[发明专利]一种回收内燃机余热的小型化集成系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种回收内燃机余热的小型化集成系统，该系统通过采用CO₂动力循环回收内燃机余热，改善内燃机燃油经济性，通过取代内燃机原散热器、中冷器、EGR冷却器而实现小型化集成，有利于余热回收系统在整车上的应用。通过控制各阀门和工质泵转速，在内燃机低速工况下仅回收排气余热，保证内燃机正常运行；在内燃机高速工况下工质两路并联，各支路分别串联回收低温缸套水余热和高温排气余热、低温增压空气余热和高温EGR余热，实现内燃机余热的最大化回收利用且不影响内燃机运行。CO₂动力循环膨胀机输出功可通过机械连接并入内燃机曲轴输出功或发电以驱动车辆附件或驱动工质泵，改善内燃机燃油经济性。

技术领域

本发明涉及整车热管理领域，尤其涉及一种回收内燃机余热的小型化集成系统。

背景技术

内燃机作为车辆的主要动力设备，受当前技术限制，其热效率只有30％～45％，其余能量通过排气、冷却系统、润滑油系统耗散到大气中。其中，除去5％左右的摩擦损失外，排气余热能量常常达到燃烧总能量的25％～30％，温度可达200～600℃，冷却系统中缸套水余热能量通常达到燃烧总能量的15％～20％，温度为80～90℃，废气再循环(EGR)余热能量通常达到5％～8％，温度为200～750℃，增压空气余热能量通常达到5％～7％，温度为120～160℃，如果能够将内燃机的余热回收利用，则可有效改善内燃机的燃油经济性。

当前国内外针对内燃机余热回收进行了大量的研究，主要认为有机朗肯循环是最具潜力的余热回收技术。然而基于有机朗肯循环的余热回收系统带来的结构庞大、工质泄漏、难以完全回收余热等问题成为限制其工程应用的最主要原因。

CO₂作为自然工质，安全环保，以CO₂为工质的动力循环在核能、太阳能领域已经逐步成熟甚至实现工程应用，CO₂动力循环系统凸显了其小型化优势，特别是在换热器和膨胀机的结构上，微通道换热器和小型单级透平膨胀机的使用使系统紧凑度更高。此外，CO₂临界温度为31.1℃，定压比热、密度、粘度等物性参数在临界点附近显著变化，特别是定压比热在临界点附近的显著增大有利于实现对低温缸套水和增压空气、高温排气和EGR余热的同时高效回收。如果能够将CO₂动力循环应用于内燃机余热回收，则可集成原有风冷或水冷式增压空气冷却器、EGR冷却器和散热器，而采用CO₂进行冷却，降低内燃机的冷却功耗。

发明内容

为了克服现有技术问题，本发明基于上述技术现状和研究思路，提出一种回收内燃机余热的小型化集成系统，采用CO₂动力循环作为内燃机余热回收系统，不仅高效回收内燃机高低品位余热，改善燃油经济性，而且集成原有部件，使系统总体结构更紧凑。通过对国内外相关的专利检索和分析，申请人未发现与本发明特征相近的技术方案。