CN107605580A - 一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统及其控制方法，工作过程中工质在工质泵中增压，吸收尾气能量并膨胀做功以提高发动机效率，膨胀后的被冷凝的工质经过膨胀阀降压，在低压状态下蒸发并对空气进行冷却，经过冷却的空气通入车厢中调节车厢温度。本发明的有益效果在于将利用相似性质工质的余热回收系统与车载空调系统相结合，并且可根据尾气状态与乘客需要使系统在复合循环、单独空调工作、单独余热回收系统工作三个状态间切换，减少了系统部件，在行驶经济性、驾驶舒适性、降低整车排放、发动机功率拓展、系统小型化整车轻量化等方面做出了贡献，而且改装的复杂程度较小。

Description

一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统及其控制方法

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及开发一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统及其控制方法。

背景技术

现如今社会经济的快速发展离不开能源的支持，能源需求日益增加导致了能源紧缺与环境污染等各种问题。内燃机作为一种重要的能量转换装置，其转换效率较低，大部分能量以热量的形式散失掉，其中尾气携带了大量能量，尾气能量的回收被认为是提高发动机效率的一个重要方法，其中有机朗肯循环作为最适用于车载的技术手段而受到广泛关注。

但是布置一套完整的有机朗肯循环余热回收系统会占用一定额外空间，甚至影响原本车内零部件的布置形式，增加研发投入与周期，而且过多的零部件会增加制造成本，对整车轻量化不利。

发明内容

本发明目的是提供一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统及其控制方法，将利用相似性质工质的余热回收系统与车载空调系统相结合，减少系统部件，并且可根据尾气状态与乘客需要使系统在复合循环、单独空调工作、单独余热回收系统工作三个状态间切换。

为实现上述目标，本发明采取了如下技术方案：提供一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统，该系统由发动机1、后处理装置2、尾气旁通阀3、余热蒸发器工质入口阀4、余热蒸发器工质出口阀5、尾气余热蒸发器6、膨胀机7、余热旁通阀8、冷凝器9、冷却风扇10、储液罐11、膨胀机冷工质入口阀12、膨胀阀13、制冷旁通阀14、制冷蒸发器15、鼓风机16和工质泵17组成。

本发明中尾气余热蒸发器6和尾气旁通阀3的尾气入口端合并后与发动机1排气管相连，尾气余热蒸发器6和尾气旁通阀3的尾气出口端合并后与后处理装置2相连，余热蒸发器工质入口阀4与尾气余热蒸发器6相连，尾气余热蒸发器6与余热蒸发器工质出口阀5相连，余热蒸发器工质出口阀5与膨胀机7工质入口端相连，膨胀机7工质出口端分别与余热旁通阀8和冷凝器9工质入口端相连，冷却风扇10布置于冷凝器9旁，冷凝器9工质出口端与储液罐11工质入口端相连，储液罐11工质出口端分别与膨胀机冷工质入口阀12、膨胀阀13、制冷旁通阀14工质入口端相连，膨胀机冷工质入口阀12工质出口端与膨胀机7相连，膨胀阀13工质出口端与制冷蒸发器15工质入口端相连，鼓风机16布置于制冷蒸发器15空气出口侧，制冷蒸发器15工质出口端与制冷旁通阀14工质出口端合并后与工质泵17工质入口端相连，工质泵17工质出口端分别与余热蒸发器工质入口阀4和余热旁通阀8相连。

本发明的原理是：工质泵17将液态工质加压到高压状态，高压液态工质通入尾气余热蒸发器6吸收发动机1的尾气能量成为高压气态工质，并进入膨胀机7中膨胀并对外做功，充分膨胀的有机工质排出后进入冷凝器9中由迎面风冷却成液态，如风量不足则开启冷却风扇10加速冷却，液态工质经过储液罐11中过滤掉杂质后在膨胀阀13中膨胀降压，随后于制冷蒸发器15中吸收周围空气热量蒸发，被吸收热量的空气温度降低，鼓风机16将低温空气通入车厢中调节车厢温度，在制冷蒸发器15中吸热的工质被通入工质泵17中开始下一次循环；如发动机1尾气能量较少无法将工质加热至气态而不利于循环做功，则可关闭余热蒸发器工质入口阀4，开启尾气旁通阀3和余热旁通阀8，使空调制冷系统单独工作，而尾气直接通过尾气旁通阀3排出；如车主不需要开启空调制冷，则可关闭膨胀阀13和鼓风机16，开启制冷旁通阀14，避免循环中制冷部分参与工作；在有机朗肯循环启动时，尾气旁通阀3关闭将尾气通入尾气余热蒸发器6，同时余热蒸发器工质入口阀4和余热蒸发器工质出口阀5关闭，使尾气余热蒸发器6中的工质在密封空间受热增压，当压力达到适宜值时开启余热蒸发器工质出口阀5使高压工质通入膨胀机7中推动膨胀机7开始做功；当发动机1进入小负荷时能量较低的尾气在尾气余热蒸发器6中吸热升温，利用尾气余热蒸发器6的热惯性可使尾气温度在短时间内达到后处理的高效温度窗口；为了提高膨胀机7的效率，首先使膨胀机7中的工质过膨胀即使膨胀结束时的压力低于冷凝压力，从而尽可能多地对外做功，在膨胀机7的膨胀末期利用膨胀机冷工质入口阀12适时将液态冷工质喷入膨胀机7中，冷工质吸热气化增压继续推动膨胀机7做功，使膨胀后乏气所携带的能量得以充分利用。

本发明具有的优点和积极效果有：将利用相似性质工质的余热回收系统与车载空调系统相结合，并且可根据尾气状态与乘客需要使系统在复合循环、单独空调工作、单独余热回收系统工作三个状态间切换，减少了系统部件，在行驶经济性、驾驶舒适性、降低整车排放、发动机功率拓展、系统小型化整车轻量化等方面做出了贡献，而且改装的复杂程度较小。

附图说明

图1为一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统及其控制方法的结构示意图。

其中：发动机1、后处理装置2、尾气旁通阀3、余热蒸发器工质入口阀4、余热蒸发器工质出口阀5、尾气余热蒸发器6、膨胀机7、余热旁通阀8、冷凝器9、冷却风扇10、储液罐11、膨胀机冷工质入口阀12、膨胀阀13、制冷旁通阀14、制冷蒸发器15、鼓风机16和工质泵17。

图2为一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统及其控制方法的控制流程图。

具体实施方案

以下结合附图对本发明技术方案作进一步详细阐述：

如图1所示，本发明由发动机1、后处理装置2、尾气旁通阀3、余热蒸发器工质入口阀4、余热蒸发器工质出口阀5、尾气余热蒸发器6、膨胀机7、余热旁通阀8、冷凝器9、冷却风扇10、储液罐11、膨胀机冷工质入口阀12、膨胀阀13、制冷旁通阀14、制冷蒸发器15、鼓风机16和工质泵17组成。

本发明提供一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统，其中尾气余热蒸发器6和尾气旁通阀3的尾气入口端合并后与发动机1排气管相连，尾气余热蒸发器6和尾气旁通阀3的尾气出口端合并后与后处理装置2相连，余热蒸发器工质入口阀4与尾气余热蒸发器6相连，尾气余热蒸发器6与余热蒸发器工质出口阀5相连，余热蒸发器工质出口阀5与膨胀机7工质入口端相连，膨胀机7工质出口端分别与余热旁通阀8和冷凝器9工质入口端相连，冷却风扇10布置于冷凝器9旁，冷凝器9工质出口端与储液罐11工质入口端相连，储液罐11工质出口端分别与膨胀机冷工质入口阀12、膨胀阀13、制冷旁通阀14工质入口端相连，膨胀机冷工质入口阀12工质出口端与膨胀机7相连，膨胀阀13工质出口端与制冷蒸发器15工质入口端相连，鼓风机16布置于制冷蒸发器15空气出口侧，制冷蒸发器15工质出口端与制冷旁通阀14工质出口端合并后与工质泵17工质入口端相连，工质泵17工质出口端分别与余热蒸发器工质入口阀4和余热旁通阀8相连。

装置的具体工作方式如下：

在发动机1启动与怠速阶段，发动机1的尾气能量较小，开启尾气旁通阀3，关闭余热蒸发器工质入口阀4，使尾气直接通过尾气旁通阀3排出，此时如需空调制冷可开启余热旁通阀8使空调制冷系统单独工作；当尾气能量足够时开始启动余热回收系统，尾气旁通阀3关闭将尾气通入尾气余热蒸发器6，同时余热蒸发器工质入口阀4和余热蒸发器工质出口阀5关闭，使尾气余热蒸发器6中的工质在密封空间受热增压，当达到适宜压力值时开启余热蒸发器工质出口阀5使高压工质通入膨胀机7中推动膨胀机7开始做功，此时根据空调制冷系统是否工作开启或关闭余热旁通阀8，当膨胀机7达到目标工况即余热回收系统运行稳定后关闭余热旁通阀8，并使工质泵17、冷却风扇10等进入工作状态；当系统的复合循环模式启动后，工质泵17将液态工质加压到高压状态，高压液态工质通入尾气余热蒸发器6吸收发动机1的尾气能量成为高压气态工质，并进入膨胀机7中膨胀并对外做功，充分膨胀的有机工质排出后进入冷凝器9中由迎面风冷却成液态，如风量不足则开启冷却风扇10加速冷却，液态工质经过储液罐11中过滤掉杂质后在膨胀阀13中膨胀降压，随后于制冷蒸发器15中吸收周围空气热量蒸发，被吸收热量的空气温度降低，鼓风机16将低温空气通入车厢中调节车厢温度，在制冷蒸发器15中吸热的工质被通入工质泵17中开始下一次循环；为了提高膨胀机7的效率，首先使膨胀机7中的工质过膨胀即使膨胀结束时的压力低于冷凝压力，从而尽可能多地对外做功，在膨胀机7的膨胀末期利用膨胀机冷工质入口阀12适时将液态冷工质喷入膨胀机7中，冷工质吸热气化增压继续推动膨胀机7做功，使膨胀后乏气所携带的能量得以充分利用；如车主不需要开启空调制冷，则可关闭膨胀阀13和鼓风机16，开启制冷旁通阀14，避免循环中制冷部分参与工作；如发动机1工况变化尾气能量较少无法将工质加热至气态而不利于循环做功，则可关闭余热蒸发器工质入口阀4，开启余热旁通阀8，使空调制冷系统单独工作，当尾气余热蒸发器6中的工质温度足够高时关闭尾气旁通阀3，此时能量较低的尾气在尾气余热蒸发器6中吸热升温，利用尾气余热蒸发器6的热惯性可使尾气温度在短时间内达到后处理的高效温度窗口，以减少污染物排放，当尾气能量足够时可按上述方式重新启动余热回收系统；当发动机1停机熄火后将余热旁通阀8开启，利用冷凝器9和储液罐11中的液态工质对余热蒸发器6进行补充，避免余热蒸发器6在冷却过程中产生负压导致性能下降。

基于上述一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统，其控制方法主要根据发动机状态、尾气能量与空调状态决定系统工作模式，工作过程包括：

a.测试发动机1的尾气温度与流量，如该尾气能量足以回收利用，而且余热回收系统并未运转，则判断车主需要空调制冷系统工作，如需工作则开启余热旁通阀8、关闭制冷旁通阀14，工质泵17、冷凝器9、膨胀阀13、制冷蒸发器15开始工作，如不需空调制冷系统工作则开启余热旁通阀8、开启制冷旁通阀14，关闭膨胀阀13和鼓风机16等，工质泵17、冷凝器9、膨胀阀13、制冷蒸发器15不工作，关闭尾气旁通阀3、余热蒸发器工质入口阀4、余热蒸发器工质出口阀5使工质受热增压，待压力达到适宜值后开启余热蒸发器工质出口阀5使高压工质推动膨胀机7做功，待膨胀机7运行稳定后关闭余热旁通阀8，余热回收系统进入工作状态，然后重新测量发动机1的尾气能量；

b.测试发动机1的尾气温度与流量，如该尾气能量足以回收利用，而且余热回收系统正在运转，则判断车主需要空调制冷系统工作，如需工作则开启余热旁通阀8、关闭制冷旁通阀14，工质泵17、尾气余热蒸发器6、膨胀机7、冷凝器9、膨胀阀13、制冷蒸发器15开始工作，系统在复合循环模式下工作，而如不需空调制冷系统工作则开启余热旁通阀8、开启制冷旁通阀14，关闭膨胀阀13和鼓风机16等，工质泵17、尾气余热蒸发器6、膨胀机7、冷凝器9开始工作，系统在独立余热回收模式下工作，正常运行下的系统依据标定与修正参数在最优状态下工作，工作过程中使膨胀机7中工质过膨胀，膨胀机7的膨胀末期利用膨胀机冷工质入口阀12适时将液态冷工质喷入膨胀机7中利用乏气能量提高做功效率，然后重新测量发动机1的尾气能量；

c.测试发动机1的尾气温度与流量，如该尾气能量不足以回收利用，而且如果发动机1刚刚启动，则开启尾气旁通阀3、关闭余热蒸发器工质入口阀4、开启余热旁通阀8，如车主需要空调制冷系统工作，则关闭制冷旁通阀14，工质泵17、冷凝器9、膨胀阀13、制冷蒸发器15开始工作，如车主不需要空调制冷系统工作，则开启制冷旁通阀14，关闭膨胀阀13和鼓风机16等，工质泵17、冷凝器9、膨胀阀13、制冷蒸发器15不工作，然后重新测量发动机1的尾气能量；

d.测试发动机1的尾气温度与流量，如该尾气能量不足以回收利用，而且如果发动机1并非刚刚启动，则判断是否将发动机1停机，如非停机则关闭余热蒸发器工质入口阀4、开启余热旁通阀8，如尾气余热蒸发器6中工质能量足够，则关闭尾气旁通阀3使尾气利用尾气余热蒸发器6的热惯性提高温度以提高后处理效果，如尾气余热蒸发器6中工质能量不足则开启关闭尾气旁通阀3，如车主需要空调制冷系统工作，则关闭制冷旁通阀14，工质泵17、冷凝器9、膨胀阀13、制冷蒸发器15开始工作，如车主不需要空调制冷系统工作，则开启制冷旁通阀14，关闭膨胀阀13和鼓风机16等，工质泵17、冷凝器9、膨胀阀13、制冷蒸发器15不工作，然后重新测量发动机1的尾气能量，如发动机1停机则开启余热旁通阀8、开启制冷旁通阀14利用工质压力补液，避免管路中出现负压状态，系统结束工作。

本发明中发动机余热能量以尾气能量为例进行介绍，在实际应用中可对EGR、中冷器等能量进行回收。

Claims (2)

1.一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统，其主要由发动机(1)、后处理装置(2)、尾气旁通阀(3)、余热蒸发器工质入口阀(4)、余热蒸发器工质出口阀(5)、尾气余热蒸发器(6)、膨胀机(7)、余热旁通阀(8)、冷凝器(9)、冷却风扇(10)、储液罐(11)、膨胀机冷工质入口阀(12)、膨胀阀(13)、制冷旁通阀(14)、制冷蒸发器(15)、鼓风机(16)和工质泵(17)组成；尾气余热蒸发器(6)和尾气旁通阀(3)的尾气入口端合并后与发动机(1)排气管相连，尾气余热蒸发器(6)和尾气旁通阀(3)的尾气出口端合并后与后处理装置(2)相连，余热蒸发器工质入口阀(4)与尾气余热蒸发器(6)相连，尾气余热蒸发器(6)与余热蒸发器工质出口阀(5)相连，余热蒸发器工质出口阀(5)与膨胀机(7)工质入口端相连，膨胀机(7)工质出口端分别与余热旁通阀(8)和冷凝器(9)工质入口端相连，冷却风扇(10)布置于冷凝器(9)旁，冷凝器(9)工质出口端与储液罐(11)工质入口端相连，储液罐(11)工质出口端分别与膨胀机冷工质入口阀(12)、膨胀阀(13)、制冷旁通阀(14)工质入口端相连，膨胀机冷工质入口阀(12)工质出口端与膨胀机(7)相连，膨胀阀(13)工质出口端与制冷蒸发器(15)工质入口端相连，鼓风机(16)布置于制冷蒸发器(15)空气出口侧，制冷蒸发器(15)工质出口端与制冷旁通阀(14)工质出口端合并后与工质泵(17)工质入口端相连，工质泵(17)工质出口端分别与余热蒸发器工质入口阀(4)和余热旁通阀(8)相连。

2.一种车用余热回收与空调制冷复合循环系统的控制方法，其特征在于根据发动机(1)状态、尾气能量与空调状态决定系统工作模式，工作过程包括：

a.测试发动机(1)的尾气温度与流量，如该尾气能量足以回收利用，而且余热回收系统并未运转，则判断车主需要空调制冷系统工作，如需工作则开启余热旁通阀(8)、关闭制冷旁通阀(14)，工质泵(17)、冷凝器(9)、膨胀阀(13)、制冷蒸发器(15)开始工作，如不需空调制冷系统工作则开启余热旁通阀(8)、开启制冷旁通阀(14)，关闭膨胀阀(13)和鼓风机(16)等，工质泵(17)、冷凝器(9)、膨胀阀(13)、制冷蒸发器(15)不工作，关闭尾气旁通阀(3)、余热蒸发器工质入口阀(4)、余热蒸发器工质出口阀(5)使工质受热增压，待压力达到适宜值后开启余热蒸发器工质出口阀(5)使高压工质推动膨胀机(7)做功，待膨胀机(7)运行稳定后关闭余热旁通阀(8)，余热回收系统进入工作状态，然后重新测量发动机(1)的尾气能量；

b.测试发动机(1)的尾气温度与流量，如该尾气能量足以回收利用，而且余热回收系统正在运转，则判断车主需要空调制冷系统工作，如需工作则开启余热旁通阀(8)、关闭制冷旁通阀(14)，工质泵(17)、尾气余热蒸发器(6)、膨胀机(7)、冷凝器(9)、膨胀阀(13)、制冷蒸发器(15)开始工作，系统在复合循环模式下工作，而如不需空调制冷系统工作则开启余热旁通阀(8)、开启制冷旁通阀(14)，关闭膨胀阀(13)和鼓风机(16)等，工质泵(17)、尾气余热蒸发器(6)、膨胀机(7)、冷凝器(9)开始工作，系统在独立余热回收模式下工作，正常运行下的系统依据标定与修正参数在最优状态下工作，工作过程中使膨胀机(7)中工质过膨胀，膨胀机(7)的膨胀末期利用膨胀机冷工质入口阀(12)适时将液态冷工质喷入膨胀机(7)中利用乏气能量提高做功效率，然后重新测量发动机(1)的尾气能量；

c.测试发动机(1)的尾气温度与流量，如该尾气能量不足以回收利用，而且如果发动机(1)刚刚启动，则开启尾气旁通阀(3)、关闭余热蒸发器工质入口阀(4)、开启余热旁通阀(8)，如车主需要空调制冷系统工作，则关闭制冷旁通阀(14)，工质泵(17)、冷凝器(9)、膨胀阀(13)、制冷蒸发器(15)开始工作，如车主不需要空调制冷系统工作，则开启制冷旁通阀(14)，关闭膨胀阀(13)和鼓风机(16)等，工质泵(17)、冷凝器(9)、膨胀阀(13)、制冷蒸发器(15)不工作，然后重新测量发动机(1)的尾气能量；

d.测试发动机(1)的尾气温度与流量，如该尾气能量不足以回收利用，而且如果发动机(1)并非刚刚启动，则判断是否将发动机(1)停机，如非停机则关闭余热蒸发器工质入口阀(4)、开启余热旁通阀(8)，如尾气余热蒸发器(6)中工质能量足够，则关闭尾气旁通阀(3)使尾气利用尾气余热蒸发器(6)的热惯性提高温度以提高后处理效果，如尾气余热蒸发器(6)中工质能量不足则开启关闭尾气旁通阀(3)，如车主需要空调制冷系统工作，则关闭制冷旁通阀(14)，工质泵(17)、冷凝器(9)、膨胀阀(13)、制冷蒸发器(15)开始工作，如车主不需要空调制冷系统工作，则开启制冷旁通阀(14)，关闭膨胀阀(13)和鼓风机(16)等，工质泵(17)、冷凝器(9)、膨胀阀(13)、制冷蒸发器(15)不工作，然后重新测量发动机(1)的尾气能量，如发动机(1)停机则开启余热旁通阀(8)、开启制冷旁通阀(14)利用工质压力补液，避免管路中出现负压状态，系统结束工作。