内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置及控制方法

IPC分类号 : F02B41/00,F01K25/10,F01P3/20,F01P7/00

申请号

CN201310664867.2

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专利摘要

本发明公开了一种内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置及控制方法：所述复合装置特征是在所述ORC中冷凝器与所述内燃机冷却循环中散热水箱出口之间设置电动水泵A，以实现ORC冷凝压力控制和内燃机快速暖机；所述控制方法包括ORC控制器的控制方法和内燃机冷却循环控制器的控制方法，其中，ORC控制器的控制方法是基于状态机的控制方法，所述状态机定义了所述复合装置运行模式：停机、暖机、起动、冲转、做功和保护模式，以及各模式之间的转移逻辑关系，然后基于确定的运行模式执行相应的控制操作。本发明提出了一种应对道路工况条件下ORC回收车用内燃机排气能量所面临的热源波动以及缺少冷源两大应用问题的技术方案。

权利要求

1.一种内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置，包括内燃机（1）、用于回收内燃机排气能量的ORC、内燃机冷却循环、ORC控制器和内燃机冷却循环控制器；

所述ORC包括工质泵（2），蒸发器（3），透平发电机组（5），透平前端电动阀（4），旁通电动阀（6）、冷凝器（7）和集液器（8）；其中，所述蒸发器（3）设置于所述内燃机（1）的排气管上，用于回收所述内燃机（1）排气中的余热能；所述工质泵（2）设置在所述蒸发器（3）的前端管路上，用于供给和调节所述蒸发器（3）中的工质流量；所述透平发电机组（5）设置在所述蒸发器（3）的后端管路上，所述透平发电机组（5）是所述ORC的能量转换部件，用于将所述蒸发器（3）产生的高温高压的蒸汽能量转化为电能对外输出；所述透平前端电动阀（4）设置在所述蒸发器（3）与所述透平发电机组（5）之间，用于调节所述透平发电机组（5）的耗汽量，调控蒸发压力；所述旁通电动阀（6）与所述透平发电机组（5）并联设置在所述蒸发器（3）后端的管路上，用于在所述蒸发器（3）产生的蒸汽的干度不能满足所述透平发电机组（5）的安全性限制时，与所述透平前端电动阀（4）配合对所述透平发电机组（5）进行旁通保护；所述冷凝器（7）设置在所述透平发电机组（5）的后端管路上，用于将所述透平发电机组（5）出口的乏汽冷凝至液相；所述集液器（8）设置在所述冷凝器（7）的出口，用于缓冲所述ORC中工质流量的变化；

所述内燃机冷却循环包括电动水泵B（10），散热水箱（11）以及电动风扇（12）；其特征在于还包括电动水泵A（9），所述电动水泵A（9）设置在所述ORC中的冷凝器（7）冷测入口与所述散热水箱（11）出口之间的管路上，调节冷却水流量控制所述冷凝器（7）中的冷凝压力，以实现所述ORC冷却和所述内燃机（1）的快速暖机；

所述ORC控制器与所述内燃机（1）以及所述ORC中的工质泵（2），透平前端电动阀（4），旁通电动阀（6）以及透平发电机组（5）电联，所述ORC控制器采集所述ORC中各测点信息，结合所述内燃机冷却循环的出口冷却水温度信息以及所述内燃机（1）的起停状态信息，判定所述ORC的运行模式，控制所述工质泵（2），透平前端电动阀（4），旁通电动阀（6）以及透平发电机组（5）执行相应的操作；

所述内燃机冷却循环控制器与所述内燃机冷却循环中的电动水泵A（9）、电动水泵B（10）、电动风扇（12）以及所述ORC控制器电联；所述内燃机冷却循环控制器根据所述内燃机冷却循环中各测点采集的实时信息，调节所述电动水泵B（10）以及电动风扇（12）以满足所述内燃机冷却循环的水温调控的需求，调节所述电动水泵A（9）以满足所述ORC的冷凝压力的控制需求。

2.一种内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置，并包括ORC控制器的控制方法和内燃机冷却循环控制器的控制方法；

ORC控制器的控制方法是基于状态机的控制方法，所述状态机根据所述内燃机（1）的起停状态S_engine；所述内燃机冷却循环的出口冷却水温度T-out；所述蒸发器（3）出口蒸汽的蒸发压力P_vapor和蒸发温度T_vapor；所述透平发电机组（5）的转速N_turbine判定ORC的运行模式；并定义所述的内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置的运行模式，包括：停机模式、暖机模式、起动模式、冲转模式、做功模式和保护模式，以及自做功模式转换至保护模式的过渡过程1和自保护模式转换至冲转模式的过渡过程2；上述各模式之间的转移逻辑关系如下：

1）ORC初始运行模式为停机模式，待内燃机（1）起动后，内燃机（1）的起停状态S_engine=on，ORC进入暖机模式；

2）ORC运行在暖机模式下，如果内燃机（1）停机，内燃机（1）的起停状态S_engine=off，ORC进入停机模式；否则等待满足条件：所述内燃机冷却循环的出口冷却水温度T_out大于内燃机（1）暖机设定水温T_out_set，ORC进入到起动模式；

3）ORC运行在起动模式下，如果内燃机（1）停机，内燃机（1）的起停状态S_engine=off，ORC进入停机模式；否则ORC继续运行在起动模式，直到ORC中所述蒸发器（3）出口蒸汽的过热度sh_vapor大于过热度起动阈值sh_vapor_set，并且蒸发压力P_vapor大于起动压力的设定范围P_vapor_start±ΔP，ORC进入到冲转模式；

4）ORC运行在冲转模式下，如果所述蒸发器（3）出口蒸汽的过热度sh_vapor小于过热度安全阈值sh_vapor_safety，ORC退回到起动模式；否则等待满足条件：透平发电机组（5）的转速N_turbine大于其起动转速N_turbine_start，ORC进入做功模式；

5）ORC运行在做功模式下，过渡过程1计算所述蒸发器（3）出口蒸汽的过热度sh_vapor连续小于过热度安全阈值sh_vapor_safety的时间，记为time1，如果time1大于设定时间Δt1，ORC进入保护模式；

6）ORC运行在保护模式下，如果内燃机（1）停机，内燃机（1）的起停状态S_engine=off，ORC停止运行，进入停机模式；否则，过渡过程2计算所述蒸发器（3）出口蒸汽的过热度sh_vapor连续大于过热度起动阈值sh_vapor_set的时间，记为time2，如果time2大于设定时间Δt2，ORC进入保护模式；

所述ORC控制器的控制方法包括以下步骤：调用状态机，确定ORC运行状态，

如果ORC运行状态为停机模式，则：控制透平发电机组（5）空载，透平发电机组（5）功率P_generator=0；透平前端电动阀（4）关闭，透平前端电动阀（4）开度β_valve=0°，旁通电动阀（6）打开，旁通电动阀（6）开度β_bypass=90°；控制工质泵（2）转速为停机冷却转速，N_pump=N_pump_stop；从而使ORC中的蒸发器（3）逐渐冷却，直到蒸发器（3）的出口蒸汽温度T_vapor低于停机安全温度T_vapor_stop，此刻工质泵（2）停止运行；

如果ORC运行状态为暖机模式，则：控制透平发电机组（5）空载，透平发电机组（5）功率P_generator=0；透平前端电动阀（4）关闭，透平前端电动阀（4）开度β_valve=0°，旁通电动阀（6）打开，旁通电动阀（6）开度β_bypass=90°；控制工质泵（2）转速为暖机转速，N_pump=N_pump_warm，将所述蒸发器（3）从所述内燃机（1）排气中吸收的能量，通过所述冷凝器（7）转移到所述内燃机冷却循环中，从而缩短内燃机（1）的暖机时间，改善暖机油耗和排放；

如果ORC运行状态为起动模式，则：控制透平发电机组（5）空载，透平发电机组（5）功率P_generator=0；透平前端电动阀（4）关闭，透平前端电动阀（4）开度β_valve=0°；控制工质泵（2）转速为起动转速，N_pump=N_pump_start；调节旁通电动阀（6）开度β_bypass以控制所述蒸发器（3）出口的蒸发压力为起动蒸发压力P_vapor_start；

如果ORC运行状态为冲转模式，则：控制旁通电动阀（6）关闭，旁通电动阀（6）开度β_bypass=0°；控制透平前端电动阀（4）打开，透平前端电动阀（4）开度β_valve=90°；控制工质泵（2）转速为起动转速，N_pump=N_pump_start；控制透平发电机组（5）空载，透平发电机组（5）功率P_generator=0，将所述透平发电机组（5）在空载状态下冲转到透平发电机组（5）起动转速N_turbine_start；

如果ORC运行状态为做功模式，则：控制旁通电动阀（6）关闭，旁通电动阀（6）开度β_bypass=0°；并通过调节所述工质泵（2）转速N_pump，旁通电动阀（6）开度β_bypass，透平发电机组（5）功率P_generator控制所述蒸发器（3）出口蒸汽参数的蒸发压力P_vapor满足控制目标P_vapor_target，过热度sh_vapor满足控制目标sh_vapor_target：控制目标P_vapor_target和控制目标sh_vapor_target通过如下方法得到：

步骤1）通过内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置的台架试验，以效率最大为准则，标定得到最优的蒸发压力P_vapor_opt和最优的sh_vapor_opt的MAP；

步骤2）如果蒸汽过热度sh_vapor高于设定的做功模式下过热度的低阈值sh_vapor_low，则执行蒸发压力的控制目标P_vapor_target=P_vapor_opt，过热度的控制目标sh_vapor_target=sh_vapor_opt；

步骤3)否则，过热度的控制目标sh_vapor_target=sh_vapor_opt，蒸发压力的控制目标P_vapor_target按照以下方法得出：

根据当前控制循环内的蒸发温度T_vapor计算下一控制循环内的安全蒸发温度T_vapor_safety，T_vapor_safety=T_vapor-sh_vapor_opt；

根据计算得到的安全蒸发温度T_vapor_safety，查找所述ORC采用的工质的物性参数得到安全蒸发温度T_vapor_safety所对应的饱和压力P_vapor_safety；

比较计算得到蒸发压力P_vapor_safety和ORC蒸发压力的低阈值P_vapor_low的大小，取大者为蒸发压力的控制目标，蒸发压力的控制目标P_vapor_target=max（P_vapor_safety，P_vapor_low）；

如果ORC运行状态为保护模式，则：控制透平发电机组（5）空载，透平发电机组（5）功率P_generator=0；透平前端电动阀（4）关闭，透平前端电动阀（4）开度β_valve=0°；控制工质泵（2）转速为起动转速，N_pump=N_pump_start；调节旁通电动阀（6）开度β_bypass以控制所述蒸发器（3）出口的蒸发压力为P_vapor_start，从而在所述蒸发器（3）出口蒸汽的过热度sh_vapor不能满足透平发电机组（5）安全性限制时，保护所述透平发电机组（5）不受液击损坏；

内燃机冷却循环控制器的控制方法，包括：通过调节电动水泵A（9）控制所述ORC的冷凝压力P_con；通过调节电动水泵B（10）和电动风扇（12）控制内燃机冷却水的进口温度T_in和出口温度T_out。

说明书

技术领域

本发明属于内燃机余热能量回收与控制技术领域，涉及一种车用内燃机冷却循环与排气能量回收ORC（有机朗肯循环）相结合的复合装置与控制方法。

背景技术

根据内燃机的能量平衡分析，目前，内燃机燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量最终均以废热的形式耗散到大气当中，因此将内燃机的余热能进行有效回收和利用是进一步提高内燃机效率，降低二氧化碳排放，实现低碳内燃机的一条重要途径。

基于对内燃机余热能回收利用对减少石油消耗、降低CO₂排放的重要性的认识，国际上工业发达国家纷纷将内燃机余热能高效回收利用技术作为提高内燃机效率的未来技术而列入科技研究计划，抢占内燃机节能减排新技术挑战的先机。日本文部省在2005年发布的第八次技术预见调查报告中，将余热能利用列为未来30年技术发展的100个重要课题之一。日本丰田、本田等公司将余热能利用作为汽车内燃机未来技术而投入重金加以研究。在欧洲，欧盟在第七框架行动计划中，启动了“HeatReCar”的汽车内燃机余热能利用研究计划，由德国、法国、意大利、瑞典等国家的大学、研究机构和企业参加。2010年1月11日，美国能源部长朱棣文宣布启动3.75亿美元的提高重型卡车和乘用车效率的研究计划，其中内燃机余热能回收利用是5大关键技术之一。

内燃机的余热能主要分布于内燃机的冷却液和排气。前期的研究表明：虽然冷却液和排气均携带了30%左右的燃油能量，但是由于热力学第二定律的限制，冷却液中可用能（火用量）却只能占到燃油能量的3%左右，并且较低的热源温度也决定了其在移动动力装置上的利用难度。相较于冷却液，排气所携带的能量因为其较高的温度而具有更高的回收潜力和回收价值。

BMW公司在SAE 2009-01-0174一文中在余热能回收技术的复杂度、成本和能量回收潜力等方面，对目前理论可行的诸多技术进行了较为详细地对比研究，并指出朗肯底循环是一项值得青睐的技术。同时，有机工质潜热小，蒸发温度低，且膨胀过程不易析出液滴等特点使得ORC成为中低温能量转换与利用的热点技术。内燃机工作者对ORC技术回收车用内燃机瞬态的排气能量进行了大量先期的技术与理论探索，包括ORC系统设计，工质选择，参数优化和部件研制等多个具有挑战性的课题，其研究成果为ORC系统的设计、优化和控制提供了坚实的基础，但是ORC的研究工作大都在稳态热源边界条件下进行，且没有考虑到ORC应用于回收车用内燃机排气能量时缺乏低温冷源的应用问题。

新技术应用的核心难点在于应对特殊运行环境所带来的挑战。将ORC技术应用于回收车用内燃机瞬态排气能量需要面临两个关键问题：

1.动态热源：传统的ORC系统热源较为稳定，或者变化非常缓慢，所以ORC主要工作在额定状态或者额定状态附近较小区域内，因此其优化与控制的实质是额定工况点参数的优化与控制。但是车用内燃机瞬态的排气能量必然使ORC工作状态在较大范围内波动，也就是说ORC的工作状态不再是一个稳定的状态点或者较小的状态区域，而是由一系列大范围波动的动态过程所构成。在动态热源边界条件下ORC系统的优化与控制转变为一系列动态过程的优化与控制问题，使得循环系统的优化与控制均面临着挑战。

2.冷却耗能：车用内燃机作为移动动力装置，没有源源不断的冷却水用于带走ORC的低温散热量。因此，ORC的低温散热过程必然是一个耗能过程，需要一套冷却循环与ORC协同运行。根据朗肯循环的理想效率表达式可知，冷凝压力（冷凝温度）越低，朗肯循环效率越高。在环境温度为25摄氏度的情况下，R123工质的冷凝压力一般优化在2-3bar左右，相应冷凝温度为50-60℃。此时，车用内燃机自身的冷却水不能满足这样苛刻的散热需求，需要专门配置一套独立的冷却系统。并且，维持较低的冷凝压力（冷凝温度）需要更为苛刻的冷却条件，冷却系统中附件（水泵和风扇）需要消耗更多的能量，这一因素目前未得到充分考虑。前期研究表明，考虑冷却能耗之后，在同样的环境边界条件下，最优的冷凝压力会升高至6-7bar，相应的冷凝温度为90℃左右，可以直接利用内燃机的冷却水就可以满足这样的冷却需求。基于上述分析，本发明直接利用内燃机的冷却水作为ORC系统的冷却水，降低系统复杂性，减小附件能耗。

但是，新热源的引入会对内燃机的传统冷却循环造成影响。对系统能量流动进行分析可以发现，ORC系统从内燃机排气中吸收热量，其中，大约10%左右的能量转化为膨胀机有用功对外输出，还有大约90%的能量以热量的形式通过冷凝器散失到低温的冷却水中。也就是说，存在于内燃机排气中的能量通过ORC系统大量转移到内燃机的冷却水中，增加了冷却循环的散热需求。新热源的引入会使内燃机的冷却循环发生两点转变：一是，增加了冷却循环的散热需求和控制需求。内燃机的冷却循环不仅需要调控内燃机的热状态，还需要调控ORC系统的冷凝参数（冷凝压力）；二是，可以加快内燃机的暖机过程，缩短暖机时间，改善暖机油耗和排放。

发明内容

针对目前ORC应用于回收车用内燃机排气能量所面临的热源波动以及缺少冷源两大应用问题，本发明提出一种内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置，并在充分考虑内燃机冷却循环热管理与ORC动态过程控制需求的基础上，提出了相应的控制方法，旨在实现道路工况条件下应用于回收车用内燃机瞬态排气能量的ORC的优化与控制。

本发明一种内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置，包括内燃机、用于回收内燃机排气能量的ORC、内燃机冷却循环、ORC控制器和内燃机冷却循环控制器；所述ORC包括工质泵，蒸发器，透平发电机组，透平前端电动阀，旁通电动阀、冷凝器和集液器；其中，所述蒸发器设置于所述内燃机的排气管上，用于回收所述内燃机排气中的余热能；所述工质泵设置在所述蒸发器的前端管路上，用于供给和调节所述蒸发器中的工质流量；所述透平发电机组设置在所述蒸发器的后端管路上，所述透平发电机组是所述ORC的能量转换部件，用于将所述蒸发器产生的高温高压的蒸汽能量转化为电能对外输出；所述透平前端电动阀设置在所述蒸发器与所述透平发电机组之间，用于调节所述透平发电机组的耗汽量，调控蒸发压力；所述旁通电动阀与所述透平发电机组并联设置在所述蒸发器后端的管路上，用于在所述蒸发器产生的蒸汽的干度不能满足所述透平发电机组的安全性限制时，与所述透平前端电动阀配合对所述透平发电机组进行旁通保护；所述冷凝器设置在所述透平发电机组的后端管路上，用于将所述透平发电机组出口的乏汽冷凝至液相；所述集液器设置在所述冷凝器的出口，用于缓冲所述ORC中工质流量的变化；所述内燃机冷却循环包括电动水泵A，电动水泵B，散热水箱以及电动风扇；所述电动水泵A设置在所述ORC中的冷凝器冷测入口与所述散热水箱出口之间的管路上；所述ORC控制器与所述内燃机以及所述ORC中的工质泵，透平前端电动阀，旁通电动阀以及透平发电机组电联，所述ORC控制器采集所述ORC中各测点信息，结合所述内燃机冷却循环出口冷却水温信息以及所述内燃机的起停状态信息，判定所述ORC的运行模式，控制所述工质泵，透平前端电动阀，旁通电动阀以及透平发电机组执行相应的操作；所述内燃机冷却循环控制器与所述内燃机冷却循环中的电动水泵A、电动水泵B、电动风扇以及所述ORC控制器电联；所述内燃机冷却循环控制器根据所述内燃机冷却循环中各测点采集的实时信息，调节所述电动水泵B以及电动风扇以满足所述内燃机冷却循环的水温调控的需求，调节所述电动水泵A以满足所述ORC的冷凝压力的控制需求。

本发明一种内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的控制方法，采用本发明中的内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置，并包括ORC控制器的控制方法和内燃机冷却循环控制器的控制方法；其中：

ORC控制器的控制方法是基于状态机的控制方法，所述状态机根据所述内燃机的起停状态S_engine；所述内燃机冷却循环的出口冷却水温度T-out；所述蒸发器出口蒸汽的蒸发压力P_vapor和蒸发温度T_vapor；所述透平发电机组的转速N_turbine判定ORC的运行模式；并定义所述的内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置的运行模式包括：停机模式、暖机模式、起动模式、冲转模式、做功模式和保护模式，以及自做功模式转换至保护模式的过渡过程1和自保护模式转换至冲转模式的过渡过程2；上述各模式之间的转移逻辑关系如下：

1）ORC初始运行模式为停机模式，待内燃机起动后，内燃机的起停状态S_engine=on，ORC进入暖机模式；

2）ORC运行在暖机模式下，如果内燃机停机，内燃机的起停状态S_engine=off，ORC进入停机模式；否则等待满足条件：所述内燃机冷却循环的出口冷却水温度T_out大于内燃机暖机设定水温T_out_set，ORC进入到起动模式；

3）ORC运行在起动模式下，如果内燃机停机，内燃机的起停状态S_engine=off，ORC进入停机模式；否则ORC继续运行在起动模式，直到ORC中所述蒸发器出口蒸汽的过热度sh_vapor大于过热度起动阈值sh_vapor_set，并且蒸发压力P_vapor大于起动压力的设定范围P_vapor_start±ΔP，ORC进入到冲转模式；

4）ORC运行在冲转模式下，如果所述蒸发器出口蒸汽的过热度sh_vapor小于过热度安全阈值sh_vapor_safety，ORC退回到起动模式；否则等待满足条件：透平发电机组的转速N_turbine大于其起动转速N_turbine_start，ORC进入做功模式。

5）ORC运行在做功模式下，过渡过程1计算所述蒸发器出口蒸汽的过热度sh_vapor连续小于过热度安全阈值sh_vapor_safety的时间，记为time1，如果time1大于设定时间Δt1，ORC进入保护模式；

6）ORC运行在保护模式下，如果内燃机停机，内燃机的起停状态S_engine=off，ORC停止运行，进入停机模式；否则，过渡过程2计算所述蒸发器出口蒸汽的过热度sh_vapor连续大于过热度起动阈值sh_vapor_set的时间，记为time2，如果time2大于设定时间Δt2，ORC进入保护模式；

所述ORC控制器的控制方法包括以下步骤：调用状态机，确定ORC运行状态，

如果ORC运行状态为停机模式，则：控制透平发电机组空载，透平发电机组功率P_generator=0；透平前端电动阀关闭，透平前端电动阀开度β_valve=0°，旁通电动阀打开，旁通电动阀开度β_bypass=90°；控制工质泵转速为停机冷却转速，N_pump=N_pump_stop；从而使ORC中的蒸发器逐渐冷却，直到蒸发器的出口蒸汽温度T_vapor低于停机安全温度T_vapor_stop，此刻工质泵停止运行；

如果ORC运行状态为暖机模式，则：控制透平发电机组空载，透平发电机组功率P_generator=0；透平前端电动阀关闭，透平前端电动阀开度β_valve=0°，旁通电动阀打开，旁通电动阀开度β_bypass=90°；控制工质泵转速为暖机转速，N_pump=N_pump_warm，将所述蒸发器从所述内燃机排气中吸收的能量，通过所述冷凝器转移到所述内燃机冷却循环中，从而缩短内燃机的暖机时间，改善暖机油耗和排放；

如果ORC运行状态为起动模式，则：控制透平发电机组空载，透平发电机组功率P_generator=0；透平前端电动阀关闭，透平前端电动阀开度β_valve=0°；控制工质泵转速为起动转速，N_pump=N_pump_start；调节旁通电动阀开度β_bypass以控制所述蒸发器出口的蒸发压力为起动蒸发压力P_vapor_start；

如果ORC运行状态为冲转模式，则：控制旁通电动阀关闭，旁通电动阀开度β_bypass=0°；控制透平前端电动阀打开，透平前端电动阀开度β_valve=90°；控制工质泵转速为起动转速，N_pump=N_pump_start；控制透平发电机组空载，透平发电机组功率P_generator=0，将所述透平发电机组在空载状态下冲转到透平发电机组起动转速N_turbine_start；

如果ORC运行状态为做功模式，则：控制旁通电动阀关闭，旁通电动阀开度β_bypass=0°；并通过调节所述工质泵转速N_pump，旁通电动阀开度β_bypass，透平发电机组功率P_generator控制所述蒸发器出口蒸汽参数的蒸发压力P_vapor满足控制目标P_vapor_target，过热度sh_vapor满足控制目标sh_vapor_target：控制目标P_vapor_target和控制目标sh_vapor_target通过如下方法得到：

步骤1）通过内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置的台架试验，以效率最大为准则，标定得到最优的蒸发压力P_vapor_opt和最优的sh_vapor_opt的MAP；

步骤3)否则，过热度的控制目标sh_vapor_target=sh_vapor_opt，蒸发压力的控制目标P_vapor_target按照以下方法得出：

根据当前控制循环内的蒸发温度T_vapor计算下一控制循环内的安全蒸发温度T_vapor_safety，T_vapor_safety=T_vapor-sh_vapor_opt；

根据计算得到的安全蒸发温度T_vapor_safety，查找所述ORC采用的工质的物性参数得到安全蒸发温度T_vapor_safety所对应的饱和压力P_vapor_safety；

如果ORC运行状态为保护模式，则：控制透平发电机组空载，透平发电机组功率P_generator=0；透平前端电动阀关闭，透平前端电动阀开度β_valve=0°；控制工质泵转速为起动转速，N_pump=N_pump_start；调节旁通电动阀开度β_bypass以控制所述蒸发器出口的蒸发压力为P_vapor_start，从而在所述蒸发器出口蒸汽的过热度sh_vapor不能满足透平发电机组安全性限制时，保护所述透平发电机组不受液击损坏；

所述内燃机冷却循环控制器的控制方法包括：通过调节电动水泵A控制所述ORC的冷凝压力P_con；通过调节电动水泵B和电动风扇控制内燃机冷却水的进口温度T_in和出口温度T_out。

本发明一种内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置与控制方法，为实现道路工况条件下应用于回收车用内燃机瞬态排气能量的ORC的优化与控制提供了一种可行的技术方案，其有益效果为：

（1）本发明直接利用内燃机冷却水作为ORC冷却水，降低系统复杂性，减小附件冷却能耗；

（2）本发明利用内燃机排气能量加快内燃机暖机过程，缩短暖机时间，改善暖机排放和油耗；

（3）本发明充分考虑了ORC在动态热源条件下所呈现的动态运行过程，并对其动态运行过程进行模式划分，在不同的运行模式下执行不同的控制任务，为ORC回收车用内燃机瞬态排气能量提供了一套完整的控制方法。

附图说明

图1是本发明一种内燃机冷却循环与排气能量回收ORC相结合的复合系统原理图；其中：实线表示实际物理连接，点划线表示测量信号（即控制器输入信号），虚线表示驱动信号（即控制器输出信号）；图中：1-内燃机，2-工质泵，3-蒸发器，4-透平前端电动阀，5-透平发电机组，6-旁通电动阀，7-冷凝器，8-集液器，9-电动水泵A，10-电动水泵B，11-散热水箱，12-电动风扇；

图2是本发明ORC运行模式判定状态机的示意图；

图3是本发明中示例的饱和蒸汽线示意图；

图4是本发明中ORC控制器中的顶层控制框图；

图5是本发明中ORC控制器中的停机模式控制框图；

图6是本发明中ORC控制器中的暖机模式控制框图。

图7是本发明中ORC控制器中的起动模式控制框图；

图8是本发明中ORC控制器中的冲转模式控制框图；

图9是本发明中ORC控制器中的做功模式控制框图；

图10是本发明中ORC控制器中做功模式控制中的蒸汽参数控制框图；

图11是本发明中ORC控制器中做功模式控制中的蒸汽压力决策算法流程；

图12是本发明中ORC控制器中的保护模式控制框图；

图13是本发明中利用标定得到的最优蒸发压力P_vapor_opt。

图14是本发明中示例的R123工质的饱和蒸汽线。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式对本发明作进一步地描述。

本发明提供了一种内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置，为ORC应用于回收车用内燃机瞬态排气能量所面临的关键问题提供了一种可行技术方案的构架平台，如图1所示，包括内燃机1、用于回收内燃机排气能量的ORC、内燃机冷却循环、ORC控制器和内燃机冷却循环控制器。

所述ORC包括工质泵2，蒸发器3，透平发电机组5，透平前端电动阀4，旁通电动阀6、冷凝器7和集液器8；其中，所述蒸发器3设置于所述内燃机1的排气管上，用于回收所述内燃机排气中的余热能；所述工质泵2设置在所述蒸发器3的前端管路上，用于供给和调节所述蒸发器3中的工质流量；所述透平发电机组5设置在所述蒸发器3的后端管路上，所述透平发电机组5是所述ORC的能量转换部件，用于将所述蒸发器3产生的高温高压的蒸汽能量转化为电能对外输出；所述透平前端电动阀4设置在所述蒸发器3与所述透平发电机组5之间，用于调节所述透平发电机组5的耗汽量，调控蒸发压力；所述旁通电动阀6与所述透平发电机组5并联设置在所述蒸发器3后端的管路上，用于在所述蒸发器3产生的蒸汽的干度不能满足所述透平发电机组5的安全性限制时，与所述透平前端电动阀4配合对所述透平发电机组5进行旁通保护；所述冷凝器7设置在所述透平发电机组5的后端管路上，用于将所述透平发电机组5出口的乏汽冷凝至液相；所述集液器8设置在所述冷凝器7的出口，用于缓冲所述ORC中工质流量的变化，同时，也起到稳定冷凝压力的作用。

所述内燃机冷却循环包括电动水泵A9，电动水泵B10，散热水箱11以及电动风扇12；电动水泵A9，电动水泵B10，散热水箱11以及电动风扇12为传统内燃机的冷却回路中的主要部件，其相互之间的连接关系为业内技术人员所熟知，在此不再赘述。所述电动水泵A9设置在所述ORC中的冷凝器7的冷测入口与所述散热水箱11的出口之间的管路上，为所述ORC提供冷却水，用作ORC的冷源，调控冷凝压力，冷却水带走热量之后流回所述散热水箱11。

所述ORC控制器与所述内燃机1以及所述所述ORC中的工质泵2，透平前端电动阀4，旁通电动阀6以及透平发电机组5电联所述ORC控制器采集所述ORC中各测点信息，结合所述内燃机冷却循环控制器所提供的水温信息T_out以及所述内燃机1的起停状态信息S_engine，判定所述ORC的运行模式，控制所述工质泵，透平前端电动阀，旁通电动阀以及透平发电机组执行相应的操作。

所述内燃机冷却循环控制器与所述内燃机冷却循环中的电动水泵A9、电动水泵B10、电动风扇12以及所述ORC控制器电联；所述内燃机冷却循环控制器根据所述内燃机冷却循环中各测点采集的实时信息，调节所述电动水泵B10以及电动风扇11以满足所述内燃机冷却循环的水温调控的需求，调节所述电动水泵A9以满足所述ORC的冷凝压力的控制需求。

本发明实施例中：采用的工质为R123，三氟二氯乙烷（2,2-二氯化-1,1,1-三氟乙烷）；所述内燃机1为潍柴WP12.480柴油机；所述工质泵2为齿轮泵，流量范围2.5L/min～25L/min，单转容积为0.035L；所述蒸发器3为正交管壳式换热器，额定换热量为130kW；所述透平发电机组5额定转速为40000rpm，额定功率10kW；所述透平前端电动阀4和旁通电动阀6均为电动球阀；所述冷凝器7为板翅式换热器，额定换热量为120kW；所述集液器8为20L的储液罐。所述电动水泵A9，散热水箱11，电动风扇12均为WP12.480柴油机原型附件，电动水泵B10的选型也为本领域技术人员所熟知的基本常识，在此不再赘述。所述ORC控制器和内燃机冷却循环控制器均选用型号为英飞凌TriCore1766的32位单片机。其外围信号调制和驱动电路，通过线束对传感器信号进行采集，以及控制信号对执行器进行驱动等均为本领域技术人员所熟知的基本常识，在此不再赘述。

所述ORC控制器包括状态机，实现相应状态下的控制，ORC控制器的控制方法是基于状态机的控制方法，所述状态机的功能为：根据所述内燃机1的起停状态S_engine；所述内燃机冷却循环的出口冷却水温度T-out；所述蒸发器3出口蒸汽的蒸发压力P_vapor和蒸发温度T_vapor以及所述透平发电机组5的转速N_turbine判定ORC的运行模式；并定义所述的内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置的运行模式包括：停机模式、暖机模式、起动模式、冲转模式、做功模式和保护模式，以及自做功模式转换至保护模式的过渡过程1和自保护模式转换至冲转模式的过渡过程2，如图2所示，上述各模式之间的转移逻辑关系如下：

1）ORC初始运行模式为停机模式，待内燃机1起动后，内燃机1的起停状态S_engine=on，ORC进入暖机模式；

2）ORC运行在暖机模式下，如果内燃机1停机，内燃机1的起停状态S_engine=off，那么ORC停止运行，ORC进入停机模式；否则等待满足条件：所述内燃机冷却循环的出口冷却水温度T_out大于内燃机1暖机设定水温T_out_set，ORC进入到起动模式；

3）ORC运行在起动模式下，如果内燃机1停机，内燃机1的起停状态S_engine=off，那么ORC停止运行，ORC进入停机模式；否则ORC继续运行在起动模式，直到ORC中所述蒸发器3出口蒸汽的过热度sh_vapor大于过热度起动阈值sh_vapor_set，并且蒸发压力P_vapor大于起动压力的设定范围P_vapor_start±ΔP，ORC进入到冲转模式；

4）ORC运行在冲转模式下，如果所述蒸发器3出口蒸汽的过热度sh_vapor小于过热度安全阈值sh_vapor_safety，那么ORC则退回到起动模式；否则等待满足条件：透平发电机组5的转速N_turbine大于其起动转速N_turbine_start，ORC进入做功模式。

5）ORC运行在做功模式下，过渡过程1计算所述蒸发器3出口蒸汽的过热度sh_vapor连续小于过热度安全阈值sh_vapor_safety的时间，记为time1，如果time1大于设定时间Δt1，ORC进入保护模式；

6）ORC运行在保护模式下，如果内燃机1停机，内燃机1的起停状态S_engine=off，ORC停止运行，进入停机模式；否则，过渡过程2计算所述蒸发器3出口蒸汽的过热度sh_vapor连续大于过热度起动阈值sh_vapor_set的时间，记为time2，如果time2大于设定时间Δt2，ORC进入保护模式；

本发明实施例中，通过标定确定状态机的关键参数：T_out_set=80℃；sh_vapor_set=15℃，sh_vapor_safety=0℃；ΔP=1bar；N_turbine=30000rpm；ΔT1=ΔT2=1S。

本发明中，所述ORC控制器的控制方法包括以下步骤：

所述ORC控制器采集所述ORC中各测点信息，结合所述内燃机冷却循环出口冷却水温T_out以及所述内燃机1的起停状态信息S_engine，调用状态机，判定所述ORC的运行模式，并执行相应的控制操作，并如图4所示。

如果ORC运行状态为停机模式，则：控制透平发电机组5空载，不对外输出做功，透平发电机组5功率P_generator=0；透平前端电动阀4关闭，透平前端电动阀4开度β_valve=0°，旁通电动阀6打开，旁通电动阀6开度β_bypass=90°；控制工质泵2转速为停机冷却转速，N_pump=N_pump_stop；从而使ORC中的蒸发器3逐渐冷却，直到蒸发器3的出口蒸汽温度T_vapor低于停机安全温度T_vapor_stop，此刻工质泵2停止运行，如图5所示。

如果ORC运行状态为暖机模式，则：控制透平发电机组5空载，不对外输出做功，透平发电机组5功率P_generator=0；透平前端电动阀4关闭，透平前端电动阀4开度β_valve=0°，旁通电动阀6打开，旁通电动阀6开度β_bypass=90°；控制工质泵2转速为暖机转速，N_pump=N_pump_warm，将所述蒸发器3从所述内燃机1排气中吸收的能量，通过所述冷凝器7转移到所述内燃机冷却循环中，从而缩短内燃机1的暖机时间，改善暖机油耗和排放，如图6所示。

如果ORC运行状态为起动模式，则：控制透平发电机组5空载，不对外输出做功，透平发电机组5功率P_generator=0；透平前端电动阀4关闭，透平前端电动阀4开度β_valve=0°；控制工质泵2转速为起动转速，N_pump=N_pump_start；调节旁通电动阀6开度β_bypass以控制所述蒸发器3出口的蒸发压力为起动蒸发压力P_vapor_start；如图7所示。

如果ORC运行状态为冲转模式，则：控制旁通电动阀6关闭，旁通电动阀6开度β_bypass=0°；控制透平前端电动阀4打开，透平前端电动阀4开度β_valve=90°；控制工质泵2转速维持在起动转速，N_pump=N_pump_start；控制透平发电机组5空载，不对外输出做功，透平发电机组5功率P_generator=0，将所述透平发电机组5在空载状态下冲转到透平发电机组5起动转速N_turbine_start；如图8所示。

如果ORC运行状态为做功模式，则：控制旁通电动阀6关闭，旁通电动阀6开度β_bypass=0°；并通过调节所述工质泵2转速N_pump，旁通电动阀6开度β_bypass，透平发电机组5功率P_generator控制所述蒸发器3出口蒸汽参数的蒸发压力P_vapor满足控制目标P_vapor_target，过热度sh_vapor满足控制目标sh_vapor_target，如图9、图10和图11所示，其中，控制目标P_vapor_target和控制目标sh_vapor_target通过如下方法得到：

步骤1）通过内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置的台架试验，以效率最大为准则，标定得到最优的蒸发压力P_vapor_opt和最优的sh_vapor_opt的MAP；其中优化准则为：

η=WT-WPEex]]>

式中W_T为透平发电机组5输出的有用功，W_P为工质泵2消耗的有用功，E_ex为所述蒸发器3前端的排气能量。

步骤3)否则，过热度的控制目标sh_vapor_target=sh_vapor_opt，蒸发压力的控制目标P_vapor_target按照以下方法得出：

根据当前控制循环内的蒸发温度T_vapor计算下一控制循环内的安全蒸发温度T_vapor_safety，T_vapor_safety=T_vapor-sh_vapor_opt；

根据计算得到的安全蒸发温度T_vapor_safety，查找所述ORC采用的工质的物性参数得到安全蒸发温度T_vapor_safety所对应的饱和压力P_vapor_safety，如图14所示；

如果ORC运行状态为保护模式，则：控制透平发电机组5空载，不对外输出做功，透平发电机组5功率P_generator=0；透平前端电动阀4关闭，透平前端电动阀4开度β_valve=0°；控制工质泵2转速为起动转速，N_pump=N_pump_start；调节旁通电动阀6开度β_bypass以控制所述蒸发器3出口的蒸发压力为P_vapor_start，从而在所述蒸发器3出口蒸汽的过热度sh_vapor不能满足透平发电机组5安全性限制时，保护所述透平发电机组5不受液击损坏；如图12所示。

本发明实施例中，通过标定确定ORC控制中所执行的关键控制参数：所述工质泵2转速N_pump_stop=N_pump_warm=N_pump_start=300rpm；所述蒸发温度T_vapor_stop=100℃；所述蒸发压力P_vapor_start=15bar；所述蒸发压力的低阈值P_vapor_low=10bar；所述过热度低阈值sh_vapor_low=5K。最优的蒸发压力P_vapor_opt如图13所示，而最优的过热度sh_vapor_opt为15K。

本发明中的所述内燃机冷却循环控制器的控制包括冷凝压力的控制和冷却水温的控制。

所述冷凝压力的控制在于调节电动水泵A9控制所述ORC的冷凝压力P_con；标定冷凝压力P_con的准则关系式为：

ΔW=ΔW_ORC-ΔW_cooling

式中ΔW_ORC为冷凝压力增加ΔP_con时朗肯循环输出有用功的增加量，ΔW_cooling为冷凝压力增加ΔP_con时冷却系统附件消耗有用功的增加量，取两者差值ΔW的最小值得到冷凝压力的控制目标。

在该实施例中冷凝压力P_con的最优目标值为6bar。

所述冷却水温的控制在于调节电动水泵B10和电动风扇12控制内燃机冷却水的进口温度T_in和出口温度T_out。而进口温度T_in和出口温度T_out的控制目标由外部模块给定。

综上所述，本发明为ORC应用于回收车用内燃机瞬态排气能量所面临动态热源和冷却耗能两点关键问题提供了一种可行的解决方案。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

内燃机冷却循环与排气能量回收ORC的复合装置及控制方法专利购买费用说明