CN103195610B - 基于能量综合回收利用的车用气动-内燃混合动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃机节能减排技术领域，旨在提供一种基于能量综合回收利用的车用气动-内燃混合动力系统。该系统包括至少一个具有加热水套的气动发动机和至少一个水冷式内燃机；其特征在于，该系统还包括：废气涡轮、压气机、水泵、电子节温器、水-空热交换器、空-空热交换器、压缩空气储能系统以及控制阀；其中，废气涡轮与压气机相连成为废气涡轮-压气机机组。本发明可实现内燃机排气余能多级利用、内燃机冷却水余热多级利用、气动发动机排气余能利用、发动机制动能量回收利用等四条能量回收利用技术路径。实现了内燃机排气余能和冷却水余热从高品位至低品位的梯级回收，同时提升了压缩空气的做功能力，提升了气动发动机的动力性和经济性。

Description

基于能量综合回收利用的车用气动-内燃混合动力系统
技术领域
本发明属于内燃机节能减排技术领域，涉及一种基于能量综合回收利用的车用气动-内燃混合动力系统。
背景技术
内燃机作为主要的原动机，在人类社会中得到广泛应用。虽然，当前能源问题和环境问题不断凸显，涌现出了诸如电动汽车、太阳能汽车等新能源汽车技术，但是目前内燃机应用广泛，保有量大，国际汽车和内燃机界普遍认为，在可预计的未来，内燃机仍将是车辆等装置的主要动力来源。从当前的内燃机能量平衡来看，动力输出功率一般只占燃油燃烧总热量的20％-45％，除了少部分用于克服摩擦等损失外，很大一部分的热量通过冷却回路散热以及排气进入到大气中。并且在车辆行驶工况中，制动过程消耗了一部分的能量，制动工况所占比例越大，燃油经济性就越差。因此，对内燃机余能和车辆制动能量的回收再利用是提高总能效率和降低油耗的有效途径。
气动发动机采用压缩空气(或液氮)作为工作介质，具有零排放的优点。但是单纯的气动发动机工质膨胀吸热导致气缸壁、气缸盖等部件温度降低，具有输出功率小、能量利用率低下的缺点。采用气动-内燃混合动力的方案既可实现内燃机余能的回收利用，同时又可以优化气动发动机以及内燃机的工作性能。而内燃机余热能具有低品位能到高品位能的梯级特性，通过单一途径的回收利用无法最大限度地提升总能效率。
因此，需要有一套系统，能够实现车用气动-内燃混合动力能量综合回收利用。
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，提供一种基于能量综合回收利用的车用气动-内燃混合动力系统。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于能量综合回收利用的车用气动-内燃混合动力系统，包括至少一个具有加热水套的气动发动机和至少一个水冷式内燃机；该系统还包括：废气涡轮、压气机、水泵、电子节温器、水-空热交换器、空-空热交换器、压缩空气储能系统以及控制阀；其中，废气涡轮与压气机相连成为废气涡轮-压气机机组；
水冷式内燃机的排气管出口分为三路，分别与大气、压缩空气储能系统和废气涡轮的进口相连接，管路上分别设有两通阀；压气机入口与大气相连，出口连接至压缩空气储能系统；废气涡轮出口通过排气管与空-空热交换器热侧入口相连接，空-空热交换器热侧出口再与气动发动机进气管第一入口相连接；空-空热交换器冷侧入口与压缩空气储能系统相连，其冷侧出口则与气动发动机进气管第二入口相连；内燃机冷却水出口与水-空热交换器水侧入口相连接，水-空热交换器水侧出口与电子节温器相连；电子节温器一出口经过气动发动机冷却水套与水泵入口相连，另一出口则直接与水泵入口相连；水-空热交换器空气侧入口与压缩空气储能系统相连，空气侧出口与气动发动机进气管第三入口相连；气动发动机排气管出口分为三路，分别通过气体管路与内燃机进气管、大气和压缩空气储能系统相连，管路上分别设有两通阀；内燃机进气管入口分为三路，分别与大气、压缩空气储能系统和气动发动机排气管路相连接；气动发动机进气管第四入口与大气相连，管路上设有两通阀。
本发明中，所述压缩空气储能系统包括气体控制阀组、至少一个高压储气罐和至少一个低压储气罐；其中，气体控制阀组由数个电磁阀组合而成，各个电磁阀通过信号线与车用气动-内燃混合动力系统的控制器相连接；气体控制阀组的内部具有缓冲腔，缓冲腔通过电磁阀分别连接至高压储气罐和低压储气罐。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可实现内燃机排气余能多级利用、内燃机冷却水余热多级利用、气动发动机排气余能利用、发动机制动能量回收利用等四条能量回收利用技术路径。通过能量多级回收利用的技术方案，实现了内燃机排气余能和冷却水余热从高品位至低品位的梯级回收，同时提升了压缩空气的做功能力，提升了气动发动机的动力性和经济性，通过匹配，可减少或消除内燃机冷却系统风扇功耗。
2、通过气动发动机排气以及压缩空气直接对内燃机进行增压的技术方案，克服了原有内燃机废气涡轮增压系统增压“迟滞”的问题，提升了内燃机低速和加速性能，同时降低排放。
3、由于内燃机排气最终和压缩空气混合后进入气动发动机膨胀做功，因此气动发动机排气中包含部分内燃机排气，并且经过气动发动机膨胀后的排气温度较低，将其引至内燃机进气管作为部分进气，可起到“废气再循环”的功能，可使内燃机省去中冷器和EGR冷却器。
4、本发明可实现车辆起-停功能，通过制动能量回收与压缩空气起步相结合的方案，可取消内燃机怠速工况，提升了整车燃油经济性，同时降低排放。
附图说明
图1为车用气动-内燃混合动力系统示意图；
图中附图标记：内燃机1、内燃机进气管2、内燃机排气管3、废气涡轮4-1、压气机4-2、水泵5、水-空热交换器6、空-空热交换器7、气体控制阀组8、低压储气罐9、高压储气罐10、电子节温器11、气动发动机进气管12、气动发动机13、气动发动机排气管14；A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P为气体管路，Q、R、S、T、U、V为冷却水管路；V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7分别为两通阀。
图2为气体控制阀组示意图；
图中附图标记：15、16、17、18、19、21、22为电磁阀，20为缓冲腔。
具体实施方式
本发明系统实施例包括水冷式的内燃机1，废气涡轮-压气机机组，水泵5，水-空热交换器6，空-空热交换器7，气体控制阀组8，低压储气罐9，高压储气罐10，电子节温器11，气动发动机13、气体管路A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P，冷却水管路Q、R、S、T、U、V，两通阀V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7。气体控制阀组8包括电磁阀15、16、17、18、19、21、22和缓冲腔20。内燃机1排气管出口分别与压缩空气储能系统、废气涡轮4-1进口和大气相连接，管路上分别设有两通阀V1、V2、V3；压气机4-2入口与大气相连，出口连接至压缩空气储能系统；废气涡轮4-1出口通过排气管与空-空热交换器7热侧入口相连接，空-空热交换器7热侧出口与气动发动机13进气管第一入口相连接；空-空热交换器7冷侧入口与压缩空气储能系统相连，出口与气动发动机13进气管第二入口相连；内燃机1冷却水出口与水-空热交换器6水侧入口相连接，水侧出口与电子节温器11相连，电子节温器11第一出口经过气动发动机13冷却水套与水泵5入口相连，第二出口直接与水泵5入口相连；水-空热交换器6空气侧入口与压缩空气储能系统相连，出口与气动发动机13进气管第三入口相连；气动发动机13排气管出口分别通过气体管路与内燃机1进气管、大气和压缩空气储能系统相连，管路上分别设有两通阀V4、V5、V6。内燃机1进气管入口分别与大气、压缩空气储能系统和气动发动机13排气管路相连接。气动发动机13进气管第四入口与大气相连，管路上设有两通阀V7。
压缩空气储能系统包括一个高压储气罐10、低压储气罐9和气体控制阀组8。气体控制阀组8由多个电磁阀15、16、17、18、19、21、22组合而成，其内部具有缓冲腔20，各个电磁阀通过信号线与混合动力系统的控制器相连接。
本发明可实现内燃机排气余能多级利用、内燃机冷却水余热多级利用、气动发动机排气余能利用、发动机制动能量回收利用等四条能量回收利用技术路径。
具体的工作过程如下：
内燃机排气余能第一级利用：开启两通阀V2，关闭两通阀V1、V3、V7，内燃机1工作在内燃模式，气动发动机13工作在气动模式，内燃机排气推动废气涡轮-压气机做功，将压气机4-2入口的气体压缩至压缩空气储能系统中。
内燃机排气余能第二级利用：开启两通阀V2，关闭两通阀V1、V3、V7，内燃机1工作在内燃模式，气动发动机13工作在气动模式，经过废气涡轮4-1的排气经过空-空热交换器7热侧管路，与空-空热交换器7冷侧管路的压缩空气进行热交换，提高单位质量压缩空气的做功能力。
内燃机排气余能第三级利用：开启两通阀V2，关闭两通阀V1、V3、V7，内燃机1工作在内燃模式，气动发动机13工作在气动模式，经过空-空热交换器7后的排气进入气动发动机进气管12，与压缩空气混合进入气动发动机13膨胀做功。
内燃机冷却水余热第一级利用：关闭两通阀V7，内燃机1工作在内燃模式，气动发动机13工作在气动模式，内燃机1冷却水经过水-空热交换器6，与水-空热交换器6空气侧管路中的压缩空气进行热交换，压缩空气以此回收冷却水部分余热，同时提高单位质量压缩空气的做功能力。
内燃机冷却水余热第二级利用：关闭两通阀V7，内燃机1工作在内燃模式，气动发动机13工作在气动模式，经过水-空热交换器6后的冷却水进入气动发动机13冷却水套，通过冷却水加热气动发动机缸套，提高气动发动机做功输出。
气动发动机排气余压能利用：关闭两通阀V7，内燃机1工作在内燃模式，气动发动机13工作在气动模式，经过气动发动机13膨胀做功后的排气直接作为内燃机1的进气，起到增压的效果。
车辆制动能量回收利用：在车辆制动工况中，开启两通阀V1、V6、V7，关闭两通阀V2、V3、V4、V5，控制器停止对内燃机1进行燃油供给，内燃机1和气动发动机13工作在压缩机模式，以此将车辆动能转化为压缩空气能储存在气罐中。在车辆起动工况中，压缩空气通过管路A进入内燃机进气管2，用于内燃机1的起动，同时通过管路I、J、K用于气动发动机13的驱动。

Claims (2)

1.基于能量综合回收利用的车用气动-内燃混合动力系统，包括至少一个具有加热水套的气动发动机和至少一个水冷式内燃机；其特征在于，该系统还包括：废气涡轮、压气机、水泵、电子节温器、水-空热交换器、空-空热交换器、压缩空气储能系统以及控制阀；其中，废气涡轮与压气机相连成为废气涡轮-压气机机组；
水冷式内燃机的排气管出口分为三路，分别与大气、压缩空气储能系统和废气涡轮的进口相连接，管路上分别设有两通阀；压气机入口与大气相连，出口连接至压缩空气储能系统；废气涡轮出口通过排气管与空-空热交换器热侧入口相连接，空-空热交换器热侧出口再与气动发动机进气管第一入口相连接；空-空热交换器冷侧入口与压缩空气储能系统相连，其冷侧出口则与气动发动机进气管第二入口相连；内燃机冷却水出口与水-空热交换器水侧入口相连接，水-空热交换器水侧出口与电子节温器相连；电子节温器一出口经过气动发动机冷却水套与水泵入口相连，另一出口则直接与水泵入口相连；水-空热交换器空气侧入口与压缩空气储能系统相连，空气侧出口与气动发动机进气管第三入口相连；气动发动机排气管出口分为三路，分别通过气体管路与内燃机进气管、大气和压缩空气储能系统相连，管路上分别设有两通阀；内燃机进气管入口分为三路，分别与大气、压缩空气储能系统和气动发动机排气管路相连接；气动发动机进气管第四入口与大气相连，管路上设有两通阀。
2.根据权利要求1所述的车用气动-内燃混合动力系统，其特征在于，所述压缩空气储能系统包括气体控制阀组、至少一个高压储气罐和至少一个低压储气罐；其中，气体控制阀组由数个电磁阀组合而成，各个电磁阀通过信号线与车用气动-内燃混合动力系统的控制器相连接；气体控制阀组的内部具有缓冲腔，缓冲腔通过电磁阀分别连接至高压储气罐和低压储气罐。
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