CN106762240A - 一种废气及废热再利用***、发动机及车辆 - Google Patents

一种废气及废热再利用***、发动机及车辆 Download PDF

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CN106762240A CN201611091671.9A CN201611091671A CN106762240A CN 106762240 A CN106762240 A CN 106762240A CN 201611091671 A CN201611091671 A CN 201611091671A CN 106762240 A CN106762240 A CN 106762240A
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李连豹
蒋恩杰
韦虹
李双清
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Abstract

本发明公开了一种废气及废热再利用***、发动机及车辆，涉及车辆。废气及废热再利用***应用于车辆，所述车辆包括发动机、发动机水路及发动机气路，废气及废热再利用***包括EGR***和废热回收***。EGR***布置在所述发动机气路处，用于将所述发动机排出的废气冷却之后再循环回流至所述发动机中重复利用，同时将废气用于所述发动机暖机。废热回收***布置在所述发动机水路处，用于在所述发动机低温冷启动时，通过所述EGR***吸收废热给所述发动机暖机。本发明在车辆发动机上设置废气及废热再利用***，将废热回收***集成到EGR***中，让发动机排气侧的结构布置更加紧凑，避免目前废热回收技术应用过程中换热器受热不均、局部沸腾的风险。

Description

一种废气及废热再利用***、发动机及车辆
技术领域
本发明涉及车辆，特别涉及一种废气及废热再利用***、发动机及车辆。
背景技术
EGR(英文全称：Exhaust Gas Recirculation，中文译文：废气再循环)技术和废热回收技术在发动机节油、减排等方面有重要的作用。随着国家排放法规的日益严苛，应用EGR技术和废热回收技术必然会成为各大主机厂发动机技术升级的主流。
但低压EGR技术和废热回收技术在增压汽油发动机上的应用，尚面临着一些难题。第一、低压EGR技术和废热回收技术的应用，让发动机排气侧的结构布置更加复杂，不利于发动机的紧凑化设计。第二、发动机低温冷启动时，EGR***不工作，EGR阀关闭，冷却液流经EGR冷却器，一定程度上增加了冷却液的散热损失，延长了暖机时间，对发动机的油耗和排放不利。第三、目前废热回收技术的应用过程中，存在换热器受热不均、局部沸腾的风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种废气及废热再利用***，缩短了低温冷启动时发动机的暖机时间，使发动机排气侧的结构布置更加紧凑，避免了目前废热回收技术应用过程中，存在的换热器受热不均、局部沸腾的风险。
本发明的另一目的在于提供一种设置有废气及废热再利用***的增压汽油发动机，该发动机的结构紧凑，在冷启动时具有很好的暖机效果。
本发明的又一目的在于提供一种车辆，该车辆设置有加有废气及废热再利用***增压汽油发动机，使得本车辆的废热被回收，缩短暖机时间，加快车辆启动速度。
特别地，本发明提供一种废气及废热再利用***，应用于车辆，所述车辆包括发动机、发动机水路及发动机气路，废气及废热再利用***包括：
EGR***，布置在所述发动机气路处，用于将所述发动机排出的废气冷却之后再循环回流至所述发动机中重复利用，同时将废气用于所述发动机暖机；和
废热回收***，布置在所述发动机水路处，用于在所述发动机低温冷启动时，通过所述EGR***吸收废热给所述发动机暖机。
进一步地，所述发动机气路包括空气进气管、进气岐管、排气岐管及废气排气管，以及通过管道连接的涡轮增加器、中冷器、节气门和三元催化器，其中，新鲜空气由所述空气进气管经所述涡轮增加器、所述中冷器、所述节气门及所述进气岐管至所述发动机，所述发动机产生的废气由所述排气歧管经所述涡轮增加器及所述三元催化器至所述废气排气管；
所述EGR***包括通过管道连接的催化器后废热回收控制阀、冷却和换热集成模块、冷却器后废热回收控制阀、EGR阀及EGR混合器，其中，所述EGR混合器安装在所述空气进气管中，所述催化器后废热回收控制阀安装在所述三元催化器之后以及所述废气排气管之前，所述三元催化器的出口经所述冷却和换热集成模块及所述EGR阀连接至所述EGR混合器，所述冷却和换热集成模块的出口经所述冷却器后废热回收控制阀连接至所述废气排气管。
进一步地，所述冷却和换热集成模块包括本体，所述本体两端分别设有废气进口和废气出口，所述本体外周壁处设有冷却液入口和冷却液出口，所述本体具有夹层且内部为中空状，所述夹层与所述冷却液入口和所述冷却液出口相连通，所述本体内周壁设置有向外突出的翅片。
进一步地，在所述发动机低温冷启动时，所述EGR阀和所述催化器后废热回收控制阀关闭，所述冷却器后废热回收控制阀开启，进入到所述冷却和换热集成模块的废气加热其中的冷却液，加速所述发动机暖机以缩短所述发动机暖机时间；当所述发动机完成暖机，所述催化器后废热回收阀开启，所述冷却器后废热回收控制阀关闭。
进一步地，当所述发动机在暖机过程中有较大的功率和扭矩需求时，此时，所述EGR***不工作，所述EGR阀关闭，排气背压骤然增加到设定值，所述冷却器后废热回收控制阀关闭，所述催化器后废热回收控制阀开启，以保证发动机较大的功率和扭矩输出。
进一步地，当所述EGR***工作时，所述EGR阀开启，所述催化器后废热回收阀开启，所述冷却器后废热回收控制阀关闭，所述冷却和换热集成模块执行EGR冷却器的作用，所述冷却和换热集成模块中的冷却液对废气进行冷却。
进一步地，所述发动机水路包括：
中冷却器；
缸体水套，套装于所述发动机的缸体上，用于给所述缸体降温或者加热；
机油冷却模块，与所述缸体水套之间相互交互连接，用于机油的冷却或者加热；
缸盖水套，套装于所述发动机的缸盖上，用于给所述缸盖降温或者加热；
缸盖与排气歧管集成水套，套装于排气歧管上，并与所述缸盖水套相互交互连接，用于给缸盖和排气歧管冷却或者加热；
增压器冷却模块，套装于涡轮增压器上，用于给涡轮增压器降温；
节温器，用于自动调节水流温度，控制冷却液流动路径；
暖通模块，连接于所述节温器的出水口处；
水泵，用于提供水流动力；
和
膨胀水壶，与所述节温器和所述缸盖与排气歧管集成水套连接，避免所述发动机水路的压力过高，所述膨胀水壶中的水最后还与所述水泵进水口管路连接；
所述废热回收***包括与所述EGR***共用的冷却和换热集成模块，所述冷却和换热集成模块的水路与所述暖通模块和所述水泵串联；
其中，所述水泵的出水口分别与所述缸体水套、所述缸盖水套、所述缸盖与排气歧管集成水套和所述增压器冷却模块的进水口相连接，所述缸体水套和所述缸盖水套出水口与所述节温器进水口连接，所述节温器出水口与暖通模块进水口连接，所述暖通模块的出水口管路与所述冷却和换热集成模块的进水口连接；所述冷却和换热集成模块与所述增压器冷却模块的出水口管路及所述水泵的进水口连接；所述中冷器进水口与所述节温器的出水口连接，所述中冷器的出水口与所述水泵连接。
进一步地，所述发动机低温冷启动时，所述水泵开启，冷却液循环开始，此时，EGR阀和催化器后废热回收控制阀关闭，所述冷却器后废热回收控制阀开启，所述冷却液经过所述暖通模块，进入到所述冷却和换热集成模块，低温冷却液被进入到所述冷却和换热集成模块的废气加热，被加热的冷却液被泵入所述增压器冷却模块和所述缸盖水套，经所述节温器和所述暖通模块，进入到所述冷却和换热集成模块继续加热，不断循环，加速所述发动机暖机以缩短发动机暖机时间。
本发明还提供一种发动机，所述发动机为增压汽油发动机，还包括上面所述的废气及废热再利用***。
本发明还提供一种车辆，包括车体和上面所述的发动机，所述发动机设置于车体内部。
本发明在车辆发动机上设置废气及废热再利用***，包括EGR***和废热回收***，将废热回收***集成到EGR***中，让发动机排气侧的结构布置更加紧凑。本发明废气及废热再利用***避免目前废热回收技术应用过程中换热器受热不均、局部沸腾的风险。
本发明当发动机低温冷启动时，通过控制***控制EGR阀和催化器后废热回收控制阀关闭，冷却器后废热回收控制阀开启，废气进入冷却和换热集成模块加热冷却液，加热冷却液，加速发动机暖机，经过净化的废气通过冷却和换热集成模块，经废热回收阀，进入排气管路排出，EGR技术和废热回收技术的集成应用，缩短了低温冷启动时发动机的暖机时间。当发动机在暖机过程中有较大的功率和扭矩需求时，控制***控制EGR***不工作，EGR阀关闭，排气背压骤然增加到设定值，冷却器后废热回收控制阀关闭，催化器后废热回收控制阀开启，以保证发动机有较大的功率和扭矩输出。
本发明还公开设置有增压汽油发动机以及设置有该发动机的车辆，本发动机的结构紧凑，暖机时间短，该发动机占车辆的体积小，有利于车辆的小型化和美观；本发明的车辆的尾气被充分利用，增加能量利用率，更节能环保；由于废热被充分用于暖机，大大缩短了车辆的启动时间。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的发动机在正常启动时的废气及废热再利用***结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的发动机在低温冷启动时的废气及废热再利用***结构示意图；
图3是按照本发明一个实施例的冷却和换热集成模块的结构示意图；
图4是按照本发明一个实施例的废热回收***与发动机水路的结构示意图；
图5是按照本发明一个实施例的车辆的结构示意图。
具体实施方式
图1和图2是根据本发明一个实施例的废气及废热再利用***的结构示意图。
图1或者图2中显示废气及废热再利用***。该废气及废热再利用***应用于车辆400(如图5所示)，所述车辆400包括发动机100、发动机水路200及发动机气路300，废气及废热再利用***包括EGR***310和废热回收***。EGR***310布置在所述发动机气路300处，用于将所述发动机100排出的废气冷却之后再循环回流至所述发动机100中重复利用，同时将废气用于所述发动机100暖机。废热回收***布置在所述发动机水路200处，用于在所述发动机100低温冷启动时，通过所述EGR***310吸收废热给所述发动机100暖机。本发明将废热回收***集成到EGR***310中，让发动机100排气侧的结构布置更加紧凑，避免了目前废热回收技术应用过程中换热器受热不均、局部沸腾的风险。
所述发动机气路300包括空气进气管301、进气岐管302、排气岐管303及废气排气管304，以及通过管道连接的涡轮增加器305、中冷器306、节气门307和三元催化器308。其中，新鲜空气由所述空气进气管301经所述涡轮增加器305、所述中冷器306、所述节气门307及所述进气岐管302至所述发动机100，所述发动机100产生的废气由所述排气歧管303经所述涡轮增加器305及所述三元催化器308至所述废气排气管304。所述EGR***310包括通过管道连接的催化器后废热回收控制阀311、冷却和换热集成模块312、冷却器后废热回收控制阀313、EGR阀314及EGR混合器315。其中，所述EGR混合器315安装在所述空气进气管301中，所述催化器后废热回收控制阀311安装在所述三元催化器308之后以及所述废气排气管304之前，所述三元催化器308的出口经所述冷却和换热集成模块312及所述EGR阀314连接至所述EGR混合器315，所述冷却和换热集成模块312的出口经所述冷却器后废热回收控制阀313连接至所述废气排气管304。EGR阀314入口管路附近布置温度传感器317，EGR阀314两端接压差传感器318。
图3示出了冷却和换热集成模块312的结构示意图。所述冷却和换热集成模块312包括本体，所述本体两端分别设有废气进口3121和废气出口3122，所述本体外周壁处设有冷却液入口3123和冷却液出口3124，所述本体具有夹层且内部为中空状，所述夹层与所述冷却液入口3123和所述冷却液出口3124相连通，所述本体内周壁设置有向外突出的翅片3125。该换冷却与热集成模块312中加入翅片3125，使冷却液在流通时更均匀，从而对废气的冷却效果更好。
作为一种实施方式，如图1所示，方向A为发动机100新鲜空气的进气方向；方向B为EGR***310的废气的气流方向；方向C为新鲜空气和EGR***310的废气混合后形成的混合气的气流方向；方向D为发动机涡轮增压器305后废气的气流方向；方向E为未进入EGR***310的废气的气流方向；方向F为进入EGR***310的废气的气流方向；方向J为EGR***310工作时的废气的气流方向。
在该实施方式中，当发动机100正常运行，EGR***310工作时，***气体流向如图1所示，EGR阀314开启，冷却器后废热回收控制阀313关闭，催化器后废热回收控制阀311开启，废气经排气歧管303进入涡轮增压器305涡轮机入口，从涡轮增压器305涡轮机出口出，经过单级三元催化器308净化之后，部分废气通过进气管，进入EGR***310进行再循环，EGR气体由冷却和换热集成模块直接冷却，由EGR阀314精确控制EGR气体流量，气体通过EGR阀314之后，进入EGR混合器315和部分新鲜空气混合，混合气进入压气机前进气管和压气机前进气管新鲜空气进行再度混合，通过压气机压缩，经中冷器306、节气门307、进气歧管302，进入气缸燃烧。
作为另一种实施方式，如图2中所示，方向A为发动机100新鲜空气的进气方向；方向C为新鲜空气和EGR***310的废气混合后形成的混合气的气流方向；方向D为发动机涡轮增压器305后废气的气流方向；方向H为发动机100低温冷启动时进入废热回收***的废气的气流方向；方向I为经过冷却器后废热回收控制阀313的废气的气流方向，方向G为废热回收***工作时流出的废气的气流方向。
在该实施方式中，当发动机100低温冷启动时，EGR***310不工作，EGR阀314关闭，冷却器后废热回收控制阀313开启，催化器后废热回收控制阀311关闭，废气通过EGR进气管，进入冷却和换热集成模块312，对冷却液进行加热，加速发动机100暖机，缩短发动机100暖机时间，经过净化的废气经过冷却和换热集成模块312冷却之后，经冷却器后废热回收控制阀313，通过废热回收管路进入排气管路排放到大气中。EGR***310在低温冷启动时具备废热回收功能，缩短了发动机100暖机时间，同时，让发动机100布置更加紧凑，此外，避免了目前废热回收技术应用过程中换热器受热不均、局部沸腾的风险。
当所述发动机完成暖机，所述催化器后废热回收阀开启，所述冷却器后废热回收控制阀313关闭。EGR技术和废热回收技术的集成应用，缩短了低温冷启动时发动机100的暖机时间。
当所述发动机100在暖机过程中有较大的功率和扭矩需求时，此时，所述EGR***310不工作，所述EGR阀314关闭，排气背压骤然增加到设定值，所述冷却器后废热回收控制阀313关闭，所述催化器后废热回收控制阀311开启，以保证发动机100较大的功率和扭矩输出。
当所述EGR***310工作时，所述EGR阀314开启，所述催化器后废热回收阀开启，所述冷却器后废热回收控制阀313关闭，所述冷却和换热集成模块312执行EGR冷却器的作用，所述冷却和换热集成模块312中的冷却液对废气进行冷却。
图4示出了废热回收***与发动机水路200的结构示意图。所述发动机水路200包括：中冷却器201、缸体水套202、机油冷却模块203、缸盖水套204、缸盖与排气歧管集成水套205、增压器冷却模块206、节温器207、暖通模块208、水泵209和膨胀水壶211。
缸体水套202套装于所述发动机100的缸体上，用于给所述缸体降温或者加热。机油冷却模块203与所述缸体水套202之间相互交互连接，用于机油的冷却或者加热。缸盖水套204套装于所述发动机100的缸盖上，用于给所述缸盖降温或者加热。缸盖与排气歧管集成水套205套装于排气歧管上，并与所述缸盖水套204相互交互连接，用于给缸盖和排气歧管冷却或者加热。增压器冷却模块206套装于涡轮增压器上，用于给涡轮增压器305降温。节温器207用于自动调节水流温度，控制冷却液流动路径。暖通模块208连接于所述节温器207的出水口处。水泵209用于提供水流动力。膨胀水壶211与所述节温器207和所述缸盖与排气歧管集成水套205连接，避免所述发动机100水路的压力过高，所述膨胀水壶211中的水最后还与所述水泵209进水口管路连接。所述废热回收***包括与所述EGR***310共用的冷却和换热集成模块312，所述冷却和换热集成模块312的水路与所述暖通模块208和所述水泵209串联。其中，所述水泵209的出水口分别与所述缸体水套202、所述缸盖水套204、所述缸盖与排气歧管集成水套205和所述增压器冷却模块206的进水口相连接，所述缸体水套202和所述缸盖水套204出水口与所述节温器207进水口连接，所述节温器207出水口与暖通模块208进水口连接，所述暖通模块208的出水口管路与所述冷却和换热集成模块312的进水口连接。所述冷却和换热集成模块312与所述增压器冷却模块206的出水口管路及所述水泵209的进水口连接。所述中冷器306进水口与所述节温器207的出水口连接，所述中冷器306的出水口与所述水泵209连接。
冷却和换热集成模块312的水路与暖通***串联。所述发动机100低温冷启动时，所述水泵209开启，冷却液循环开始，此时，EGR阀314和催化器后废热回收控制阀311关闭，所述冷却器后废热回收控制阀313开启，所述冷却液经过所述暖通模块208，进入到所述冷却和换热集成模块312，低温冷却液被进入到所述冷却和换热集成模块312的废气加热，被加热的冷却液被泵入所述增压器冷却模块206和所述缸盖水套204，经所述节温器207和所述暖通模块208，进入到所述冷却和换热集成模块312继续加热，不断循环，加速所述发动机100暖机以缩短发动机100暖机时间。
本发明还提供一种发动机100，所述发动机100为增压汽油发动机，还包括上面所述的废气及废热再利用***。
图5示出了一种汽车的结构示意图，本发明还提供一种车辆400，包括车体和上面所述的发动机100，所述发动机100设置于车体内部。本发明中所述车辆400包括设置于车体内部的发动机100、发动机水路200及发动机气路300，所示发动机水路200与所述发动机气路300上集成设置有废气及废热再利用***。所述废气及废热再利用***包括布置在所述发动机气路300处的EGR***310和布置在所述发动机水路200处的废热回收***。
利用设置有废气及废热再利用***的发动机100的车辆400的结构紧凑，暖机时间短，使本车辆400可以制作成较小体积的车型，非常美观，同时也减少了车辆400的原材料消耗；另外就是加速了车辆400的启动时间，提高了用户驾车体验。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种废气及废热再利用***，应用于车辆，所述车辆包括发动机、发动机水路及发动机气路，其特征在于，废气及废热再利用***包括：
EGR***，布置在所述发动机气路处，用于将所述发动机排出的废气冷却之后再循环回流至所述发动机中重复利用，同时将废气用于所述发动机暖机；和
废热回收***，布置在所述发动机水路处，用于在所述发动机低温冷启动时，通过所述EGR***吸收废热给所述发动机暖机。
2.根据权利要求1所述的废气及废热再利用***，其特征在于，所述发动机气路包括空气进气管、进气岐管、排气岐管及废气排气管，以及通过管道连接的涡轮增加器、中冷器、节气门和三元催化器，其中，新鲜空气由所述空气进气管经所述涡轮增加器、所述中冷器、所述节气门及所述进气岐管至所述发动机，所述发动机产生的废气由所述排气歧管经所述涡轮增加器及所述三元催化器至所述废气排气管；
所述EGR***包括通过管道连接的催化器后废热回收控制阀、冷却和换热集成模块、冷却器后废热回收控制阀、EGR阀及EGR混合器，其中，所述EGR混合器安装在所述空气进气管中，所述催化器后废热回收控制阀安装在所述三元催化器之后以及所述废气排气管之前，所述三元催化器的出口经所述冷却和换热集成模块及所述EGR阀连接至所述EGR混合器，所述冷却和换热集成模块的出口经所述冷却器后废热回收控制阀连接至所述废气排气管。
3.根据权利要求2所述的废气及废热再利用***，其特征在于，所述冷却和换热集成模块包括本体，所述本体两端分别设有废气进口和废气出口，所述本体外周壁处设有冷却液入口和冷却液出口；所述本体具有夹层且内部为中空状，所述夹层与所述冷却液入口和所述冷却液出口相连通，所述本体内周壁设置有向外突出的翅片。
4.根据权利要求2或3所述的废气及废热再利用***，其特征在于，在所述发动机低温冷启动时，所述EGR阀和所述催化器后废热回收控制阀关闭，所述冷却器后废热回收控制阀开启，进入到所述冷却和换热集成模块的废气加热其中的冷却液，加速所述发动机暖机以缩短所述发动机暖机时间；当所述发动机完成暖机，所述催化器后废热回收阀开启，所述冷却器后废热回收控制阀关闭。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的废气及废热再利用***，其特征在于，当所述发动机在暖机过程中有较大的功率和扭矩需求时，此时，所述EGR***不工作，所述EGR阀关闭，排气背压骤然增加到设定值，所述冷却器后废热回收控制阀关闭，所述催化器后废热回收控制阀开启，以保证发动机较大的功率和扭矩输出。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的废气及废热再利用***，其特征在于，当所述EGR***工作时，所述EGR阀开启，所述催化器后废热回收阀开启，所述冷却器后废热回收控制阀关闭，所述冷却和换热集成模块执行EGR冷却器的作用，所述冷却和换热集成模块中的冷却液对废气进行冷却。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的废气及废热再利用***，其特征在于，所述发动机水路包括：
中冷却器；
缸体水套，套装于所述发动机的缸体上，用于给所述缸体降温或者加热；
机油冷却模块，与所述缸体水套之间相互交互连接，用于机油的冷却或者加热；
缸盖水套，套装于所述发动机的缸盖上，用于给所述缸盖降温或者加热；
缸盖与排气歧管集成水套，套装于排气歧管上，并与所述缸盖水套相互交互连接，用于给缸盖和排气歧管冷却或者加热；
增压器冷却模块，套装于涡轮增压器上，用于给涡轮增压器降温；
节温器，用于自动调节水流温度，控制冷却液流动路径；
暖通模块，连接于所述节温器的出水口处；
水泵，用于提供水流动力；
和
膨胀水壶，与所述节温器和所述缸盖与排气歧管集成水套连接，避免所述发动机水路的压力过高，所述膨胀水壶中的水最后还与所述水泵进水口管路连接；
所述废热回收***包括与所述EGR***共用的冷却和换热集成模块，所述冷却和换热集成模块的水路与所述暖通模块和所述水泵串联；
其中，所述水泵的出水口分别与所述缸体水套、所述缸盖水套、所述缸盖与排气歧管集成水套和所述增压器冷却模块的进水口相连接，所述缸体水套和所述缸盖水套出水口与所述节温器进水口连接，所述节温器出水口与暖通模块进水口连接，所述暖通模块的出水口管路与所述冷却和换热集成模块的进水口连接；所述冷却和换热集成模块与所述增压器冷却模块的出水口管路及所述水泵的进水口连接；所述中冷器进水口与所述节温器的出水口连接，所述中冷器的出水口与所述水泵连接。
8.根据权利要求7所述的废气及废热再利用***，其特征在于，所述发动机低温冷启动时，所述水泵开启，冷却液循环开始，此时，EGR阀和催化器后废热回收控制阀关闭，所述冷却器后废热回收控制阀开启，所述冷却液经过所述暖通模块，进入到所述冷却和换热集成模块，低温冷却液被进入到所述冷却和换热集成模块的废气加热，被加热的冷却液被泵入所述增压器冷却模块和所述缸盖水套，经所述节温器和所述暖通模块，进入到所述冷却和换热集成模块继续加热，不断循环，加速所述发动机暖机以缩短发动机暖机时间。
9.一种发动机，所述发动机为增压汽油发动机，还包括权利要求1-8中任一项所述的废气及废热再利用***。
10.一种车辆，包括车体和权利要求9所述的发动机，所述发动机设置于车体内部。
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