专利名称：内燃发动机冷却与热回收系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机的技术领域，特别是涉及一种内燃、蒸汽组合发动机。
背景技术：
目前常用的内燃发动机，为避免燃料燃烧产生的高温损坏发动机部件，一般采用水冷却系统来降低发动机的温度，水冷却系统带走了燃料燃烧产生的热能的很大一部分，同时发动机排放的废气也带走了很大一部分能量，这两部分加起来带走了燃料总热值中将近60%的热量，而实际上用于驱动的能量不到燃料燃烧产生的能量的15%。如此大比例的能量被白白浪费，是内燃机效率低下的主要原因。2011年，一种内燃、蒸汽组合发动机(参见申请号或专利号:201110238614.X)被发明，使大幅度提高发动机效率成为可能，但是该发明只提出了一种利用蒸汽产生动力输出的方法，仍然需要一个能够回收利用内燃机废热的配套系统才能达到提高发动机效率的目的。
发明内容
本发明为解决上述问题，提出一种新的发动机冷却与热回收系统，该系统集冷却和热回收于一身，在冷却保护发动机的同时，还能够将回收的热能进行利用，使其产生动力增加发动机的动力输出，或者将其回收的热能通过一个小型蒸汽发电装置产生电能进行回收利用。本发明可以作为内燃、蒸汽组合发动机(参见申请号或专利号:201110238614.X)的配套为其提供高温做功介·质，也可以为其它利用蒸汽做功的装置提供高温做功介质。本发明的技术方案是:一种发动机冷却与热回收系统，包括低压储液罐、高压柱塞泵、热交换回收装置、高压储液罐、电控喷头、蒸气做功装置、冷凝器、ECU，上述部件按低压储液罐、高压柱塞泵、热交换回收装置、高压储液罐、电控喷头、蒸气做功装置、冷凝器、低压储液罐的顺序，把相邻的部分用管道连接，使其构成一个可流通汽液的循环通道，高压柱塞泵用于提供动力使工质单向流动，流动方向和路径为:低压储液罐一高压柱塞泵一热交换装置一高压储液罐一电控喷头一蒸气做功装置一冷凝器一低压储液罐，由ECU控制电控喷头组通断时间来决定每次动作中喷出做功介质的数量。其中工质从低压储液罐、高压水泵、热交换回收装置、高压储水罐之间的流动为吸热阶段，工质对发动机缸体进行冷却，同时提升工质的温度，高压柱塞泵在其输出端和电控喷头输入端之间产生50到300个大气压的高压，使得工质的沸点温度提高，在较高的温度下仍然处于液态。在整个循环过程中，所有的连接处保持密封状态。从电控喷头、蒸汽做功装置、冷凝器、低压储液罐之间为做功阶段，之前储存的高温高压工质在ECU控制下从电控喷头喷出气化进入蒸汽做功装置，把热能转变为动能以实现做功。喷头的数量可根据需要设置若干个。所述的高压储液罐中装置有温度传感器，信号送到E⑶进行处理。
所述的高压储液罐中装置有压力传感器，信号送到E⑶进行处理。所述的低压储液罐中装置有温度传感器，信号送到E⑶进行处理。所述的冷凝器入口处装置有气压传感器，信号送E⑶处理。所述的冷凝器入口处装置有节流阀，由E⑶根据气压控制。所述的高压柱塞泵由E⑶控制。所述的电控喷头可以是一个或多个，多个喷头并联排列。所述的蒸汽做功装置，可以是一个或多个，多个蒸汽做功装置并联排列。所述的蒸汽做功装 置，可以是内燃、蒸汽组合发动机。所述的蒸汽做功装置，可以是螺杆膨胀动力机。所述的热交换回收装置可以由一个或多个热交换装置组成一个热交换装置组合，当热交换装置多于一个时以串联形式或并联形式连接，通过调整流经各热交换装置的管道内径调整液体工质的流速，以获得最佳回收效率。所述的热交换装置是盘管式热交换装置。所述的热交换装置的一种是废气热回收装置。所述的热交换装置的一种是发动机缸体热交换回收装置。所述的热交换装置的一种是发动机冷却液热交换回收装置。所述的热交换装置的一种是蒸汽热交换回收装置。所述的热交换装置的一种，是螺杆膨胀动力机冷却/热回收装置。所述的热交换装置组合的一种，是蒸汽热交换回收装置、发动机缸体热回收装置、废气热回收装置按串联方式排列，低温工质按顺序先后通过这三个热交换装置，通过热交换成为高温工质。所述的热交换装置组合的一种，是螺杆膨胀动力冷却/热回收装置、发动机冷却液热交换回收装置、废气热交换装置按串联方式排列。低温工质按顺序先后通过这三个热交换装置，通过热交换升温成为高温工质。所述的做功工质，可以是含水酒精。所述的各部件(包括内燃机)暴露在空气中的部分均涂有保温涂层以提高热效率。本发明的有益效果本发明通过将现有发动机的冷却系统进行改造，使其在冷却发动机的同时，兼具热回收功能，能够对传统发动机冷却系统中被浪费的能量进行回收利用，并将其回收的热能通过蒸汽做功装置转化为发动机动力输出或电力输出，由此即可大幅度提高发动机的整体效率，在提供同等的输出功率的情况下燃油消耗大幅降低，达到节约能源、减少碳排放的目的，为建立一个环境友好型的经济可持续发展模式做出贡献。
图1为该内燃发动机冷却与热回收系统基本结构原理示意图；图2为实施例一作为内燃、蒸汽组合发动机的配套系统为其提供高温高压做功介质的内燃、蒸汽组合发动机冷却与热回收系统工作原理示意图；图3为实施例二用于对普通内燃发动机进行改造，使其能够利用内燃发动机冷却与热回收系统产生电力输出的工作原理示意图；图中1.蒸汽做功装置:内燃、蒸汽组合发动机、2.电控喷头、3.高压储液罐、4.冷凝器、5.E⑶、6.高压柱塞泵、7.低压储液罐、8.热交换装置:蒸汽热交换回收装置、9、热交换装置:内燃机缸体热交换回收装置、10.热交换装置:废气热交换回收装置、11.热交换装置:发动机冷却液热交换回收装置、12.蒸汽做功装置:螺杆膨胀动力机。实施方式实施例一:参见图2,实施例一提出了一种用于内燃、蒸汽组合发动机的发动机冷却与热回收系统，包括低压储液罐、高压柱塞泵、热交换回收装置、高压储液罐、电控喷头、蒸气做功装置、冷凝器、ECU，上述部件按低压储液罐、高压柱塞泵、热交换回收装置、高压储液罐、电控喷头、蒸气做功装置、冷凝器、低压储液罐的顺序，把相邻的部分用管道连接，使其构成一个可流通汽液的循环通道，高压柱塞泵用于提供动力使工质单向流动，流动方向和路径为:低压储液罐一高压柱塞泵一热交换装置一高压储液罐一电控喷头一蒸气做功装置一冷凝器一低压储液罐，由ECU控制电控喷头组通断时间来决定每次动作中喷出做功介质的数量所述热回收装置由蒸汽热交换装置、发动机缸体热回收装置、废气热回收装置三个独立装置串联组成，所述的蒸汽做功装置为内燃、蒸汽组合发动机(参见专利号201110238614.X)。内燃机有大约40%的能量通过冷却系统排掉，另有大约20%的能量通过废气排掉，本实施案例中以发动机缸体热回收装置在冷却发动机缸体的同时回收部分热能，以废气热回收装置回收废气中的部分余热。考虑到通过蒸汽做功装置后的汽水混合物仍有一定的余热，因此再设置一个蒸汽热交换装置回收余热。这三个热交换装置中，以蒸汽热回收装置中温度最低，因此低温液体工质最先经过该热回收装置，以便充分回收其中的余热；由于发动机缸体温度过高会损害发动机组件，因此以发动机缸体热回收装置为第二级；发动机废气仍有300度以上的高温，因此把废气热回收装置设为第三级。通过合理设计各个回收装置的管道口径，可以使工·质流经这三级热回收装置后达到200度以上的高温，成为良好的蒸汽来源。众所周知，工质的温度越高，在蒸汽做功装置中转化为动力的效率也越高，但液体温度过高会汽化，因此本系统以高压柱塞泵产生50到300个大气压的高压，使得从高压柱塞泵的输出端到电控喷头的输入端之间成为高压区间，高压使得工质在较高的温度下仍然保持液态。考虑到发动机并不总是在稳定的工况下运行，特别是汽车发动机涉及到上坡下坡，红灯绿灯，不同的工况对发动机的输出功率有不同的要求，在本系统中通过ECU对电控喷头开闭时间的控制，可以精确控制喷出的工质数量，在启动、上坡、加速等工况下喷出更多工质以获得更高输出功率，而在刹车、下坡、减速的工况下喷出较少的工质甚至不喷，总之，通过对喷射量的精确控制可以合理安排功率分配，已达到最大限度的节省燃料的目的。实施例一以内燃、蒸汽组合发动机为蒸汽做功装置，该装置已获得发明专利，本装置可以把蒸汽压力直接转变为发动机动力输出，可在发动机燃料消耗不变的情况下大幅度提高输出功率，输出功率可变，可根据喷入不同数量的工质来控制输出功率，以最大效率利用工质储存的能量，可以在不同的工况下都得到最佳的输出效果，对汽车发动机的效率提升尤为明显，可大幅度降低汽车的百公里油耗。实施例二:参见图3，实施例二提出了一种应用于改造普通内燃发动机的发动机冷却与热回收系统，包括低压储液罐、高压柱塞泵、热交换回收装置、高压储液罐、电控喷头、蒸气做功装置、冷凝器、ECU，上述部件按低压储液罐、高压柱塞泵、热交换回收装置、高压储液罐、电控喷头、蒸气做功装置、冷凝器、低压储液罐的顺序，把相邻的部分用管道连接，使其构成一个可流通汽液的循环通道，高压柱塞泵用于提供动力使工质单向流动，流动方向和路径为:低压储液罐一高压柱塞泵一热交换装置一高压储液罐一电控喷头一蒸气做功装置一冷凝器一低压储液罐，由ECU控制电控喷头组通断时间来决定每次动作中喷出做功介质的数量实施例二考虑的是在尽量不改变发动机结构的情况下实现对热能的回收利用，本方案对发动机的改变只限于两个地方:一是原先发动机冷却系统中的冷却液经过水散热器冷却后经水泵重新回到冷却系统，改变为发动机冷却系统的高温冷却液经过一个发动机冷却液热交换回收装置，与本系统内的工质进行热交换降低温度，然后再由水泵泵回冷却系统。第二个改变是在发动机的废气出口增加一个气/液热回收装置回收废气中的热能。实施例二中的蒸汽做功装置为螺杆膨胀动力机，该动力机把低压蒸汽转变为动力的效率要高于涡轮蒸汽机。在实际应用中，可以用螺杆膨胀动力机驱动无刷直流发电机产生电力，同时在汽车中配置电池和驱动电机，再加上电源管理即可构成一个新型的并联油电混合动力系统。由于发动机工作时有多达60%的热能被浪费，因此回收的热能对汽车而已是一个非常可观的能量源，其功率远远大于普通的油电混合动力汽车那些仅仅依靠刹车、下坡时回收的电能。为使螺杆膨胀动力机能够正常工作，也为了充分回收利用热能，在螺杆膨胀动力机的外壳上装置一个螺杆 膨胀动力机热交换回收装置，该装置可避免螺杆膨胀动力机过热而不能正常工作，同时也通过回收螺杆膨胀动力机的的多余热量提高工质温度。实施例二也使用了三个热交换装置:螺杆膨胀动力冷却/热回收装置、发动机冷却液热交换回收装置、废气热交换装置，考虑到发动机冷却液温度并不很高，因此上述三个热交换装置按串并联混合方式排列，螺杆膨胀动力冷却/热回收装置、发动机冷却液热交换回收装置采取并联方式连接，然后与废气热交换装置串联连接，低温工质分两路同时通过螺杆膨胀动力冷却/热回收装置和发动机冷却液热交换回收装置，然后再汇聚通过废气热交换装置，通过这两次升温成为高温工质。实施例二中做功介质的温度要低于实施例一，但因为采用的做功介质是含水酒精，因此仍可以达到很高的效率，同时螺杆膨胀动力机对蒸汽压要求不是太高，因此仍然可以取得良好的热能回收效果。实施例二对发动机的变动非常少,只要汽车上有足够的空间，就可以安装这套热能回收系统，以很低的成本支出即可大幅提高汽车效率，降低百公里耗油量。该方案除了可以在新设计的汽车上使用外，也可以通过简单的改造把现有车辆改造使之成为更为节能的运载工具。
权利要求
1.一种发动机冷却与热回收系统，包括低压储液罐、高压柱塞泵、热交换回收装置、高压储液罐、电控喷头、蒸气做功装置、冷凝器、ECU，其特征是按低压储液罐、高压柱塞泵、热交换回收装置、高压储液罐、电控喷头、蒸气做功装置、冷凝器、低压储液罐的顺序，把相邻的部分用管道连接，使其构成一个可流通汽、液的循环通道。由高压柱塞泵提供动力使工质单向流动，流动方向和路径为低压储液罐一高压柱塞泵一热交换装置一高压储液罐一电控喷头一蒸气做功装置一冷凝器一低压储液罐，同时由ECU通过控制电控喷头通断时间来决定每次动作中喷出做功介质的数量。
2.根据权利要求I所述的发动机冷却与热回收系统，其特征是从高压柱塞泵的输出端到电控喷头的输入端之间为高压区，在运行过程中保持50到300个大气压的以使工质处于液态而不汽化。
3.根据权利要求I所述的发动机冷却与热回收系统，其特征是所述的高压储液罐中装置有温度传感器和压力传感器，信号送到ECU进行处理。所述的低压储液罐中装置有温度传感器，信号送到ECU进行处理。所述的冷凝器中装置有气压传感器，其信号送ECU处理。所述的冷凝器装置有节流阀，由ECU控制。
4.根据权利要求I所述的发动机冷却与热回收系统，其特征是所述的电控喷头可以是一个或多个，多个喷头并联方式连接，由ECU控制。
5.根据权利要求I所述的发动机冷却与热回收系统，其特征是所述的蒸汽做功装置，可以是内燃、蒸汽组合发动机或螺杆膨胀动力机。当同时有多个蒸汽做功装置时并联连接。
6.根据权利要求I所述的发动机冷却与热回收系统，其特征是所述的热交换回收装置可以是废气热回收装置、发动机缸体热回收装置、发动机冷却液热交换回收装置、蒸汽热回收装置、螺杆膨胀动力机冷却与热回收装置中的一个或多个，热交换装置多于一个时以串联方式或并联方式连接，通过调整管道内径调整液体工质的流速。
7.根据权利要求I所述的发动机冷却与热回收系统，其特征是所述的做功工质，可以是含水酒精。
8.根据权利要求I所述的发动机冷却与热回收系统，其特征是在整个水汽循环通道的连接处均进行密封处理。
9.根据权利要求I所述的发动机冷却与热回收系统，其特征是所述的热交换回收装置是盘管式热交换装置。
10.根据权利要求I所述的发动机冷却与热回收系统，其特征是所述的各部件(包括内燃机)暴露在空气中的部分均涂有保温涂层以提高热效率。
全文摘要
一种新型的内燃发动机冷却与热回收系统，在冷却发动机的同时回收多余热量并将其转化为动力或电力输出。本系统由高压柱塞泵提供动力，促使工质先通过热回收装置实现对废热的回收，再送到高压储液箱储存，然后在ECU的控制下在适当时间喷入相应的蒸气做功装置，将液体汽化使其转化为发动机动力输出或发电机电力输出。完成做功的蒸气经汽/液热交换再到冷凝器冷却成液体送低压储液罐进行循环利用。本发明通过回收内燃发动机的废热，并将其转化为发动机动力输出或发电机电力输出，在不增加燃料消耗的前提下大幅度提高发动机输出功率，在同等功率输出下可大幅度减少燃油消耗，可取得节能减排的良好效果。
文档编号F01P9/02GK103256146SQ201310000158
公开日2013年8月21日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者虞一扬 申请人:虞一扬