CN102505998A - 基于冷却水余热多级利用的气动-内燃混合动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机动力系统，旨在提供一种基于冷却水余热多级利用的气动-内燃混合动力系统。该系统中，气动发动机的进气稳压箱经高压气体管路接于储气罐，水冷式内燃机的气缸体、气缸盖，水泵和管路构成回路循环；水冷式内燃机的冷却水的循环回路分为三级；其中，第一级循环回路为内燃机本身的小循环，第二级、第三级的循环回路分别加入气动发动机气缸和水空换热器；各级循环回路之间由电子节温器的开闭动作实现循环回路的转换。本发明更加充分地利用内燃机冷却水的余热，改善了气动发动机的工作环境，有效地提高了气动发动机的循环输出功，最终能够降低气动发动机的气耗率；减少了内燃机能量消耗；动力系统动力性得到提高，经济性得到改善。

Description

基于冷却水余热多级利用的气动-内燃混合动力系统

技术领域

本发明涉及发动机动力系统，特别涉及基于冷却水余热多级利用的气动-内燃混合动力系统。

背景技术

为缓解石油资源紧张和环境污染的双重压力，气动-内燃混合动力作为新能源汽车领域的一个范畴早就被提出。气动发动机是指利用压缩空气或者液氮作为工作介质推动活塞做功，从而输出动力的发动机。因为采用了压缩空气或液氮，气动发动机实现了真正的零排放。但是气动发动机单独做功输出功率低，工作过程中气缸壁、气缸盖等零部件温度低，工质膨胀从环境的吸热量少，不能高效利用压缩气体或液氮的能量。而内燃机在单独工作过程中能量损耗严重，燃料产生的热量中有20％左右的热量被冷却水带走，冷却水带走的热量最终也耗散到大气中。而且内燃机的冷却系统还包括散热器和风扇，风扇的工作又需要消耗一定的能量。

中国专利[200710067863.0]公开的“混合动力发动机”利用内燃机的排气加热气动发动机的进气，从一定程度上提高了气动工作模式的动力性，但是专利中并没有涉及到内燃机冷却水热量利用的问题。中国专利[200910097991.9]公开的“气动-燃油混合动力系统”将内燃机的冷却水引入热交换器中，利用冷却水加热气动发动机的进气，只是将冷却水进行了一级利用，存在的缺点是能量回收利用率不高。中国专利[200810059577.4]公开的“嵌套式气动/内燃混合动力发动机”利用内燃缸周围布置气动缸的形式来冷却内燃气缸，但是此种结构带来热量分布不均匀的问题，气动缸没有很好地利用到内燃机的余热。因此，需要有一套系统，利用内燃机冷却水的热量加热气动发动机的气缸壁等零部件和气动发动机的进气，实现多级利用，在提高气动发动机功率的同时对内燃机工作环境进行冷却，在一定条件下甚至可以通过匹配设计以及智能控制使得内燃机关闭或者省去散热器循环和风扇，最终达到节能环保的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种能够实现内燃机冷却水多级回收利用的气动-内燃混合动力系统，该系统中内燃机的冷却水可与气动发动机的进气进行热交换，同时也可以对气动发动机的缸壁、缸盖等零部件进行热交换。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

提供一种基于冷却水余热多级利用的气动-内燃混合动力系统，包括气动发动机和水冷式内燃机，其中气动发动机的进气稳压箱经高压气体管路接于储气罐，水冷式内燃机的气缸体、气缸盖，水泵和管路构成回路循环；水冷式内燃机的冷却水的循环回路分为三级；其中，第一级循环回路为内燃机本身的小循环，由内燃机气缸体、内燃机气缸盖、水泵和管路构成；第二级循环回路由内燃机气缸体、内燃机气缸盖、水泵、气动发动机气缸体、气动发动机气缸盖和管路构成；第三级循环回路由内燃机气缸体、内燃机气缸盖、水泵、气动发动机气缸体、气动发动机气缸盖、水空换热器的水侧通道和管路构成；第一级循环回路与第二级循环回路之间、第二级循环回路与第三级循环回路之间分别通过电子节温器连接，由电子节温器的开闭动作实现循环回路的转换；所述水空换热器的另一侧通道接于所述的高压气体管路。

作为一种改进，所述水泵设于水冷式内燃机的冷却水出口管路上；一个电子节温器分别通过管路连接至水冷式内燃机的冷却水入口、气动发动机的冷却水入口和水泵出口；另一个电子节温器分别通过管路连接至气动发动机的冷却水出口、水空换热器水侧通道的入口和水冷式内燃机的冷却水入口。

作为一种改进，所述电子节温器通过信号线连接至电子控制单元。

作为一种改进，水冷式内燃机的冷却水入口处设置温度传感器。

作为一种改进，所述储气罐的出口处设置减压阀。

作为一种改进，所述水泵为电动水泵，水泵的转速根据内燃机的热负荷大小来调节。

水空换热器中的介质分别为第三级循环回路的冷却水和气动发动机的高压进气。

电子控制单元(ECU，Electronic control unit)接收温度传感器传递的温度测量值，并根据预置的控制指标对两个电子节温器发出开或闭的动作指令。所述的电子节温器是车辆通用设备，本系统中包含两个，其中一个布置在一级循环旁通管路入口与二级循环高温管路入口交接处，另一个布置在二级循环旁通管路与三级循环管路入口交接处，并且都通过电线连接至ECU。

储气罐内高压气体经过减压阀、水空换热器空气侧通道、进气稳压箱、气动发动机进气阀进入气缸内。

在混合动力系统中，内燃机和气动发动机动力输出属于并联的工作方式，两者既可单独工作，也可同时工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用内燃机冷却水对气动发动机进气和气缸体、缸盖等零部件进行加热，更加充分地利用了内燃机冷却水的余热，改善了气动发动机的工作环境，有效地提高了气动发动机的循环输出功，最终能够降低气动发动机的气耗率。

2、本发明中设计的冷却水多级循环，可通过匹配设计满足内燃机在不同功率下的散热需求，关闭或省去了内燃机原有冷却系统中的散热器循环和风扇，减少了内燃机的能量消耗。

3、通过本发明的实施，气动-燃油混合动力系统的动力性得到提高，经济性得到改善。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例。

图中附图标记：1内燃机、2气动发动机、3进气稳压箱、4水空换热器、5减压阀、6储气罐、7水泵、8动力输出机构、9一级循环旁通管路、10二级循环高温管路、11二级循环旁通管路、12三级循环高温管路、13高压气体管路、14温度传感器，A和B分别为电子节温器。

具体实施方式

下面将结合附图说明和实施例对本发明进一步说明。

本发明系统实施例包括内燃机1、气动发动机2、进气稳压箱3、水空换热器4、减压阀5、储气罐6、水泵7、动力耦合机构8、一级循环旁通管路9、二级循环高温管路10、二级循环旁通管路11、三级循环高温管路12、高压气体管路13、电子节温器(A和B)、温度传感器14和电子控制单元(ECU，Electronic control unit)等部分。本发明所述气动发动机和内燃机缸数不限，气动发动机包含冷却水水套，内燃机的冷却形式是水冷，内燃机的燃料可以是汽油、柴油或者天然气等。所述水空换热器中进行热交换的介质为气动发动机的高压进气和内燃机的冷却水。所述储气罐内的高压气体经过减压阀、水空换热器空气侧通道、进气稳压箱、气动发动机进气阀进入气缸内。本发明混合动力系统中冷却水的循环流动路径可以分为一级循环、二级循环和三级循环。各级循环之间的转化通过ECU控制电子节温器开闭加以实现。

具体地：

(1)当内燃机冷态起动时，ECU控制两节温器关闭，这时内燃机冷却水进行一级循环，这样能使冷却水迅速升温。

(2)内燃机暖机后，当ECU检测到冷却水温度达到一定值时，控制节温器A开启(关闭一级循环旁通管路通道，开启二级循环高温管路入口)，这时冷却水进行二级循环。

(3)随着内燃机功率的不断提高，当冷却水温度继续升高达到另一设定值时，节温器B开启(关闭二级循环旁通管路，打开三级循环高温管路入口)，这时冷却水进行三级循环。

上述调节方法同时适用于气动发动机工作或者不工作的情况，区别在于当气动发动机不在工作状态时，冷却水换热量减小，本系统根据冷却水的温度高低通过ECU控制水泵转速调节冷却水循环流动速度，使之满足内燃机散热需求。

Claims (6)

1.基于冷却水余热多级利用的气动-内燃混合动力系统，包括气动发动机和水冷式内燃机，其中气动发动机的进气稳压箱经高压气体管路接于储气罐，水冷式内燃机的气缸体、气缸盖，水泵和管路构成回路循环；其特征在于，水冷式内燃机的冷却水的循环回路分为三级；其中，第一级循环回路为内燃机本身的小循环，由内燃机气缸体、内燃机气缸盖、水泵和管路构成；第二级循环回路由内燃机气缸体、内燃机气缸盖、水泵、气动发动机气缸体、气动发动机气缸盖和管路构成；第三级循环回路由内燃机气缸体、内燃机气缸盖、水泵、气动发动机气缸体、气动发动机气缸盖、水空换热器的水侧通道和管路构成；第一级循环回路与第二级循环回路之间、第二级循环回路与第三级循环回路之间分别通过电子节温器连接，由电子节温器的开闭动作实现循环回路的转换；所述水空换热器的另一侧通道接于所述的高压气体管路。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水泵设于水冷式内燃机的冷却水出口管路上；一个电子节温器分别通过管路连接至水冷式内燃机的冷却水入口、气动发动机的冷却水入口和水泵出口；另一个电子节温器分别通过管路连接至气动发动机的冷却水出口、水空换热器水侧通道的入口和水冷式内燃机的冷却水入口。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电子节温器通过信号线连接至电子控制单元。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，水冷式内燃机的冷却水入口处设置温度传感器。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述储气罐的出口处设置减压阀。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述水泵为电动水泵。

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