船用发动机排气余热回收系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种船用发动机的排气余热回收系统，包括工质箱、工质泵、蒸发器、排气三通控制阀、预热控制阀、做功控制阀、活塞式膨胀机、冷却散热装置、冷凝器及其连接管路等。工质泵通过连接管路抽取工质箱中的工质，并输送到蒸发器的工质进口处，流入蒸发器的液态工质通过热交换原理吸收船用发动机排气的热量形成过热蒸汽。过热蒸汽首先通过开启的预热控制阀对膨胀机进行预热，以使之快速地进入做功准备状态。当膨胀机满足设定的做功条件时，关闭预热控制阀，同时开启做功控制阀，使过热蒸汽推动膨胀机做功。经过膨胀机做功后的乏汽将进入冷凝器，经过换热冷却的乏汽将凝结为低温液态水，最后将返回到工质箱。借此可以合理的回收排气余热。

Marine Engine Exhaust Heat Recovery System and Its Control Method

The invention discloses a waste heat recovery system for marine engine exhaust, which comprises a working fluid box, a working fluid pump, an evaporator, an exhaust three-way control valve, a preheating control valve, a work control valve, a piston expander, a cooling and radiating device, a condenser and a connecting pipeline, etc. The working substance pump extracts the working substance from the working substance box by connecting pipes and transfers it to the working substance inlet of the evaporator. The liquid working substance flowing into the evaporator absorbs the heat from the exhaust of the marine engine through the principle of heat exchange to form superheated steam. The superheated steam first preheates the expander by opening the preheating control valve, so that it can quickly enter the work preparation state. When the expander satisfies the set working conditions, close the preheating control valve and open the working control valve to make the superheated steam drive the expander to work. After the expander works, the exhausted steam will enter the condenser, and the exhausted steam after heat transfer and cooling will condense into low temperature liquid water, and finally return to the working fluid box. By this way, the waste heat of exhaust gas can be recovered reasonably.

【技术实现步骤摘要】
船用发动机排气余热回收系统及其控制方法
本专利技术是关于发动机领域，特别是关于一种船用发动机的排气余热回收系统及其控制方法。
技术介绍
现有对发动机排气余热能的回收技术主要分为热电转换、朗肯循环、动力涡轮技术等。其中朗肯循环的余热回收原理为首先通过电动工质泵将工作介质从工质箱中抽出，并送到蒸发器中，然后利用热交换原理将通过蒸发器的发动机高温排气热量转化为加热工作介质的热量，加热后的工作介质将形成过热蒸汽，过热蒸汽通过推动膨胀机，使其对外做功或发电。经过膨胀机的乏汽将进入冷凝器，并成为液态工质后返回工质箱中。朗肯循环又可分为有机朗肯循环和蒸汽朗肯循环。有机工质分解温度一般不高于350℃，可利用其回收中低温余热，而且有机朗肯循环的余热能量回收效率较高。基于有机朗肯循环的这些特点，并结合车用发动机复杂多变的运行工况、排气温度变化幅度大、汽车整体空间及布局受限等情况，有机朗肯循环一般多用于车用发动机的中低温排气余热能回收。而由于发动机的排气温度一般都高达500～600℃，如直接使用有机工质对排气温度进行余热回收，则有可能造成有机工质的分解，因此利用有机朗肯循环进行工作的排气余热回收系统设计较为复杂，且需要对其采取必要的优化措施，以有效降低有机工质因热交换的温度过高而分解的风险。而蒸汽朗肯循环的工作介质为水，因为其蒸发温度较高，可利用其进行高温余热回收，但蒸汽朗肯循环的能量回收设备较有机朗肯循环的设备要大，非常不利于整车的布局，所以目前利用蒸汽朗肯循环回收车用发动机排气余热能的技术方案非常少。其中技术专利CN207813708U使用了蒸汽朗肯循环，且使用活塞式膨胀机作为做功设备，对外输出机械功。该排气余热回收系统通过蒸发器蒸发工质水，将其变为过热蒸汽，在膨胀机的预热阶段，过热蒸汽将通过预热通道预热膨胀机的外围设备和润滑介质(如油底壳及机油)，使膨胀机快速进入工作准备状态。当膨胀机工作条件满足后，过热蒸汽则通过做功通道推动膨胀机旋转，并对外做功。对于船用发动机来说，由于其运行工况较单一且稳定、排气温度通常会维持在一个较高的水平、船舱空间较宽裕、其它方面的制约因素也较少，而且工作介质水为无毒无害的物质，获取途径较简单，且相对有机工质而言，高温的水蒸汽也不会对工作在密闭船舱空间的人员造成不可逆的人身伤害，因此利用蒸汽朗肯循环在船用发动机排气余热回收方面有一定的应用前景。在现有技术中，多数方案都是使用有机朗肯循环来回收车用发动机的高温排气余热，且回收的余热多用于驱动发电机进行发电。而使用有机朗肯循环来回收船用发动机的高温排气余热的系统则很少，且有机朗肯循环回收高温排气余热能有如下几个缺点：1)有机朗肯循环使用的工质，其分解温度较低，一般不高于350℃，而发动机的排气温度一般高达500～600℃。如此高的温度有可能会造成有机工质的分解及失效，这制约了有机朗肯循环在发动机高温排气余热回收方面的应用。2)此外，有机工质的其它特性(如获取途径、人体接触及伤害等)也限制了其应用的范围。特别是将使用有机朗肯循环的排气余热回收系统应用在远洋船舶上时，在进行余热回收过程中，需要考虑整个系统的密闭性，否则高温的有机工质将会存在泄漏、挥发、人体伤害等风险。3)多数情况下，有机朗肯循环排气余热回收系统都会采用单螺杆膨胀机，过热蒸汽推动主轴螺杆转动并驱动发电机发电。当发出的电能过剩时，则需要考虑电能的存储问题。而电能在存储和释放的过程中，都会产生能量损失，这将使余热回收的效率打折扣。4)现有技术中的多数方案都是在排气温度未达到余热回收预设温度时，直接将发动机排气通过旁路的排气通路直接排入大气中。这种方案将致使一部分发动机排气余热得不到较好的利用。5)现有技术中的多数方案都是使用发动机转速传感器和油门传感器识别发动机当前的运行状态，而这种方式无法精确地评估发动机其它参数变化对当前运行工况的影响。此外，在现有技术中(授权公告号：CN207813708U)，即使其属于蒸汽朗肯循环，但是其排气余热回收系统也存在如下缺点：1)其技术方案未设置排气旁路通路，当船用发动机的排气能量长时间超出蒸发器的换热能力时，将会损坏蒸发器；2)其蒸发器的排气出口未设置排气出口温度传感器，导致需要在余热回收控制策略中设计蒸发器模型，以便能计算出排气出口的温度。而由于控制实时性和模型计算速度的问题，导致蒸发器模型不能设计得太精确，否则将无法及时获得必要的数据，以便用于换热量的计算；3)由于不同功率的船用发动机要匹配不同尺寸的蒸发器，这导致需要对不同的蒸发器模型进行参数化匹配，而参数化工作较复杂，且需要做大量的试验来验证蒸发器模型参数化的正确性，因此对不同的蒸发器模型进行参数化将导致开发成本的增加，且较难保证在产品全生命周期内的换热能力一致性。针对上述的现有问题，本申请专利技术人认为应该主要下列问题并提出相应的解决方案：1)有机工质的分解温度一般不高于350℃，如果有机工质通过蒸发器直接与发动机排气进行换热，则会造成有机工质的分解或失效。为了降低或避免有机工质失效的风险，则需要在发动机排气温度上进行合理的控制或在排气余热回收设备上进行优化设计，而这无疑会增加研发成本或设备成本。针对船用发动机，由于其整体空间布局的限制没有车用发动机要求得那么严格，且船用发动机在大部分情况下，都处于高转速高负荷的运行工况，即发动机的排气温度在多数情况下都会远高于有机工质的分解温度。而可作为蒸汽朗肯循环的工质水，则在这方面没有明显的缺点，且获取较易及对人体无明显毒害。因此本申请提案结合工质水的上述优点，利用水作为船用发动机余热回收的工质。2)现有技术中，多数方案都在排气温度未达到余热回收预设温度时，直接将高温的排气排入到大气中。而技术专利CN207813708U则将未达余热回收预设温度的排气通过换热加热工质水，使之形成蒸汽，从而对膨胀机外围设备进行预热的技术方案。但该技术方案未考虑当排气能量长期超出或临界于蒸发器最大换热能力的情况，故本申请提案提出不仅需要设置预热通道，而且还需要设置排气旁通通道，以便能更高效地利用船用发动机的排气余热能量，从而达到节油减排的目的。3)在现有技术方案(技术专利CN207813708U)中，未设置排气出口温度传感器。该技术方案虽然节省了一个排气温度传感器的成本，但是必须在控制策略中增加蒸发器模型，并需对蒸发器模型进行大量的台架试验，从而获得必要的数据，才能对该蒸发器模型进行合适的参数化。此外，复杂且高精度的模型将消耗大量的计算资源及影响控制策略的实时响应性，从而导致控制效果变差。本申请提案增加了一个排气出口温度传感器，就是为了实时计算出蒸发器的换热能量，为改善余热能量回收控制效果及保证全生命周期中余热回收效率的一致性奠定基础。4)在现有技术方案中，仅使用发动机转速传感器和油门传感器识别发动机当前的运行状态及预测发动机的排气能量来进行余热回收控制的方法是明显不足以精确地判断整个排气余热回收系统的状态和准确地计算出余热回收能量的。本申请提案将采集发动机自身多个关键控制参数如发动机转速、进气质量流量、进气温度、进气压力、喷油量等作为余热回收控制的信号输入，并结合采集的排气温度、工质温度、蒸汽温度、蒸汽压力及排气余热回收系统的物理参数等信号进行实时的工质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种船用发动机的排气余热回收系统，其特征在于，包括蒸汽朗肯循环机械回路以及电气控制回路；所述蒸汽朗肯循环机械回路包括：工质箱，其用于存储工质；工质泵，其用以通过管路从所述工质箱内抽取所述工质；蒸发器，其用以与所述船用发动机的排气装置进行热交换，所述蒸发器的进口通过管路与所述工质泵连通，所述工质进入所述蒸发器后经加热后形成过热蒸汽后从出口排出；及膨胀机，其包括预热口、做功口以及输出端，所述预热口通过预热控制阀与所述蒸发器的出口连通，所述做功口通过做功控制阀与所述蒸发器的出口连通，所述输出端通过离合器控制机构为所述船用发动机助力做功；所述电气控制回路包括：信号采集单元，其用以获取所述船用发动机当前状态的相关信息；传感器单元，其用以获取所述排气余热回收系统各个位置的温度和压力信息；及系统控制器，其根据从所述信号采集单元以及所述传感器单元收集到的信息，并经过一系列的计算后控制所述排气余热回收系统正常运行。

【技术特征摘要】
1.一种船用发动机的排气余热回收系统，其特征在于，包括蒸汽朗肯循环机械回路以及电气控制回路；所述蒸汽朗肯循环机械回路包括：工质箱，其用于存储工质；工质泵，其用以通过管路从所述工质箱内抽取所述工质；蒸发器，其用以与所述船用发动机的排气装置进行热交换，所述蒸发器的进口通过管路与所述工质泵连通，所述工质进入所述蒸发器后经加热后形成过热蒸汽后从出口排出；及膨胀机，其包括预热口、做功口以及输出端，所述预热口通过预热控制阀与所述蒸发器的出口连通，所述做功口通过做功控制阀与所述蒸发器的出口连通，所述输出端通过离合器控制机构为所述船用发动机助力做功；所述电气控制回路包括：信号采集单元，其用以获取所述船用发动机当前状态的相关信息；传感器单元，其用以获取所述排气余热回收系统各个位置的温度和压力信息；及系统控制器，其根据从所述信号采集单元以及所述传感器单元收集到的信息，并经过一系列的计算后控制所述排气余热回收系统正常运行。2.如权利要求1所述的船用发动机的排气余热回收系统，其特征在于，所述蒸汽朗肯循环机械回路还包括：排气三通控制阀，其设置在所述排气装置和所述蒸发器之间，所述排气三通控制阀用以控制所述排气装置与所述蒸发器进行热交换或者不与所述蒸发器进行热交换而从旁路直接排出；冷凝器以及冷却散热装置，经过所述膨胀机做功后的所述过热蒸汽变为乏汽，所述乏汽经过所述冷凝器以及所述冷却散热装置冷凝散热后变为液态回流至所述工质箱内。3.如权利要求1所述的船用发动机的排气余热回收系统，其特征在于，所述信号采集单元包括发动机转速采集单元、进气质量流量采集单元、进气温度采集单元、进气压力采集单元以及喷油量采集单元，其分别采集所述船用发动机的转速、进气质量流量、进气温度、进气压力以及喷油量的信息。4.如权利要求1所述的船用发动机的排气余热回收系统，其特征在于，所述传感单元包括：工质温度传感器，其设置在所述蒸发器的入口处，用以采集所述工质进入所述蒸发器时的温度信息；排气出口温度传感器，其设置在所述蒸发器的排气出口处，用以采集经过与所述蒸发器进行热交换以后的排气温度信息；蒸汽温度传感器，其设置在所述蒸发器的出口处，用已采集所述出口处的所述过热蒸汽的温度信息；以及蒸汽压力传感器，其设置在所述蒸发器的出口处，用已采集所述出口处的所述过热蒸汽的压力信息。5.如权利要求4所述的船用发动机的排气余热回收系统，其特征在于，所述传感单元还包括：液位传感器，其设置在所述工质箱内，用以采集所述工质箱内的所述工质的液面信息；以及乏汽冷凝温度传感器，其设置在所述冷凝器的出口处，用以采集冷凝为液态的所述工质的温度。6.如权利要求2所述的船用发动机的排气余热回收系统，其特征在于，还包括：电磁阀单元，其包括：三通控制电磁阀，其设置在所述排气三通控制阀内；预热控制电磁阀，其设置在所述预热控制阀内；做功控制电磁阀，其设置在所述做功控制阀内；及离合器控制电磁阀，其设置在所述离合器控制机构内；以及散热风扇控制单元，其设置在所述冷却散热装置内；其中，所述系统控制器根据所述信号采集单元以及所述传感器单元收集到的信息发出指令，并通过所述三通控制电磁阀、所述预热控制电磁阀、所述做功控制电磁阀、所述离合器控制电磁阀以及所述散热风扇控制单元来控制所述排气三通控制阀、所述预热控制阀、所述做功控制阀、所述离合器控制机构以及所述冷却散热装置工作，从而保证所述排气余热回收系统能实时地回收所述船用发动机的排气余热，并将其转化为机械能直接助力所述船用发动机做功。7.一种船用发动机的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：初始化步骤：当所述排气余热回收系统的系统控制器通电后，将对其软硬件进行初始化，判断系统有无故障；信息采集步骤，其包括下列子步骤：如系统无故障且传感器单元信号正常，则通过液位传感器采集的工质箱液位值，通过工质温度传感器采集的工质温度值，通过排气进口温度传感器采集的排气进口温度值，通过排气出口温度传感器采集排气出口温度值，通过蒸汽温度传感器和蒸汽压力传感器采集的蒸发器出口处的过热蒸汽温度值和压力值；工质抽取步骤：当传感器单元信号正...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永鹏，叶宇，桑海浪，陶泽民，
申请(专利权)人：广西玉柴机器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广西,45