CN104948373A - 采用固液相变储热器的发动机余热利用暖机系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用固液相变储热器的发动机余热利用暖机系统及其方法，所述发动机余热利用暖机系统包括：固液相变储热器、MCU、冷却液温度传感器、电子水泵、电子三通液阀、电子节温器、电子风扇、散热器、电子液阀、电子气阀、消音器、电子三通气阀、排气温度传感器、排气管，四通管接头；电子气阀和电子三通气阀，作为相变储热器在储热工况和保存工况之间切换的执行机构；而电子三通液阀和电子液阀作为相变储热器暖机工况开关的执行机构。通过电子三通气阀和液阀将相变储热器简洁地耦合到原机系统中，并且相变储热器也可以充当消音器的作用，并不会给系统带来副作用。本发明解决了余热利用，电加热器暖机功耗大、效率低两大难题。

Description

采用固液相变储热器的发动机余热利用暖机系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种采用固-液相变储热器的发动机起动暖机系统，尤其涉及一种采用固液相变储热器的发动机余热利用暖机系统及其方法，利用固-液相变储热器回收排气带走的热能，并用于对冷却液加热，从而实现余热利用和起动暖机。

背景技术

由于以内燃机为动力的汽车排放对城市环境污染造成的影响，以及全球性的能源问题，节能减排成为汽车发动机的重要研究方向。综合国际上最新的研究进展，提高内燃机效率的关键技术途径主要有两条：一是以内燃机缸内高效、清洁燃烧过程的组织为目标的新一代内燃机燃烧理论和技术，在我国已经有组织地开展了相关研究；二是内燃机余热能的回收利用理论和技术。因此，本发明对于积极应对国际上内燃机节能和减排技术的挑战具有重要意义。

发动机余热能具有低品位能到高品位能的梯级特性，排气能流的温度和压力具有随内燃机工作循环和运行工况变化的瞬态脉动特性等特点，从而增加了余热利用的难度。//  汽车冷启动时，由于冷却液温度较低，一方面造成排气HC，CO，颗粒物含量较高；另一方面，发动机零部件润滑不良，造成摩擦磨损加剧；而在环境温度较低时，冷启动比热启动困难，特别是柴油机。起动暖机可以改善上述问题，而目前国内外研究中，起动暖机技术通常是通过电加热器对冷却液进行加热，这种方式对加热器的功率需求较大，而汽车电瓶只有12V，势必造成电流过大，功耗过高；而电瓶的充电亦是由发动机通过皮带带动发电机运转，消耗燃油转化而来的，既降低了转化效率，又造成了化石燃料的浪费。而通过本发明，将较难利用的发动机余热回收，储存起来，用于起动暖机，既解决了节能问题，又改善了排放，一举两得。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种采用固液相变储热器的发动机余热利用暖机系统及其方法。

本发明的技术方案如下：

一种固液相变储热器为气、液双通道储热器，包括储热单元、壳体和保温层，所述的储热单元由双层细管构成，中心管道为冷却液通道；外层填充相变材料，各储热单元之间的空隙与壳体间构成了排气通道，所述壳体上设有冷却液入口、冷却液出口、气入口和气出口，冷却液入口和冷却液出口通过冷却液通道相连，所述壳体由保温层包裹。

优选的，所述的相变材料为相变温度在50-90℃的常低温相变储热材料。

更优选的，所述的相变材料为硬脂酸微胶囊，所述硬脂酸胶囊熔点70.7℃，熔融焓为203kJ/（kg·K）。

所述固液相变储热器的发动机余热利用暖机系统包括：

所述的固液相变储热器、MCU、冷却液温度传感器、电子水泵、电子三通液阀、电子节温器、电子风扇、散热器、电子液阀、电子气阀、消音器、电子三通气阀、排气温度传感器、排气管，四通管接头；

发动机排气管上设有排气温度传感器，排气管接到电控三通气阀上，三通阀的另外两端分别连接消音器和相变储热器的进气口，相变储热器的排气口出安装有电子气阀；

发动机冷却液出口处设有冷却液温度传感器，然后连接到电子节温器，电子节温器分别连接到散热器和四通管接头，在四通管接头和电子水泵之间设有电子三通液阀，电子三通液阀的另一端连接到相变储热器冷却液入口，相变储热器冷却液出口连接到电子液阀，电子液阀连接到四通管接头；

冷却液温度传感器和排气温度传感器通过信号线连接到MCU，MCU通过控制线连接到电子水泵、电子风扇、电子节温器、电子三通液阀、电子液阀、电子三通气阀和电子气阀。

所述系统的余热利用暖机方法是：

当发动机正常工作时，排气温度传感器将排气温度信号发送给MCU，当排气温度高于设定温度时，MCU控制电子三通气阀，排气支路选择通过相变储热器，对相变材料进行加热，通过相变材料的相变过程，吸收排气废热，此时，电子液阀关闭，电子三通液阀关闭通过相变储热器的加热通道，冷却系统正常运转，相变储热器处在储热工况；

当发动机停止工作时，MCU控制电子三通气阀，开启通过消音器的排气支路，关闭通过相变储热器的支路，同时MCU 控制电子三通液阀关闭通过相变储热器的加热通道，关闭电子气阀，关闭电子液阀，将相变储热器隔绝起来，防止排气和冷却液的对流散热将相变储热器中的热量带走，相变储热器处于保存工况；

当发动机再次开启时，MCU接收到发动机的点火信号，控制电子三通液阀开启通过相变储热器的加热通道，关闭与四通管接头之间的通道，开启电子液阀，同时保持电子三通气阀和电子气阀的关闭状态，控制电子节温器开启小循环，关闭大循环，同时开启电子水泵，驱动冷却液循环，让冷却液通过相变储热器，将保存在相变材料中的热量释放出来，加热冷却液，起到迅速暖机的作用，相变储热器处于暖机工况；

发动机缸盖出水口处的冷却液温度传感器将采集到的冷却液温度信号发送给MCU，当冷却液温度高于事先设定的温度限值，MCU控制电子三通液阀关闭关闭通过相变储热器的加热通道，开启与四通管接头之间的通道，同时关闭电子液阀，结束暖机过程，冷却系统恢复正常工作。

以上述系统控制发动机余热利用暖机系统正常运行。通过传感器采集的温度信号，和事先制定好的规则，控制余热的回收和起动暖机的合理配合。

电子气阀和电子三通气阀，作为相变储热器在储热工况和保存工况之间切换的执行机构；而电子三通液阀和电子液阀作为相变储热器暖机工况开关的执行机构。两个执行机构之间的控制策略是相互独立的，将控制系统模块化，便于零部件型号的更换和匹配，也有利于故障的检测和维修。通过电子三通气阀和电子三通液阀将相变储热器简洁地耦合到原机系统中，并且相变储热器也可以充当消音器的作用，并不会给系统带来副作用。而本发明解决了余热利用，电加热器暖机功耗大、效率低两大难题。

附图说明

图1是系统的硬件布置示意图；

图2是相变储热器结构示意图；

图3是理想的相变储热材料温度变化曲线，在恒定功率加热下的温度随时间变化特性；

图中，1.发动机 2.MCU 3.冷却液温度传感器 4.电子水泵 5.电子三通液阀 6.电子节温器 7.电子风扇 8.散热器 9.电子液阀 10.相变储热器 11.电子气阀 12.消音器 13.电子三通气阀 14.排气温度传感器15.排气管。

具体实施方式                        

下面结合附图对本发明做进一步的说明

本发明中采用的相变储热器10是气、液双通道储热器。其结构参见图2，包括储热单元、壳体和保温层，所述的储热单元由双层细管构成，中心管道为冷却液通道；外层填充相变材料，各储热单元之间的空隙与壳体间构成了排气通道，所述壳体上设有冷却液入口、冷却液出口、气入口和气出口，冷却液入口和冷却液出口通过冷却液通道相连，所述壳体由保温层包裹。双层细管均具有良好的导热性，其中外层管道具有一定的弹性，以满足相变过程的体积变化；相变储热器10的最外层由保温材料包裹，构成保温层，减少热量的散失。

选用的固-液相变储热材料，应具备如图3所示的温度特性。本发明中选用相变温度和相变潜热都较高的硬脂酸微胶囊，硬脂酸熔点70.7℃，熔融焓203kJ/kg·K。也可选择其他相变温度在50~90℃的常低温相变储热材料。

如图1所示，所述固液相变储热器10的发动机余热利用暖机系统包括：

所述的固液相变储热器10、MCU、冷却液温度传感器3、电子水泵4、电子三通液阀5、电子节温器6、电子风扇7、散热器8、电子液阀9、电子气阀11、消音器12、电子三通气阀13、排气温度传感器14、排气管15，四通管接头；

发动机排气管15上设有排气温度传感器14，排气管15接到电控三通气阀上，三通阀的另外两端分别连接消音器12和相变储热器10的进气口，相变储热器10的排气口出安装有电子气阀11；

发动机冷却液出口处设有冷却液温度传感器3，然后连接到电子节温器6，电子节温器6分别连接到散热器8和四通管接头，在四通管接头和电子水泵4之间设有电子三通液阀5，电子三通液阀5的另一端连接到相变储热器10冷却液入口，相变储热器10冷却液出口连接到电子液阀9，电子液阀9连接到四通管接头；

冷却液温度传感器3和排气温度传感器14通过信号线连接到MCU，MCU通过控制线连接到电子水泵4、电子风扇7、电子节温器6、电子三通液阀5、电子液阀9、电子三通气阀13和电子气阀11。

相变储热器10的排气通道与消音器12并联，冷却液通道与小循环并联，具体参见图1。

本发明采用MCU控制电子阀门和电子节温器6，对相变储热器10进行控制，具体控制策略如下：

当发动机1正常工作时，排气温度传感器14将排气温度信号发送给MCU，当排气温度高于设定温度时，MCU控制电子三通气阀13，排气支路选择通过相变储热器10，对相变材料进行加热，通过相变材料的相变过程，吸收排气废热，此时，电子液阀9关闭，电子三通液阀5关闭通过相变储热器10的加热通道，冷却系统正常运转，相变储热器10处在储热工况；

当发动机1停止工作时，MCU控制电子三通气阀13，开启通过消音器12的排气支路，关闭通过相变储热器10的支路，同时MCU 控制电子三通液阀5关闭通过相变储热器10的加热通道，关闭电子气阀11，关闭电子液阀9，将相变储热器10隔绝起来，防止排气和冷却液的对流散热将相变储热器10中的热量带走，相变储热器10处于保存工况；

当发动机1再次开启时，MCU接收到发动机1的点火信号，控制电子三通液阀5开启通过相变储热器10的加热通道，关闭与四通管接头之间的通道，开启电子液阀9，同时保持电子三通气阀13和电子气阀11的关闭状态，控制电子节温器6开启小循环，关闭大循环，同时开启电子水泵4，驱动冷却液循环，让冷却液通过相变储热器10，将保存在相变材料中的热量释放出来，加热冷却液，起到迅速暖机的作用，相变储热器10处于暖机工况；

发动机1缸盖出水口处的冷却液温度传感器3将采集到的冷却液温度信号发送给MCU，当冷却液温度高于事先设定的温度限值，MCU控制电子三通液阀5关闭关闭通过相变储热器10的加热通道，开启与四通管接头之间的通道，同时关闭电子液阀9，结束暖机过程，冷却系统恢复正常工作。

在这个控制策略中，电子气阀11和电子三通气阀13，作为相变储热器10在储热工况和保存工况之间切换的执行机构；而电子三通液阀5和电子液阀9作为相变储热器10暖机工况开关的执行机构。两个执行机构之间的控制策略是相互独立的，将控制系统模块化，便于零部件型号的更换和匹配，也有利于故障的检测和维修。通过电子三通气阀13和电子三通液阀5将相变储热器10简洁地耦合到原机系统中，并且相变储热器10也可以充当消音器12的作用，并不会给系统带来副作用。而本发明解决了余热利用，电加热器暖机功耗大、效率低两大难题。

Claims (5)

1.一种固液相变储热器，其特征在于所述的储热器为气、液双通道储热器，包括储热单元、壳体和保温层，所述的储热单元由双层细管构成，中心管道为冷却液通道；外层填充相变材料，各储热单元之间的空隙与壳体间构成了排气通道，所述壳体上设有冷却液入口、冷却液出口、气入口和气出口，冷却液入口和冷却液出口通过冷却液通道相连，所述壳体由保温层包裹。

2.根据权利要求1所述的固液相变储热器，其特征在于所述的相变材料为相变温度在50-90℃的常低温相变储热材料。

3.根据权利要求2所述的固液相变储热器，其特征在于所述的相变材料为硬脂酸微胶囊，所述硬脂酸胶囊熔点70.7℃，熔融焓为203kJ/（kg·K）。

4.一种采用如权利要求1所述固液相变储热器的发动机余热利用暖机系统，其特征在于包括：

所述的固液相变储热器、MCU、冷却液温度传感器、电子水泵、电子三通液阀、电子节温器、电子风扇、散热器、电子液阀、电子气阀、消音器、电子三通气阀、排气温度传感器、排气管，四通管接头；

发动机排气管上设有排气温度传感器，排气管接到电控三通气阀上，三通阀的另外两端分别连接消音器和相变储热器的进气口，相变储热器的排气口出安装有电子气阀；

发动机冷却液出口处设有冷却液温度传感器，然后连接到电子节温器，电子节温器分别连接到散热器和四通管接头，在四通管接头和电子水泵之间设有电子三通液阀，电子三通液阀的另一端连接到相变储热器冷却液入口，相变储热器冷却液出口连接到电子液阀，电子液阀连接到四通管接头；

冷却液温度传感器和排气温度传感器通过信号线连接到MCU，MCU通过控制线连接到电子水泵、电子风扇、电子节温器、电子三通液阀、电子液阀、电子三通气阀和电子气阀。

5.一种如权利要求4所述系统的余热利用暖机方法，其特征在于：

当发动机正常工作时，排气温度传感器将排气温度信号发送给MCU，当排气温度高于设定温度时，MCU控制电子三通气阀，排气支路选择通过相变储热器，对相变材料进行加热，通过相变材料的相变过程，吸收排气废热，此时，电子液阀关闭，电子三通液阀关闭通过相变储热器的加热通道，冷却系统正常运转，相变储热器处在储热工况；

当发动机停止工作时，MCU控制电子三通气阀，开启通过消音器的排气支路，关闭通过相变储热器的支路，同时MCU 控制电子三通液阀关闭通过相变储热器的加热通道，关闭电子气阀，关闭电子液阀，将相变储热器隔绝起来，防止排气和冷却液的对流散热将相变储热器中的热量带走，相变储热器处于保存工况；

当发动机再次开启时，MCU接收到发动机的点火信号，控制电子三通液阀开启通过相变储热器的加热通道，关闭与四通管接头之间的通道，开启电子液阀，同时保持电子三通气阀和电子气阀的关闭状态，控制电子节温器开启小循环，关闭大循环，同时开启电子水泵，驱动冷却液循环，让冷却液通过相变储热器，将保存在相变材料中的热量释放出来，加热冷却液，起到迅速暖机的作用，相变储热器处于暖机工况；

发动机缸盖出水口处的冷却液温度传感器将采集到的冷却液温度信号发送给MCU，当冷却液温度高于事先设定的温度限值，MCU控制电子三通液阀关闭关闭通过相变储热器的加热通道，开启与四通管接头之间的通道，同时关闭电子液阀，结束暖机过程，冷却系统恢复正常工作。