CN105317584B - 汽车发动机能量回收系统及回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车发动机能量回收系统及回收方法，包括电控泵、蒸汽透平、冷凝器、储液罐、控制器、限压阀、能量回收机构、第一热交换器、冷却液温度传感器、第二热交换器和工作介质温度传感器；冷却液温度传感器、工作介质温度传感器、电控泵分别与控制器电连接，能量回收机构安装在蒸汽透平的输出轴上，储液罐、电控泵、第一热交换器、第二热交换器、限压阀、蒸汽透平和冷凝器形成了工作介质的循环流动通道，工作介质在流动过程中，经第一热交换器、第二热交换器吸收发动机热量，并通过蒸汽透平带动能量回收机构回收能量。该回收系统及方法能充分回收冷却系统及排气系统的多余热量，提高燃油能量利用率，同时避免影响发动机的正常冷启动。

Description

汽车发动机能量回收系统及回收方法

技术领域

本发明属于汽车发动机技术领域，具体涉及一种汽车发动机能量回收系统及回收方法。

背景技术

汽车发动机在燃烧燃油的过程中，通常有20%～30%的能量被冷却系统带走，另有约30%的能量被排气带走，最终只有40%～50%的能量被用来驱动汽车；因此，回收发动机余热（即能量）对提升汽车发动机燃油能量利用率有着重要意义。

汽车刚启动的时候，冷却系统的温度较低，而且为降低排放，需加快催化器起燃，此时可以利用的余热较少。当发动机系统达到工作温度后，冷却系统需要带走缸体、缸盖的多余热量，同时排气系统带走了燃烧后的高温高压废气的热量，这些热量最终流向了大气，被无形的浪费了。

CN104500159A公开了一种发动机能量综合利用系统及控制方法，其采用有机工质（即冷却剂），利用冷却系统的冷却回路，外加蒸发器、膨胀机和动力耦合装置，将发动机能量转换为膨胀机的轴功，该轴功与发动机曲轴轴功耦合，实现了发动机能量的综合利用。但是，其仍然存在如下问题：（1）系统利用了冷却系统的冷却回路，如果出现问题，会直接影响发动机的冷却效果；（2）在只有冷却回路工作时，有机工质不经过蒸发器、膨胀机，而是直接进入冷凝器，在这个过程中，冷却系统的余热不能被回收利用，而被浪费掉了；（3）系统结构复杂，控制方法繁琐，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车发动机能量回收系统及回收方法，以充分回收冷却系统及排气系统的多余热量，提高燃油能量利用率，同时避免影响发动机的正常冷却。

本发明所述的汽车发动机能量回收系统，包括电控泵、蒸汽透平、冷凝器和储液罐，还包括控制器、限压阀、能量回收机构、安装在冷却系统中的第一热交换器（用于吸收冷却系统中的热量，并用来加热工作介质）、安装在冷却系统中的冷却液温度传感器、安装在排气系统中的第二热交换器（用于吸收排气系统中的排气热量，并用来加热工作介质）和安装在第二热交换器内的工作介质温度传感器；所述冷却液温度传感器、工作介质温度传感器分别与控制器的两个输入端口电连接，控制器的输出端口与电控泵电连接，所述能量回收机构安装在蒸汽透平的输出轴上，所述储液罐的出液口与电控泵的进液口连通，电控泵的出液口与第一热交换器的进液口连通，第一热交换器的出液口与第二热交换器的进口连通，第二热交换器的出口与限压阀的进口连通，限压阀的出口与蒸汽透平的进口连通，蒸汽透平的出口与冷凝器的进口连通，冷凝器的出口与储液罐的进液口连通，储液罐、电控泵、第一热交换器、第二热交换器、限压阀、蒸汽透平和冷凝器形成了工作介质的循环流动通道。工作介质从储液罐流出，依次经电控泵、第一热交换器、第二热交换器、限压阀、蒸汽透平、冷凝器后再流回储液罐，从而形成循环流动，回收发动机能量。

所述控制器集成安装在电控泵上。

所述冷凝器安装在发动机舱的风扇与格栅之间。

所述能量回收机构为发电机或者压缩机。

采用上述能量回收系统进行发动机能量回收的方法为：

冷却液温度传感器检测冷却系统中冷却液的温度并将其送入控制器内判断，工作介质温度传感器检测工作介质的温度并将其送入控制器内判断，控制器根据冷却液的温度和工作介质的温度对电控泵的转动进行控制，电控泵转动并抽取储液罐中的工作介质进入第一热交换器中，进行加热，工作介质吸收冷却系统的热量，温度升高，然后再进入第二热交换器中，进行加热，工作介质吸收排气热量，并由液态转变为气态，气态的工作介质进入限压阀，限压阀使气态的工作介质以恒定的压力推动蒸汽透平旋转（即气态的工作介质对蒸汽透平做功），蒸汽透平带动能量回收机构回收能量，做功后的气态的工作介质进入冷凝器中冷凝，转变为液态的工作介质，然后流回储液罐中。

控制器根据冷却液的温度和工作介质的温度对电控泵的转动进行控制的过程为：

当冷却液的温度小于设定温度时（相当于冷却液的温度未达到设定温度时），电控泵的转速小于额定转速，设定温度与额定转速都由控制器预先设定，电控泵的转速大小由控制器根据工作介质的温度实时控制，在发动机冷启动时，工作介质的温度最低，电控泵不转动，在工作介质的温度较低时，电控泵的转速较小，如果工作介质的温度升高，则电控泵的转速增加，如果工作介质的温度降低，则电控泵的转速减小；

当冷却液的温度大于或者等于设定温度时（相当于冷却液的温度达到设定温度后），控制器控制电控泵以额定转速转动，并维持额定转速。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

（1）储液罐、电控泵、第一热交换器、第二热交换器、限压阀、蒸汽透平和冷凝器形成了工作介质的独立循环流动通道，第一热交换器只是利用了冷却系统的多余热量，不会影响发动机的正常冷却，不会对冷却系统的冷却效果造成影响。

（2）电控泵为工作介质提供循环流动动力，工作介质通过第一热交换器进行低温加热，通过第二热交换器进行高温加热，加热后的工作介质转变为高温高压的气态的工作介质，经限压阀的压力调节后，对蒸汽透平做功，通过能量回收机构回收能量，从发动机启动后冷却液的温度升高开始，工作介质会一直从冷却系统中吸收热量、从排气中吸收热量，其充分回收了冷却系统及排气系统的多余热量，提高了燃油能量利用率。

（3）能量回收系统结构简单、质量可靠，控制器控制电控泵转动的过程简便，成本低。

附图说明

图1为本发明的结构及原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1所示的汽车发动机能量回收系统，包括电控泵1、控制器2、第一热交换器3、冷却液温度传感器4、第二热交换器5、工作介质温度传感器6、限压阀7、蒸汽透平8、能量回收机构9、冷凝器10和储液罐11，控制器2集成安装在电控泵1上，第一热交换器3安装在冷却系统中，用于吸收冷却系统中的热量，并用来加热工作介质（比如液氨），冷却液温度传感器4安装在冷却系统中，用于检测冷却系统中冷却液的温度，第二热交换器5安装在排气系统中，用于吸收排气系统中的排气热量，并用来加热工作介质，工作介质温度传感器6安装在第二热交换器5内，用于检测第二热交换器5内的工作介质的温度，能量回收机构9安装在蒸汽透平8的输出轴上，能量回收机构9为发电机（也可以是压缩机），冷凝器10安装在发动机舱的风扇12与格栅13之间。

冷却液温度传感器4、工作介质温度传感器6分别与控制器2的两个输入端口电连接，控制器2的输出端口与电控泵1电连接，储液罐11的出液口与电控泵1的进液口连通，电控泵1的出液口与第一热交换器3的进液口连通，第一热交换器3的出液口与第二热交换器5的进口连通，第二热交换器5的出口与限压阀7的进口连通，限压阀7的出口与蒸汽透平8的进口连通，蒸汽透平8的出口与冷凝器10的进口连通，冷凝器10的出口与储液罐11的进液口连通，储液罐11、电控泵1、第一热交换器3、第二热交换器5、限压阀7、蒸汽透平8和冷凝器10形成了工作介质的循环流动通道。工作介质从储液罐11流出，依次经电控泵1、第一热交换器3、第二热交换器5、限压阀7、蒸汽透平8、冷凝器10后再流回储液罐11，从而形成循环流动，回收发动机能量。

采用上述能量回收系统进行发动机能量回收的方法为：

冷却液温度传感器4检测冷却系统中冷却液的温度并将其送入控制器2内判断，工作介质温度传感器6检测工作介质的温度并将其送入控制器2内判断，控制器2根据冷却液的温度和工作介质的温度对电控泵1的转动进行控制，电控泵1转动并抽取储液罐11中的工作介质进入第一热交换器3中，经冷却系统冷却液的加热，工作介质吸收了部分冷却系统的热量，温度升高，然后再进入第二热交换器5中，经过排气的加热，工作介质吸收了部分排气系统的排气能量，由于排气温度较高，使得工作介质由液态转变为气态，气态的工作介质进入限压阀7，通过限压阀7的压力调节作用，保证气态的工作介质以恒定的压力推动蒸汽透平8旋转（即气态的工作介质对蒸汽透平8做功），蒸汽透平8转动并带动能量回收机构9回收能量，气态的工作介质对蒸汽透平8做功后，其压力及温度降低，并进入冷凝器10中，由于发动机舱内高速气流的强制换热作用，冷凝器10中的工作介质由气态转变为液态，最终流回储液罐11中。

上述发动机能量回收方法中控制器2根据冷却液的温度和工作介质的温度对电控泵1的转动进行控制的过程为：

当冷却液的温度小于设定温度时（相当于冷却液的温度未达到设定温度时），电控泵1的转速始终小于额定转速，电控泵1的转速大小由控制器2根据工作介质的温度实时控制，在发动机冷启动时，冷却液的温度最低，工作介质的温度也最低，电控泵1不转动，在工作介质的温度较低时，电控泵1的转速较小，如果工作介质的温度升高，则电控泵1的转速增加，如果工作介质的温度降低，则电控泵1的转速减小，通过控制电控泵1的转速来调节工作介质在循环流动通道内的流量大小，可以使第二热交换器5内的工作介质的温度维持在特定范围内；

当冷却液的温度大于或者等于设定温度时（相当于冷却液的温度达到设定温度后），控制器2控制电控泵1以额定转速转动，并维持额定转速。

Claims (4)

1.一种汽车发动机能量回收方法，其采用的能量回收系统包括电控泵（1）、蒸汽透平（8）、冷凝器（10）、储液罐（11）、控制器（2）、限压阀（7）、能量回收机构（9）、安装在冷却系统中的第一热交换器（3）、安装在冷却系统中的冷却液温度传感器（4）、安装在排气系统中的第二热交换器（5）和安装在第二热交换器（5）内的工作介质温度传感器（6）；所述冷却液温度传感器（4）、工作介质温度传感器（6）分别与控制器（2）的两个输入端口电连接，控制器（2）的输出端口与电控泵（1）电连接，所述能量回收机构（9）安装在蒸汽透平（8）的输出轴上，所述储液罐（11）的出液口与电控泵（1）的进液口连通，电控泵（1）的出液口与第一热交换器（3）的进液口连通，第一热交换器（3）的出液口与第二热交换器（5）的进口连通，第二热交换器（5）的出口与限压阀（7）的进口连通，限压阀（7）的出口与蒸汽透平（8）的进口连通，蒸汽透平（8）的出口与冷凝器（10）的进口连通，冷凝器（10）的出口与储液罐（11）的进液口连通，储液罐（11）、电控泵（1）、第一热交换器（3）、第二热交换器（5）、限压阀（7）、蒸汽透平（8）和冷凝器（10）形成工作介质的循环流动通道；

冷却液温度传感器（4）检测冷却系统中冷却液的温度并将其送入控制器（2）内判断，工作介质温度传感器（6）检测工作介质的温度并将其送入控制器（2）内判断，控制器（2）根据冷却液的温度和工作介质的温度对电控泵（1）的转动进行控制，电控泵（1）转动并抽取储液罐（11）中的工作介质进入第一热交换器（3）中，进行加热，工作介质吸收冷却系统的热量，温度升高，然后再进入第二热交换器（5）中，进行加热，工作介质吸收排气热量，并由液态转变为气态，气态的工作介质进入限压阀（7），限压阀（7）使气态的工作介质以恒定的压力推动蒸汽透平（8）旋转，蒸汽透平（8）带动能量回收机构（9）回收能量，做功后的气态的工作介质进入冷凝器（10）中冷凝，转变为液态的工作介质，然后流回储液罐（11）中；

其特征在于：所述控制器（2）根据冷却液的温度和工作介质的温度对电控泵（1）的转动进行控制的过程为：

当冷却液的温度小于设定温度时，电控泵（1）的转速小于额定转速，电控泵（1）的转速大小由控制器（2）根据工作介质的温度实时控制，在发动机冷启动时，工作介质的温度最低，电控泵（1）不转动，在工作介质的温度较低时，电控泵（1）的转速较小，如果工作介质的温度升高，则电控泵（1）的转速增加，如果工作介质的温度降低，则电控泵（1）的转速减小；

当冷却液的温度大于或者等于设定温度时，控制器（2）控制电控泵（1）以额定转速转动。

2.根据权利要求1所述的汽车发动机能量回收方法，其特征在于：所述控制器（2）集成安装在电控泵（1）上。

3.根据权利要求1或2所述的汽车发动机能量回收方法，其特征在于：所述冷凝器（10）安装在发动机舱的风扇（12）与格栅（13）之间。

4.根据权利要求3所述的汽车发动机能量回收方法，其特征在于：所述能量回收机构（9）为发电机或者压缩机。