CN114571950B - 一种发动机排气余热利用装置和车辆 - Google Patents

一种发动机排气余热利用装置和车辆 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种发动机排气余热利用装置和车辆，包括用于传导所述发动机的热量的循环水路，所述循环水路用于流动循环水，还包括换热器，所述换热器设有第一通路和第二通路，所述换热器与所述发动机的排气通道连接，所述排气通道的排气能够流入所述换热器的第一通路；所述换热器还与所述循环水路连接，循环水能够流入所述第二通路。本申请利用发动机排气加热循环水路，和发动机的传导热共同提供热量，以预热发动机、向需要热量的设备提供热量，比如向暖风机提供热量，这样相较于背景技术中只依靠发动机传导热的方案，显然可以更快地预热发动机、提供暖风。

Description

一种发动机排气余热利用装置和车辆
技术领域
本发明涉及能量利用技术领域，具体涉及一种发动机排气余热利用装置和车辆。
背景技术
燃油汽车在冬季使用时，在发动机未热机前车内环境非常冷，一般需要发动机工作5～10分钟后才有暖风，体感舒适性差，同时在发动机预热过程的燃烧不充分，需要尽量缩短这个时间，为改进这个问题开发的一种尾气余热的利用装置及方法。燃油汽车的发动机排气浪费热量占燃料能量40％左右，充分吸收后用于暖风机加热车内环境，可以在1-2分钟内输出暖风，大大改善乘坐舒适性，剩余的热量再用于发动机预热，可以减少一半发动机预热时间。
发明内容
本申请提供一种发动机排气余热利用装置，包括用于传导所述发动机的热量的循环水路，所述循环水路用于流动循环水，还包括换热器，所述换热器设有第一通路和第二通路，所述换热器与所述发动机的排气通道连接，所述排气通道的排气能够流入所述换热器的第一通路；所述换热器还与所述循环水路连接，循环水能够流入所述第二通路。
在一种具体实施方式中，所述发动机的排气通道上设置有尾气净化装置，所述换热器与所述尾气净化装置并联设置，所述换热器串接于所述循环水路；还包括第一控制阀，所述第一控制阀能够连通或截断所述换热器与所述排气通道。
在一种具体实施方式中，所述第一通路的两端分别为排气入口和排气出口，所述尾气净化装置的两端分给为上游端和下游端，所述排气入口连接于所述上游端，所述排气出口连接于所述下游端。
在一种具体实施方式中，所述第一控制阀设置于所述排气入口或者所述排气出口的位置。
在一种具体实施方式中，所述排气入口和所述排气出口设置有绝热垫。
在一种具体实施方式中，所述换热器串接在所述排气通道上；还包括支路和第二控制阀，所述换热器的第二通路通过所述支路连通所述循环水路，所述第二控制阀能够连通或截断所述换热器与所述循环水路。
在一种具体实施方式中，还包括控制器和检测所述循环水路的水温的温度传感器，所述温度传感器检测水温高于或等于预设值时，所述控制器控制截断排气流经所述第一通路或截断循环水流经所述第二通路。
在一种具体实施方式中，所述循环水路连通有暖风机。
在一种具体实施方式中，所述换热器的第二通路位于所述发动机的下游或者上游。
本申请还提供一种车辆，包括上述任一项所述的发动机排气余热利用装置。
本申请利用发动机排气加热循环水路，和发动机的传导热共同提供热量，以预热发动机、向需要热量的设备提供热量，比如向暖风机提供热量，这样相较于背景技术中只依靠发动机传导热的方案，显然可以更快地预热发动机、提供暖风。实际上，排气热占总燃烧热量约40％，传导热占总燃烧热量约16％，这样共同输出热量，则可以在1～2分钟内输出暖风，大大改善乘坐舒适性，且可以减少一半发动机预热时间。
附图说明
图1为本申请第一实施例中发动机排气余热利用装置的示意图；
图2为本申请第二实施例中发动机排气余热利用装置的示意图。
图1-2中附图标记说明如下：
10-发动机；
20-尾气净化装置；
30-换热器；301-第一连接管；302-第二连接管；
40-暖风机；
50-散热器；
60-第一控制阀；
70-三通阀；
80-第二控制阀；
100-循环水路；200-排气通道；300-支路。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
请参考图1，图1为本申请第一实施例中发动机排气余热利用装置的示意图。
本实施例中的发动机排气余热利用装置，包括用于传导发动机10的热量的循环水路100，循环水路100用于流动循环水。应知，燃油车辆的发动机10在工作过程中会产生大量的热量，为了保障发动机10处于较为适宜的温度环境，会设置循环水路100，循环水路100的一部分环绕发动机10设置，在一些设计中，发动机10的缸体或壳体形成有通道，以作为循环水路100的一部分，这样循环水在流动过程中可以不断带走发动机10所产生的热量，以对发动机10进行冷却降温。
如图1所示，循环水路100上可以设置暖风机40，这样和发动机10进行换热后升温的循环水杯可以在暖风机40处进行放热，以对车辆的车室内部供暖。图1中循环水路100上还设有散热器50，升温后的循环水也可以通过散热器50散热。该实施例中还设有三通阀70，用于调节进入散热器50以及暖风机40的水量。当气温较低，发动机10刚启动时，可以控制三通阀70，使循环水主要进入暖风机40，以快速提供暖风，当发动达到工作温度后，循环水可以部分或全部流向散热器50。循环水流向暖风机40再流向散热器50的回路可定义为循环水路100中的大循环回路，而循环水直接流向散热器50的回路可定义为循环水路100中的小循环回路。
需要强调的是，本实施例中的发动机10排气余热回收装置还包括换热器30，换热器30设有第一通路和第二通路。如图1所示，换热器30与发动机10的排气通道200连接，排气通道200的排气能够流入换热器30的第一通路；换热器30还与循环水路100连接，循环水能够流入第二通路，即换热器30的第一通路用于流动排气，第二通路用于流动循环水。这样，发动机10的排气和循环水可以在换热器30中进行换热，以加热循环水。
具体地，如图1所示，发动机10的排气通道200上设置有尾气净化装置20，尾气净化装置20例如是三元催化器，三元催化器主要原理是通过设置催化剂，将排气中的一氧化碳(CO)、HC(碳氢化合物)和NOx(氮氧化合物)等有害气体催化还原成无毒无害的水(H2O)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和氧气排出。
本实施例中，换热器30与尾气净化装置20并联设置，即换热器30和尾气净化装置20并联设置在排气通道200上。此外，换热器30还串接于循环水路100，即循环水可以流经换热器30，此时，还设置第一控制阀60，第一控制阀60能够打开或关闭换热器30的第一通路。
如图1所示，换热器30和尾气净化装置20并联设置，发动机10的排气可以同时流向换热器30和尾气净化装置20，但是尾气净化装置20内设有催化剂载体、催化剂等，气体流动的阻力大于换热器30的第一通路，故在第一通路和排气通道200保持连通的情况下，发动机10的排气会全部或大部分流入到换热器30中，与循环水进行换热，从而利用发动机10的排气余热加热循环水，则循环水可以用于预热发动机10，在循环水路100上设有暖风机40时，则还可以尽快地向室内提供暖风，以改善乘坐的舒适性。当然除了暖风机40以外，循环水路100中也可以设置其他需要热量的设备，则循环水加热后可以为这些设备更快地提供所需的热量。
背景技术中主要是利用发动机10气缸传导到发动机10壳体的热量来产生暖风和预热发动机10，但这部分热量一般只占总燃烧热量的16％，所以汽车发动机10启动到能输出暖风的时间一般在5～10分钟。而该实施例利用发动机10排气加热循环水路100，排气热占总燃烧热量约40％，加上前述的传导热(占总燃烧热量约16％)共同用于输出暖风和预热发动机10，可以在1～2分钟内输出暖风，大大改善乘坐舒适性，且可以减少一半发动机10预热时间。
如图1所示，换热器30的第一通路的两端分别为排气入口和排气出口，尾气净化装置20的两端分别为上游端和下游端，上游和下游根据排气的流动路径确定，由上游流向下游，图1中双点划线的虚线箭头示意出排气的流动路径。排气入口可以连接到尾气净化装置20的上游端，排气出口连接于尾气净化装置20的下游端。
尾气净化装置20处于发动机10机舱内，将换热器30的两端连接到尾气净化装置20的两端，二者可以相对靠近地都设置在发动机10的机舱内，便于布置管路，且尾气净化装置20一般靠近排气通道200的前端，前端即排气通道200和发动机10连接的位置，即排气通道200的最上游位置，这样换热器30也开始靠近排气通道200的前端，可以更好地利用排气的热量。
如前所述，在发动机10刚启动的时候，排气经过换热器30对循环水进行加热，当发动机10升温到预设值，即达到所需的工作温度时，则无需再对循环水加热，排气可以经正常的排气路径流动，在图1中，则流经尾气净化装置20再排出，此时可以关闭第一控制阀60，从而关闭换热器30的第一通路，排气无法流经第一通路而流出，则排气只能重新流入尾气净化装置20再排出。可以设置控制器控制第一控制阀60的通断，并设定发动机10温度的预设值，发动机10的温度可以根据循环水的水温确定，例如可以将该温度设定为80℃，达到该温度后，控制器控制第一控制阀60关闭。
第一控制阀60可以设置于排气入口或者排气出口的位置，理论上第一控制阀60设置在排气通道200与换热器30之间的任意位置都可以，设置在排气入口或者排气出口易于装配，可以直接集成到换热器30的排气入口或者排气出口的位置。图1中，第一控制阀60设置在换热器30的排气出口位置。
进一步地，换热器30的排气入口和排气出口可以设置有绝热垫，即绝热垫设置在换热器30的两端。尾气净化装置20通常比较接近发动机10的排气口，温度较高，在第一控制阀60关闭后，设置绝热垫可以减少尾气净化装置20的热量传入到换热器30，避免影响循环水的温度。如图1所示，换热器30的两端均设有连接管，分别是第一连接管301、第二连接管302，连接管连接到尾气净化装置20，第一连接管301将气流引入到换热器30中，第二连接管302用于将换热器30中的气流排出。第一连接管301、第二连接管302和尾气净化装置20连接的位置均设置绝热垫，这样可以减少热量向换热器30壳体的传递。第一连接管301、第二连接管302可以通过法兰与尾气净化装置20连接，绝热垫可以通过法兰压紧，第一连接管301、第二连接管302可以是圆管，也可以是方管等，本实施例并不做具体限制。
可以理解，第一控制阀60设置在排气出口位置，相较于排气入口位置温度更低，这样有利于延长第一控制阀60的使用寿命。第一控制阀60设置在排气出口，第一控制阀60关闭时，虽然排气进入到换热器30内，但是由于无对流，基本不会进行换热，少量的热量可以由循环水带走，对循环水的温度几乎没有影响，也不会增加发动机10的散热负担。
实施例2
请参考图2，图2为本申请第二实施例中发动机排气余热利用装置的示意图。
该实施例的原理与上述第一实施例的原理相同，不同之处在于，第一实施例中的换热器30与尾气净化装置20并联接入排气通道200，而第二实施例中的换热器30串接在排气通道200上，与尾气净化装置20串联。
此时，发动机排气余热利用装置还包括支路300，换热器30的第二通路通过支路300连通循环水路100，即换热器30并联接入到循环水路100。相应地，发动机排气余热利用装置还包括控制支路300通断的第二控制阀80。由于换热器30串接接入到排气通道200，则排气必须通过换热器30的第一通路流出，此时可以设置第二控制阀80控制换热器30的第二通路与循环水路100的通断，以在不需要排气热量加热循环水时，断开换热器30的第二通路与循环水路100。
如图2所示，第二控制阀80具体为三通阀，在需要利用排气余热加热循环水时，接通循环水路100和支路300，循环水流向换热器30和排气换热后再流回循环水路100，然后经三通阀70流向暖风机40，或者流向散热器50，或者部分流向暖风机40、部分流向散热器50。不需要排气余热加热循环水时，则第二控制阀80控制发动机10循环流出的循环水直接流向控制阀，不再流经换热器30。显然，第二控制阀80不限于此，比如第二控制阀80可以包括设置在支路300任意位置的阀结构，同时在循环水路100与支路300并联的水路段上设置阀结构，可以在关断时控制循环水不流经并联的水路段而流入支路300。
同样，可以设置控制器控制第二控制阀80，以控制支路300和循环水路100的通断。控制器内可设置温度的预设值，例如是80℃，具体参照第一实施例理解，不再赘述。
上述实施例中，换热器30的第二通路位于接入到发动机10的下游，显然，接入到发动机10的上游也可以，循环水路100中的循环水循环流动，在任意位置和排气换热加热后，热量都可以被利用。可知，这里的上游和下游根据循坏水的流动路径确定，由上游流向下游，图2中等长线段的虚线箭头示意出循环水的流动路径。
应知，本申请实施例的原理是利用排气的热量加热循环水，以在发动机10启动过程中起到缩短发动机10预热时间、尽快提供暖风等效果，故只要换热器30能够接入到排气通道200并使得排气和流入换热器30的循环水进行换热即可，并联或串联接入皆可，而且接入的位置也不限，可以是排气通道200的任意位置。
本申请实施还提供一种车辆，包括上述任一项实施例所述的发动机排气余热利用装置，技术效果与上述实施例相同，不再重复论述。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种发动机排气余热利用装置，包括用于传导所述发动机的热量的循环水路，所述循环水路用于流动循环水，其特征在于，还包括换热器，所述换热器设有第一通路和第二通路，所述换热器与所述发动机的排气通道连接，所述排气通道的排气能够流入所述换热器的第一通路；所述换热器还与所述循环水路连接，循环水能够流入所述第二通路；
所述发动机的排气通道上设置有尾气净化装置，所述换热器与所述尾气净化装置并联设置，所述换热器串接于所述循环水路；还包括第一控制阀，所述第一控制阀能够连通或截断所述换热器与所述排气通道；
所述第一通路的两端分别为排气入口和排气出口，所述尾气净化装置的两端分给为上游端和下游端，所述排气入口连接于所述上游端，所述排气出口连接于所述下游端。
2.根据权利要求1所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于，所述第一控制阀设置于所述排气入口或者所述排气出口的位置。
3.根据权利要求1所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于，所述排气入口和所述排气出口设置有绝热垫。
4.根据权利要求1-3任一项所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于，还包括控制器和检测所述循环水路的水温的温度传感器，所述温度传感器检测水温高于或等于预设值时，所述控制器控制截断排气流经所述第一通路或截断循环水流经所述第二通路。
5.根据权利要求1-3任一项所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于，所述循环水路连通有暖风机。
6.根据权利要求1-3任一项所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于，所述换热器的第二通路位于所述发动机的下游或者上游。
7.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的发动机排气余热利用装置。
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