技术领域
[0001] 本
发明涉及一种朗肯循环系统及其控制方法，属于
发动机尾气废热回收的技术领域。
背景技术
[0002] 近年来，随着
汽车产销量的不断增加以及汽车产业的能耗在总能耗中占有的比例越来越大，汽车节能减排问题越来越受到重视。从目前车用
内燃机的热平衡看，用于动
力输出的功率一般只占
燃料燃烧总热量的30％～45％（柴油机）或 20％～30％（
汽油机）。以废热形式排出的热量占燃烧总热量的 55％～70％（柴油机）或 70％～80％（汽油机），主要包括循环
冷却水带走的热量和排气带走的热量。其中排气带走的热量约占进入发动机燃料燃烧所产生热量的 40％～45％（汽油机），35%～40%（高速柴油机）或 30%～40%（中速柴油机）。由此可知，车用内燃机的热效率较低，燃料燃烧产生的热量中能够被有效利用的只有三分之一左右。这不仅会造成热量的损失，而且还会对环境造成危害。因此，如何实现车用内燃机余热
能量的有效转化再利用，已经成为一个亟待解决的问题。
[0003] 近年来，全世界各大内燃机相关研究机构和制造商都开始研究内燃机的余热回收技术，并且已经研发出了利用朗肯循环（Rankine Cycle)来回收废热的技术。通常，朗肯循环主要包括工质箱、
增压装置（例如
泵）、热交换装置（例如
蒸发器）、能量转化装置（例如膨胀机）以及冷却装置（例如
冷凝器）。使用时，所述泵将一种工质（例如水）升压之后与高温的发动机排气在所述
蒸发器上进行热交换，该工质被加热
汽化，直至成为
过热蒸汽后，进入膨胀机中做功，做功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却
凝结成液态，再回到泵中，完成一个循环。经过此过程之后，相当于将发动机尾气的废热转
化成可以利用的机械能，以实现能量的回收与利用。
[0004] 然而，采用朗肯循环来进行内燃机的余热回收，存在许多技术难点，其中主要的技术难点是系统优化以及关键部件的控制。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种优化的朗肯循环系统及其控制方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种朗肯循环系统，用以收集发动机排气管的废热，所述朗肯循环系统包括顺序连接的工质箱、用以从所述工质箱中向外
抽取工质的增压装置、用以与所述发动机排气管进行换热的热交换装置、能量转化装置以及冷却装置，所述朗肯循环系统还包括能够将所述冷却装置的出口的工质重新回到所述冷却装置中的再冷凝管路。
[0007] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有安装在所述冷却装置的出口的压力
传感器、
温度传感器以及位于所述
压力传感器与所述温度传感器下游的第一三通
阀，所述第一三通阀包括与所述冷却装置的出口相连的第一入口、与所述工质箱相连的第一出口以及与所述再冷凝管路相连的第二出口。
[0008] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统还包括能够将所述热交换装置的出口的工质重新回到所述热交换装置的再蒸发管路。
[0009] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有安装在所述热交换装置的出口的压力传感器、温度传感器以及位于所述压力传感器与所述温度传感器下游的第二三通阀，所述第二三通阀包括与所述热交换装置的出口相连的第二入口、与所述能量转化装置相连的第三出口以及与所述再蒸发管路相连的第四出口。
[0010] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有安装在所述热交换装置的入口的压力传感器以及温度传感器。
[0011] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统还设有将所述增压装置的出口的工质直接回到所述工质箱的第一旁通管路以及用以控制所述第一旁通管路的第一
控制阀。
[0012] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统还设有将所述热交换装置的出口的工质直接引向所述冷却装置的第二旁通管路以及用以控制所述第二旁通管路的第二控制阀。
[0013] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有安装在所述能量转化装置的出口的压力传感器以及温度传感器。
[0014] 本发明还涉及如下技术方案：一种朗肯循环系统的控制方法，所述朗肯循环系统用以收集发动机排气管的废热，所述朗肯循环系统包括顺序连接的工质箱、增压装置、热交换装置、能量转化装置以及冷却装置，所述控制方法包括：S1：判断所述热交换装置的出口的工质状态，如果所述工质状态为非气态，则不将所述工质通入所述能量转化装置；如果所述工质状态为气态，则将所述工质通入所述能量转化装置；
S2：判断所述冷却装置的出口的工质状态，如果所述工质状态为非液态，则不将所述工质通入所述工质箱，而是通过再冷凝管路将所述工质重新回到所述冷却装置中进行冷却，直到所述工质状态为液态，才将所述工质通入所述工质箱。
[0015] 作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤S1中，所述热交换装置的出口安装有压力传感器以及温度传感器，通过所述压力传感器以及所述温度传感器的读数来判断所述工质的状态。
[0016] 作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤S1中，当所述工质状态为非气态时，通过减少进入所述热交换装置的工质或者通过再蒸发管路将所述工质重新回到所述热交换装置中进行蒸发，从而使所述热交换装置的出口的工质状态变为气态。
[0017] 作为本发明进一步改进的技术方案，所述朗肯循环系统设有将所述增压装置的出口的工质直接回到所述工质箱的第一旁通管路以及用以控制所述第一旁通管路的第一控制阀；在步骤S1中，通过将所述第一控制阀打开，使一部分工质通过所述第一旁通管路直接回到所述工质箱的方法来减少进入所述热交换装置的工质。
[0018] 作为本发明进一步改进的技术方案，在步骤S1中，当所述工质状态为非气态时，通过第二旁通管路将该工质直接通入所述冷却装置中。
[0019] 相较于
现有技术，本发明通过设置再冷凝管路，当所述冷却装置的出口的工质状态为非液态时，将该工质重新回到所述冷却装置中进行冷却，从而能够确保所述冷却装置的出口的工质状态，提升了所述朗肯循环系统的性能。
附图说明
[0020] 图1是本发明朗肯循环系统在第一实施方式中的原理图。
[0021] 图2是本发明朗肯循环系统在第二实施方式中的原理图。
[0022] 图3是本发明朗肯循环系统在第三实施方式中的原理图。
[0023] 图4是本发明朗肯循环系统在第四实施方式中的原理图。
[0024] 图5是本发明朗肯循环系统的控制方法对应于上述第一、第二实施方式的流程示意图。
[0025] 图6是本发明朗肯循环系统的控制方法对应于上述第三、第四实施方式的流程示意图。
具体实施方式
[0026] 请参图1所示，本发明揭示了一种朗肯循环系统100，用以收集发动机排气管的废热。所述朗肯循环系统100包括顺序连接的工质箱1、用以从所述工质箱1中向外抽取工质的增压装置2、用以与所述发动机排气管200进行换热的热交换装置3、能量转化装置4以冷却装置5。在本发明图示的实施方式中，所述增压装置2为工质泵，所述热交换装置3为蒸发器或者
锅炉，所述能量转化装置4为膨胀机用以驱动一个负载41，所述冷却装置5为冷凝器。
[0027] 另外，所述朗肯循环系统100还包括能够将所述冷却装置5的出口的工质重新回到所述冷却装置5中的再冷凝管路6。所述朗肯循环系统100还设有安装在所述冷却装置5的出口的压力传感器61、温度传感器62以及位于所述压力传感器61与所述温度传感器62下游的第一三通阀63。所述第一三通阀63包括与所述冷却装置5的出口相连的第一入口631、与所述工质箱1相连的第一出口632以及与所述再冷凝管路6相连的第二出口633。
[0028] 因为每一种工质都有确定的饱和温度和饱和压力值，通过温度传感器以及压力传感器的测量，能够得出该工质的状态。因此，通过所述压力传感器61与所述温度传感器62的读数能够得出所述冷却装置5的出口的工质状态。如果所述工质状态为未完全冷凝的非液态（例如气液两相），则关闭所述第一三通阀63的第一出口632，不将所述工质通入所述工质箱1，同时打开所述第一三通阀63的第二出口633，通过所述再冷凝管路6将所述工质重新回到所述冷却装置5中进行冷却，直到所述工质被完全冷凝为液态。
[0029] 请参图1所示，在本发明图示的第一实施方式中，所述朗肯循环系统100还包括能够将所述热交换装置3的出口的工质重新回到所述热交换装置3的再蒸发管路7。所述朗肯循环系统100设有安装在所述热交换装置3的出口的压力传感器71、温度传感器72以及位于所述压力传感器71与所述温度传感器72下游的第二三通阀73。所述第二三通阀73包括与所述热交换装置3的出口相连的第二入口731、与所述能量转化装置4相连的第三出口732以及与所述再蒸发管路7相连的第四出口733。
[0030] 通过所述压力传感器71与所述温度传感器72的读数能够得出所述热交换装置3的出口的工质状态。如果所述工质状态为未完全蒸发的非气态（例如气液两相），则关闭所述第二三通阀73的第三出口732，不将所述工质通入所述能量转化装置4，以免损坏所述能量转化装置4。同时，打开所述第二三通阀73的第四出口733，通过所述再蒸发管路7将所述工质重新回到所述热交换装置3中进行蒸发，直到所述工质被完全蒸发为气态。
[0031] 所述朗肯循环系统100设有安装在所述热交换装置3的入口的压力传感器74与温度传感器75，以及安装在所述能量转化装置4的出口的压力传感器76与温度传感器77，以更好的判断所述工质的状态，更利于系统控制。
[0032] 请参图2所示，在本发明图示的第二实施方式中，所述朗肯循环系统100还设有将所述增压装置2的出口的工质直接回到所述工质箱1的第一旁通管路81以及用以控制所述第一旁通管路81的第一控制阀82。在该实施方式中，所述第一控制阀82是
球阀。
[0033] 请参图3所示，在本发明图示的第三实施方式中，所述朗肯循环系统100设有将所述热交换装置3的出口的工质直接引向所述冷却装置5的第二旁通管路83以及用以控制所述第二旁通管路83的第二控制阀84。当检测到所述热交换装置3的出口的工质状态为非气态时（例如气液两相），不将所述工质通入所述能量转化装置4，以免损坏所述能量转化装置4。同时，打开所述第二控制阀84的相应通路，通过所述第二旁通管路83将该工质直接通入所述冷却装置5中。
[0034] 另外，在本发明图示的第三实施方式中，所述朗肯循环系统100设有与第二实施方式中相同的第一旁通管路81以及第一控制阀82。
[0035] 请参图4所示，在本发明图示的第四实施方式中，所述朗肯循环系统100与第三实施方式类似，区别在于将所述第一控制阀82改为能够调节流量的
比例阀。
[0036] 请参图5所示，以下就本发明的控制方法进行描述。
[0037] 本发明的控制方法的重点在于：判断所述热交换装置3的出口的工质状态及/或所述冷却装置5的出口的工质状态，调节所述朗肯循环系统100，使所述热交换装置3的出口的工质状态成为气态，所述冷却装置5的出口的工质状态成为液态，从而使所述能量转化装置4的输出功最大。
[0038] 请参图1至图6所示，在上述各种实施方式中，针对所述冷却装置5出口的工质状态采用相同的控制方法，即一旦判断出所述冷却装置5出口的工质状态为非液态，通过启动所述再冷凝管路6将所述工质重新回到所述冷却装置5中进行冷却，直到所述工质状态为液态。
[0039] 但是，在上述实施方式中，针对所述热交换装置3出口的工质状态采用不同的控制方法，以下分别进行描述。
[0040] 请参图1及图5所示，在本发明的第一实施方式中，如果所述热交换装置3出口的工质状态为非气态，则通过所述再蒸发管路7将所述工质重新回到所述热交换装置3中进行蒸发，直到所述工质状态为气态。在所述工质状态变为气态之间，不将所述工质通向所述能量转化装置4，以避免损坏所述能量转化装置4。
[0041] 请参图2所示，在本发明的第二实施方式中，如果所述工质状态为非气态，则说明进入所述热交换装置3中的工质流量过大，此时，打开所述第一旁通管路81，使一部分工质直接流向所述工质箱1。在通过监测所述压力传感器71与所述温度传感器72的读数，判断工质是否在所述热交换装置3中完全
气化。
[0042] 请参图3及图6所示，在本发明的第三实施方式中，采用与图2相同的方法来控制所述热交换装置3出口的工质状态。在该工质状态称为气态之前，关闭工质进入所述能量转化装置4的通道，以保护所述能量转化装置4。此时，所述工质通过所述第二旁通管路83直接通入所述冷却装置5中。如果该工质状态变为气态之后，打开上述通道，使工质进入所述能量转化装置4中进行做功。
[0043] 请参图4所示，在本发明的第四实施方式中，采用与第三实施方式类似的控制方法，区别在于，由于所述第一控制阀82此时为比例阀，其对工质流量的调节更为准确。
[0044] 相较于现有技术，本发明通过设置再冷凝管路6，当所述冷却装置5的出口的工质状态为非液态时，将该工质重新回到所述冷却装置5中进行冷却，从而能够确保所述冷却装置5的出口的工质状态，提升了所述朗肯循环系统100的性能。另外，当所述热交换装置3出口的工质状态为非气态时，通过减少进入所述热交换装置3的工质或者通过再蒸发管路7将所述工质重新回到所述热交换装置3中进行蒸发，从而使所述热交换装置3的出口的工质状态变为气态，提升了所述朗肯循环系统100的性能。
[0045] 另外，以上
实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，对本
说明书的理解应该以所属技术领域的技术人员为
基础，例如“前后贯穿”指的是在未安装其他零件之前是贯穿的，再例如对“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等方向性的描述，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行
修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的
权利要求范围内。
