車輛動(dòng)力、制冷供能系統(tǒng)及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車輛動(dòng)力、制冷供能系統(tǒng)及其工作方法，屬于能源與動(dòng)力領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車保有量逐年增大及能源危機(jī)日益嚴(yán)重，節(jié)能問題已經(jīng)成為制約汽車工業(yè)發(fā)展的重要因素。隨著汽車電子化進(jìn)程，汽車電子產(chǎn)品不斷增加，對(duì)電能的需求越來越多，然而汽車發(fā)電系統(tǒng)效率卻非常低。同時(shí)，大量熱能隨著汽車尾氣、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水等方式浪費(fèi)掉，造成能量損失。車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率為35%，而排氣廢熱跟發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻廢熱約占整個(gè)系統(tǒng)輸入燃料值的2/3。車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的煙氣溫度較高，一般為600-1000K。直接排放至環(huán)境不僅造成環(huán)境的污染，而且會(huì)造成能源上的巨大浪費(fèi)。據(jù)相關(guān)部門調(diào)查研宄，近期霧霾的嚴(yán)重與車輛尾氣的排放有著密切的聯(lián)系。因此通過廢熱回收技術(shù)提高車輛供能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率，降低其單位產(chǎn)能污染排放的研宄已經(jīng)成為了當(dāng)前的研宄熱點(diǎn)。
[0003]目前研宄者已經(jīng)提出大量車輛廢熱回收方案，主要通過回收車輛發(fā)動(dòng)機(jī)廢煙氣、滑油和冷卻劑的廢熱，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力或者制冷，用于改善車輛供能系統(tǒng)的總能轉(zhuǎn)化效率。提出或者構(gòu)建的回收車輛廢熱制冷方案，僅能滿足車輛對(duì)冷負(fù)荷的需求。特別對(duì)于煙氣廢熱，其數(shù)量大品位高，是目前廢熱回收的研宄熱點(diǎn)。而盡管已有提出的大量煙氣廢熱有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)方案或者Kalina循環(huán)方案，能夠較不帶廢熱回收的方案節(jié)能，但是由于以上循環(huán)系統(tǒng)在煙氣廢熱回收過程的平均傳熱溫差大，存在著明顯的有用能損失，還具有顯著的節(jié)能空間。因此，如何降低煙氣廢熱回收過程有用能的損失也成為了今后繼續(xù)提高車輛整體節(jié)能性能的重要研宄方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種利用車輛內(nèi)燃機(jī)煙氣和冷卻水廢熱，輸出機(jī)械動(dòng)力以及供冷的車輛動(dòng)力、制冷供能系統(tǒng)及其工作方法。
[0005]一種車輛動(dòng)力、制冷供能系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、缸套、熱電發(fā)電機(jī)、第一換熱器、第二換熱器、第一循環(huán)泵、第二循環(huán)泵、第一回?zé)崞鳌⒌诙責(zé)崞?、氣液分離器、透平、第一冷凝器、第二冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器；
發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃料入口、空氣入口和煙氣出口，缸套布置在發(fā)動(dòng)機(jī)外圍；
第一換熱器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第二換熱器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口；熱電發(fā)電機(jī)包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第一回?zé)崞靼醾?cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第二回?zé)崞靼醾?cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第一冷凝器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；第二冷凝器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；蒸發(fā)器包括熱側(cè)入口、熱側(cè)出口、冷側(cè)入口和冷側(cè)出口 ；
環(huán)境空氣與發(fā)動(dòng)機(jī)空氣入口相連，汽油與發(fā)動(dòng)機(jī)燃料入口相連，發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣出口與熱電發(fā)電機(jī)熱側(cè)入口相連，熱電發(fā)電機(jī)熱側(cè)出口與第二換熱器熱側(cè)入口相連，第二換熱器熱側(cè)出口與大氣環(huán)境相連?？諝鈴臒犭姲l(fā)電機(jī)冷側(cè)入口進(jìn)入，并從冷側(cè)出口排出到大氣環(huán)境中；
缸套出口與第一換熱器熱側(cè)入口相連，第一換熱器熱側(cè)出口與第二循環(huán)泵入口相連，第二循環(huán)泵出口與缸套入口相連。
[0006]第一循環(huán)泵出口與第二回?zé)崞骼鋫?cè)入口相連，第一回?zé)崞骼鋫?cè)出口與第二回?zé)崞骼鋫?cè)入口相連，第二回?zé)崞骼鋫?cè)出口與第一換熱器冷側(cè)入口相連，第一換熱器冷側(cè)出口與氣液分離器入口相連，氣液分離器還包括氣相出口和液相出口:
氣液分離器氣相出口與第二換熱器入口相連，第二換熱器出口與透平入口相連，透平出口與第一回?zé)崞鳠醾?cè)入口相連，第一回?zé)崞鳠醾?cè)出口與第一冷凝器熱側(cè)入口相連，第一冷凝器熱側(cè)出口與第一循環(huán)泵入口相連。環(huán)境空氣從第一冷凝器冷側(cè)入口進(jìn)入，并從冷側(cè)出口排入環(huán)境。
[0007]氣液分離器液相出口與第二回?zé)崞鳠醾?cè)入口相連，第二回?zé)崞鳠醾?cè)出口與第二冷凝器熱側(cè)入口相連，第二冷凝器熱側(cè)出口與節(jié)流閥入口相連，節(jié)流閥出口與蒸發(fā)器冷側(cè)入口相連，蒸發(fā)器冷側(cè)出口與第一冷凝器熱側(cè)入口相連。環(huán)境空氣從第二冷凝器冷側(cè)入口進(jìn)入，并從冷側(cè)出口排入環(huán)境，環(huán)境空氣從蒸發(fā)器熱側(cè)入口進(jìn)入，并從冷風(fēng)口排出。
[0008]與現(xiàn)有常規(guī)采用發(fā)動(dòng)機(jī)提供主動(dòng)力，以獨(dú)立的蒸氣壓縮制冷循環(huán)消耗車輛動(dòng)力來制冷的車輛供能系統(tǒng)相比，上述系統(tǒng)通過非共沸工質(zhì)熱力循環(huán)對(duì)常規(guī)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的各類廢熱進(jìn)行了梯級(jí)回收，根據(jù)車輛需求為其提供電能、機(jī)械能和冷負(fù)荷。
[0009]本發(fā)明提出的新型車輛動(dòng)力、制冷供能系統(tǒng)，可以采用如下的運(yùn)行過程:汽油與環(huán)境空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒釋放熱能，并通過活塞做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對(duì)外輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)對(duì)外排出高溫?zé)煔猓邷責(zé)煔馔ㄟ^熱電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，再進(jìn)入第二換熱器對(duì)多組分蒸氣進(jìn)行過熱，隨后排出到大氣環(huán)境；缸套布置在發(fā)動(dòng)機(jī)外圍，通過導(dǎo)熱方式為發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，低溫冷卻劑通過第二循環(huán)泵送入缸套對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻后溫度升高，然后進(jìn)入第一換熱器熱偵牝被第一換熱器冷側(cè)非共沸工質(zhì)冷卻后溫度降低，再進(jìn)入第二循環(huán)泵進(jìn)入下一輪冷卻循環(huán)。
[0010]低溫非共沸工質(zhì)經(jīng)過第一循環(huán)泵增壓后進(jìn)入第一回?zé)崞骼鋫?cè)，被透平出口乏氣預(yù)熱后進(jìn)入第二回?zé)崞骼鋫?cè)，被高溫多組分溶液加熱，再經(jīng)過第一換熱器被加熱至部分蒸發(fā)，然后進(jìn)入氣液分離器。
[0011]氣液分離器氣相出口多組分蒸氣經(jīng)過第二換熱器冷側(cè)后，被高溫?zé)煔饧訜岷鬁囟壬?，然后通過透平膨脹做功，透平出口乏氣經(jīng)過第一回?zé)崞鳠醾?cè)，對(duì)第一回?zé)崞骼鋫?cè)的非共沸工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，從第一回?zé)崞鳠醾?cè)出來的液態(tài)工質(zhì)再經(jīng)過第一冷凝器熱側(cè)，被冷側(cè)環(huán)境空氣降至接近環(huán)境溫度后，進(jìn)入第一循環(huán)泵升壓后，開始進(jìn)入下一輪循環(huán)；環(huán)境空氣進(jìn)入第一冷凝器冷側(cè)冷卻熱側(cè)液態(tài)工質(zhì)后溫度升高，然后直接排放至大氣環(huán)境。
[0012]氣液分離器液相出口多組分溶液經(jīng)過第二回?zé)崞鳠醾?cè)，對(duì)冷側(cè)非共沸工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱后溫度降低，然后進(jìn)入第二冷凝器熱側(cè)，被冷側(cè)環(huán)境空氣降溫至接近環(huán)境溫度；環(huán)境空氣進(jìn)入第二冷凝器冷側(cè)對(duì)熱側(cè)液態(tài)工質(zhì)冷凝后溫度升高，然后排放至大氣中；第二冷凝器熱側(cè)出口工質(zhì)進(jìn)入節(jié)流閥降溫降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器冷側(cè)，蒸發(fā)器熱側(cè)的環(huán)境空氣被冷側(cè)冷卻后從冷風(fēng)口排出為車輛供冷，蒸發(fā)器冷側(cè)出口工質(zhì)進(jìn)入第一冷凝器熱側(cè)被冷側(cè)環(huán)境空氣冷卻，然后進(jìn)入第一循環(huán)泵升壓，開始進(jìn)入下一輪循環(huán)。
[0013]該車輛動(dòng)力、制冷供能系統(tǒng)與常規(guī)的采用蒸氣壓縮制冷的車輛空調(diào)相比，能將發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱直接轉(zhuǎn)化為電能、機(jī)械能、制冷量，提高燃油效率、設(shè)備利用率，減少環(huán)境污染。
[0014]該車輛動(dòng)力、制冷供能系統(tǒng)中熱電發(fā)電機(jī)直接將煙氣廢熱轉(zhuǎn)化為電能，而常規(guī)的發(fā)電系統(tǒng)效率很低，相比于傳統(tǒng)的車輛供能系統(tǒng)，燃油經(jīng)濟(jì)性得到了改善。
[0015]由于該車輛廢熱回收子系統(tǒng)采用了非共沸工質(zhì)，第一換熱器和第二換熱器內(nèi)非共沸工質(zhì)的等壓蒸發(fā)過程均為滑溫過程，其內(nèi)部平均換熱溫差較??；第一冷凝器和第二冷凝器內(nèi)的等壓冷凝過程也為非等溫過程，其平均換熱溫差也較小。因此，該系統(tǒng)的廢熱回收過程火用利用效率較高。在等壓條件下，滑移溫度大，適合缸套冷卻劑和內(nèi)燃機(jī)廢煙氣的顯熱回收。此外，還可以根據(jù)廢熱數(shù)量及品位變化，通過調(diào)整混合工質(zhì)中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，改變滑移溫度范圍，實(shí)現(xiàn)廢熱的有效回收。
[0016]與常規(guī)直接從第二換熱器采集煙氣廢熱的方案相比，該車輛供能系統(tǒng)煙氣廢熱先經(jīng)過熱電發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)化為電能，然后進(jìn)入第二換熱器對(duì)多組分蒸氣進(jìn)行加熱，煙氣廢熱利用率會(huì)更高。
【附圖說明】
[0017]圖1是車輛動(dòng)力、制冷供能系統(tǒng)；
圖中標(biāo)號(hào)名稱:1.汽油，2.環(huán)境空氣，3.發(fā)動(dòng)機(jī)，4.煙氣，5.熱電發(fā)電機(jī)，6.第二換熱器，7.非共沸工質(zhì)，8.第一循環(huán)泵，9.第一回?zé)崞鳎?0.第二回?zé)崞鳎?1.第一換熱器，
12.氣液分離器，13.多組分蒸氣，14.透平，15.第一冷凝器，16.多組分溶液，17.第二冷凝器，18.節(jié)流閥，19.蒸發(fā)器，20.第二循環(huán)泵，21.冷卻劑，22.冷風(fēng)口，23.缸套。
【具體實(shí)施方式】
[0018]圖1是本發(fā)明提出的新型車輛動(dòng)力、制冷供能系統(tǒng)，下面參照?qǐng)D1說明該供能系統(tǒng)的工作過程。
[0019]汽油I與環(huán)境空氣2進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)3燃燒釋