采用固液相變儲(chǔ)熱器的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用暖機(jī)系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用固-液相變儲(chǔ)熱器的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)暖機(jī)系統(tǒng)，尤其涉及一種采用固液相變儲(chǔ)熱器的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用暖機(jī)系統(tǒng)及其方法，利用固-液相變儲(chǔ)熱器回收排氣帶走的熱能，并用于對(duì)冷卻液加熱，從而實(shí)現(xiàn)余熱利用和起動(dòng)暖機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車排放對(duì)城市環(huán)境污染造成的影響，以及全球性的能源問(wèn)題，節(jié)能減排成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要研宄方向。綜合國(guó)際上最新的研宄進(jìn)展，提高內(nèi)燃機(jī)效率的關(guān)鍵技術(shù)途徑主要有兩條:一是以內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)高效、清潔燃燒過(guò)程的組織為目標(biāo)的新一代內(nèi)燃機(jī)燃燒理論和技術(shù)，在我國(guó)已經(jīng)有組織地開展了相關(guān)研宄；二是內(nèi)燃機(jī)余熱能的回收利用理論和技術(shù)。因此，本發(fā)明對(duì)于積極應(yīng)對(duì)國(guó)際上內(nèi)燃機(jī)節(jié)能和減排技術(shù)的挑戰(zhàn)具有重要意義。
[0003]發(fā)動(dòng)機(jī)余熱能具有低品位能到高品位能的梯級(jí)特性，排氣能流的溫度和壓力具有隨內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)和運(yùn)行工況變化的瞬態(tài)脈動(dòng)特性等特點(diǎn)，從而增加了余熱利用的難度。//汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)，由于冷卻液溫度較低，一方面造成排氣HC，CO，顆粒物含量較高；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件潤(rùn)滑不良，造成摩擦磨損加??；而在環(huán)境溫度較低時(shí)，冷啟動(dòng)比熱啟動(dòng)困難，特別是柴油機(jī)。起動(dòng)暖機(jī)可以改善上述問(wèn)題，而目前國(guó)內(nèi)外研宄中，起動(dòng)暖機(jī)技術(shù)通常是通過(guò)電加熱器對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱，這種方式對(duì)加熱器的功率需求較大，而汽車電瓶只有12V，勢(shì)必造成電流過(guò)大，功耗過(guò)高；而電瓶的充電亦是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，消耗燃油轉(zhuǎn)化而來(lái)的，既降低了轉(zhuǎn)化效率，又造成了化石燃料的浪費(fèi)。而通過(guò)本發(fā)明，將較難利用的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收，儲(chǔ)存起來(lái)，用于起動(dòng)暖機(jī)，既解決了節(jié)能問(wèn)題，又改善了排放，一舉兩得。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用固液相變儲(chǔ)熱器的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用暖機(jī)系統(tǒng)及其方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種固液相變儲(chǔ)熱器為氣、液雙通道儲(chǔ)熱器，包括儲(chǔ)熱單元、殼體和保溫層，所述的儲(chǔ)熱單元由雙層細(xì)管構(gòu)成，中心管道為冷卻液通道；外層填充相變材料，各儲(chǔ)熱單元之間的空隙與殼體間構(gòu)成了排氣通道，所述殼體上設(shè)有冷卻液入口、冷卻液出口、氣入口和氣出口，冷卻液入口和冷卻液出口通過(guò)冷卻液通道相連，所述殼體由保溫層包裹。
[0006]優(yōu)選的，所述的相變材料為相變溫度在50_90°C的常低溫相變儲(chǔ)熱材料。
[0007]更優(yōu)選的，所述的相變材料為硬脂酸微膠囊，所述硬脂酸膠囊熔點(diǎn)70.7 V，熔融焓為 203kJ/ (kg.K)。
[0008]所述固液相變儲(chǔ)熱器的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用暖機(jī)系統(tǒng)包括:
所述的固液相變儲(chǔ)熱器、MCU、冷卻液溫度傳感器、電子水泵、電子三通液閥、電子節(jié)溫器、電子風(fēng)扇、散熱器、電子液閥、電子氣閥、消音器、電子三通氣閥、排氣溫度傳感器、排氣管，四通管接頭；
發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上設(shè)有排氣溫度傳感器，排氣管接到電控三通氣閥上，三通閥的另外兩端分別連接消音器和相變儲(chǔ)熱器的進(jìn)氣口，相變儲(chǔ)熱器的排氣口出安裝有電子氣閥；
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出口處設(shè)有冷卻液溫度傳感器，然后連接到電子節(jié)溫器，電子節(jié)溫器分別連接到散熱器和四通管接頭，在四通管接頭和電子水泵之間設(shè)有電子三通液閥，電子三通液閥的另一端連接到相變儲(chǔ)熱器冷卻液入口，相變儲(chǔ)熱器冷卻液出口連接到電子液閥，電子液閥連接到四通管接頭；
冷卻液溫度傳感器和排氣溫度傳感器通過(guò)信號(hào)線連接到MCU，MCU通過(guò)控制線連接到電子水泵、電子風(fēng)扇、電子節(jié)溫器、電子三通液閥、電子液閥、電子三通氣閥和電子氣閥。
[0009]所述系統(tǒng)的余熱利用暖機(jī)方法是:
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，排氣溫度傳感器將排氣溫度信號(hào)發(fā)送給MCU，當(dāng)排氣溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，MCU控制電子三通氣閥，排氣支路選擇通過(guò)相變儲(chǔ)熱器，對(duì)相變材料進(jìn)行加熱，通過(guò)相變材料的相變過(guò)程，吸收排氣廢熱，此時(shí)，電子液閥關(guān)閉，電子三通液閥關(guān)閉通過(guò)相變儲(chǔ)熱器的加熱通道，冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，相變儲(chǔ)熱器處在儲(chǔ)熱工況；
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，MCU控制電子三通氣閥，開啟通過(guò)消音器的排氣支路，關(guān)閉通過(guò)相變儲(chǔ)熱器的支路，同時(shí)MCU控制電子三通液閥關(guān)閉通過(guò)相變儲(chǔ)熱器的加熱通道，關(guān)閉電子氣閥，關(guān)閉電子液閥，將相變儲(chǔ)熱器隔絕起來(lái)，防止排氣和冷卻液的對(duì)流散熱將相變儲(chǔ)熱器中的熱量帶走，相變儲(chǔ)熱器處于保存工況；
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)再次開啟時(shí)，MCU接收到發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火信號(hào)，控制電子三通液閥開啟通過(guò)相變儲(chǔ)熱器的加熱通道，關(guān)閉與四通管接頭之間的通道，開啟電子液閥，同時(shí)保持電子三通氣閥和電子氣閥的關(guān)閉狀態(tài)，控制電子節(jié)溫器開啟小循環(huán)，關(guān)閉大循環(huán)，同時(shí)開啟電子水泵，驅(qū)動(dòng)冷卻液循環(huán)，讓冷卻液通過(guò)相變儲(chǔ)熱器，將保存在相變材料中的熱量釋放出來(lái)，加熱冷卻液，起到迅速暖機(jī)的作用，相變儲(chǔ)熱器處于暖機(jī)工況；
發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋出水口處的冷卻液溫度傳感器將采集到的冷卻液溫度信號(hào)發(fā)送給MCU，當(dāng)冷卻液溫度高于事先設(shè)定的溫度限值，MCU控制電子三通液閥關(guān)閉關(guān)閉通過(guò)相變儲(chǔ)熱器的加熱通道，開啟與四通管接頭之間的通道，同時(shí)關(guān)閉電子液閥，結(jié)束暖機(jī)過(guò)程，冷卻系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。
[0010]以上述系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用暖機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行。通過(guò)傳感器采集的溫度信號(hào)，和事先制定好的規(guī)則，控制余熱的回收和起動(dòng)暖機(jī)的合理配合。
[0011]電子氣閥和電子三通氣閥，作為相變儲(chǔ)熱器在儲(chǔ)熱工況和保存工況之間切換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；而電子三通液閥和電子液閥作為相變儲(chǔ)熱器暖機(jī)工況開關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的控制策略是相互獨(dú)立的，將控制系統(tǒng)模塊化，便于零部件型號(hào)的更換和匹配，也有利于故障的檢測(cè)和維修。通過(guò)電子三通氣閥和電子三通液閥將相變儲(chǔ)熱器簡(jiǎn)潔地耦合到原機(jī)系統(tǒng)中，并且相變儲(chǔ)熱器也可以充當(dāng)消音器的作用，并不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)副作用。而本發(fā)明解決了余熱利用，電加熱器暖機(jī)功耗大、效率低兩大難題。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是系統(tǒng)的硬件布置示意圖； 圖2是相變儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是理想的相變儲(chǔ)熱材料溫度變化曲線，在恒定功率加熱下的溫度隨時(shí)間變化特性；
圖中，1.發(fā)動(dòng)機(jī)2.MCU 3.冷卻液溫度傳感器4.電子水泵5.電子三通液閥6.電子節(jié)溫器7.電子風(fēng)扇8.散熱器9.電子液閥10.相變儲(chǔ)熱器11.電子氣閥12.消音器13.電子三通氣閥14.排氣溫度傳感器15.排氣管。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明
本發(fā)明中采用的相變儲(chǔ)熱器10是氣、液雙通道儲(chǔ)熱器。其結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2，包括儲(chǔ)熱單元、殼體和保溫層，所述的儲(chǔ)熱單元由雙層細(xì)管構(gòu)成，中心管道為冷卻液通道；外層填充相變材料，各儲(chǔ)熱單元之間的空隙與殼體間構(gòu)成了排氣通道，所述殼體上設(shè)有冷卻液入口、冷卻液出口、氣入口和氣出口，冷卻液入口和冷卻液出口通過(guò)冷卻液通道相連，所述殼體由保溫層包裹。雙層細(xì)管均具有良好的導(dǎo)熱性，其中外層管道具有一定的彈性，以滿足相變過(guò)程的體積變化；相變儲(chǔ)熱器10的最外層由保溫材料包裹，構(gòu)成保溫層，減少熱量的散失。
[0014]選用的固-液相變儲(chǔ)熱材料，應(yīng)具備如圖3所示的溫度特性。本發(fā)明中選用相變溫度和相變潛熱都較高的硬脂酸微膠囊，硬脂酸熔點(diǎn)70.7°C，熔融焓203kJ/kg.Κ。也可選擇其他相變溫度在50~90°C的常低溫相變儲(chǔ)熱材料。
[0015]如圖1所示，所述固液相變儲(chǔ)熱器10的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用暖機(jī)系統(tǒng)包括:
所述的固液相變儲(chǔ)熱器10、MCU、冷卻液溫度傳感器3、電子水泵4、電子三通液閥5、電子節(jié)溫器6、電子風(fēng)扇7、散熱器8、電子液閥9、電子氣閥11、消音器12、電子三通氣閥13、排氣溫度傳感器