CN114483270A - 一种发动机排气热量再利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机排气热量再利用装置，发动机接入一发动机冷却循环系统，包括第一出气管、第二出气管和排气热交换器，第一出气管与排气热交换器串联成组合结构，所述组合结构与第二出气管并联，所述组合结构与第二出气管并联后的公共输入端通过前段管路与发动机废气输出装置连接，且所述公共输入端设有控制阀，所述组合结构与第二出气管并联后的公共输出端通过后段管路与排气尾管连接，排气热交换器与所述发动机冷却循环系统连接。本发明合理进行废物利用，提高发动机冷启动速度，并可根据发动机具体工况对废气流向进行综合管理，不会对发动机冷却系统带来额外的负担。

Description

一种发动机排气热量再利用装置

技术领域

本发明涉及一种机动车发动机排气装置，更具体地说，它涉及一种发动机排气热量再利用装置。

背景技术

机动车的发动机通过燃料燃烧做功，化学能转化为热能，热能再转化为机械能，在其能量转化过程中会产生能量损失，其中转变为有效的热能占燃料燃烧发热量的35%～45%，其它以废气形式排出车外的热能占40%～45%，因此，发动机燃料能量总体利用率不高，有三分之一的能量是以排气系统废热浪费掉的。另外现有发动机启动时多采用冷启动方式，发动机冷启动是指通过冷却系统的小循环进行暖机，使冷却液及润滑油达到正常工作温度。而小循环过程完全依靠发动机自身燃烧发热进行暖机，暖机过程较长，此过程中催化器不能快速达到其起燃温度，对排气污染物的转化效率较低，产生的排气污染物较高。另外当机油温度较低时，机油粘度变大、流动性差，摩擦损失增大，从而使发动机的机械损耗及油耗进一步增加。如果将废气热量充分利用，用来发动机启动时暖机将可大大提高暖机速度。公开号为CN206668372U的实用新型专利公开了一种发动机废气再利用装置，包括进气口、发动机、出气口、三通阀、发电箱、叶轮发电机、蓄电池、换热器、制冷机和中央空调；发动机废气的热能和动能够使发电箱内部的叶轮发电机旋转，利用切割磁感线产生电流的原理，为蓄电池充电，制冷机和换热器也能够利用废气中的热能使中央空调达到制冷和制热的效果，蓄电池能够给中央空调提供电力，本实用新型与现有技术相比充分了利用废气中的能量，实现了废气的再利用，节约了能源，同时有效防止废气大量进入空气污染环境，达到了节能减排，低碳环保的作用。但是该实用新型中废气热能用于空调制热，因此不能解决发动机暖机的技术问题。

发明内容

现有的发动机排气热量再利用装置不能用于解决发动机暖机的技术问题，为克服这一缺陷，本发明提供了一种可将发动机废气热量充分利用，用以发动机启动暖机，大大提高暖机速度的发动机排气热量再利用装置。

本发明的技术方案是：一种发动机排气热量再利用装置，发动机接入一发动机冷却循环系统，包括第一出气管、第二出气管和排气热交换器，第一出气管与排气热交换器串联成组合结构，所述组合结构与第二出气管并联，所述组合结构与第二出气管并联后的公共输入端通过前段管路与发动机废气输出装置连接，且所述公共输入端设有控制阀，所述组合结构与第二出气管并联后的公共输出端通过后段管路与排气尾管连接，排气热交换器与所述发动机冷却循环系统连接。控制阀在车载控制器的控制下开启或关闭。发动机的燃烧废气通经前段管路到达控制阀时，车载控制器根据发动机工况向控制阀发出相应工作指令，将废气导向第一出气管或第二出气管。当发动机冷启动，冷却液温度较低时，控制阀将第一出气管导通，第二出气管关闭，废气热气流经第一出气管进入排气热交换器进行热交换，将废气携带的热量传导到发动机冷却循环系统中，使发动机快速达到暖机状态。完成热交换的热气流继续经后段管路、排气尾管排出车外。当发动机暖机过后，发动机冷却循环系统介质温度及机油温度达到正常工作状态后，控制阀将第二出气管导通，第一出气管关闭，废气热气流通过第二出气管，再经后段管路、排气尾管排出车外。在此过程中发动机冷却循环系统介质一直通过排气热交换器进行介质循环，但废气热气流不再通过排气热交换器与发动机冷却循环系统进行热交换，故不会对发动机冷却循环系统带来额外的负担。本发明将发动机排气系统的废热能回收并加以利用，并使发动机冷启动快速达到暖机状态，既可以提升车辆燃油的有效利用率，又可以满足日益严苛的排放法规和油耗限值要求。而且本发明可根据发动机具体工况对废气流向进行综合管理，合理利用，可以做到不持续给发动机冷却水加热，不会对发动机冷却系统带来额外的负担。

作为优选，排气热交换器包括热交换器筒体、热交换器夹套和热交换内核件，热交换器夹套套接在热交换器筒体外，热交换内核件内置于热交换器筒体内，热交换器夹套上连有冷却液进液管和冷却液出液管，冷却液进液管、冷却液出液管与所述发动机冷却循环系统连接。排气热交换器通过冷却液进液管、冷却液出液管接入发动机冷却循环系统，发动机冷却循环系统中的介质在热交换器夹套流动，废气热气流进入排气热交换器时，通过热交换内核件使热交换器筒体升温，进而与热交换器夹套内的介质进行热交换，将介质加热，随着介质的循环流动，被加热的介质对发动机进行暖机。

作为优选，热交换内核件为蜂窝状金属载体。蜂窝状金属载体具有比表面积大、导热性能好，加热快速等优点，可以快速且均匀地对热交换器夹套中的冷却介质加热。

作为优选，热交换器筒体的进气端设有热交换器进气锥，热交换器筒体的进气端设有热交换器出气锥。热交换器筒体两端制成锥状，便于接入管道。

作为优选，排气热交换器下游还设有一辅助加热触发机构，辅助加热触发机构包括壳体、活塞和触发开关，壳体前端通过管道与排气热交换器输出端连通，触发开关设于壳体后端，活塞滑动连接在壳体内并与壳体内壁密封贴合，活塞与壳体后端间设有一弹簧，壳体周面上开有一排气孔，活塞后端设有一可使触发开关触发的触发杆，所述发动机冷却循环系统的冷却水管道上绕有受控于触发开关的加热线圈。废气热气流从第一出气管进入，再经排气热交换器后，废气热气流进入壳体，推动活塞后移，通过触发杆使触发开关触发，进而所述加热线圈工作，对发动机冷却循环系统的冷却水进行辅助加热，加速暖机。

作为优选，所述前段管路包括催化器进气管、催化器和催化器出气管，催化器进气管与所述发动机废气输出装置连接，催化器输入端与催化器进气管连接，催化器输出端与催化器出气管连接，催化器出气管与所述公共输入端连接。发动机的燃烧废气经催化器进气管进入催化器，在催化器内进行废气污染物的净化，再经催化器出气管进入下游的控制阀、排气热交换器等部件，减轻对这些部件的腐蚀、损伤。

作为优选，所述后段管路包括依次排列的前消声器进气管、前消声器、后消声器进气管、后消声器和排气尾管，前消声器进气管与所述公共输出端连接。从所述公共输出端流出的废气热气流经前消声器进气管到达前消声器后，被前消声器消除发动机废气高频噪声，然后经后消声器进气管到达后消声器，消除发动机废气的低、中频噪声，从而充分消除排气噪音。

作为优选，所述发动机废气输出装置为发动机排气歧管。对于普通车型，废气可直接取自发动机排气歧管。

作为另选，所述发动机废气输出装置为涡轮增压器。对于带有涡轮增压器的车型，废气可先被涡轮增压器利用后再进行二道利用。

本发明的有益效果是：

合理进行废物利用，提高发动机冷启动速度。本发明将发动机排出的废气热能回收并加以利用，并使发动机冷启动快速达到暖机状态，既可以提升车辆燃油的有效利用率，又可以满足日益严苛的排放法规和油耗限值要求。

便于综合进行热管理。本发明可根据发动机具体工况对废气流向进行综合管理，发动机暖机后可以做到不持续给发动机冷却水加热，不会对发动机冷却系统带来额外的负担。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为本发明的另一种结构示意图；

图3为本发明中排气热交换器的结构示意图；

图4为本发明中辅助加热触发机构的一种结构示意图；。

图中，1-催化器进气管，2-催化器，3-催化器出气管，4-控制阀，5-第一出气管，6-第二出气管，7-排气热交换器，8-前消声器进气管，9-前消声器，10-后消声器进气管，11-后消声器，12-排气尾管，13-热交换器进气锥，14-热交换器筒体，15-冷却液进液管，16-热交换器夹套，17-冷却液出液管，18-热交换内核件，19-热交换器出气锥，20-第一出气管后延管，21-辅助加热触发机构，22-壳体，23-活塞，24-触发开关，25-排气孔，26-触发杆，27-弹簧。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、图3所示，一种发动机排气热量再利用装置，发动机接入一发动机冷却循环系统，发动机冷却循环系统内以及发动机壳体旁均设有温度传感器，分别用于检测发动机冷却循环系统内冷却介质的温度，以及发动机整体温度，冷却介质为水。本发动机排气热量再利用装置包括催化器进气管1、催化器2、催化器出气管3、控制阀4、第一出气管5、第二出气管6、排气热交换器7、前消声器进气管8、前消声器9、后消声器进气管10和后消声器11，催化器进气管1、催化器2和催化器出气管3依次排列构成前段管路，催化器进气管1与发动机废气输出装置连接，催化器2输入端与催化器进气管1连接，催化器2输出端与催化器出气管3连接。前消声器进气管8、前消声器9、后消声器进气管10和后消声器11依次连接构成后段管路，后消声器11与排气尾管12连接。第一出气管5与排气热交换器7串联成组合结构，该组合结构与第二出气管6并联，所述组合结构与第二出气管6并联后的公共输入端与催化器出气管3连接，使得通过所述前段管路与发动机废气输出装置连接，该发动机废气输出装置为发动机排气歧管。控制阀4设于所述公共输入端，该控制阀4为一电子三通阀并与一ECU电连接。所述组合结构与第二出气管6并联后的公共输出端与前消声器进气管8连接，使得公共输出端通过所述后段管路与排气尾管12连接。排气热交换器7包括热交换器筒体14、热交换器夹套16和热交换内核件18，热交换器夹套16套接在热交换器筒体14外，热交换内核件18内置于热交换器筒体14内，热交换器夹套16上连有冷却液进液管15和冷却液出液管17，排气热交换器7通过冷却液进液管15、冷却液出液管17与所述发动机冷却循环系统连接。热交换内核件18为蜂窝状金属载体。热交换器筒体14的进气端设有热交换器进气锥13，热交换器筒体14的进气端设有热交换器出气锥19。

本发动机排气热量再利用装置的工作方法包括以下工作步骤：

步骤一.发动机冷启动，发动机冷却循环系统内冷却水的温度较低，即低于ECU内程序设定的40℃触发温度时，ECU向控制阀4发送工作指令，控制阀4将所述前段管路与第一出气管5导通，前段管路与第二出气管6则断路，废气热气流进入排气热交换器7，通过热交换内核件18与热交换器夹套16内的冷却水进行快速均匀的热交换，使热交换器夹套16中的冷却水迅速升温，加热后的冷却水通过冷却液出液管17回到发动机冷却循环系统中，使发动机快速达到暖机状态；

步骤二.完成热交换的废气热气流继续流经前消声器9消除发动机排气高频噪声，再流经后消声器11消除发动机排气低、中频噪声，最后通过排气尾管12排出车外；

步骤三.所述温度传感器检测到发动机冷却循环系统内冷却水的冷却水温度超过40℃，及发动机外壳温度超过35℃时，ECU判定发动机暖机完成；

步骤四.ECU向控制阀4发送工作指令，控制阀4将所述前段管路与第二出气管6导通，前段管路与第一出气管5则断路，废气热气流直接通过第二出气管6进入所述后段管路，流经前消声器9消除发动机排气高频噪声，再流经后消声器11消除发动机排气低、中频噪声，最后通过排气尾管12排出车外；与此同时发动机冷却循环系统正常执行发动机热管理功能，控制发动机温度，防止发动机过热。

实施例2：

如图2、图4所示，排气热交换器7下游还设有一辅助加热触发机构21，辅助加热触发机构21包括壳体22、活塞23和触发开关24，壳体22前端通过管道与排气热交换器7输出端连通，触发开关24设于壳体22后端并与所述ECU电连接，活塞23滑动连接在壳体22内并与壳体22内壁密封贴合，活塞23与壳体22后端间设有一弹簧27，壳体22周面上开有一排气孔25，排气孔25上连有第一出气管后延管20，第一出气管后延管20与第二出气管6交汇于所述公共输出端，排气孔25直径小于活塞23厚度，活塞23后端设有一触发杆26。发动机冷却循环系统的一段冷却水管道上绕有加热线圈，该加热线圈与ECU电连接。常态下弹簧27将活塞23向壳体22前端方向顶压，封堵住排气孔25，活塞23与壳体22前端之间形成一密闭腔体。废气热气流从第一出气管5进入再经排气热交换器7后，废气热气流进入壳体22，推动活塞23后移，通过触发杆26使触发开关24触发，进而所述加热线圈工作，对发动机冷却循环系统的冷却水进行辅助加热，加速暖机。弹簧27弹力需严格调校，使得活塞23对废气排气阻力有限，不致影响废气排气。辅助加热触发机构21只在发动机暖机期间工作，时间较短，不会增大发动机正常工作时的排气背压。其余同实施例1。

步骤一中，废气热气流从排气热交换器7流出后，进入所述密闭腔体，稍加积蓄压力后推动活塞23克服弹簧27弹力向壳体22后端移动，直至移到排气孔25之后，露出排气孔25，废气热气流从排气孔25排出，与此同时，由于活塞23后移，触发杆26靠近并触发触发开关24，ECU收到来自触发开关24的信号后，输出指令使加热线圈工作，对发动机冷却循环系统的冷却水进行辅助加热，配合排气热交换器7的热交换，使发动机冷却循环系统的冷却水更快升温，进一步提高暖机速度。

步骤四中第一出气管5被关闭后，辅助加热触发机构21中由于无废气热气流输入，持续的废气气压消失，活塞23在弹簧27作用下复位。

其余步骤同实施例1。

实施例3：

所述发动机废气输出装置为涡轮增压器。其余同实施例1。

Claims (9)

1.一种发动机排气热量再利用装置，发动机接入一发动机冷却循环系统，其特征是包括第一出气管（5）、第二出气管（6）和排气热交换器（7），第一出气管（5）与排气热交换器（7）串联成组合结构，所述组合结构与第二出气管（6）并联，所述组合结构与第二出气管（6）并联后的公共输入端通过前段管路与发动机废气输出装置连接，且所述公共输入端设有控制阀（4），所述组合结构与第二出气管（6）并联后的公共输出端通过后段管路与排气尾管（12）连接，排气热交换器（7）与所述发动机冷却循环系统连接。

2.根据权利要求1所述的发动机排气热量再利用装置，其特征是排气热交换器（7）包括热交换器筒体（14）、热交换器夹套（16）和热交换内核件（18），热交换器夹套（16）套接在热交换器筒体（14）外，热交换内核件（18）内置于热交换器筒体（14）内，热交换器夹套（16）上连有冷却液进液管（15）和冷却液出液管（17），冷却液进液管（15）、冷却液出液管（17）与所述发动机冷却循环系统连接。

3.根据权利要求2所述的发动机排气热量再利用装置，其特征是热交换内核件（18）为蜂窝状金属载体。

4.根据权利要求2所述的发动机排气热量再利用装置，其特征是热交换器筒体（14）的进气端设有热交换器进气锥（13），热交换器筒体（14）的进气端设有热交换器出气锥（19）。

5.根据权利要求1所述的发动机排气热量再利用装置，其特征是排气热交换器（7）下游还设有一辅助加热触发机构（21），辅助加热触发机构（21）包括壳体（22）、活塞（23）和触发开关（24），壳体（22）前端通过管道与排气热交换器（7）输出端连通，触发开关（24）设于壳体（22）后端，活塞（23）滑动连接在壳体（22）内并与壳体（22）内壁密封贴合，活塞（23）与壳体（22）后端间设有一弹簧（27），壳体（22）周面上开有一排气孔（25），活塞（23）后端设有一可使触发开关（24）触发的触发杆（26），所述发动机冷却循环系统的冷却水管道上绕有受控于触发开关（24）的加热线圈。

6.根据权利要求1所述的发动机排气热量再利用装置，其特征是所述前段管路包括催化器进气管（1）、催化器（2）和催化器出气管（3），催化器进气管（1）与所述发动机废气输出装置连接，催化器（2）输入端与催化器进气管（1）连接，催化器（2）输出端与催化器出气管（3）连接，催化器出气管（3）与所述公共输入端连接。

7.根据权利要求1所述的发动机排气热量再利用装置，其特征是所述后段管路包括依次排列的前消声器进气管（8）、前消声器（9）、后消声器进气管（10）和后消声器（11），后消声器（11）与排气尾管（12）连接，前消声器进气管（8）与所述公共输出端连接。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的发动机排气热量再利用装置，其特征是所述发动机废气输出装置为发动机排气歧管。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的发动机排气热量再利用装置，其特征是所述发动机废气输出装置为涡轮增压器。

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