CN109139328A - 发动机热能管理系统及其管理方法 - Google Patents

发动机热能管理系统及其管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机热能管理系统及其管理方法,热能管理系统包括设置于发动机排气管外的排气管水套、受控于控制单元的燃油供油管路和冷却水循环管路；燃油供油管路包括主油箱、从油箱、油路电液换向阀和供油泵，主油箱设置有水加热器和油温传感器；冷却水循环管路包括节温器、三个水路电液换向阀、循环水泵、水温传感器和热交换器；管理方法包括水路控制和油路控制；本发明充分利用排气管排气加热冷却水，利用冷却水加热燃油，通过控制单元协调节温器、各个电液换向阀及泵工作，使水温、燃油温度尽快上升到最佳工作范围；同时，降低了发动机散发热量，提高了热能转换效率；通过主油箱、从油箱中高低标号燃油的切换，有效降低了燃油成本。

Description

发动机热能管理系统及其管理方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种发动机热能管理系统及其管理方法。
背景技术
在寒冷条件下，发动机运行需要尽快将水温和燃油温度提高到最佳温度范围内，以使发动机快速达到最佳工作状态。同时，为避免燃油凝固、结蜡，导致发动机无法启动和正常运行，用户通常需要选择价格较高的低凝点(即高标号)柴油作为发动机的燃料，由于高标号柴油的价格高于低标号柴油的价格，因而大大增加了用户的运营成本。
另外，现有发动机运行过程中产生的高温排气，有的通过排气管直接排放，发动机不能得到良好散热、冷却；同时，高温排气的热量不能充分利用，造成热能浪费。有的虽然采用排气余热对燃油进行加热，但是直接利用排气加热，势必会提高排气背压，造成排气不畅和进气困难，影响发动机的正常运行；而且，由于排气温度高，利用排气加热，易发生危险，存在安全隐患；现有发动机因未考虑水温、油温的提升速度，容易造成水温和油温提升缓慢，或者两者均无法提高到最佳温度的情况发生，影响发动机正常运行。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种发动机热能管理系统，能快速提高水温和燃油温度，使发动机尽快达到最佳工作状态，并且降低燃油成本。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：发动机热能管理系统，所述发动机热能管理系统包括：
燃油供油管路，所述燃油供油管路包括主油箱、从油箱、油路电液换向阀和供油泵，所述主油箱设置有水加热器和油温传感器，所述油路电液换向阀的进油口一与所述主油箱连接，所述油路电液换向阀的进油口二与所述从油箱连接，所述油路电液换向阀的出油口与所述供油泵的进油口连接；
排气管水套，所述排气管水套设置有水套进水口和水套出水口，所述发动机的排气管穿过所述排气管水套并且与所述排气管水套固定；
冷却水循环管路，所述冷却水循环管路包括节温器、电液换向阀一、电液换向阀二、电液换向阀三、循环水泵、水温传感器和热交换器；所述节温器的进水口与所述发动机的出水口连接，所述节温器的出水口一与所述电液换向阀一的进水口连接，所述电液换向阀一的出水口一与所述循环水泵的进水口连接；所述电液换向阀一的出水口二与所述水套进水口连接，所述节温器的出水口二、所述水套出水口皆与所述电液换向阀二的进水口连接，所述电液换向阀二的出水口一与所述主油箱内的所述水加热器的进水口连接，所述电液换向阀二的出水口二、所述水加热器的出水口皆与所述电液换向阀三的进水口连接，所述电液换向阀三的出水口一与所述热交换器的进水口连接，所述电液换向阀三的出水口二、所述热交换器的出水口皆与所述循环水泵的进水口连接，所述循环水泵的出水口与所述发动机的进水口连接；
所述水温传感器、所述油温传感器、所述节温器、所述电液换向阀一、所述电液换向阀二、所述电液换向阀三、所述油路电液换向阀、所述供油泵、所述循环水泵分别受控于控制单元。
其中，所述热交换器为海淡水热交换器，所述海淡水热交换器的进海水管或者出海水管连接有海水泵，所述海水泵受控于所述控制单元；所述循环水泵为淡水泵。
其中，所述节温器为电子节温器。
其中，所述控制单元为发动机ECU；或者，所述控制单元为独立于所述发动机ECU的一个控制器。
基于一个总的发明构思，本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种发动机热能管理系统的管理方法，快速提高水温和燃油温度，使发动机尽快达到最佳工作状态，并且降低燃油成本。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：发动机热能管理系统的管理方法如下：
设定发动机正常工作的冷却水温度范围为t1<T1<t2，燃油温度范围为t3<T2<t4；
水温传感器将检测的发动机冷却水温度T1上传控制单元，油温传感器将检测的主油箱内低标号燃油的燃油温度T2上传控制单元，控制单元进行比较，根据比较结果进行控制，包括水路控制和油路控制，所述水路控制如下：
状态A：若T1<t1&T2<t3，节温器的出水口一打开，出水口二关闭，冷却水流经节温器的出水口一、电液换向阀一、排气管水套、电液换向阀二、主油箱内的水加热器、电液换向阀三、循环水泵、进入发动机；
状态B：若t1<T1&T2<t3，节温器的出水口一打开，出水口二部分打开，节温器的一部分出水直接流经电液换向阀二、主油箱内的水加热器、电液换向阀三、循环水泵、进入发动机；节温器的另一部分出水经出水口一、电液换向阀一、排气管水套后汇入电液换向阀二的进水口；
状态C：若t1<T1&T2〉t3，节温器的出水口一打开，出水口二部分打开，节温器的一部分出水直接流经电液换向阀二、电液换向阀三、热交换器、循环水泵、进入发动机；节温器的另一部分出水经出水口一、电液换向阀一后汇入循环水泵的进水口；
状态D：若T1〉t2&T2〉t4，节温器的出水口一关闭，出水口二全开，节温器的全部出水流经电液换向阀二、电液换向阀三、热交换器、循环水泵、进入发动机。
其中，所述油路控制如下：
发动机启动阶段，控制单元控制油路电液换向阀将充有低标号燃油的主油箱油路关闭，将充有高标号燃油的从油箱油路打开；
发动机运行阶段，当测得主油箱的燃油温度范围为t3&lt;T2&lt;t4，控制单元控制油路电液换向阀将主油箱油路打开，将从油箱油路关闭。
其中，所述热交换器为海淡水热交换器，所述海淡水热交换器的进海水管或者出海水管连接有海水泵，所述海水泵受控于所述控制单元；所述循环水泵为淡水泵。
其中，所述节温器为电子节温器。
其中，所述控制单元为发动机ECU；或者，所述控制单元为独立于所述发动机ECU的一个控制器。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果如下：
本发明的发动机热能管理系统及其管理方法，通过设置排气管水套，充分利用排气管的排气加热冷却水，利用冷却水加热燃油，使冷却水及燃油温度尽快提升，高温排气的热量得以充分利用，避免了排气热能浪费；通过温度传感器将检测的实时燃油温度、冷却水温度信号上传控制单元，控制单元与目标温度进行比较，根据比较结果，协调节温器、各个电液换向阀及泵等执行部件工作，使水温、燃油温度尽快上升到最佳工作范围，使发动机尽快达到最佳工作状态；同时，降低了发动机散发热量，提高了热能转换的效率；并且通过主油箱、从油箱中高低标号燃油的切换，有效降低了燃油成本。
附图说明
图1是本发明实施例的发动机热能管理系统原理图；
图2是图1中的排气管水套与排气管结构剖视示意图；
图3是本发明实施例的发动机热能管理系统的管理方法简图；
图中：1-发动机；11-排气管；2-排气管水套；21-水套进水口；22-水套出水口；23-水腔；31-节温器；32-水加热器；33-循环水泵；34-热交换器；35-海水泵；41-主油箱；42-从油箱；43-供油泵；5-控制器；CV1-电液换向阀一；CV2-电液换向阀二；CV3-电液换向阀三；CV4-油路电液换向阀；T1-水温传感器；T2-油温传感器；
图中：粗实线表示排气管路，中实线表示燃油管路，细实线表示冷却水循环管路，虚线表示海水管路，双点画线表示输入控制器信号线，单点画线表示控制器输出信号线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的非限制性说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“一”、“二”、“三”等数词仅为了便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“连接”、“相连”应作广义理解，例如，可以是机械连接或者电连接或者液压连接，可以是元件之间的直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明的发动机热能管理系统包括：设置于发动机1的排气管11外的排气管水套2、皆受控于控制单元的燃油供油管路和冷却水循环管路。其中，控制单元可以是独立于发动机ECU的一个控制器5；或者，控制单元还可以是发动机1的发动机ECU。
如图2所示，其中，排气管水套2设置有水套进水口21和水套出水口22，发动机1的排气管11穿过排气管水套2的水腔23并且与排气管水套2固定，并且保证水、油皆不泄露。
如图1所示，其中，燃油供油管路包括用于储存低标号燃油的主油箱41、用于储存高标号燃油的从油箱42、油路电液换向阀CV4和供油泵43，主油箱41设置有水加热器32和油温传感器T2。其中，油路电液换向阀CV4的进油口一与主油箱41连接，油路电液换向阀CV4的进油口二与从油箱42连接，油路电液换向阀CV4的出油口与供油泵43的进油口连接；供油泵43的出油口与发动机1的燃油滤清器连接。
如图1所示，其中，冷却水循环管路包括节温器31、电液换向阀一CV1、电液换向阀二CV2、电液换向阀三CV3、循环水泵33、水温传感器T1和热交换器34。水温传感器T1设置于发动机1的出水口。其中，节温器31优选采用电子节温器。节温器31的进水口与发动机1的出水口连接，节温器31的出水口一与电液换向阀一CV1的进水口连接，电液换向阀一CV1的出水口一与循环水泵33的进水口连接；电液换向阀一CV1的出水口二与水套进水口21连接，节温器31的出水口二、水套出水口22皆与电液换向阀二CV2的进水口连接，电液换向阀二CV2的出水口一与主油箱41内的水加热器32的进水口连接，电液换向阀二CV2的出水口二、水加热器32的出水口皆与电液换向阀三CV3的进水口连接，电液换向阀三CV3的出水口一与热交换器34的进水口连接，电液换向阀三CV3的出水口二、热交换器34的出水口皆与循环水泵33的进水口连接，循环水泵33的出水口与发动机1的进水口连接。
当发动机1具体为海洋或内河的船用柴油机时，其中的热交换器34为海淡水热交换器，海淡水热交换器的进海水管或者出海水管连接有海水泵35；此时，循环水泵33为淡水泵。
上述水温传感器T1、油温传感器T2、节温器31、电液换向阀一CV1、电液换向阀二CV2、电液换向阀三CV3、油路电液换向阀CV4、供油泵43、循环水泵33、海水泵35分别受控于控制单元。
显然，本发明的发动机热能管理系统不局限于船用柴油机，也可以应用于陆用发动机，其中的热交换器34采用现有技术的风冷式热交换器。
如图1、图3和下表所示，本发明发动机热能管理系统的管理方法如下：
水温 燃油温度 节温器 电液换向阀CV1 电液换向阀CV2 电液换向阀CV3 电液换向阀CV4
T1&lt;t1 T2&lt;t3 关闭 通排气管水套 通主油箱 通循环水泵 通从油箱
T1〉t2 T2〉t4 全开 水不经过CV1 通CV3 通海淡水热交换器 通主油箱
t1&lt;T1 T2&lt;t3 部分开 通排气管水套 通主油箱 通海淡水热交换器 通从油箱
t1&lt;T1 T2〉t3 部分开 通循环水泵 通CV3 通海淡水热交换器 通主油箱
设定发动机正常工作的水温温度范围为t1&lt;T1&lt;t2，燃油温度范围为t3&lt;T2&lt;t4；通常，t1在70℃左右，t2低于100℃，t3在20℃左右，t4在40℃左右较为适宜。
水温传感器将检测的发动机冷却水温度T1上传控制单元，油温传感器将检测的主油箱内低标号燃油的燃油温度T2上传控制单元，控制单元进行比较，根据比较结果对油路、水路中的各执行部件进行控制，包括水路控制和油路控制。
其中，水路控制如下：
状态A：若T1<t1&T2<t3，表明启动阶段水温、油温都比较低，水、燃油都需要尽快加热，节温器31的出水口一打开，出水口二关闭，冷却水流经节温器31的出水口一、电液换向阀一CV1、排气管水套2、电液换向阀二CV2、主油箱41内的水加热器32、电液换向阀三CV3、循环水泵33、进入发动机1；
状态B：若t1<T1&T2<t3，表明升温阶段水温已经正常，但是油温较低，燃油需要加热，节温器31的出水口一打开，出水口二部分打开，节温器31的一部分出水不经排气管水套2加热而是直接流经电液换向阀二CV2、主油箱41内的水加热器32(加热主油箱41内的燃油)、电液换向阀三CV3、循环水泵33、进入发动机1；节温器31的另一部分出水经出水口一、电液换向阀一CV1、排气管水套2加热后汇入电液换向阀二CV2的进水口；
状态C：若t1<T1&T2〉t3，表明水温、油温皆升至正常温度范围内，达到平衡状态，即目标运行状态，节温器31的出水口一打开，出水口二部分打开，节温器31的一部分出水直接流经电液换向阀二CV2、电液换向阀三CV3、海淡水热交换器、循环水泵33、进入发动机1；节温器31的另一部分出水经出水口一、电液换向阀一CV1后汇入循环水泵33的进水口，进行小循环；
状态D：若T1〉t2&T2〉t4，表明水温、油温都过高，危险状态，水、油都需要降温，节温器31的出水口一关闭，出水口二全开，节温器31的全部出水流经电液换向阀二CV2、电液换向阀三CV3、海淡水热交换器、循环水泵33、进入发动机1，进行大循环。
其中，油路控制如下：
发动机1启动阶段，控制单元控制油路电液换向阀CV4将充有低标号燃油的主油箱41的油路关闭，将充有高标号燃油的从油箱42的油路打开，利用高标号燃油启动；主油箱41内的低标号燃油处于被循环冷却水加热中；
发动机1运行阶段，当测得主油箱41的燃油温度为t3&lt;T2&lt;t4，控制单元控制油路电液换向阀CV4将连接主油箱41的油路打开，由主油箱41供油；将连接从油箱42的油路关闭。
其中，关于柴油的标号，中国市场上目前有以下7个标号：10#，5#，0#，-10#，-20#，-35#，-50#。适合使用的气温条件一般按以下规律：10#、5#(8℃以上)，0#(8℃-4℃)，-10#(-5℃-4℃)，-20#(-14℃—-5℃)，-35#(-29℃—-14℃，-50#(-40℃--29℃)。本领域中，一般将低于0#的柴油认为是高标号价格比较贵的柴油，例如-10#、-20#；低标号为高于0#的柴油，例如5#、10#。
本发明的发动机热能管理系统的管理方法，在发动机下次启动运行时，重复图3所示控制过程。
本发明的发动机热能管理系统及其管理方法，通过温度传感器上传油温与水温信号，控制单元进行比较，并且根据比较结果协调节温器、各个电液换向阀及泵等执行部件工作，充分利用排气管的排气加热冷却水，利用冷却水加热燃油，使水温、燃油温度尽快上升到理想范围内，保证了发动机能尽快运行在平衡状态。本发明的发动机热能管理系统及其管理方法，使高温排气的热量得以充分利用，避免了排气热能浪费，同时，降低了发动机散发热量，提高了热能转换效率；并且通过主油箱、从油箱中高低标号燃油的切换，有效降低了燃油成本。

Claims (9)

1.发动机热能管理系统，其特征在于，所述发动机热能管理系统包括：
燃油供油管路，所述燃油供油管路包括主油箱、从油箱、油路电液换向阀和供油泵，所述主油箱设置有水加热器和油温传感器，所述油路电液换向阀的进油口一与所述主油箱连接，所述油路电液换向阀的进油口二与所述从油箱连接，所述油路电液换向阀的出油口与所述供油泵的进油口连接；
排气管水套，所述排气管水套设置有水套进水口和水套出水口，所述发动机的排气管穿过所述排气管水套并且与所述排气管水套固定；
冷却水循环管路，所述冷却水循环管路包括节温器、电液换向阀一、电液换向阀二、电液换向阀三、循环水泵、水温传感器和热交换器；所述节温器的进水口与所述发动机的出水口连接，所述节温器的出水口一与所述电液换向阀一的进水口连接，所述电液换向阀一的出水口一与所述循环水泵的进水口连接；所述电液换向阀一的出水口二与所述水套进水口连接，所述节温器的出水口二、所述水套出水口皆与所述电液换向阀二的进水口连接，所述电液换向阀二的出水口一与所述主油箱内的所述水加热器的进水口连接，所述电液换向阀二的出水口二、所述水加热器的出水口皆与所述电液换向阀三的进水口连接，所述电液换向阀三的出水口一与所述热交换器的进水口连接，所述电液换向阀三的出水口二、所述热交换器的出水口皆与所述循环水泵的进水口连接，所述循环水泵的出水口与所述发动机的进水口连接；
所述水温传感器、所述油温传感器、所述节温器、所述电液换向阀一、所述电液换向阀二、所述电液换向阀三、所述油路电液换向阀、所述供油泵、所述循环水泵分别受控于控制单元。
2.如权利要求1所述的发动机热能管理系统，其特征在于，所述热交换器为海淡水热交换器，所述海淡水热交换器的进海水管或者出海水管连接有海水泵，所述海水泵受控于所述控制单元；所述循环水泵为淡水泵。
3.如权利要求1所述的发动机热能管理系统，其特征在于，所述节温器为电子节温器。
4.如权利要求1所述的发动机热能管理系统，其特征在于，所述控制单元为发动机ECU；或者，所述控制单元为独立于所述发动机ECU的一个控制器。
5.如权利要求1所述的发动机热能管理系统的管理方法，其特征在于，所述发动机热能管理系统的管理方法如下：
设定发动机正常工作的冷却水温度范围为t1&lt;T1&lt;t2，燃油温度范围为t3&lt;T2&lt;t4；
水温传感器将检测的发动机冷却水温度T1上传控制单元，油温传感器将检测的主油箱内低标号燃油的燃油温度T2上传控制单元，控制单元进行比较，根据比较结果进行控制，包括水路控制和油路控制，所述水路控制如下：
状态A：若T1<t1&T2<t3，节温器的出水口一打开，出水口二关闭，冷却水流经节温器的出水口一、电液换向阀一、排气管水套、电液换向阀二、主油箱内的水加热器、电液换向阀三、循环水泵、进入发动机；
状态B：若t1<T1&T2<t3，节温器的出水口一打开，出水口二部分打开，节温器的一部分出水直接流经电液换向阀二、主油箱内的水加热器、电液换向阀三、循环水泵、进入发动机；节温器的另一部分出水经出水口一、电液换向阀一、排气管水套后汇入电液换向阀二的进水口；
状态C：若t1<T1&T2〉t3，节温器的出水口一打开，出水口二部分打开，节温器的一部分出水直接流经电液换向阀二、电液换向阀三、热交换器、循环水泵、进入发动机；节温器的另一部分出水经出水口一、电液换向阀一后汇入循环水泵的进水口；
状态D：若T1〉t2&T2〉t4，节温器的出水口一关闭，出水口二全开，节温器的全部出水流经电液换向阀二、电液换向阀三、热交换器、循环水泵、进入发动机。
6.如权利要求5所述的发动机热能管理系统的管理方法，其特征在于，所述油路控制如下：
发动机启动阶段，控制单元控制油路电液换向阀将充有低标号燃油的主油箱油路关闭，将充有高标号燃油的从油箱油路打开；
发动机运行阶段，当测得主油箱的燃油温度范围为t3&lt;T2&lt;t4，控制单元控制油路电液换向阀将主油箱油路打开，将从油箱油路关闭。
7.如权利要求5所述的发动机热能管理系统的管理方法，其特征在于，所述热交换器为海淡水热交换器，所述海淡水热交换器的进海水管或者出海水管连接有海水泵，所述海水泵受控于所述控制单元；所述循环水泵为淡水泵。
8.如权利要求5所述的发动机热能管理系统的管理方法，其特征在于，所述节温器为电子节温器。
9.如权利要求5所述的发动机热能管理系统的管理方法，其特征在于，所述控制单元为发动机ECU；或者，所述控制单元为独立于所述发动机ECU的一个控制器。
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