CN105539065B - 汽车发动机废热回收空调控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及汽车发动机废热回收应用领域，公开了一种汽车发动机废热回收空调控制方法，包括以下步骤：步骤一：开启汽车发动机废热回收空调控制系统，温度传感器采集到车厢系统中各温度采集点的温度值，并传送给可编程控制器；步骤二：可编程控制器将温度数据传输给主控制器，主控制器接收温度数据信息后，结合模糊控制算法进行分析计算，并将控制信号发送给可编程控制器；步骤三：可编程控制器根据控制信号控制终端执行构件工作；步骤四：当车厢当前温度值与车厢设定温度值相等时，汽车发动机废热回收空调控制系统停止工作。本发明利用汽车发动机尾气和发动机冷却水的废热实现空调制冷制热，提高汽车废热回收效率，节约能源。

Description

汽车发动机废热回收空调控制方法
技术领域
本发明涉及汽车废热回收应用技术领域，特别涉及一种汽车发动机废热回收空调控制方法。
背景技术
自20世纪70年代世界性的能源危机发生以来，能源问题受到世界各国普遍重视，各经济大国都致力抢占能源市场同时，对节能技术的重视程度也大大加强。随着人们生活水平的提高，汽车保有量越来越大，汽车能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题越来越受到各国关注。节能已经成为当今世界汽车工业发展的主题之一。汽车消耗的能源主要是石油燃料，而我国是一个石油存储量相对欠缺的国家，目前已成为世界第二大石油进口国。随着我国汽车工业的迅速发展，提高汽车燃料有效利用率和减少环境污染在我国具有更重要的战略意义。
调查研究表明，在汽车的行驶过程中，燃油燃烧总热量的60％-75％以废热形式排出了车外，主要是两部分，一部分被汽车以发动机高温尾气的形式排出；另一部分被发动机冷却液带走。当然还少部分消耗在汽车零部件工作的摩擦中，针对这两个主要部分的废热，当前学术界针对废热的利用有多种回收途径，可以回收废热实现车厢热水系统供应，可以实现车厢卫生净化装置水来源，近年更有太原理工大学学者鲍亮亮提出利用汽车尾气实现温差发电，但由于所需要的热电材料的特殊性要求，成本考虑，以及电能转化方面的要求难以在运动的车辆上实现，有部分实现障碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种汽车发动机废热回收空调控制方法，利用发动机尾气和发动机冷却水的热能回收，实现汽车箱体的制冷与供暖功能，提高热能回收利用效率。
本发明具体技术方案如下；
一种汽车发动机废热回收空调控制方法包括如下步骤：
步骤一：开启汽车发动机废热回收空调控制系统，温度传感器采集到车厢系统中各温度采集点的温度值，并传送给可编程控制器；
步骤二：可编程控制器将温度数据传输给主控制器，主控制器接收温度数据信息后，结合模糊控制算法进行分析计算，并将控制信号发送给可编程控制器；
步骤三：可编程控制器根据控制信号控制终端执行构件工作；
步骤四：当车厢当前温度值与车厢设定温度值相等时，汽车发动机废热回收空调控制系统停止工作。
主控制器与可编程控制器相互连接，蓄热管路、换热管路以及散热管路中均分布有若干温度传感器，温度传感器将信号传送给可编程控制器。同时，由可编程控制器控制各回路中不同的控制阀开启或关闭，控制风机的转速，以及各水泵的流速。从而最终对应不同的需求，控制车内的温度。
进一步的，步骤三所述的终端执行构件包括蓄热管路、换热管路以及散热管路中的阀门、水泵、单向阀和风机。
整个空调控制装置有多条回路，分别对应着不同的阀门和水泵的控制，若对车厢温度变化做出全系统同时调控，必将引发不同模块之间的耦合效应，为避免这样效应的发生，我们将整个系统看成三个独立控制回路，即蓄热管路、换热管路以及散热管路，每个控制回路有独立的输入和输出量，通过不同的控制阀相互配合，从而将复杂的控制回路由三个独立循环合并实现。
进一步的，所述模糊控制算法为：
当车厢当前温度值与车厢设定温度值误差较大时，可编程控制器控制风机转速加快，水泵转速加快，提高温度变化率；
当车厢当前温度值与车厢设定温度值误差值逐渐减小时，可编程控制器控制温度变化率也随之减小，即此时的风机转速下降，水泵转速下降。
进一步的，步骤二还包括以下步骤：
当车厢当前温度值小于车厢设定温度值，则启动采暖模式；
主控制器发出指令，进入采暖模式；并确定温度误差与变化率；进行温度数值模糊控制处理；
可编程控制器输出阀门、水泵、风机控制指令。
进一步的，步骤二还包括以下步骤：
当车厢当前温度值大于车厢设定温度值，则启动制冷模式；
主控制器发出指令，进入制冷模式；并确定温度误差与变化率；进行温度数值模糊控制处理；
可编程控制器输出阀门、水泵、风机控制指令。
进一步的，采暖模式还包括如下步骤：
可编程控制器控制第一阀门、第四阀门、第一制热阀门和第二制热阀门开启，第五阀门或/和第六阀门开启，第十阀门开启，第二阀门、第三阀门、第七阀门关闭，并控制第一水泵或/和第四水泵调整流速。
进一步的，制冷模式还包括如下步骤：
可编程控制器控制第一阀门、第四阀门、第五阀门、第七阀门、第八阀门开启，第十阀门开启，第二阀门、第三阀门关闭，并控制第一水泵、第二水泵、第三水泵、第四水泵、第五水泵调整流速。
进一步的，所述散热管路包括分布式散热器，且分布式散热器连接蓄热器或蓄冷器。分布式散热器的连接受到可编程控制器的指令控制，连接蓄热器时，可以对车内环境制热，连接蓄冷器时，可以对车内环境制冷，同时，分布式散热器的位置与风机相对应，通过控制风机风量大小，可以调控分布式散热器的散热效率。散热管路中还设置有一个第四水泵，用于促进散热管路内液态水的循环，同时可以通过控制流速来调节分布式散热器的热量发散。
进一步的，蓄热器与溴化锂制冷机连接，并形成回路；溴化锂制冷机与蓄冷器连接，并形成回路；溴化锂制冷机组还设置有一固态冷却器。
溴化锂制冷机利用溴化锂溶液的吸湿性，以水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，蓄热器中的热量作为溴化锂制冷机的动力，用以加热溴化锂溶液，从而冷却溴化锂制冷机与蓄冷器中的循环冷却水，经制冷的循环冷却水输送到蓄冷器中进行储存，配合风机的作用，用来给车厢空调制冷。
蓄热器与溴化锂制冷机之间设置有第二水泵，蓄冷器与溴化锂制冷机之间设置有第三水泵，用于促进各管道内液态水的循环，同时可以通过控制流速来调节各节点温度。
换热管路还包括固态冷却器，固态冷却器与溴化锂制冷机连接并形成回路，在该回路中设置有一个第五水泵，用以控制进入固态冷却器的流量。固态冷却器用于提高溴化锂制冷机的冷却效率，并适应汽车的颠簸状态。
进一步的，蓄热管路包括水水换热器与蓄热器连接并形成的回路，烟气换热器通过烟气控制阀连接在水水换热器与蓄热器之间的管路中。
高温的发动机冷却水进入水水换热器后，热量以高温液体的形式被水水换热器储存起来；冷却水降温后继续循环冷却发动机，水水换热器中的热水热量接下来通过第一水泵进行流速控制，进一步与蓄热器进行热量交换，将热量存储到蓄热器中。
另外，汽车在正常运行时，发动机排出尾气的温度可达到500℃-600℃，高温的尾气通入烟气换热器中，尾气由气态转化为液态的过程，会向烟气换热器的收集溶液(液态水)中释放大量的热，这些热量被烟气换热器以高温溶液的形式收集起来，再输送到蓄热器中存储。
本发明具有以下有益效果：
1、利用汽车发动机尾气和发动机冷却水的废热实现空调制冷制热，提高汽车废热回收效率，节约能源；
2、利用水作为热量回收和传输机制的媒介，也是用水作为我们溴化锂制冷机组热量传输的载体。在热量收集、传输装置方面稳定性、可控性好，且不会产生有害气体；
3、可以有效解决夏季或冬季乘客二次上车烦恼，实时有效控制温度，对汽车性能无影响；
4、整个空调控制系统有多条回路，结构清晰紧凑，每个控制回路有独立的输入和输出量，各回路之间不会发生耦合效应。
附图说明
图1为本发明实施例控制流程图；
图2为本发明实施例控制模块示意图；
图3为本发明实施例整体结构示意图；
图4为本发明汽车刚启动时空调热量循环简图；
图5为本发明汽车正常行驶时空调热量循环简图；
图6为本发明汽车在冬天启动时循环简图；
图7为本发明夏季，蓄热器蓄满了热量时状态简图；
图8为本发明冬季，蓄热器蓄满了热量时状态简图；
图9为本发明夏天正常制冷状态简图；
图10为本发明冬天正常供暖状态简图；
其中：1-水水换热器、2-烟气换热器、3-蓄热器、4-溴化锂制冷机、5-蓄冷器、6-分布式散热器、7-固态冷却器、8-主控制器、9-可编程控制器、10-风机、B1-第一水泵、B2-第二水泵、B3-第三水泵、B4-第四水泵、B5-第五水泵、F1-第一阀门、F2-第二阀门、F3-第三阀门、F4-第四阀门、F5-第五阀门、F6-第六阀门、F7-第七阀门、F8-第八阀门、F9-第九阀门、F10-第十阀门、F11-第一制热阀门、F12-第二制热阀门、11-第一单向阀、12-第二单向阀、13-第三单向阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
本发明提供了一种汽车发动机废热回收空调控制方法，利用发动机尾气和发动机冷却水的热能回收，实现汽车箱体的制冷与供暖功能，提高热能回收利用效率。
如图1、2所示，一种汽车发动机废热回收空调控制方法，包括主控制器8和可编程控制器9，主控制器8与可编程控制器9相互连接，通过主控制器8与可编程控制器9控制整个装置的运作。
本发明的主体装置包括蓄热管路、换热管路以及散热管路，蓄热管路中连接有水水换热器1、烟气换热器2，以及蓄热器3；蓄热管路通过蓄热器3连接换热管路或散热管路；换热管路中连接有蓄热器3和蓄冷器5，还包括溴化锂制冷机4。
蓄热管路为：水水换热器1与蓄热器3连接并形成回路，烟气换热器2通过烟气控制阀连接在水水换热器1与蓄热器3之间的管路中。
水水换热器1连接冷却水回路，并且通过第一阀门F1和第二阀门F2的切换可以控制发动机冷却水是否接入蓄热管路。开启第一阀门F1，关闭第二阀门F2，则水水换热器1工作；关闭第一阀门F1，开启第二阀门F2，则水水换热器1中不通入冷却水，不工作。其中第一阀门F1和第二阀门F2也可以设置成其他结构。
水水换热器1与蓄热器3之间设置有第一水泵B1。通过第一水泵B1控制蓄热管路流速，从而控制蓄热器3温度。
所述的烟气控制阀是指图1中的第三阀门F3与第四阀门F4。关闭第三阀门F3，开启第四阀门F4，则烟气换热器接入蓄热管路，并给蓄热器3供热；开启第三阀门F3，关闭第四阀门F4，则烟气换热器不接入蓄热管路。第三阀门F3与第四阀门F4也可以设置成其他类似阀门或管路。
第五阀门F5作为蓄热管路的总阀门，控制蓄热循环的开启或关闭。
所述换热管路为：
蓄热器3与溴化锂制冷机4连接，并形成回路；溴化锂制冷机4与蓄冷器5连接，并形成回路。
蓄热器3与溴化锂制冷机4之间设置有使循环水单向循环的第一单向阀11与第二单向阀12，以及通过改变流速控制溴化锂制冷机4工作的第二水泵B2；还设有第七阀门F7，用于控制溴化锂制冷机4的开启或关闭。
溴化锂制冷机4与蓄冷器5之间设置有通过改变流速控制蓄冷器5工作的第三水泵B3以及控制蓄冷器5开启或关闭的第八阀门F8。
溴化锂制冷机4还包括固态冷却器7，固态冷却器7与溴化锂制冷机4连接并形成回路，该回路中设置一个第五水泵B5，通过控制流速，调节固态冷却器7的工作。固态冷却器7的主体结构为外方内圆的通管，且外部布满散热片。固态冷却器7可以连接在汽车底部，并利用汽车行驶中的风速实现冷却，从而降低因汽车颠簸影响溴化锂制冷机4的工作。固态冷却器7可以给溴化锂制冷机4中的冷却水降温5℃左右。
汽车发动机废热回收空调控制方法包括如下步骤：
步骤一：开启汽车发动机废热回收空调控制系统，温度传感器T1-T11采集到车厢系统中各温度采集点的温度值，并传送给可编程控制器9；
步骤二：可编程控制器9将温度数据传输给主控制器8，主控制器8接收温度数据信息后，结合模糊控制算法进行分析计算，并将控制信号发送给可编程控制器9；
步骤三：可编程控制器9根据控制信号控制终端执行构件工作；
步骤四：当车厢当前温度值T0与车厢设定温度值Ta相等时，汽车发动机废热回收空调控制系统停止工作。
本发明中，汽车车厢温度的调控，需要对空调系统中水泵和风机10转速实现准确的控制。由于在车厢空调温度控制过程中既要室内温度快速达到设定值、波动小、又要满足人体的舒适度。基于这样的思想，我们在此采用模糊控制器来实现车厢温度的控制。
相应的模糊控制算法为：
当车厢当前温度值T0与车厢设定温度值Ta误差较大时，可编程控制器9控制提高温度变化率；即，控制风机10转速加快，水泵转速加快，
当车厢当前温度值T0与车厢设定温度值Ta误差值逐渐减小时，可编程控制器9控制温度变化率也随之减小，即此时的风机10转速下降，水泵转速下降。
风机风速是影响车厢空调内温度调节的主要装置，在温度调节的过程中对人体的舒适性有很大影响。特别是夏季，用户上车之后，需要空调制冷并快速降低车厢温度时，往往会开大风机的风速，以增大风量来满足车厢温度快速降低的需求，但此时风机由于工作频率达到最大，噪声大，严重影响驾乘人员的乘坐体验。因此只有在车内负荷比较大时，才让风机10以最大的风量运行。在风机风速增大的过程中，水泵的速度因为能量供求平衡原理，也需要同时线性的增加，以保证水水换热器1与蓄热器3、溴化锂制冷机4以及蓄冷器5之间的工作循环加快，满足车厢制冷需要；当车厢当前温度值T0趋于车厢设定温度值Ta时，可以采取合理的控制策略，使风机10与水泵协调工作，以达到最好的车厢温度控制效果与乘坐体验。
具体而言，
当车厢当前温度值T0小于车厢设定温度值Ta，则主控制器8发出指令，进入采暖模式；并进行温度数值模糊控制处理，确定温度误差与变化率。可编程控制器9控制蓄热管路工作，并连接到散热管路，可编程控制器9通过控制第一水泵B1或/和第四水泵B4的流速，调整分散式散热器6的效率。
此时，蓄热器3通过第二水泵B2和第二单向阀12连接到第二制热阀F12和第四水泵B4连接到分布式散热器6，进而通过第一制热阀F11回到蓄热器3，形成制热回路。此时连接溴化锂制冷机4的第七阀门F7关闭，连接蓄冷器5的第十阀门F10关闭，同时由于蓄冷器5出口处设置有第三单向阀13，制热回路中的水不会回流至蓄冷器5中。
当车厢当前温度值T0大于车厢设定温度值Ta，主控制器8发出指令，进入制冷模式；并进行温度数值模糊控制处理，确定温度误差与变化率；主控制器8向可编程控制器9发出信号，并由可编程控制器9控制换热管路工作。
此时，蓄冷器5通过第三单向阀13和第四水泵B4连接到分布式散热器6，进而通过第十阀门F10回到蓄冷器5，形成制冷回路。
下面介绍本实施例常用工况：
工况一：汽车刚启动时
在汽车刚启动时，发动机的温度还不够高，此时对应的发动机冷却水的温度也不高，通常此时只是略高于周围环境温度，此时需要驱动溴化锂制冷机4进行工作的热量来源主要由烟气换热器2提供，此时的蓄热器3热量传输的循环流程图如图4所示。
此时，开启第四阀门F4、第五阀门F5，加大第一水泵B1的转速，使烟气换热器2中收集的热量迅速输送到蓄热器3中，保持蓄热器3输送热量到溴化锂制冷机4的第七阀门F7打开，同时溴化锂制冷机4保持开启状态运行，这样即使是汽车刚启动不久，废热回收利用型空调也可以保证无油耗的正常运行。
工况二：在汽车正常运行时
汽车开始正常运行后，一般时速保持在60km/h左右，此时发动机冷却水的的温度已经维持在90℃以上了，可编程控制器9控制第一阀门F1、第四阀门F4、第一制热阀门F11和第二制热阀门F12开启，第五阀门F5开启，第十阀门F10开启，第二阀门F2、第三阀门F3、第七阀门F7关闭，并控制第一水泵B1以及第四水泵B4的流速。
此时水水换热器1不断的吸收发动机的废热，调节第一水泵B1的转速，使蓄热器3中温度长期处于90℃以上，此时为了加快换热的高温溶液循环，可以关闭第四阀门F4，但保持溴化锂制冷机4的开启。此时溴化锂制冷机4就可以源源不断的接受来自蓄热器3的高温热量制冷，输送到蓄冷器5中。此时的蓄热器3热量传输的流程图如图5。
工况三：汽车在冬天启动时
在冬天，汽车放置在户外，在经过一个严寒的夜晚之后，第二天启动发动机时经常出现很难启动的现象，原因就是发动机的温度过低，利用本发明的空调系统就很好的解决这个困扰人们生活中的难题，如图6所示，这时让之前储存在蓄热器3中的热水循环到水水换热器1中，再释放到发动机周围，让车子更容易启动。
此时看似与汽车正常运行时一样，实际上此时热量的传输是反向的，由于此时由于保温材料的作用，蓄热器3内的水温高于水水换热器3中的温度，让蓄热器3中的水流入水水换热器1中，再循环到发动机的冷却水中，起到了一个焐热发动机的作用，从而提高发动机周围的温度。便于发动机启动。
工况四：夏季，蓄热器蓄满了热量时
如图7所示，蓄热器3中的水温始终保持在95℃以上，此时水水换热器1中的水温与蓄热器3中的水温的温差较小，故而无法继续进行热量输送，此时可编程控制器9控制第五阀门F5关闭，第六阀门F6、第七阀门F7开启，使水水换热器1收集的热量直接送到溴化锂制冷机4中进行制冷，冷量持续不断的输送到蓄冷器5中，保持蓄冷器5在一个比较低的温度，通常极限为7℃。
工况五：冬季，蓄热器蓄满了热量时
在冬天，汽车只要运行了一段时间之后，此时车内的蓄热器3内中的水温即可快速达到95℃，司机停车离开车厢之后，停止发动机后，因为蓄热器3中还储存有高热量，可以继续输送到车厢的供暖系统，配合风机10进行供暖，其工作的流程图如图8。
工况六：夏天正常制冷
在炎热的夏天，汽车正常行驶时，发动机冷却水的热量不断的通过蓄热器3收集输送到溴化锂制冷机4中进行制冷，制出的冷液也源源不断的送往车厢内，其工作流程图如图9。
工况七：冬天正常供暖
在冬季，汽车在正常运行一段时间之后，在蓄热器3不断的收集汽车的废热，经过空气过滤装置可以直接给车厢供暖，其工作的流程图如图10。
以上对本发明所提供的汽车发动机废热回收空调控制方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，例如热回收装置的数量、位置和温度控制，均可依据实际需要做相应变化。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种汽车发动机废热回收空调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：开启汽车发动机废热回收空调控制系统，温度传感器采集到车厢系统中各温度采集点的温度值，并传送给可编程控制器(9)；
步骤二：可编程控制器(9)将温度数据传输给主控制器(8)，主控制器(8)接收温度数据信息后，结合模糊控制算法进行分析计算，并将控制信号发送给可编程控制器(9)；
步骤三：可编程控制器根据控制信号控制终端执行构件工作；所述的终端执行构件包括：
连接在蓄热管路中的水水换热器、烟气换热器以及蓄热器；
连接在换热管路中的溴化锂制冷机、固态冷却器以及蓄冷器；
连接在散热管路中的分布式散热器；以及
蓄热器与溴化锂制冷机连接的管路上设置的、控制流体从溴化锂制冷机单向流出的第一单向阀(11)；
蓄热器与分布式散热器连接的管路上设置的、控制流体从蓄热器单向流出的第二单向阀(12)；蓄冷器与分布式散热器连接的管路上设置的、控制流体从蓄冷器单向流出的第三单向阀(13)；以及
蓄热管路、换热管路以及散热管路中的阀门、水泵和风机；
步骤四：当车厢当前温度值(T0)与车厢设定温度值(T1)相等时，汽车发动机废热回收空调控制系统停止工作。
2.如权利要求1所述的汽车发动机废热回收空调控制方法，其特征在于，步骤二还包括以下步骤：
当车厢当前温度值(T0)小于车厢设定温度值(T1)，则启动采暖模式；
主控制器(8)发出指令，进入采暖模式；并确定温度误差与变化率；进行温度数值模糊控制处理；可编程控制器(9)输出阀门、水泵、风机控制指令。
3.如权利要求1所述的汽车发动机废热回收空调控制方法，其特征在于，步骤二还包括以下步骤：
当车厢当前温度值(T0)大于车厢设定温度值(T1)，则启动制冷模式；
主控制器(8)发出指令，进入制冷模式；并确定温度误差与变化率；进行温度数值模糊控制处理；可编程控制器(9)输出阀门、水泵、风机控制指令。
4.如权利要求2所述的汽车发动机废热回收空调控制方法，其特征在于，采暖模式还包括如下步骤：
可编程控制器(9)控制第一阀门(F1)、第四阀门(F4)、第一制热阀门(F11)和第二制热阀门(F12)开启，第五阀门(F5)或/和第六阀门(F6)开启，第十阀门(F10)开启，第二阀门(F2)、第三阀门(F3)、第七阀门(F7)关闭，并控制第一水泵(B1)或/和第四水泵(B4)调整流速。
5.如权利要求3所述的汽车发动机废热回收空调控制方法，其特征在于，制冷模式还包括如下步骤：
可编程控制器(9)控制第一阀门(F1)、第四阀门(F4)、第五阀门(F5)、第七阀门(F7)、第八阀门(F8)开启，第十阀门(F10)开启，第二阀门(F2)、第三阀门(F3)关闭，并控制第一水泵(B1)、第二水泵(B2)、第三水泵(B3)、第四水泵(B4)、第五水泵(B5)调整流速。
6.如权利要求2-5任一所述的汽车发动机废热回收空调控制方法，其特征在于，所述散热管路包括分布式散热器(6)，且分布式散热器(6)连接蓄热器(3)或蓄冷器(5)。
7.如权利要求2-5任一所述的汽车发动机废热回收空调控制方法，其特征在于，蓄热器(3)与溴化锂制冷机(4)连接，并形成回路；溴化锂制冷机(4)与蓄冷器(5)连接，并形成回路；溴化锂制冷机(4)还设置有一固态冷却器(7)。
8.如权利要求2-5任一所述的汽车发动机废热回收空调控制方法，其特征在于，蓄热管路包括水水换热器(1)与蓄热器(3)连接并形成的回路，烟气换热器(2)通过烟气控制阀连接在水水换热器(1)与蓄热器(3)之间的管路中。
9.如权利要求1所述的汽车发动机废热回收空调控制方法，其特征在于，所述模糊控制算法为：
当车厢当前温度值(T0)与车厢设定温度值(T1)误差较大时，可编程控制器(9)控制风机(10)转速加快，水泵转速加快，提高温度变化率：
当车厢当前温度值(T0)与车厢设定温度值(T1)误差值逐渐减小时，可编程控制器(9)控制温度变化率也随之减小，即此时的风机(10)转速下降，水泵转速下降。
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