CN204694133U - 采用固液相变储热器的发动机冷却液余热利用暖机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用固液相变储热器的发动机冷却液余热利用暖机系统。该系统包括：温度传感器、电子节温器、电子风扇、散热器、所述的固液相变储热器、电子三通阀和MCU；冷却液流过相变储热器，对相变材料进行加热，相变材料发生相变，吸收大量潜热，将发动机的多余的热量转移到相变储热器中保存起来，用于起动暖机。电子节温器和电子三通阀由MCU控制，始终保持同步运行，保证了不影响发动机冷却系统正常工作的前提。当发动机停机后，电子节温器和电子三通阀关闭大循环，将相变储热器封闭起来，进入能量保存状态。这样就在几乎不增加原机功耗的情况下，实现了余热回收。而起动暖机过程也在没有增加发动机功耗的情况下得以实现。

Description

采用固液相变储热器的发动机冷却液余热利用暖机系统

技术领域

本实用新型涉及一种采用固-液相变储热器的发动机起动暖机系统，尤其涉及一种采用固液相变储热器的发动机冷却液余热利用暖机系统及其方法，利用相变储热器回收冷却液带走的热能，并用于起动暖机。

背景技术

由于以内燃机为动力的汽车排放对城市环境污染造成的影响，以及全球性的能源问题，节能减排成为汽车发动机的重要研究方向。综合国际上最新的研究进展，提高内燃机效率的关键技术途径主要有两条：一是以内燃机缸内高效、清洁燃烧过程的组织为目标的新一代内燃机燃烧理论和技术，在我国已经有组织地开展了相关研究；二是内燃机余热能的回收利用理论和技术。因此，本实用新型对于积极应对国际上内燃机节能和减排技术的挑战具有重要意义。

发动机余热能具有低品位能到高品位能的梯级特性，排气能流的温度和压力具有随内燃机工作循环和运行工况变化的瞬态脉动特性等特点，从而增加了余热利用的难度。//  汽车冷启动时，由于冷却液温度较低，一方面造成排气HC，CO，颗粒物含量较高；另一方面，发动机零部件润滑不良，造成摩擦磨损加剧；而在环境温度较低时，冷启动比热启动困难，特别是柴油机。起动暖机可以改善上述问题，而目前国内外研究中，起动暖机技术通常是通过电加热器对冷却液进行加热，这种方式对加热器的功率需求较大，而汽车电瓶只有12V，势必造成电流过大，功耗过高；而电瓶的充电亦是由发动机通过皮带带动发电机运转，消耗燃油转化而来的，既降低了转化效率，又造成了化石燃料的浪费。而通过本实用新型，将较难利用的发动机余热回收，储存起来，用于起动暖机，既解决了节能问题，又改善了排放，一举两得。

发明内容

本实用新型设计了一种采用固-液相变储热器的发动机余热利用起动暖机系统，用相变储热器将发动机由冷却液带走的热量回收储存起来，在发动机下次启动时，通过相变材料的相变过程将潜热释放出来，加热冷却液，使发动机迅速暖机。既解决了余热利用，又解决了起动暖机问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种固液相变储热器为单通道储热器，包括储热单元、壳体和保温层，所述的储热单元为由相变材料填充的细管，储热单元包裹在冷却液通道内，各储热单元之间的空隙由冷却液充满，冷却液通道外层与外壳包围的区域是抽成真空的隔热层，所述壳体上设有冷却液入口、冷却液出口和抽出口，冷却液入口和冷却液出口通过冷却液通道相连，所述壳体由保温层包裹。

优选的，所述的相变材料为相变温度在50-90℃的常低温相变储热材料。

更优选的，所述的相变材料为硬脂酸微胶囊，所述硬脂酸胶囊熔点70.7℃，熔融焓为203kJ/（kg·K）。

所述固液相变储热器的发动机余热利用暖机系统包括：温度传感器、电子节温器、电子风扇、散热器、所述的固液相变储热器、电子三通阀和MCU；

发动机冷却液出口处设有温度传感器，相变储热器安装于小循环通道上，相变储热器进水口连接到电子节温器上，出水口连接到电子三通阀上，电子三通阀另外两端分别连接电子水泵和散热器，构成整个冷却液循环通道；

温度传感器通过信号线连接到MCU，MCU通过控制线连接到电子水泵、电子风扇、电子节温器、电子三通阀。

所述系统的余热利用暖机方法是：

当发动机正常工作时，MCU控制电子节温器和电子三通阀始终保持同步工作，即保证相同的大小循环开度，让温度较高的冷却液通过相变储热器，与温度较低的相变材料发生热交换，将热能储存在相变储热器中，相变储热器在发动机运行的过程中始终处于储能的过程，当储热单元的温度达到与冷却液温度相同时，自动结束储能；

当发动机停止工作时，MCU控制电子节温器和电子三通阀关闭小循环，从而防止因冷却液对流将相变储热器中的热量带走，起到保温、储能的作用，发动机停机之后，相变储热器处于封闭状态，以保存能量；

当发动机再次开启时，MCU接收到发动机的点火信号，控制电子节温器和电子三通阀同时开启小循环，关闭大循环，同时控制电子水泵工作，让冷却液在发动机和相变储热器中流动，将相变储热器中储存的热能释放出来，加热冷却液，起到迅速暖机的作用，此时，相变储热器处于暖机工况；

当发动机小循环中冷却液温度逐渐升高，发动机冷却系统恢复正常工作，MCU根据冷却液温度控制电子节温器对冷却液流量的进行大小循环的分配，当冷却液温度高于储热器中相变材料的温度时，相变储热器自动转换成储能工况。

以上述系统控制发动机余热利用暖机系统正常运行。通过传感器采集的温度信号，和事先制定好的规则，控制余热的回收和起动暖机的合理配合。

电子节温器和电子三通阀由MCU控制，始终保持同步运行，保证了不影响发动机冷却系统正常工作的前提。当发动机停机后，电子节温器和电子三通阀关闭大循环，将相变储热器封闭起来，进入能量保存状态。这样就在几乎不增加原机功耗的情况下，实现了余热回收。而起动暖机过程也在没有增加发动机功耗的情况下得以实现。既解决了余热利用的难题，又解决了冷启动的问题，一举两得。

附图说明

图1是系统的硬件布置示意图；

图2是相变储热器结构示意图；

图3是理想的相变储热材料温度变化曲线，在恒定功率加热下的温度随时间变化特性；

图中，1.发动机，2.温度传感器，3.电子节温器，4.电子风扇，5.散热器，6.相变储热器，7.电子三通阀7，8.电子水泵8，9.MCU。

具体实施方式                  

如图1所示， 采用所述固液相变储热器6的发动机1余热利用暖机系统包括：温度传感器2、电子节温器3、电子风扇4、散热器5、所述的固液相变储热器6、电子三通阀7和MCU；

发动机1冷却液出口处设有温度传感器2，相变储热器6安装于小循环通道上，相变储热器6进水口连接到电子节温器3上，出水口连接到电子三通阀7上，电子三通阀7另外两端分别连接电子水泵8和散热器5，构成整个冷却液循环通道；

温度传感器2通过信号线连接到MCU，MCU通过控制线连接到电子水泵8、电子风扇4、电子节温器3、电子三通阀7。

本实用新型中采用的相变储热器6是冷却液单通道储热器。其结构参见图2，包括储热单元、壳体和保温层，所述的储热单元为由相变材料填充的细管，细管具有一定弹性，以满足相变过程的体积变化，并具有良好的导热性，储热单元包裹在冷却液通道内，各储热单元之间的空隙由冷却液充满，冷却液通道外层与外壳包围的区域是抽成真空的隔热层，所述壳体上设有冷却液入口、冷却液出口和抽出口，冷却液入口和冷却液出口通过冷却液通道相连，所述壳体由保温层包裹。

选用的固-液相变储热材料，应具备如图3所示的温度特性。本实用新型选用相变温度和相变潜热都较高的硬脂酸微胶囊，硬脂酸熔点70.7℃，熔融焓203kJ/kg·K。也可选择其他相变温度在50~90℃的常低温相变储热材料。

相变储热器6串联安装于冷却系统小循环管路上，参见图1。

本实用新型采用MCU控制电子三通阀7和电子节温器3，对相变储热器6进行控制，具体控制策略如下：

当发动机1正常工作时，MCU控制电子节温器3和电子三通阀7始终保持同步工作，即保证相同的大小循环开度。让温度较高的冷却液通过相变储热器6，与温度较低的相变材料发生热交换，将热能储存在相变储热器6中。相变储热器6在发动机1运行的过程中始终处于储能的过程，当储热单元的温度达到与冷却液温度相同时，自动结束储能。

当发动机1停止工作时，MCU控制电子节温器3和电子三通阀7关闭小循环，从而防止因冷却液对流将相变储热器6中的热量带走，起到保温、储能的作用。发动机1停机之后，相变储热器6处于封闭状态，以保存能量。

当数小时后，发动机1再次开启时，MCU接收到发动机1的点火信号，控制电子节温器3和电子三通阀7同时开启小循环，关闭大循环，同时控制电子水泵8工作，让冷却液在发动机1和相变储热器6中流动，将相变储热器6中储存的热能释放出来，加热冷却液，起到迅速暖机的作用。此时，相变储热器6处于暖机工况。

当发动机1小循环中冷却液温度逐渐升高，发动机1冷却系统恢复正常工作，MCU根据冷却液温度控制电子节温器3对冷却液流量的进行大小循环的分配，当冷却液温度高于储热器中相变材料的温度时，相变储热器6自动转换成储能工况。

在这个系统中，电子节温器3和电子三通阀7由MCU控制，始终保持同步运行，保证了不影响发动机1冷却系统正常工作的前提。当发动机1停机后，电子节温器3和电子三通阀7关闭大循环，将相变储热器6封闭起来，进入能量保存状态。这样就在几乎不增加原机功耗的情况下，实现了余热回收。而起动暖机过程也在没有增加发动机1功耗的情况下得以实现。既解决了余热利用的难题，又解决了冷启动的问题，一举两得。

Claims (4)

1.一种固液相变储热器，其特征在于所述的储热器为单通道储热器，包括储热单元、壳体和保温层，所述的储热单元为由相变材料填充的细管，并储热单元包裹在冷却液通道内，各储热单元之间的空隙由冷却液充满，冷却液通道外层与外壳包围的区域是抽成真空的隔热层，所述壳体上设有冷却液入口、冷却液出口和抽出口，冷却液入口和冷却液出口通过冷却液通道相连，所述壳体由保温层包裹。

2.根据权利要求1所述的固液相变储热器，其特征在于所述的相变材料为相变温度在50-90℃的常低温相变储热材料。

3.根据权利要求2所述的固液相变储热器，其特征在于所述的相变材料为硬脂酸微胶囊，所述硬脂酸胶囊熔点70.7℃，熔融焓为203kJ/（kg·K）。

4.一种采用如权利要求1所述固液相变储热器的发动机余热利用暖机系统，其特征在于包括：温度传感器、电子节温器、电子风扇、散热器、所述的固液相变储热器、电子三通阀和MCU；

发动机冷却液出口处设有温度传感器，相变储热器安装于小循环通道上，相变储热器进水口连接到电子节温器上，出水口连接到电子三通阀上，电子三通阀另外两端分别连接电子水泵和散热器，构成整个冷却液循环通道；

温度传感器通过信号线连接到MCU，MCU通过控制线连接到电子水泵、电子风扇、电子节温器、电子三通阀。