CN1156811A - 发动机驱动式热泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够在低温取暖时提高取暖能力的发动机驱动式热泵装置。本装置有发动机1驱动的压缩机2使致冷剂循环的致冷剂回路34和使冷却发动机1的冷却水循环的冷却水回路36，上述致冷剂回路34设计有膨胀阀40、室内热交换器39和室外热交换器42，上述冷却水回路36设计有排气热交换器27，还设置在低温取暖时与致冷剂高压侧压力对应地控制发动机废热量的控制装置。

Description

发动机驱动式热泵装置

本发明涉及在取暖运转时吸收发动机废热作为致冷剂的蒸发热量的发动机驱动式热泵装置。

图8是发动机驱动式热泵装置在取暖运转时的基本回路结构图，图9是表示致冷剂状态变化的莫里尔图(P-i线图)。

在此，说明取暖运转时的基本循环。

通过发动机1驱动压缩机2时，如图9所示①状态(压力P₁，焓i₁)的气相致冷剂被压缩机2压缩，变成图9中所示②状态(压力P₂，焓i₂)的高温，高压的致冷剂。而此时压缩机2所要的动力(压缩热量)A(i₂-i₁)用L表示。

上述高温高压致冷剂被导入起冷凝器作用的室内热交换器39(以下称为室内机)，其向室内空气放出凝结热Q₂而液化。通过室内机39后的液相致冷剂的状态如图9中所示的③状态(压力P₂，焓i₃)，通过放出热量Q₂＝(i₂-i₂)，完成了对室内的取暖。

然后，通过膨胀阀40的减压，上述状态③的液相致冷剂变成图9中④所示状态(压力P₁，焓i₃)，而其中一部分气化，再被导入作为蒸发器作用的室外热交换器42(以下称为室外机)。

一方面，通过水泵35循环的冷却水，通过与排气气体换热器27中的排气及发动机本体进行热交换，回收发动机1的废热，将这些热量在室外机42中提供给致冷剂。从而，致冷剂在上述室外机42中接受外界和发动机1的废热而蒸发，进一步过热回到图9所示①的状态(压力P₁，焓i₁)，然后反复地进行同样的操作。而且，在室外机42中给予致冷剂的热量用Q₁用(i₁-i₃)表示。

而且，由于如上述那样地回收发动机1的废热并将其提供给致冷剂，使致冷剂的循环温度升高，因此提高取暖能力(放热量Q₂)。而且，在实际中通常采用使通过排气气体热交换器回收发动机1的废热温水通过温水回路结构，该温水回路穿过在压缩机上游侧配置的储液器内的液相致冷剂(参照特平开5-180529公报)。

可是，在室内温度本身低时就必须更提高取暖能力，或在室外温度低时，在作为蒸发器功能的室外机中致冷剂难于从外界吸收热量，所以取暖能力就会下降。而且在室外温度低时，停止室外机的风扇驱动，则致冷剂的蒸发潜热只能由发动机的废热来提供。

因此，提出了如下的方案：当室内温度或室外温度低的低温取暖时，就考虑要增加发动机废热从而将取暖能力提得更高，为此用加大发动机的转速来增加排气气体的流量，向排气气体热交换器中的冷却水传送的热量也就增加。

但是，按上述方案为提高低温取暖时的取暖能力而增大发动机的转速时，会引起发动机的噪音增大且发动机的寿命下降的问题。

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种发动机驱动式热泵装置，在不会引起发动机的噪音增大且发动机的寿命下降的同时又能提高低温取暖时的取暖能力。

为完成本发明，在本发明的权利要求1所述的发动机驱动式热泵装置有由发动机驱动的压缩机将致冷剂循环的致冷剂循环回路、使冷却发动机的冷却水循环的冷却水回路，所述致冷剂循环回路设计有室内热交换器，膨胀阀及室外热交换器，上述冷却水回路中设计有排气气体热交换器，其特征在于：还设置在低温取暖时根据致冷剂高压侧的压力控制发动机废热量的控制装置。

权利要求2的本发明是在权利要求1所述的发明中，还具有特征在于：上述控制装置至少对发动机的点火时期、配气正时、燃料控制阀开度中的一个进行控制。

权利要求3所述的发明是在权利要求1和2所述发明中，还具有特征在于：用齿轮驱动方式驱动上述发动机。

根据权利要求1和2所述的发明，当在室内温度或室外温度低时的低温取暖时，由于发动机的废热量不足而使致冷剂的高压侧的压力(压缩机的排出压力)低时，通过控制装置，至少对发动机的点火时期、配气正时、燃料控制阀开度中的一个进行控制而使发动机的热效率下降，结果是由于发动机的废热量增大从而提高了致冷剂热循环的温度，不必提高发动机的转速，因而不会引起发动机的噪音增大且发动机的寿命下降，能够提高低温取暖时的取暖能力。

根据权利要求3所述发明，由于采用了比已有的皮带驱动方式驱动效率高的齿轮驱动方式驱动压缩机，发动机的动力能够更多地传给压缩机，增加了给予致冷剂的能量，结果是致冷剂放出的热量增加从而更提高了取暖能力。

图1是本发明的发动机驱动式热泵装置的基本结构回路图。

图2是同一热泵装置的发动机四周的结构图

图3是同一热泵装置的控制系统结构框图。

图4是感温换向阀的特性图。

图5是线性三通阀的特性图。

图6是与压缩机转速相对应的蒸发热量和废热量的关系图。

图7是表示控制配气正时的曲柄角与吸气阀和排气阀的阀提升量的关系图。

图8是热泵装置的基本回路图。

图9是莫里尔图。

下面根据附图说明本发明的实施例。

图1是表示本发明的发动机驱动式热泵装置的基本结构的回路图。图2是同一热泵装置的发动机四周的结构图。图3是表示同一热泵装置控制系统的结构的方框图。图4是感温换向阀的特性图。图5是线性三通阀的特性图。图6是与压缩机转速相对应的蒸发热量和废热量的关系图。图7是表示控制配气正时的曲柄角与吸气阀和排气阀的阀提升量的关系图。

首先，根据图1和图2说明本实施例的热泵装置的基本结构。

在图1中，1是水冷发动机，2(2A，2B)是由水冷发动机1回转驱动的两台压缩机，如图2所示，气体发动机1的曲柄轴3与增速装置4连接。因此，增速装置4的输出轴通过电磁离合器5与一个压缩机2A连接。且与上述增速装置4的输出轴连结的齿轮G₁通过一个小直径齿轮G₂与另一个与齿轮G₁同样直径的齿轮G₃啮合，齿轮G₃通过电磁离合器5B与另一个压缩机2B连接。

在图2中所示的发动机1中，6是活塞、7是连接活塞6和上述曲柄轴3的连杆、8是形成在气缸1a四周的冷却水套、9、10是在曲柄壳1b下部安装的发动机转速传感器、曲柄角传感器。

在发动机1的气缸盖1c上形成的吸气通路1D、排气通路1E分别与吸气管11、排气管12连接，通过摇臂13、14驱动的吸气阀15、排气阀16分别在适当时间开闭吸气通路1D、排气通路1E。

在吸气管11内连接有空气清洁器17和混合器18，在吸气管内的混合器18的下游设计有节流阀19。而且，在上述混合器18上连接有图中未示的与燃料气体缸连接的燃料供应管20，该燃料供应管20的中途连接有两个燃料控制阀21和作为减压装置的零调节器22及燃料气体流量控制阀23。

且，发动机1的气缸盖1c上连接着火花塞24，该火花塞24上连接着点火线圈25和点火控制回路26。

另外，上述排气管12途中设计着排气气体热交换器27。

上述增速装置4通过图3所示的增速比控制马达28控制增速比，通过配气正时可变控制马达29控制上述吸气阀15和排气阀16的开闭时间(配气正时)，通过节流阀开度控制马达30控制上述节流阀19的开度。且，分别通过开度控制马达31、32控制上述燃料控制阀21、燃料气体流量控制阀23的开度。

而且，如图3所示，控制装置33上连接着上述马达28～32及上述发动机转速传感器41、曲柄角传感器10、电磁离合器5A、5B以及点火控制回路26。

在本热泵装置中，如图1所示设计着包括压缩机2(2A，2B)而构成的闭环的致冷剂回路34和包括水泵35而构成闭环循环的冷却水回路36。

上述致冷剂回路34是由压缩机2使氟里昂等的致冷剂循环的回路，这里，致冷回路34包括：由压缩机2A，2B的排出侧至油分离器37的致冷剂管线34a，在取暖时由油分离器37至四通阀38的致冷剂回路管线34b，由四通阀38至3台室内机39的致冷剂管线34c，由室内机39经过膨胀阀40并在途中通过主储液器41至两台室外机42的致冷剂管线34d，由室外机42至上述四通阀38的致冷剂管线34e，不拘泥取暖的由上述四通阀38至上述主储液器41的致冷剂管线34f，由主储液器41至辅储液器43的致冷剂管线34g，由上述辅储液器43至上述压缩机2A，2B吸入侧的致冷剂管线34i。

而且，从上述油分离器37导出油返回管线44和旁路管线34j，油返回管线44与上述致冷剂管线34g连接，旁路冷剂管线34j与上述致冷剂管线34f连接，该旁路管线34j与旁路阀13连接。而且，上述主储液器41，辅储液器43分别设计有检测出储存的液相致冷剂的液面的液面传感器46，47，主储液器41的底部通过主要用于油返回的旁路管线34k与上述冷剂管线34g连接，旁路管线34k上设计着旁路阀48。

而且，上述说明的致冷剂回路34的致冷剂管线34设计着检测致冷剂高压侧压力的高压侧压力传感器49，在致冷剂管线34i上设计着检测致冷剂低压侧压力的低压侧压力传感器50。且，上述室内机39附近设计室内温度传感器51，在上述室外机42附近设计有室外温度传感器52。因此，上述高压侧压力传感器49、低压侧压力传感器50、室内温度传感器51和室外温度传感器52如图3所示与控制装置33连接。又如图3所示，控制装置33连接着致冷剂循环量传感器53、主开关54和室内希望温度设定开关55。

另一方面，上述冷却回路36是通过水泵35使冷却发动机1的冷却水循环的冷却水回路。该回路包括：由水泵35排出侧通过排气气体热交换器27至发动机1的冷却水入口(图2中所示冷却水套8的入口)的冷却水管线36a，由发动机1的冷却水出口(冷却水套8的出口)导出并至感温换向阀56的冷却水管线36b，由上述感温换向阀56至线性三通阀57的冷却水管线36c，由线性三通阀57导入并通过上述主储液器41与上述水泵35的吸入侧连接的冷却水管线36d，分别从上述感温换向阀56、线性三通阀57导出并连接到上述冷却水管线36d的冷却水管线36e，36f。在冷却水管线36f上设计有放热用热交换器58。

可是，上述感温换向阀56根据在此设计成的恒温器作用，如图4所示，当冷却水温度在60℃以下时使冷却水管线36c全部关闭，同时使冷却水管线36e全部打开，只让冷却水管线36e中有冷却水流动，当冷却水温度超过60℃时，开始打开冷却水管线36c，并开始关闭冷却水管线36e，使两个冷却水管线36c，36e中有冷却水流动，当冷却水温度超过75℃时全部打开冷却水管线36c，全部关闭冷却水管线36e而只要在冷却水管线36c中有冷却水流动。且，在图4中，I₁，I₂分别表示在冷却水管线36c，36e中流动的冷却水的流量。

又，图5表示上述线性三通阀57的特性。也就是，在图5中I₃，I₄分别表示在冷却水管线36d、36f中流动的冷却水的流量，随着线性三通阀57的阀角度的增加使在冷却水管线36d、36f中流动的冷却水的流量I₃，I₄如图示那样直线地增加或减少。从而，当线性三通阀57的角度为0°时冷却水管线36d全部打开，冷却水管线36f全部关闭，在冷却水管线36c中流动的冷却水的总量I₁(＝I₃)被导入主储液器41；线性三通阀57的阀角度为90°时冷却水管线36d全部关闭，冷却水管线36f全部开，流过冷却水管线36c的冷却水总量I₁(＝I₄)旁路到主储液器41后导入放热用热交换器58。

下面，参照图9所示的莫里尔图说明本实施例的热泵装置在取暖时的作用。

当气体发动机1被驱动时，其曲柄轴3的回转由增速装置4进行增速，并通过处于ON状态的电磁离合器5A被传递到一个压缩机2A的同时，经过齿轮G₁、G₂、G₃及处于ON状态的电磁离合器5B被传递到另一个压缩机2B上，所以两个压缩机2A、2B同时以同速回转驱动。

如上所述那样回转驱动压缩机2A，2B时，如图9所示1状态(压力P₁，焓i₁)的气相致冷剂从致冷剂管线34i被吸入压缩机2A、2B，被压缩成图9中所示2状态(压力P₂，焓i₂)的高温，高压致冷剂。而此时压缩机2A、2B所要的动力(压缩热量)AL用(I₂-I₁)表示。且，被吸入压缩机2A，2B吸入的气相致冷剂的压力P₁由上述低压侧压力传感器50检测出并输入到上述控制装置33。

上述高温高压的气相致冷剂通过致冷剂管线34a导入油分离器37，由油分离器37去掉油分。因此除去油分的气相致冷剂通过致冷剂管线34b到达四通阀38。且在油分离器37中从致冷剂中分离出的油通过上述油返回管线44返回到上述致冷剂管线34g。还有，在致冷剂管线34b中流动的高温高压致冷剂的压力P₂(不计压力损失)，由上述高压侧压力传感器49检测并被输入上述控制装置33。

可是，在取暖运转时，四通阀38的口38a和口38c以及口38b和口38d分别连通，高温高压气体致冷剂通过四通阀38流入致冷剂管线34c，被导入作为冷凝器的室内机39。因此，导入室内机39的高温高压气态致冷剂向室内空气放出冷凝热Q₂而液化，成为状态如图9中所示的③状态(压力P₂，焓i₂)的液相致冷剂，由此时放出热量Q₂＝(i₂-i₂)，对室内进行取暖。

然后，在上述室内机39中液化的的高压液相致冷剂通过膨胀阀40进行减压，成为图9中④所示状态(压力P₁，焓i₃)，使其中一部分气化，通过致冷剂管线34d流向室外机42。

另一方面，由于水泵35的驱动，在冷却水回路36循环的冷却水由水泵35排出流入冷却水管线36a，途中，在排气气体热交换器27回收从发动机1排气管12排出气体所含的热量而被加热后，通过发动机1的冷却水套8冷却该发动机1。因此，使气体发动机1冷却的冷却水，通过冷却水管线36b流至感温换向阀56。

在此，在发动机1启动时冷却水的温度较低，其值低于60℃时，如前所述(参照图4)，由于感温换向阀56全部关闭冷却水管线36c，全部打开冷却水管线36e，冷却水全部通过冷却水管线36e返回到水泵35。因此，冷却水的温度逐渐上升，由温度上升的冷却水对处于冷机状态的气体发动机1迅速进行暖机。

因此，当冷却水温度超过60℃时，冷却水管线36c开始打开，冷却水管线36e开始关闭，当冷却水温度超过75℃时，冷却水管线36c全部打开，冷却水管线36e全部关闭，所以冷却水全部流过冷却水管线36c至线性三通阀57。在此，在取暖运转时，设定线性三通阀的阀角度为0°时，如图4所示，全部冷却水通过冷却水管线36d流入主储液器41内。

从而，在主储液器41中由于冷却管线36d中流动的冷却水，流入致冷剂管线34d的致冷剂与在主储液器41中贮存的液相致冷剂被加热，致冷剂吸收气体发动机1的废热(排气气体给予的和从冷却发动机1所得到的热)。

而且，流过上述致冷剂管线34d的致冷剂如上述那样在主储液器41中被发动机1的废热的一部分加热后，流入作为蒸发器功能的室外机42，在该处从外界吸收蒸发热而气化。且，当外界温度在所定值以上时，驱动室外机的风扇42a，如上述那样在室外机42处致冷剂从外界吸收热量后蒸发。

因此，致冷剂从室外机42通过致冷剂管线34e流到四通阀38，如上所述由于在取暖运转时四通阀38的口b与口d连通，致冷剂通过四通阀38流入致冷剂管线34f，导入主储液器41内。

在上述主储液器41中致冷剂进行气液分离，冷却水管线36d中流动的冷却水将发动机1的废热的一部分给予液相致冷剂，由于这些热量，液相致冷剂的一部分被蒸发而汽化。

而且，在主储液器41中的气相致冷剂通过致冷剂管线34g送入辅储液器43，并通过致冷剂管线34i被吸入压缩机2A、2B中，吸入压缩机2A、2B中的气相致冷剂的状态返回到如图9所示的①状态(压力P₁，焓i₁)，这些气相致冷剂通过压缩机2A、2B再次进行压缩，反复进行与上述相同的操作。

从而，由膨胀阀40减压的致冷剂被吸入到压缩机2A、2B时，致冷剂不仅在主储液器41中吸收气体发动机1的废热，同时也从室外机42中吸收外界的热量，结果是，致冷剂吸收热量Q₁(＝i₁-i₃)而蒸发。进一步地被过热。

如上所述，在取暖运转时，通过冷却水回收气体发动机1的废热再传给致冷剂，由于提高了使室内机39的放热量Q₂，所以就提高了取暖能力。

可是，在室内温度或室外温度低的低温取暖时，由于上述理由，而不能得到充分的取暖能力。特别是当室外温度低的寒冷时，致冷剂就不能在室外机42中从外界吸收热量。

因此，在本实施例中，外界温度传感器52检测出外界温度在所定值以下时停止驱动室外机42的风扇42a，同时增加气体发动机1的废热量以加大室内机39的放热量Q₂，因此提高了取暖能力。具体地说，通过高压侧压力传感器49检测出致冷剂高压侧压力P₂作为判定取暖能力的标准，对应于该值由控制装置33控制气体发动机1的废热量。

作为保持使气体发动机1的转速保持一定并使废热量增加的方法，在实施例中采用降低气体发动机1的热效率并使排气气体放出的给发动机冷却水的放热量增加的方法。

在此，图6是以发动机的热效率η作为参数表示与压缩机转速对应的蒸发热量和废热量关系。在图6中，实线A表示必要的蒸发热量，虚线B～F表示热效率η＝0.2、0.225、0.25、0.275、0.3条件下发动机废热量，根据该图就可明白，热效率η越小就越能够得到对应于必要蒸发热量的大的废热量。

而且，作为降低气体发动机1热效率的方法，在本实施例中，采用至少控制点火时期，吸气阀15和排气阀16的开闭计时(配气正时)及燃料控制阀21的开度中的一个的方法。

也就是，在点火时期的控制中，根据高压侧压力传感器49检测出的致冷剂高压侧压力P₂、发动机转速传感器9检测出的发动机转速及曲柄角传感器10检测出的曲柄角以及节流阀开度或增压值，控制装置33向点火控制回路26发送控制信号，延迟火花塞24的点火时间。

如上述那样使点火时间延迟时，燃烧气体相对活塞6的作功量减少而发动机1的输出下降一些且节流阀开度加大，因此仅仅该部分的排气温度上升，在排气热交换器27中能够回收更多的废热，结果是，提高了取暖的能力。

且，在本方法中如使气体发动机1的输出下降，由于压缩机2的负荷，输出下降的部分导致发动机1的转速下降，但由于使节流阀的开度多打开一点，使供给气体发动机1的活塞1a内的混合气体的量增加，所以就能补充气体发动机1的输出和转速下降部分。

还有，在配气正时的控制中，控制装置33向配气正时可变控制马达29发送控制信号，使吸气阀15和排气阀16的开闭计时与最合适的计时相对应，按图7中箭头a～d方向错开并降低气体发动机1的热效率。且，在图7中横轴为曲柄角，纵轴为阀升程量，TDC、BDC分别为上下死点。

另外，在控制燃料控制阀开度的方法中，控制装置33向燃料控制阀开闭马达31发送控制信号，增大燃料控制阀21的开度以提高混合气体的浓度，使燃烧室中混合气体的燃烧从贫燃烧区域移动到富燃烧区域。因此，在气体发动机1中转换成机械能的燃料能量即使原封不动，由于从汽缸1a向排气管12排出的排气气体的温度上升或在排气管12的后燃烧等，使排气气体热交换器27的上游的排气气体温度上升或排气气体量增加，结果，在排气气体热交换器27中能够回收到更多的废热，因此能提高低温取暖时的取暖能力。

再有，作为降低气体发动机1的热效率的其它方法也可以考虑用增速比控制马达31来控制增速装置4的增速比的方法。

而且，在本实施例中，在室内温度或室外温度是低的低温取暖时，由于发动机1的废热量不足而使致冷剂的高压侧压力(压缩机排出压)P₂低的条件下，通过控制装置33至少控制发动机1的点火时间、吸气阀15及排气阀16的开闭计时(配气正时)、燃烧控制阀21开度中的一个而使气体发动机1的热效率下降，所以气体发动机1的废热量增大，提高致冷剂的热循环温度，结果，气体发动机1不用增加转速，从而气体发动机1的噪音不会增大且寿命也不会下降，能提高低温取暖时的取暖能力。

如用本实施例，作为气体发动机1的压缩机2的驱动方式，采用了齿轮G₁、G₂、G₃的齿轮驱动方式，所以能得到比已有技术中皮带驱动方式更高的动力传递效率，气体发动机1的动力更多地传递到压缩机2，使给予致冷剂的能量增加，结果是增加从致冷剂放出的放热量Q₂从而进一步提高了取暖能力。

由以上说明，根据本发明，在发动机驱动式热泵装置中有：由发动机驱动的压缩机将致冷剂循环的致冷剂循环回路和循环冷却发动机的冷却水的冷却水回路，上述循环回路设计有室内热交换器、膨胀阀及室外热交换器，上述冷却水循环回路中设计有排气热交换器，由于设计了在低温取暖时与致冷剂高压侧的压力对应地控制发动机废热量的控制装置，所以就得到不会增加发动机的噪音、也不会使其寿命下降、并能提高低温取暖时取暖能力的效果。

Claims (3)

1.一种发动机驱动式热泵装置，该装置有由发动机驱动的压缩机将致冷剂循环的致冷剂回路和冷却发动机的冷却水循环的冷却水回路，上述致冷剂回路设计有室内热交换器、膨胀阀及室外热交换器，上述冷却水回路设计有排气热交换器，其特征在于：还设置在低温取暖时与致冷剂高压侧压力对应地控制发动机废热量的控制装置。

2.如权利要求1所述的发动机驱动式热泵装置，其特征在于：上述控制装置至少对发动机的点火时期、配气正时、燃料控制阀开度中的一个进行控制。

3.如权利要求1或2所述的发动机驱动式热泵装置，其特征在于：上述压缩机用齿轮驱动方式进行驱动。

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