專利名稱：帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于余熱回收技術(shù)領(lǐng)域，涉及帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用利用導(dǎo)熱油回路將內(nèi)燃機(jī)排氣中的余熱傳遞給有機(jī)朗肯循環(huán)回路蒸發(fā)器中的工質(zhì)，利用串聯(lián)在有機(jī)朗肯循環(huán)回路中的蓄熱器從有機(jī)工質(zhì)吸收熱量或釋放熱量給有機(jī)工質(zhì)，采用單螺桿膨脹機(jī)輸出有用功帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)分別調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油回路、有機(jī)朗肯循環(huán)回路和蓄熱回路的熱力循環(huán)工作狀態(tài)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前車用內(nèi)燃機(jī)的燃料燃燒產(chǎn)生的熱能只有一小部份被轉(zhuǎn)換為有用功輸出，還有近三分之二的熱能被發(fā)動機(jī)的排氣、冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)本體的對流和輻射散熱白白消耗掉。如果這部份浪費(fèi)的能量能得到有效利用，一方面可以提高發(fā)動機(jī)燃料的總熱效率，節(jié)省能源消耗量，另一方面，可以降低內(nèi)燃機(jī)做功時向環(huán)境的散熱，改善環(huán)境質(zhì)量，減緩全球變暖的趨勢。目前利用內(nèi)燃機(jī)廢棄的余熱的方法主要有:利用余熱取暖，利用廢氣高溫的溫差發(fā)電，利用余熱的吸附式熱泵制冷和利用余熱的有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電或輸出有用功。利用余熱取暖在冬季可以較好的利用發(fā)動機(jī)的余熱，但在其它季節(jié)不需要取暖時無法充分利用內(nèi)燃機(jī)的余熱。利用溫差發(fā)電技術(shù)受到轉(zhuǎn)換效率低的限制，目前還無法實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的應(yīng)用。利用吸附式熱泵制冷裝置往往體積太大，效率不高，也不適合車用內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用。利用有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱回收技術(shù)在當(dāng)前效率是最高的，采用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)目前還在研究階段，當(dāng)前的型式都很少考慮車用內(nèi)燃機(jī)工作工況變化范圍廣，動態(tài)工作過程持續(xù)時間長，余熱熱量不穩(wěn)定的特點(diǎn)，在某一個工況點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)余熱的最大化利用，但在其它工況點(diǎn)則很難做到。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)及控制方法。針對車用內(nèi)燃機(jī)工作時排氣余熱熱量變化大不穩(wěn)定的特點(diǎn)，利用相變蓄熱材料來調(diào)節(jié)排氣余熱熱量在工作過程中的分配，保證內(nèi)燃機(jī)動態(tài)工作過程中因排氣余熱大范圍變化時有機(jī)朗肯循環(huán)回路中有機(jī)工質(zhì)流量的變化不致太大，從而保證膨脹機(jī)輸出功率波動幅度不大，能實(shí)現(xiàn)有機(jī)朗肯循環(huán)回路穩(wěn)定的功率輸出，同時有利于延長工作部件的壽命。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案:利用排氣溫度閉環(huán)反饋控制的導(dǎo)熱油回路將內(nèi)燃機(jī)排氣帶走的余熱充分傳遞給有機(jī)朗肯循環(huán)回路的有機(jī)工質(zhì)，利用過熱溫度閉環(huán)反饋控制的蓄熱回路來調(diào)節(jié)工作過程中余熱的釋放速度、利用冷凝溫度分別閉環(huán)反饋控制結(jié)合開環(huán)控制的有機(jī)朗肯循環(huán)回路將導(dǎo)熱油回路傳遞過來的余熱轉(zhuǎn)換為有用功輸出，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，導(dǎo)熱油回路和有機(jī)朗肯循環(huán)回路通過蒸發(fā)器耦合在一起，蓄熱回路和有機(jī)朗肯循環(huán)回路通過蓄熱器耦合在一起。本發(fā)明的帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)，包括導(dǎo)熱油回路，有機(jī)朗肯循環(huán)回路，蓄熱回路和控制通路。所述的導(dǎo)熱油回路，包含工質(zhì)泵11，排氣熱交換器4，蒸發(fā)器8，排氣常開開關(guān)閥5，排氣常閉開關(guān)閥6以及連接它們的管道；調(diào)節(jié)電機(jī)9與工質(zhì)泵11相連并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力調(diào)節(jié)閥10與工質(zhì)泵11并聯(lián)，用于限制導(dǎo)熱油回路的最高壓力差，排氣熱交換器4串接在渦輪出口的排氣管上，排氣熱交換器4的殼側(cè)流體為高溫廢氣，管側(cè)流體為導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油溫度傳感器12安裝在排氣熱交換器4出口側(cè)的管道上，在排氣熱交換器4的廢氣入口前的管道上串接排氣常開開關(guān)閥5，在排氣常開開關(guān)閥5的入口前的管道上的旁路排氣管上串接排氣常閉開關(guān)閥6 ;所述的有機(jī)朗肯循環(huán)回路，由工質(zhì)泵18，蒸發(fā)器8，蓄熱器13，單螺桿膨脹機(jī)25，冷凝器14依次通過管道首尾相連組成；調(diào)節(jié)電機(jī)19與工質(zhì)泵18相連并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力調(diào)節(jié)閥20與工質(zhì)泵18并聯(lián)，用于限制有機(jī)朗肯循環(huán)回路的最高蒸發(fā)壓力，單螺桿膨脹機(jī)25與發(fā)電機(jī)26相連，帶動其發(fā)電，冷凝器風(fēng)扇15安裝在冷凝器14的正前方，由與其同軸的冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)16驅(qū)動；所述的蓄熱回路，由工質(zhì)泵23，控制閥21，蒸發(fā)器8，蓄熱器13依次通過管道首尾相連組成，調(diào)節(jié)電機(jī)22與工質(zhì)泵23相連并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)。所述的控制通路，由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器31，油門踏板位置傳感器27，起動開關(guān)29，大氣環(huán)境溫度傳感器30,排氣管出口尾氣溫度傳感器7,導(dǎo)熱油溫度傳感器12,有機(jī)工質(zhì)冷凝溫度傳感器17，有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器24，排氣常開開關(guān)閥5，排氣常閉開關(guān)閥6，蓄熱回路控制閥21，導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)9，有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)19，冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)16與控制單元28通過線束相連組成，導(dǎo)熱油溫度傳感器12安裝在排氣熱交換器4導(dǎo)熱油側(cè)出口的管道上，有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器24安裝在單螺桿膨脹機(jī)25入口側(cè)的管道上，冷凝溫度傳感器17安裝在冷凝器14出口側(cè)的管道上。所述的控制單元28包括:電源電路、主單片機(jī)電路、模擬量輸入電路、數(shù)字量輸入電路、復(fù)位電路、時鐘電路、電機(jī)驅(qū)動電路、開關(guān)驅(qū)動電路和通訊電路。所述的模擬量輸入電路對油門踏板位置傳感器27、排氣管出口尾氣溫度傳感器
7、導(dǎo)熱油溫度傳感器12、有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器24、有機(jī)工質(zhì)冷凝溫度傳感器17和大氣環(huán)境溫度傳感器30輸出的模擬量進(jìn)行信號調(diào)理；數(shù)字量輸入電路對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器31和起動開關(guān)29輸出的數(shù)字量進(jìn)行信號調(diào)理；模擬量輸入電路的輸出端與主單片機(jī)電路中的單片機(jī)的模擬量采集端口連接；數(shù)字量輸入電路輸出端與主單片機(jī)電路中的單片機(jī)的數(shù)字輸入輸出端口連接。所述的電機(jī)驅(qū)動電路的輸入端與主單片機(jī)電路的輸出端相連；電機(jī)驅(qū)動電路的輸出端分別與導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)9、有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)19和冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)16連接；所述的開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端與主單片機(jī)電路的輸出端相連，單片機(jī)中的程序根據(jù)工作條件從單片機(jī)的數(shù)字輸出端口輸出控制信號給開關(guān)驅(qū)動電路，開關(guān)驅(qū)動電路的輸出端分別與排氣常開開關(guān)閥5、排氣常閉開關(guān)閥6和蓄熱回路控制閥21連接；所述的通訊電路一端與主單片機(jī)電路中的單片機(jī)的CAN接口相連，另一端與計(jì)算機(jī)或其它控制單元28的CAN總線通訊端口相連。用于導(dǎo)熱油回路的工質(zhì)為高溫合成導(dǎo)熱油Therminol 55，蓄熱器13中的用于蓄熱的相變蓄熱材料采用六水合氯化鎂，用于有機(jī)朗肯循環(huán)回路的工質(zhì)為R245fa。帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)控制方法，包括:采集排氣管出口尾氣溫度傳感器的信號，與程序預(yù)先設(shè)定的尾氣溫度目標(biāo)值比較，利用分段比例積分(PI)控制器計(jì)算驅(qū)動導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)的PWM信號占空比值，輸出給導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動電路，分段PI控制器的參數(shù)計(jì)算過程如下:程序采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和油門踏板位置傳感器的信號，以它們作為輸入?yún)?shù)，分別查2維MAP圖得到PI控制的比例系數(shù)Kp w和積分系數(shù)Ki ；采集油門踏板位置傳感器和內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的信號值，查2維MAP圖得到驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)的PWM占空比值，輸出給有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動電路；采集有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器的信號，與程序預(yù)先設(shè)定的過熱溫度目標(biāo)值比較，當(dāng)實(shí)際過熱溫度低于設(shè)定的目標(biāo)值時，程序關(guān)閉蓄熱回路控制閥，蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)和蓄熱回路工質(zhì)泵停止轉(zhuǎn)動，利用蓄熱器中的相變蓄熱材料的放熱繼續(xù)加熱有機(jī)工質(zhì)，以維持有機(jī)工質(zhì)在較大的流量下仍然能夠順利蒸發(fā)和保持一個小的過熱溫度，當(dāng)實(shí)際過熱溫度值大于設(shè)定的目標(biāo)值時，程序控制打開蓄熱回路控制閥，并控制蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動蓄熱回路工質(zhì)泵轉(zhuǎn)動，蓄熱回路有機(jī)工質(zhì)在循環(huán)時利用相變蓄熱材料進(jìn)行蓄熱，利用分段PI控制器計(jì)算驅(qū)動蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)的PWM信號占空比值，輸出給蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動電路，分段PI控制器的參數(shù)計(jì)算:程序采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和油門踏板位置傳感器的信號，以它們作為輸入?yún)?shù)，分別查2維MAP圖得到PI控制的比例系數(shù)Kp TES和積分系數(shù)Ki TES ；采集大氣環(huán)境溫度傳感器信號為輸入?yún)?shù)，查I維表計(jì)算有機(jī)朗肯循環(huán)回路目標(biāo)冷凝溫度，并與從冷凝溫度傳感器采集的冷凝溫度實(shí)際值比較，將冷凝溫度的目標(biāo)值與實(shí)際值的差值作為輸入采用PI控制器計(jì)算驅(qū)動冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)的PWM信號占空比值，調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動電路。在正常工作時，程序控制排氣常開開關(guān)閥打開，排氣常閉開關(guān)閥關(guān)閉，當(dāng)采集的傳感器信號出現(xiàn)異常時，程序控制排氣常開開關(guān)閥關(guān)閉，排氣常閉開關(guān)閥打開，同時關(guān)閉整個余熱發(fā)電系統(tǒng)，并通過通訊端口發(fā)送報警信號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:1.采用蓄熱器來調(diào)節(jié)熱量在熱功轉(zhuǎn)換過程中的釋放量，保證內(nèi)燃機(jī)動態(tài)工作過程中因排氣余熱大范圍變化時有機(jī)朗肯循環(huán)回路中有機(jī)工質(zhì)流量的變化不致太大，從而保證膨脹機(jī)輸出功率波動幅度不大，能實(shí)現(xiàn)有機(jī)朗肯循環(huán)回路穩(wěn)定的功率輸出，同時有利于延長工作部件的壽命。2.利用導(dǎo)熱油作為傳熱的媒介，將排氣余熱傳遞給有機(jī)工質(zhì)，一方面提高排氣熱交換器和蒸發(fā)器的導(dǎo)熱系數(shù)，減少了它們的換熱面積和體積，節(jié)約了系統(tǒng)成本。3.根據(jù)車用內(nèi)燃機(jī)工作時排氣和冷卻液的不同熱力狀態(tài)，選擇了工作溫度范圍在-25 315°C的合成導(dǎo)熱油Therminol 55，同時采用了有機(jī)工質(zhì)R245fa作為有機(jī)朗肯循環(huán)回路的工質(zhì)，采用六水合氯化鎂作為相變蓄熱材料，與其它材料相比，它們具有良好的安全性，對環(huán)境的破壞小，在車用內(nèi)燃機(jī)工作的大部份工作工況下都可以實(shí)現(xiàn)高的有用功輸出。[0027]4.針對車用內(nèi)燃機(jī)工作時，工況變化范圍大的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機(jī)的不同工況采用閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油回路和有機(jī)朗肯循環(huán)回路的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在瞬態(tài)工況下的內(nèi)燃機(jī)余熱的充分利用；由于利用余熱發(fā)電，提高內(nèi)燃機(jī)的有用功輸出，在同樣的功率輸出情況下，節(jié)省了燃油的消耗率。5.減少內(nèi)燃機(jī)向大氣環(huán)境的散熱量，減緩溫室效應(yīng)的影響。減少內(nèi)燃機(jī)尾氣溫度，提高城市環(huán)境的舒適性。本發(fā)明可應(yīng)用于各種車用內(nèi)燃機(jī)，尤其是大功率的車用柴油機(jī)。

圖1為本發(fā)明的余熱發(fā)電系統(tǒng)連接圖。圖2為控制單元的硬件結(jié)構(gòu)簡圖。圖3為導(dǎo)熱油回路控制方法原理圖。圖4為有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)控制方法原理圖。圖5為蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)控制方法原理圖。圖6為冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)控制方法原理圖。圖7為故障保護(hù)控制方法原理圖圖中:1_壓氣機(jī)；2_內(nèi)燃機(jī)缸體；3_排氣渦輪；4_排氣熱交換器；5_排氣常開開關(guān)閥；6_排氣常閉開關(guān)閥；7_排氣溫度傳感器；8_蒸發(fā)器；9_導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)；10_導(dǎo)熱油回路壓力調(diào)節(jié)閥；11_導(dǎo)熱油回路工質(zhì)泵；12_導(dǎo)熱油溫度傳感器；13_蓄熱器；14_冷凝器；15_冷凝器風(fēng)扇；16_冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)；17_有機(jī)工質(zhì)冷凝溫度傳感器；18_有機(jī)朗肯循環(huán)回路工質(zhì)泵；19_有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)；20_有機(jī)朗肯循環(huán)回路壓力調(diào)節(jié)閥；21_蓄熱回路控制閥；22_蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)；23_蓄熱回路工質(zhì)泵；24_有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器；25_單螺桿膨脹機(jī)；26_發(fā)電機(jī)；27_油門踏板位置傳感器；28_控制單元；29-起動開關(guān)；30_大氣環(huán)境溫度傳感器；31_發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明的帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)，其連接圖如圖1所示，包括導(dǎo)熱油回路，有機(jī)朗肯循環(huán)回路，蓄熱回路和控制通路。上述用于吸收內(nèi)燃機(jī)排氣余熱的導(dǎo)熱油回路包含的部件有:工質(zhì)泵11、調(diào)節(jié)電機(jī)9、壓力調(diào)節(jié)閥10、排氣熱交換器4、蒸發(fā)器8、排氣常開開關(guān)閥5、排氣常閉開關(guān)閥6以及連接它們的管路。上述用于內(nèi)燃機(jī)的余熱熱功轉(zhuǎn)換的有機(jī)朗肯循環(huán)回路包含的部件有:工質(zhì)泵18、調(diào)節(jié)電機(jī)19、壓力調(diào)節(jié)閥20、蒸發(fā)器8、蓄熱器13、單螺桿膨脹機(jī)25、發(fā)電機(jī)26、冷凝器14、冷凝器風(fēng)扇15、冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)16以及連接它們的管路。上述用于蓄熱的蓄熱回路包含的部件有:工質(zhì)泵23、調(diào)節(jié)電機(jī)22、蓄熱回路控制閥21、蒸發(fā)器8、蓄熱器13以及連接它們的管道。上述用于控制的控制通路包含的部件有:控制單元28、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器31、油門踏板位置傳感器27、起動開關(guān)29、大氣環(huán)境溫度傳感器30、排氣管出口尾氣溫度傳感器7、導(dǎo)熱油溫度傳感器12、有機(jī)工質(zhì)冷凝溫度傳感器17、有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器24、排氣常開開關(guān)閥5、排氣常閉開關(guān)閥6、蓄熱回路控制閥21、導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)9、有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)19、冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)16、蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)22以及連接這些部件的線束。上述帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)內(nèi)各部件的連接關(guān)系是:導(dǎo)熱油回路各部件的連接關(guān)系是:工質(zhì)泵11，排氣熱交換器4，蒸發(fā)器8依次通過管道首尾相連組成；調(diào)節(jié)電機(jī)9與工質(zhì)泵11相連并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力調(diào)節(jié)閥10與工質(zhì)泵11并聯(lián)，排氣熱交換器4串接在渦輪3出口的排氣管上，排氣熱交換器4的殼側(cè)流體為高溫廢氣，管側(cè)流體為導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油溫度傳感器12安裝在排氣熱交換器4出口側(cè)的管道上，在排氣熱交換器4的廢氣入口前的管道上串接排氣常開開關(guān)閥5，在排氣常開開關(guān)閥5的入口前的管道上的旁路排氣管上串接排氣常閉開關(guān)閥6。有機(jī)朗肯循環(huán)回路各部件的連接關(guān)系是:工質(zhì)泵18，蒸發(fā)器8，蓄熱器13，單螺桿膨脹機(jī)25，冷凝器14依次通過管道首尾相連組成；調(diào)節(jié)電機(jī)19與工質(zhì)泵18相連并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力調(diào)節(jié)閥20與工質(zhì)泵18并聯(lián)，單螺桿膨脹機(jī)25的輸出軸與發(fā)電機(jī)26的輸入軸相連，有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器24安裝在單螺桿膨脹機(jī)25入口側(cè)的管道上，冷凝器風(fēng)扇15安裝在冷凝器14的正前方，由與其同軸的冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)16驅(qū)動，冷凝溫度傳感器17安裝在冷凝器14出口側(cè)的管道上。蓄熱回路各部件的連接關(guān)系是:工質(zhì)泵23、蓄熱回路控制閥21、蒸發(fā)器8和蓄熱器13依次通過管道首尾相連組成，蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)22與工質(zhì)泵23相連并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)。用于控制導(dǎo)熱油回路和有機(jī)朗肯循環(huán)回路運(yùn)行的控制通路各部件的連接關(guān)系是:起動開關(guān)29、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器31、油門踏板位置傳感器27、大氣環(huán)境溫度傳感器30、排氣管出口尾氣溫度傳感器7，導(dǎo)熱油溫度傳感器12，有機(jī)工質(zhì)冷凝溫度傳感器17，有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器24，排氣常開開關(guān)閥5，排氣常閉開關(guān)閥6，蓄熱回路控制閥21，導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)9，有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)18，冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)16，蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)22分別與控制單元28通過線束相連。上述的帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)的控制通路的結(jié)構(gòu)連接簡圖如圖2所示?？刂茊卧泻须娫措娐?、主單片機(jī)電路、模擬量輸入電路、數(shù)字量輸入電路、復(fù)位電路、時鐘電路、電機(jī)驅(qū)動電路、開關(guān)驅(qū)動電路和通訊電路。模擬量輸入電路對油門踏板位置傳感器27、排氣尾氣溫度傳感器7、導(dǎo)熱油溫度傳感器12、有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器24、有機(jī)工質(zhì)冷凝溫度傳感器17和大氣環(huán)境溫度傳感器30輸出的模擬量進(jìn)行信號調(diào)理；數(shù)字量輸入電路對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器31和起動開關(guān)29輸出的數(shù)字量進(jìn)行信號調(diào)理；模擬量輸入電路的輸出端與主單片機(jī)電路中的單片機(jī)的模擬量采集端口連接；數(shù)字量輸入電路輸出端與主單片機(jī)電路中的單片機(jī)的數(shù)字輸入輸出端口連接；所述的電機(jī)驅(qū)動電路的輸入端與主單片機(jī)電路的輸出端相連，單片機(jī)中的程序采集輸入的信號，并進(jìn)行數(shù)字濾波處理，計(jì)算驅(qū)動信號的值，從單片機(jī)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)端口輸出控制信號給電機(jī)驅(qū)動電路；電機(jī)驅(qū)動電路的輸出端分別與導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)9、有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)19、冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)16和蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)22連接；所述的開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端與主單片機(jī)電路的輸出端相連，單片機(jī)中的程序從單片機(jī)的數(shù)字輸出端口輸出控制信號給開關(guān)驅(qū)動電路，開關(guān)驅(qū)動電路的輸出端分別與排氣常開開關(guān)閥5、排氣常閉開關(guān)閥6和蓄熱回路控制閥21連接；所述的通訊電路一端與主單片機(jī)電路中的單片機(jī)的CAN接口相連，另一端與計(jì)算機(jī)或控制單元28的CAN總線通訊端口相連，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的監(jiān)控通訊以及與控制單元28的數(shù)據(jù)通訊功能。上述的導(dǎo)熱油回路的工質(zhì)為Therminol 55,蓄熱器中的相變蓄熱材料采用MgCl2.6H20，用于有機(jī)朗肯循環(huán)回路的工質(zhì)為R245fa。本發(fā)明的工作原理如下:在車用內(nèi)燃機(jī)開始點(diǎn)火起動時,起動開關(guān)29接通,控制單元28上電開始工作，預(yù)先存儲在控制單元28中的程序采集油門踏板位置傳感器27、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器31、大氣環(huán)境溫度傳感器30、排氣尾氣溫度傳感器7、導(dǎo)熱油溫度傳感器12、有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器24和有機(jī)工質(zhì)冷凝溫度傳感器17的信號，分別采用閉環(huán)反饋控制計(jì)算輸出驅(qū)動信號，控制導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)9、蓄熱回路調(diào)節(jié)電機(jī)22和冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)16的轉(zhuǎn)速，采用開環(huán)控制計(jì)算驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)19的驅(qū)動信號值；當(dāng)程序檢測到的傳感器信號正常時，保持排氣常開開關(guān)閥5打開，排氣常閉開關(guān)閥6關(guān)閉，當(dāng)程序檢測到傳感器的信號出現(xiàn)異常時，關(guān)閉排氣常開開關(guān)閥5，打開排氣常閉開關(guān)閥6。上述的導(dǎo)熱油回路控制方法原理如圖3所示，控制單元28中的程序采集排氣管出口處尾氣溫度傳感器7的信號，與預(yù)先通過計(jì)算選定的尾氣溫度最優(yōu)目標(biāo)值比較，利用分段PI控制器計(jì)算驅(qū)動導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)9的驅(qū)動信號值，隨后輸出給導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動電路。PI控制器包含比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和積分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。比例調(diào)節(jié)的作用為按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差，比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)的作用為使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，如果有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)才停止。由于車用內(nèi)燃機(jī)工作在不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷狀態(tài)時，導(dǎo)熱油回路工質(zhì)流量控制部份的非線性很大，所以采用分段PI控制器來選擇不同的PI控制器參數(shù)，來提高車用內(nèi)燃機(jī)大范圍變化工作時控制的速度和精度。分段PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)計(jì)算方法如下:程序采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器31和油門踏板位置傳感器27的信號，分別查2個2維MAP圖得到PI控制的Kp w和Ki Μ1控制參數(shù)。PI控制器的計(jì)算式如下:
權(quán)利要求1.帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)，包括導(dǎo)熱油回路，有機(jī)朗肯循環(huán)回路，蓄熱回路和控制通路；其特征在于: 所述的導(dǎo)熱油回路，包含工質(zhì)泵(11)，排氣熱交換器(4)，蒸發(fā)器(8)，排氣常開開關(guān)閥(5)，排氣常閉開關(guān)閥(6)以及連接它們的管道；調(diào)節(jié)電機(jī)(9)與工質(zhì)泵(11)相連并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力調(diào)節(jié)閥(10)與工質(zhì)泵(11)并聯(lián)，用于限制導(dǎo)熱油回路的最高壓力差，排氣熱交換器(4)串接在渦輪出口的排氣管上，排氣熱交換器(4)的殼側(cè)流體為高溫廢氣，管側(cè)流體為導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油溫度傳感器(12)安裝在排氣熱交換器(4)出口側(cè)的管道上，在排氣熱交換器(4)的廢氣入口前的管道上串接排氣常開開關(guān)閥(5)，在排氣常開開關(guān)閥(5)的入口前的管道上的旁路排氣管上串接排氣常閉開關(guān)閥(6)； 所述的有機(jī)朗肯循環(huán)回路，由工質(zhì)泵(18)，蒸發(fā)器(8)，蓄熱器(13)，單螺桿膨脹機(jī)(25)，冷凝器(14)依次通過管道首尾相連組成；調(diào)節(jié)電機(jī)(19)與工質(zhì)泵(18)相連并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力調(diào)節(jié)閥(20)與工質(zhì)泵(18)并聯(lián)，用于限制有機(jī)朗肯循環(huán)回路的最高蒸發(fā)壓力，單螺桿膨脹機(jī)(25)與發(fā)電機(jī)(26)相連，帶動其發(fā)電，冷凝器風(fēng)扇(15)安裝在冷凝器(14)的正前方，由與其同軸的冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)(16)驅(qū)動； 所述的蓄熱回路，由工質(zhì)泵(23)，控制閥(21)，蒸發(fā)器(8)，蓄熱器(13)依次通過管道首尾相連組成，調(diào)節(jié)電機(jī)(22)與工質(zhì)泵(23)相連并驅(qū)動其運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制通路，由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器(31)，油門踏板位置傳感器(27)，起動開關(guān)(29)，大氣環(huán)境溫度傳感器(30)，排氣管出口 尾氣溫度傳感器(7)，導(dǎo)熱油溫度傳感器(12)，有機(jī)工質(zhì)冷凝溫度傳感器(17)，有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器(24)，排氣常開開關(guān)閥(5)，排氣常閉開關(guān)閥(6)，蓄熱回路控制閥(21)，導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)(9)，有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)(19)，冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)(16)與控制單元(28)通過線束相連組成，導(dǎo)熱油溫度傳感器(12)安裝在排氣熱交換器(4)導(dǎo)熱油側(cè)出口的管道上，有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器(24)安裝在單螺桿膨脹機(jī)(25)入口側(cè)的管道上，冷凝溫度傳感器(17)安裝在冷凝器(14)出口側(cè)的管道上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制單元(28)包括:電源電路、主單片機(jī)電路、模擬量輸入電路、數(shù)字量輸入電路、復(fù)位電路、時鐘電路、電機(jī)驅(qū)動電路、開關(guān)驅(qū)動電路和通訊電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)，其特征在于:所述的模擬量輸入電路對油門踏板位置傳感器(27)、排氣管出口尾氣溫度傳感器(7)、導(dǎo)熱油溫度傳感器(12)、有機(jī)工質(zhì)過熱溫度傳感器(24)、有機(jī)工質(zhì)冷凝溫度傳感器(17)和大氣環(huán)境溫度傳感器(30)輸出的模擬量進(jìn)行信號調(diào)理；數(shù)字量輸入電路對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器(31)和起動開關(guān)(29)輸出的數(shù)字量進(jìn)行信號調(diào)理；模擬量輸入電路的輸出端與主單片機(jī)電路中的單片機(jī)的模擬量采集端口連接；數(shù)字量輸入電路輸出端與主單片機(jī)電路中的單片機(jī)的數(shù)字輸入輸出端口連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)，其特征在于:所述的電機(jī)驅(qū)動電路的輸入端與主單片機(jī)電路的輸出端相連；電機(jī)驅(qū)動電路的輸出端分別與導(dǎo)熱油回路調(diào)節(jié)電機(jī)(9)、有機(jī)朗肯循環(huán)回路調(diào)節(jié)電機(jī)(19)和冷凝器風(fēng)扇調(diào)節(jié)電機(jī)(16)連接； 所述的開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端與主單片機(jī)電路的輸出端相連，單片機(jī)中的程序根據(jù)工作條件從單片機(jī)的數(shù)字輸出端口輸出控制信號給開關(guān)驅(qū)動電路，開關(guān)驅(qū)動電路的輸出端分別與排氣常開開關(guān)閥(5)、排氣常閉開關(guān)閥(6)和蓄熱回路控制閥(21)連接； 所述的通訊電路一端與主單片機(jī)電路中的單片機(jī)的CAN接口相連，另一端與計(jì)算機(jī)或其它電控單元的CAN總線通訊端口相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)，其特征在于:用于導(dǎo)熱油回路的工質(zhì)為高溫合成導(dǎo)熱油Therminol 55，蓄熱器(13)中的用于蓄熱的相變蓄熱材料采用六水合氯化鎂，用于 有機(jī)朗肯循環(huán)回路的工質(zhì)為R245fa。
專利摘要帶蓄熱器的內(nèi)燃機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)，利用導(dǎo)熱油回路將內(nèi)燃機(jī)排氣余熱傳遞給有機(jī)朗肯循環(huán)回路中的有機(jī)工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)，利用串聯(lián)在有機(jī)朗肯循環(huán)回路中的蓄熱器從有機(jī)工質(zhì)吸收或釋放熱量，利用膨脹機(jī)將膨脹過程的焓變轉(zhuǎn)換為有用功輸出，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)有機(jī)工質(zhì)流量，根據(jù)蓄熱器出口的有機(jī)工質(zhì)過熱溫度實(shí)現(xiàn)蓄熱回路工質(zhì)流量閉環(huán)控制，以排氣管出口尾氣溫度為反饋量實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱油流量閉環(huán)控制，以冷凝器出口有機(jī)工質(zhì)溫度為反饋量實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的閉環(huán)控制。該余熱回收系統(tǒng)能充分利用內(nèi)燃機(jī)排氣余熱，保證內(nèi)燃機(jī)動態(tài)工作過程中因排氣余熱大范圍變化時有機(jī)工質(zhì)流量變化不致太大，從而保證膨脹機(jī)輸出功率波動幅度不大。
文檔編號F01C13/00GK202970867SQ201220153278
公開日2013年6月5日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者馬重芳, 張紅光, 王恩華, 范伯元, 楊凱, 吳玉庭, 王偉 申請人:北京工業(yè)大學(xué)