CN107605619A - 发动机余热双路阶梯式回收装置、控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机余热双路阶梯式回收装置、控制方法及控制系统，其中该装置包括：余热高温回路和余热低温回路；余热高温回路包括第一发电机、以及通过管路依次连接的第一工质泵、变速箱机油热交换器、排气管蒸发器、第一膨胀机、第一冷凝器和第一工质罐所组成的循环回路；余热低温回路包括第二发电机、以及通过管路依次连接的第二工质泵、中冷器热交换器、发动机冷却水蒸发器、第二膨胀机、第二冷凝器和第二工质罐所组成的循环回路。本发明通过搭建两路阶梯式回收再利用管路装置以及独立的两台依靠各自膨胀机驱动的发电机，使余热的回收利用更为合理，从而有效地提高了燃油效率，并大大节约了燃料能源。

Description

发动机余热双路阶梯式回收装置、控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及发动机余热回收再利用领域，尤其涉及一种发动机余热双路阶梯式回收装置、控制方法及控制系统。

背景技术

在燃油车辆的发动机中，燃油燃烧转换的能量最终用到动力输出的只占到30％左右，大部分的能量都被浪费掉，其中浪费的能量有很大部分是以热量的形式消耗掉。被消耗的热量来自于发动机工作状态下的各个相关部件，具体而言，根据发动机余热的温度，可以将发动机的余热分为高温和低温两类，高温类为发动机排气热量以及发动机工作时传递到变速箱的传动能量造成变速箱机油温度升高的热量；低温类为发动机进气中冷、高温区发电的余热以及发动机冷却水的热量；而通常，此两类余热都被直接排放到空气中或者被散发消耗掉，没有被有效且合理的利用，造成了能源的浪费，因而如何将车辆燃油消耗的热能转换成电能，以提高发动机的燃料利用率，是一个符合当下所提倡的节能减排、绿色环保的关于汽车领域的重要研究课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种发动机余热双路阶梯式回收装置、控制方法及控制系统，通过高低温余热独立的阶梯式回收并将余热用于驱动发电机的方式，实现了燃油余热的最大化利用，从而能够提高车辆的燃油效率，节约能源。

本发明采用的技术方案如下：

一种发动机余热双路阶梯式回收装置，包括：

余热高温回路和余热低温回路；

所述余热高温回路包括第一发电机、以及通过管路依次连接的第一工质泵、变速箱机油热交换器、排气管蒸发器、第一膨胀机、第一冷凝器和第一工质罐所组成的循环回路；所述第一膨胀机用于驱动所述第一发电机运转；

所述余热低温回路包括第二发电机、以及通过管路依次连接的第二工质泵、中冷器热交换器、发动机冷却水蒸发器、第二膨胀机、第二冷凝器和第二工质罐所组成的循环回路；所述第二膨胀机用于驱动所述第二发电机运转。

优选地，还包括：双腔式热交换器；所述双腔式热交换器的第一腔室通过管路分别与所述第一膨胀机和第一冷凝器连接；所述双腔式热交换器的第二腔室通过管路分别与所述中冷器热交换器和发动机冷却水蒸发器连接；流经所述第一腔室和第二腔室的工作介质能够进行热量交换。

优选地，在所述第一冷凝器处设置有冷凝器散热风扇。

优选地，所述第一工质罐和所述第二工质罐集于一体。

一种发动机余热双路阶梯式回收控制方法，包括：整车上电；

判断发动机是否处于运转状态，若是，则检测排气温度和发动机冷却水温度；

当所述排气温度大于预设的第一阈值时，触发第一工质泵运转；

当所述第一工质泵运转且所述发动机冷却水温大于预设的第二阈值时，触发第二工质泵运转。

优选地，还包括：在确定发动机处于运转状态后，判断所述第二工质泵的运转状态；当所述第二工质泵处于停止状态，且所述发动机冷却水温大于预设的第三阈值时，触发发动机冷却风扇运转；当所述第二工质泵处于运转状态，且所述发动机冷却水温大于预设的第四阈值时，触发所述发动机冷却风扇运转。

优选地，还包括：在所述第一工质泵运转后，判断空调是否处于采暖模式；若空调处于采暖模式，则触发冷凝器散热风扇运转。

一种发动机余热双路阶梯式回收控制系统，包括：

整车控制器，以及与所述整车控制器电信号连接的发动机控制器、第一工质泵、第二工质泵、排气温度传感器以及冷却水温度传感器；

在所述整车控制器通过所述发动机控制器确定发动机处于运转状态后，所述整车控制器通过所述排气温度传感器以及冷却水温度传感器，检测排气温度以及发动机冷却水温，并根据所述排气温度与预设的第一阈值的关系，触发所述第一工质泵运转；

所述整车控制器还用于在所述第一工质泵运转后，根据所述发动机冷却水温与预设的第二阈值的关系，触发所述第二工质泵运转。

优选地，还包括：与所述发动机控制器电信号连接的发动机冷却风扇；所述整车控制器还用于在确定发动机处于运转状态后，根据所述第二工质泵的运转状态以及所述发动机冷却水温与第三阈值或第四阈值的关系，通过所述发动机控制器触发所述发动机冷却风扇运转。

优选地，还包括：分别与所述整车控制器电信号连接的空调采暖开关和冷凝器散热风扇；所述整车控制器还用于在所述第一工质泵运转后，检测所述空调采暖开关的状态；在所述空调采暖开关闭合后，所述整车控制器触发所述冷凝器散热风扇运转。

本发明及其优选方案，通过搭建两路阶梯式回收再利用管路装置以及独立的两台依靠各自膨胀机控制的发电机，不仅使发动机余热根据不同的高低温管路进行独立回收，而且还按照各个散热部件的温度差别，提出了能够使余热温度产生阶梯式变化的部件排布顺序，从而发动机余热在回收过程中按层级渐进式递增，使热量的回收利用更为合理，进而有效地提高了燃油效率，并大大节约了燃料能源。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：

图1为本发明提供的发动机余热双路阶梯式回收装置的实施例的示意图；

图2为本发明提供的发动机余热双路阶梯式回收控制方法的实施例的流程图；

图3为本发明提供的发动机余热双路阶梯式回收控制系统的实施例的方框图。

M1第一工质泵 M2第二工质泵 G1第一发电机 G2第二发电机 E双腔式热交换器

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提供了一种发动机余热双路阶梯式回收装置，如图1所示，该装置主要由余热高温回路(图中粗实线)和余热低温回路(图中虚实线)组成，具体地，余热高温回路包括第一发电机G1、以及通过管路依次连接的第一工质泵M1、变速箱机油热交换器、排气管蒸发器、第一膨胀机、第一冷凝器和第一工质罐所组成的循环回路，需要指出的，第一膨胀机的作用是通过气态的工作介质驱动第一发电机G1运转发电；

前述余热低温回路则包括第二发电机G2、以及通过管路依次连接的第二工质泵M2、中冷器热交换器、发动机冷却水蒸发器、第二膨胀机、第二冷凝器和第二工质罐所组成的循环回路，需要指出的，第二膨胀机的作用是通过气态的工作介质驱动第二发电机G2运转发电。

需要说明的是，在实际操作中，第一工质罐和第二工质罐可以集于一体，也即是二者都采用同一个罐体，从而可以节省材料。

此外，从图1可见，本实施例中还设置了双腔式热交换器E，即在该双腔式热交换器E中设有第一腔室和第二腔室，并且，流经第一腔室和第二腔室的工作介质能够进行热量交换。具体来说，该双腔式热交换器E的第一腔室通过管路分别与前述第一膨胀机和第一冷凝器连接；其第二腔室通过管路分别与前述中冷器热交换器和发动机冷却水蒸发器连接；这样的设计可以更加充分地利用温度不同的工作介质进行热量交换，具体的工作方式将在下文中说明，对于上述实施例中提及的工作介质，可以考虑采用汽化点高的制冷剂，置于具体制冷剂或媒介的选取，可根据实际发动机的功率和工况进行变更，对此本发明不作限定。

针对上述发动机余热双路阶梯式回收装置，本发明提出了一种发动机余热双路阶梯式回收控制方法，如图2所示：

步骤S1、整车上电；

步骤S2、判断发动机是否处于运转状态，若是，则执行步骤S3、检测排气温度和发动机冷却水温度；若发动机处于非运转状态，则退出余热回收控制或者持续执行步骤S2。这里需补充说明的是此处所称排气温度是指发动机排气管或排气管内部气体的温度。

步骤S4、判断前述排气温度是否大于预设的第一阈值，若大于则执行步骤S5、触发第一工质泵运转；若排气温度未达到第一阈值，则持续执行步骤S4；这里的第一阈值为根据不同发动机标定的排气高温阈值，也即是当排气温度高于此值时，上文提及的余热高温回路开始工作，具体如下：

第一工质泵将工作介质加压后送入变速箱机油热交换器中吸收其热量，吸收完此处热能的工质进入处于高温的排气管蒸发器中，在此处由于吸收了较高的排气热量，工作介质转换为蒸汽状态；随后，工质蒸汽进入到第一膨胀机中并促使第一膨胀机对第一发电机输出做功，从而第一发电机开始对整车发送电能；接着，在第一膨胀机中做功的蒸汽转变为气液混合态，随后进入到双腔式热交换器的第一腔室，并经由该第一腔室进入第一冷凝器进行冷凝，最后变为饱和的工质液体回到第一工质罐中，再依上述进行循环。由此可见，该回路中的温度吸收和释放，按照部件的先后顺序，由温度相较低的变速箱机油热交换器再到温度相对较高的排气管蒸发器，逐级吸热，再由第一膨胀机经由第一腔室再到第一冷凝器，逐级放热，从而构成了针对发动机高温余热的合理且高效的阶梯式回收利用。

接续上文，在余热高温回路工作后，执行步骤S6、判断发动机冷却水温是否大于预设的第二阈值，若是则执行步骤S7、触发第二工质泵运转，若否则可以持续执行步骤S6；这里的第二阈值，是判定余热低温回路是否工作的条件之一，在实际操作中，对于发动机冷却水温而言，可以采用燃油经济性水温的下限值作为所述第二阈值，例如80℃，当然，燃油经济性水温是一个根据不同的机型和工况标定的温度范围，对此本发明不作限定。总而言之，当动机冷却水温高于此值时，上文提及的余热低温回路开始工作，具体如下：

第二工质泵将工作介质加压后送入中冷器热交换器吸收其热量，吸收完此处热能的工质进入双腔式热交换器的第二腔室，此时，工质继续吸收余热高温回路中的剩余热量，进行热交换的两路工质在双腔式热交换器中一个散热一个吸热，使得整个余热回收利用更加充分且合理；接着，从第二腔室出去的工质来到发动机冷却水蒸发器中，再一次吸收冷却水的较高热量，并转换为蒸汽状态进入到第二膨胀机中并促使第二膨胀机对第二发电机输出做功，从而第二发电机开始对整车发送电能；在第二膨胀机中做功的蒸汽进入第二冷凝器进行冷凝，最后变为饱和的工质液体回到第二工质罐中，再依上述进行循环。由此可见，该回路中的温度吸收和释放，同样按照了部件的先后顺序，形成阶梯式递增递减的余热低温回收利用循环。

在上述实施方法的基础上，本发明还进一步提出了对于前述回收装置的优选方案，该优选方案针对的是发动机冷却风扇的运行控制，因为在前述余热低温回路工作时，工质会消耗发动机冷却水的一部分热量，这就可能产生两个状况，余热低温回路如果不工作，发动机冷却水温如何散热，或者余热低温回路消耗的热量不足以使发动机冷却水温度降到合适的温度，那么如何对发动机冷却水散热；具体到本优选方案，在确定发动机处于运转状态后，还可以进一步判断第二工质泵是否运行；若第二工质泵处于停止状态，则判断发动机冷却水温是否大于预设的第三阈值，若是，则触发发动机冷却风扇运转，若否则可以持续检测发动机水温与第三阈值的关系；这里所述的第三阈值在实际操作中可以考虑选取前述燃油经济性水温的上限值，例如100℃。

接续上文，若第二工质泵处于运转状态，则判断发动机冷却水温是否大于预设的第四阈值，若是则触发发动机冷却风扇运转，若否则可以持续判断发动机冷却水温与第四阈值的关系；这里所述的第四阈值在实际操作中可以考虑选取发动机冷却水高温报警点，例如105℃。

通过上述优选方案，既可以保证合适的冷却水温及燃油经济性，同时又可以减少发动机冷却风扇的工作频率，从而减少发动机的能耗。

作为本发明的拓展应用，在本发明的另一个实施例中，还可以考虑利用上述装置和方法，对空调的采暖功能进行能源优化，具体地，可以在前述第一冷凝器处设置冷凝器散热风扇，并且在判断到第一工质泵运转后(也即是余热高温回路工作后)，进一步判断空调是否处于采暖模式；若空调处于采暖模式，则可以触发该冷凝器散热风扇运转，利用第一冷凝器处的较高热量形成吹向车内的热风，以替代或补充传统的PTC加热的采暖方式，从而可以更进一步地实现车辆冬季热量的综合利用，提高发动机的热效率，节省能耗。

针对上述控制方法及其优选方案，本发明一一对应地提供了一种发动机余热双路阶梯式回收控制系统的实施例，其中，基础系统如图3所示，包括了整车控制器(VCU)，以及与VCU电信号连接的发动机控制器(ECM)、第一工质泵M1、第二工质泵M2、排气温度传感器以及冷却水温度传感器，当然，排气温度传感器可以设置在排气管上，冷却水温度传感器可以设置在发动机冷却水箱，而VCU和ECM的连接可以采用总线方式；

在VCU通过ECM确定发动机处于运转状态后，VCU通过排气温度传感器以及冷却水温度传感器，检测排气温度以及发动机冷却水温，并根据排气温度与预设的第一阈值的关系，触发第一工质泵M1运转，建立余热高温回路的循环；具体方式已在上文中介绍，此处不再赘述。

VCU还用于在第一工质泵M1运转后，根据发动机冷却水温与预设的第二阈值的关系，触发第二工质泵运转M2，建立余热低温回路的循环；具体方式已在上文中介绍，此处不再赘述。

针对上述方法实施例中的优选方案，控制系统也相应地提出一种优选方案，即在本控制系统中还可以包括与ECM电信号连接的发动机冷却风扇；VCU在确定发动机处于运转状态后，根据第二工质泵M2的运转状态以及发动机冷却水温与第三阈值或第四阈值的关系，通过ECM触发发动机冷却风扇运转，具体工作方式已在上文中介绍，此处不再赘述。

同样地，作为对本控制系统的拓展，本发明还考虑与空调系统进行结合，具体而言，在本控制系统中还包括了分别与VCU电信号连接的空调采暖开关和冷凝器散热风扇，此处冷凝器散热风扇即为前文中提到的设置在第一冷凝器的散热风扇；VCU在第一工质泵M1运转后，检测该空调采暖开关的状态；若空调采暖开关闭合，即空调进入采暖模式，VCU则触发该冷凝器散热风扇运转。

综上所述，本发明通过前述装置、方法和系统的各实施例及优选方案，实现了车辆燃油余热的阶梯式回收利用，从而提高了燃油效率，达到节能减排的目的；合理高效的阶梯式方案保证了车辆正常行驶且不影响整车发动机运行的情况下的余热发电；而且进一步还改进了传统冷却风扇的控制方法，尽可能的实现了余热的最大化利用，以及减少发动机对冷却风扇的做功。

最后，还需说明的是，由于采用两路余热转电能的设计思路，从而也对传统车载发电机的控制方法提供了优化空间，例如各用电器可以基本上采用本发明所提供的双发电机获取电能，尽量不采用原有的车载发电机，而车载发电机可以考虑仅作为蓄电池的补充来使用，例如当亏电时为蓄电池充电等，从而能够大大减少发动机对传统车载发电机做功，进而可以节省更多的能耗。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，但以上所述仅为本发明的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本发明的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种发动机余热双路阶梯式回收装置，其特征在于，包括：

余热高温回路和余热低温回路；

所述余热高温回路包括第一发电机、以及通过管路依次连接的第一工质泵、变速箱机油热交换器、排气管蒸发器、第一膨胀机、第一冷凝器和第一工质罐所组成的循环回路；所述第一膨胀机用于驱动所述第一发电机运转；

所述余热低温回路包括第二发电机、以及通过管路依次连接的第二工质泵、中冷器热交换器、发动机冷却水蒸发器、第二膨胀机、第二冷凝器和第二工质罐所组成的循环回路；所述第二膨胀机用于驱动所述第二发电机运转。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

双腔式热交换器；

所述双腔式热交换器的第一腔室通过管路分别与所述第一膨胀机和第一冷凝器连接；

所述双腔式热交换器的第二腔室通过管路分别与所述中冷器热交换器和发动机冷却水蒸发器连接；

流经所述第一腔室和第二腔室的工作介质能够进行热量交换。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述第一冷凝器处设置有冷凝器散热风扇。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一工质罐和所述第二工质罐集于一体。

5.一种发动机余热双路阶梯式回收控制方法，其特征在于，包括：

整车上电；

判断发动机是否处于运转状态，若是，则检测排气温度和发动机冷却水温度；

当所述排气温度大于预设的第一阈值时，触发第一工质泵运转；

当所述第一工质泵运转且所述发动机冷却水温大于预设的第二阈值时，触发第二工质泵运转。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：

在确定发动机处于运转状态后，判断所述第二工质泵的运转状态；

当所述第二工质泵处于停止状态，且所述发动机冷却水温大于预设的第三阈值时，触发发动机冷却风扇运转；

当所述第二工质泵处于运转状态，且所述发动机冷却水温大于预设的第四阈值时，触发所述发动机冷却风扇运转。

7.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，还包括：

在所述第一工质泵运转后，判断空调是否处于采暖模式；

若空调处于采暖模式，则触发冷凝器散热风扇运转。

8.一种发动机余热双路阶梯式回收控制系统，其特征在于，包括：

整车控制器，以及与所述整车控制器电信号连接的发动机控制器、第一工质泵、第二工质泵、排气温度传感器以及冷却水温度传感器；

在所述整车控制器通过所述发动机控制器确定发动机处于运转状态后，所述整车控制器通过所述排气温度传感器以及冷却水温度传感器，检测排气温度以及发动机冷却水温，并根据所述排气温度与预设的第一阈值的关系，触发所述第一工质泵运转；

所述整车控制器还用于在所述第一工质泵运转后，根据所述发动机冷却水温与预设的第二阈值的关系，触发所述第二工质泵运转。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，还包括：

与所述发动机控制器电信号连接的发动机冷却风扇；

所述整车控制器还用于在确定发动机处于运转状态后，根据所述第二工质泵的运转状态以及所述发动机冷却水温与第三阈值或第四阈值的关系，通过所述发动机控制器触发所述发动机冷却风扇运转。

10.根据权利要求8或9所述的控制系统，其特征在于，还包括：

分别与所述整车控制器电信号连接的空调采暖开关和冷凝器散热风扇；

所述整车控制器还用于在所述第一工质泵运转后，检测所述空调采暖开关的状态；

在所述空调采暖开关闭合后，所述整车控制器触发所述冷凝器散热风扇运转。