726950 A CN103726950 A CN 103726950A CN 201310755644 A CN201310755644 A CN 201310755644A CN 103726950 A CN103726950 A CN 103726950A
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张承宇
于国鹏
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了一种二冲程内燃机双回路余热回收系统，其技术方案为：由高温换热器、第一膨胀机、散热器、水泵等4个部件的工质侧、以及发动机的水套侧依次连接，组成第一回路朗肯循环系统；由低温预热器、低温换热器、第二膨胀机、散热器等4个部件的工质侧、以及工质泵依次连接，组成第二回路朗肯循环系统。第一循环回路通过散热器与第二循环回路连接。空气经涡轮增压器、低温预热器进入发动机气缸，气缸的高温排气经过涡轮增压器、高温换热器以及低温换热器排出。本发明突破ORC技术在发动机排气余热回收上的限制，通过合理的布局装配，使发动机整机装配空间得到充分利用，使其余热回收效率得到大幅提高。

Description

二冲程内燃机双回路余热回收系统
技术领域
本发明属于内燃机余热利用技术，具体涉及一种二冲程内燃机双回路节能减排余热回收系统。
背景技术
随着能源短缺和环境污染问题的突出，内燃机节能减排的技术措施日益受到世人关注。有机朗肯循环（ORC）以其热效率和安全性较高的特点，目前已成为内燃机余热回收研究的热点。然而ORC所用工质的分解温度一般低于350℃，而发动机排气温度一般高达500～600℃。较高的温度有可能会造成有机工质分解，这是制约ORC在高温余热回收利用的关键点之一。另一方面，ORC相对于其它余热回收的循环装置而言，虽结构相对简单，但作为内燃机余热回收装置其系统体积较大，安装于发动机将会受到整机装配空间的限制，这也是制约ORC用于内燃机余热回收的主要原因。
目前朗肯循环回收余热的技术大多集中在四冲程发动机上。二冲程内燃机气缸体上有三个孔，即进气孔、排气孔和换气孔，在两个行程内完成一次循环，升功率大，结构简单、轻便。但是二冲程内燃机扫气耗功大，燃油消耗率高，排放性差，如果对其排气余热进行回收，其经济和环境效益则更大。此外，二冲程内燃机的逆循环过程可以作膨胀过程。其做法是将换气孔变成排气孔，排气阀用于控制进气流动，这样，二冲程内燃机就可以用作膨胀机，从而省去ORC系统中的膨胀机，降低系统规模和成本。
因此，如果能提出一种既能将发动机排气的高温余热得到充分回收，同时又不需要大范围改变系统的装配布局，则是推广内燃机节能减排技术之所求。
发明内容
针对上述技术缺陷，本发明的目的是提出一种二冲程内燃机双回路余热回收系统。
以下结合附图对本发明的原理与系统组成进行说明。二冲程内燃机双回路余热回收系统包括：高温换热器、低温换热器、第一第二膨胀机、散热器、水泵、工质泵、中冷器、发动机以及涡轮增压器等。其系统设计方案为：由高温换热器、第一膨胀机、散热器、第一工质泵4个部件的工质侧、以及发动机的水套侧依次连接，组成第一回路朗肯循环系统。由中冷器、低温换热器、第二膨胀机、散热器4个部件的工质侧、以及第二工质泵依次连接，组成第二回路朗肯循环系统。第一循环回路通过散热器与第二循环回路连接，空气经涡轮增压器、中冷器进入发动机气缸，气缸的高温排气经过涡轮增压器、高温换热器以及低温换热器换热后排出。发动机为6缸发动机，第一膨胀机是发动机的第一缸；第二膨胀机是发动机的第六缸。
气缸上有进、排气及换气口，当发动机气缸中的活塞做往复运动时，气缸容积便周期地变化，它与吸气口、排气口的启闭相配合，实现膨胀排气与吸气压缩过程的工作循环。二冲程发动机工作的逆过程与往复式膨胀机的工作过程相类似，只不过是这两个气缸中工作的工质不是燃油混合气，而是循环工质。因此，本发明发动机中的两个缸，通过进、排气过程次序的更换作为往复式膨胀机使用，从而省去ORC系统中的膨胀机，降低系统规模和成本。
系统原理是：第一回路朗肯循环是蒸汽朗肯循环，所采用工质为发动机冷却水。第一回路朗肯循环的热源是发动机排气的高温余热，利用蒸汽循环系统来驱动发动机发电。冷却水一方面能够使冷却系统始终处于最佳的工作状态，保证内燃机的正常工作温度，另一方面，又作为朗肯循环的工质，在整个系统中，发挥双重作用，简化系统降低系统运行成本。第二回路朗肯循环的热源主要是经过（与高温换热器）一次换热后的发动机排气，高温废气经过与高温换热器换热后，其温度已降至350℃以下，所以可以采用适于中高温热源的有机朗肯循环，由此实现二冲程内燃机排气余热的充分利用，达到节能和系统高效热力循环的目的。
本发明的特点及有益效果是，可以突破（较低的有机工质分解温度）ORC技术在内燃机排气余热回收上的限制，实现废气余热的安全高效回收，同时不需对系统的总体布局做过多的调整，占用过大的空间，达到节能减排的目的。
附图说明
所示附图为本发明系统部件连接结构原理图。图中的黑实线表示进排气路径，短虚线代表第一回路朗肯循环，长虚线代表第二回路朗肯循环。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的原理与设置方案做进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而非是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。
二冲程内燃机双回路余热回收系统，其系统组成为：由高温换热器1、第一膨胀机2、散热器4、第一工质泵3所述4个部件的工质侧、以及发动机9的水套侧依次连接，组成第一回路朗肯循环系统（图中短虚线框架）。由中冷器5、低温换热器6、第二膨胀机7、散热器所述4个部件的工质侧、以及第二工质泵8依次连接，组成第二回路朗肯循环系统（图中长虚线框架），第一循环回路通过散热器与第二循环回路连接。空气经涡轮增压器10、中冷器进入发动机气缸，气缸的高温排气经过涡轮增压器、高温换热器以及低温换热器换热后排出。发动机为6缸发动机，第一膨胀机是发动机的第一缸；第二膨胀机是发动机的第六缸。第一回路朗肯循环中的工质为水。第二回路循环中所用的工质为R245fa（CF3CH2CHF2）。涡轮增压器包括两部分，即涡轮机与压气机，通过轴连构成涡轮增压器。
本发明的工作过程为：新鲜空气经涡轮增压器（压气机压缩）、中冷器（预热）与燃油混合后进入气缸参与燃烧。高温排气从排气管经（涡轮机）涡轮增压器、高温换热器、低温换热器排出。工质（水）由第一工质泵送入发动机，作为冷却水对气缸进行冷却，此时冷却水被加热，之后经高温换热器加热成饱和蒸汽，送入第一膨胀机做功。做功后的乏汽经散热器冷却为液体，重新送回到泵处。有机工质由第二工质泵送入中冷器预热后进入低温换热器，换热蒸发为饱和（或过热）的高温高压气体，送入第二膨胀机做功，之后经散热器冷却，送回第二工质泵，继续参与循环。
本系统通过合理的布局装配，使发动机整机装配空间得到充分利用，在使发动机高温排气余热得到利用的基础上，使其余热回收效率得到大幅提高。

Claims (4)

1.二冲程内燃机双回路余热回收系统，包括高温换热器、低温换热器、膨胀机、散热器、工质泵、中冷器、涡轮增压器以及发动机等，其特征在于：由高温换热器（1）、第一膨胀机（2）、散热器（4）、第一工质泵（3）所述4个部件的工质侧、以及发动机（9）的水套侧依次连接，组成第一回路朗肯循环系统；由中冷器（5）、低温换热器（6）、第二膨胀机（7）、散热器所述4个部件的工质侧、以及第二工质泵（8）依次连接，组成第二回路朗肯循环系统，第一循环回路通过散热器与第二循环回路连接，空气经涡轮增压器（10）、中冷器进入发动机气缸，气缸的高温排气经过涡轮增压器、高温换热器以及低温换热器换热后排出。
2.根据权利要求1所述的二冲程内燃机双回路余热回收系统，其特征是所述发动机（9）为6缸发动机，所述第一膨胀机是发动机的第一缸；所述第二膨胀机是发动机的第六缸。
3.根据权利要求1所述的二冲程内燃机双回路余热回收系统，其特征是所述第一回路朗肯循环中的工质为水。
4.根据权利要求1所述的二冲程内燃机双回路余热回收系统，其特征是所述第二回路循环中的工质为R245fa。
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