冷启动预热及废热能量回收系统及方法
阅读说明：本技术 冷启动预热及废热能量回收系统及方法 (Cold start preheating and waste heat energy recovery system and method ) 是由 陈锐 于 2020-10-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种冷启动预热及废热能量回收系统,包括发动机、热电发生器和电池,发动机设置有废气出口、机油出口和机油入口,热电发生器和电池相连,废气出口和热电发生器通过废气管路相连,机油出口、热电发生器和机油入口通过机油循环管路依次相连。本发明还提供使用上述系统进行冷启动预热及废热能量回收的方法。本发明的冷启动预热及废热能量回收系统及方法能够使发动机快速冷启动,且能够进行高效能量回收,节能减排。(The invention provides a cold start preheating and waste heat energy recovery system which comprises an engine, a thermoelectric generator and a battery, wherein the engine is provided with a waste gas outlet, an engine oil outlet and an engine oil inlet, the thermoelectric generator is connected with the battery, the waste gas outlet is connected with the thermoelectric generator through a waste gas pipeline, and the engine oil outlet, the thermoelectric generator and the engine oil inlet are sequentially connected through an engine oil circulating pipeline. The invention also provides a method for cold start preheating and waste heat energy recovery by using the system. The cold start preheating and waste heat energy recovery system and method can enable the engine to be rapidly cold started, and can carry out efficient energy recovery, energy conservation and emission reduction.)
技术领域
本发明涉及一种冷启动预热及废热能量回收系统及方法，具体涉及一种发动机冷启动预热及废热能量回收系统及方法。
背景技术
面对国际上日益严格的CO2排放要求和法规，提高燃油经济性已日益成为汽车制造商追求的重要目标。当今运输行业中多数常规车辆都由内燃机(ICE)提供能量输出。
根据内燃机(ICE)的典型能量流路，大约有三分之一的能量通过废气流排出，而几乎三分之一的能量被发动机冷却剂除去，以使发动机的所有组件保持可接受的机械强度。但是，在冷启动期间，发动机需要外部热能来辅助燃烧，从而对润滑剂和冷却剂进行预热，从而减少摩擦损失和燃料消耗。快速有效的冷启动预热对于现代发动机电池混合动力尤为重要。
热电发生器(Thermo Electric Generator，TEG)是介于热通量(温差)和电能之间的固态能量转换设备。热电发生器具有双向特性，可以在基于塞贝克效应(Seebeckeffect)的发电模式下或基于珀尔帖效应(Peltier effect)的加热冷却模式下工作。热电发生器没有活动部件，不仅可以用作发电机，还可以用作加热或冷却装置。在能量产生模式中，热电发电器可以将原本浪费的热能的一部分直接转换为电能。在加热-冷却模式下，热电发电器加热性能系数(COP)高于常规液体冷却技术，通过在热电发电器上施加电压可释放热量以提高温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够使发动机快速冷启动并能够进行高效能量回收的冷启动预热及废热能量回收系统；本发明的另一目的是提供能够使发动机快速冷启动并能够进行高效能量回收的冷启动预热及废热能量回收方法。
技术方案：本发明提供一种冷启动预热及废热能量回收系统，包括发动机、热电发生器和电池，发动机设置有废气出口、机油出口和机油入口，热电发生器和电池相连，废气出口和热电发生器通过废气管路相连，机油出口、热电发生器和机油入口通过机油循环管路依次相连。
上述废气出口用于将发动机产生的废气排至废气管路，然后经过一系列装置(如热电发生器等)的处理最终排入大气；上述机油出口和机油入口用于将发动机内的机油排出至机油循环管路，并经过一系列装置(如热电发生器等)的处理重新回到发动机。
优选地，上述发动机还设置有冷却剂出口和冷却剂入口，冷却剂出口、热电发生器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连；冷却剂出口和冷却剂入口用于将发动机内的冷却剂排出至冷却剂循环管路，并经一系列装置(如热电发生器等)的处理重新回到发动机，将冷却剂循环管路与热电发生器集成在一起，可在热电发生器上提供温差。
优选地，上述冷启动预热及废热能量回收系统还包括柴油机氧化催化器(dieseloxidation catalyst，DOC)和柴油机微粒过滤器(diesel particulate filter，DPF)，发动机、柴油机氧化催化器、热电发生器和柴油机微粒过滤器通过废气管路依次相连。
优选地，上述废气出口和热电发生器之间的废气管路上还设置有第一三向阀，热电发生器设置有热电发生器废气入口和热电发生器废气出口，第一三向阀与热电发生器废气出口通过废气旁路管路直接相连；可通过控制第一三向阀来使部分或全部废气流经废气旁路管路，从而控制热电发生器中的废气流量，保护热电发生器免受高温废气的影响，避免发动机机油过热。
优选地，上述冷启动预热及废热能量回收系统还包括第一散热器，机油出口、第一散热器、热电发生器和机油入口通过机油循环管路依次相连；机油出口和第一散热器之间的机油循环管路上还设置有第二三向阀，第一散热器设置有第一散热器入口和第一散热器出口，第二三向阀与第一散热器出口通过机油旁路管路直接相连；机油循环管路上还设置有油泵和机油滤清器，机油出口、机油滤清器和热电发生器依次相连；第一散热器用于在废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式下对过热的机油进行降温；可在不需要对机油进行散热或对机油进行少量散热的情况下，通过控制第二三向阀来使部分或全部机油流经机油旁路管路而不流经第一散热器，灵活控制机油温度。
优选地，上述冷启动预热及废热能量回收系统还包括第二散热器，冷却剂出口、热电发生器、第二散热器和冷却剂入口通过冷却剂循环管路依次相连；热电发生器和第二散热器之间的冷却剂循环管路上还设置有第三三向阀，第二散热器设置有第二散热器入口和第二散热器出口，第三三向阀与第二散热器出口通过冷却剂旁路管路直接相连；冷却剂循环管路上还设置有冷却剂循环泵；第二散热器用于在废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式下对冷却剂进行降温；可在不需要对冷却剂进行散热或对冷却剂进行少量散热的情况下，通过控制第三三向阀来使部分或全部冷却剂流经冷却剂旁路管路而不流经第二散热器，灵活控制冷却剂温度。
优选地，上述冷启动预热及废热能量回收系统还包括控制器和发动机温度传感器，控制器接收来自与发动机温度传感器、热电发生器、电池、第一散热器、第二散热器、第一三向阀、第二三向阀和第三三向阀分别相连，控制器接收来自发动机温度传感器的信号，通过控制热电发生器、电池、第一散热器、第二散热器、第一三向阀、第二三向阀和第三三向阀，来实现冷启动预热及废热能量回收系统的发动机预热(Engine Warm-Up，EWP)模式和废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式。
本发明另一方面提供使用上述冷启动预热及废热能量回收系统进行冷启动预热及废热能量回收的方法，包括以下模式一(发动机预热模式)或模式二(废热回收模式)的步骤：
模式一：当发动机进行冷启动时，使电池为热电发生器供电，发动机产生的废气和机油流经热电发生器，热电发生器提取废气能量并基于珀尔帖效应(Peltier effect)加热机油，被加热的机油通过机油循环管路回到发动机；
模式二：当发动机达到最佳工作温度时，使电池停止供电，使发动机产生的废气流经热电发生器，热电发生器基于塞贝克效应(Seebeck effect)将废气热量的一部分转化为电能，通过DC-DC转换器将再生的电能转化以适应车辆的电气系统(例如，为上述电池充电)。
控制器接收发动机温度信号，控制所述冷启动预热及废热能量回收系统在模式一或模式二下运行。
当发动机进行冷启动时，通过控制第二三向阀使机油不流经第一散热器；
当发动机达到或超过最佳工作温度时，通过控制第一三向阀使内燃机产生的废气流经热电发生器，热电发生器将废气热量的一部分转化为电能；使冷却剂将废气热量的另一部分带走，并通过控制第三三向阀使冷却剂流经第二散热器。
以上提到的“相连”，除特别说明是“直接相连”外，既可以是通过管路直接相连，也可以是通过管路以及其它装置/设备间接相连；以上提到的“直接相连”就指通过管路直接相连。
有益效果：本发明的冷启动预热及废热能量回收系统及方法能够使发动机快速冷启动，且能够进行高效能量回收，节能减排。
附图说明
图1是冷启动预热及废热能量回收系统的连接关系示意图。
图1中的附图标记分别表示：
1-发动机；2-热电发生器；3-电池；4-第一三向阀；5-柴油机氧化催化器；6-柴油机微粒过滤器；7-第一散热器；8-第二三向阀；9-油泵；10-机油滤清器；11-第二散热器；12-第三三向阀；13-冷却剂循环泵；14-废气管路；15-废气旁路管路；16-机油循环管路；17-机油旁路管路；18-冷却剂循环管路；19-冷却剂旁路管路。
图中箭头表示流体流动方向或电流流动方向。
具体实施方式
以下具体实施方式给出了一些具体细节以便理解本发明。然而，本领域技术人员应当理解，本发明的技术方案可以在没有这些细节的情况下实践。需要注意的是，为了便于理解，附图中所示出的各部分的尺寸并非按照实际比例进行绘制。对于本领域技术人员已知的技术在此可能不作详细描述，但应当被视为说明书的一部分。
如图1所示，一种冷启动预热及废热能量回收系统，包括发动机1、热电发生器(TEG)2、电池3、第一三向阀4、柴油机氧化催化器(DOC)5、柴油机微粒过滤器(DPF)6、第一散热器7、第二三向阀8、油泵9、机油滤清器10、第二散热器11、第三三向阀12和冷却剂循环泵13。
发动机1设置有废气出口、机油出口、机油入口、冷却剂出口和冷却剂入口。热电发生器2与电池3电联接。废气出口、柴油机氧化催化器5、第一三向阀4、热电发生器2和柴油机微粒过滤器6沿废气流动方向通过废气管路14依次相连，形成废气排放路径。发动机1的废气出口用于将发动机1产生的废气排至废气排放路径，经过柴油机氧化催化器5、热电发生器2和柴油机微粒过滤器6的处理最终排入大气。第一三向阀4与热电发生器2和柴油机微粒过滤器6之间的废气管路14通过废气旁路管路15直接相连，可通过控制第一三向阀4来使部分或全部废气流经废气旁路管路15，从而控制热电发生器2中的废气流量，保护热电发生器2免受高温废气的影响，避免发动机1机油过热。
机油出口、油泵9、机油滤清器10、第二三向阀8、第一散热器7、热电发生器2、机油入口沿机油流动方向通过机油循环管路16依次相连，形成机油循环回路。机油出口和机油入口用于将发动机1内的机油排出至机油循环管路16，并经过机油滤清器10、第一散热器7、热电发生器2的处理重新回到发动机1。第二三向阀8与第一散热器7和热电发生器2之间的机油循环管路16通过机油旁路管路17直接相连。第一散热器7用于在废热回收(Waste HeatRecovery,WHR)模式下对过热的机油进行降温；可在不需要对机油进行散热或对机油进行少量散热的情况下，通过控制第二三向阀8来使部分或全部机油流经机油旁路管路17而不流经第一散热器7，灵活控制机油温度。
冷却剂出口、热电发生器2、第三三向阀12、第二散热器11、冷却剂循环泵13、冷却剂入口通过冷却剂循环管路18依次相连，形成冷却剂循环回路。冷却剂出口和冷却剂入口用于将发动机1内的冷却剂排出至冷却剂循环管路18，并经过热电发生器2等的处理后重新回到发动机1。第三三向阀12与第二散热器11和冷却剂循环泵13之间的冷却剂循环管路18通过冷却剂旁路管路19直接相连。第二散热器11用于在废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式下对冷却剂进行降温；可在不需要对冷却剂进行散热或对冷却剂进行少量散热的情况下，通过控制第三三向阀12来使部分或全部冷却剂流经冷却剂旁路管路19而不流经第二散热器11，灵活控制冷却剂温度。
上述冷启动预热及废热能量回收系统还包括控制器和发动机温度传感器(图中未示出)，控制器与发动机温度传感器、热电发生器2、电池3、第一散热器7、第二散热器11、第一三向阀4、第二三向阀8和第三三向阀12分别相连，控制器接收来自发动机1温度传感器的信号，通过控制热电发生器2、电池3、第一散热器7、第二散热器11、第一三向阀4、第二三向阀8和第三三向阀12，来实现冷启动预热及废热能量回收系统的发动机预热(Engine Warm-Up，EWP)模式和废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式。
使用上述冷启动预热及废热能量回收系统进行冷启动预热及废热能量回收的方法包括以下步骤：
当发动机1进行冷启动时，上述冷启动预热及废热能量回收系统启动发动机预热(Engine Warm-Up，EWP)模式，机油在油泵9的作用下在机油循环回路中循环，并流经热电发生器2；电池3为热电发生器2供电，发动机1产生的废气依次流经柴油机氧化催化器5、第一三向阀4、热电发生器2和柴油机微粒过滤器6，热电发生器2提取废气能量并基于珀尔帖效应(Peltier effect)加热机油，被加热的机油通过机油循环管路16回到发动机1。
当发动机1达到最佳工作温度时，上述冷启动预热及废热能量回收系统启动废热回收(Waste Heat Recovery,WHR)模式，使电池3停止供电，发动机1产生的废气流经热电发生器2，热电发生器2基于塞贝克效应(Seebeck effect)将废气热量的一部分转化为电能，通过DC-DC转换器将再生的电能转化以适应车辆的电气系统(例如，为上述电池3充电)；还可以使冷却剂在冷却剂循环泵13在作用下流经热电发生器2，冷却剂将废气热量的另一部分带走，并通过控制第三三向阀12使冷却剂流经第二散热器11。
NEDC(New European Driving Cycle，新欧洲驾驶周期)车辆测试过程中的机油温度显示，基线(即未设置本发明的冷启动预热及废热能量回收系统)的最高机油温度只能达到88℃，比最佳温度低约10℃。设置本发明的冷启动预热及废热能量回收系统(其它条件与基线相同)后，EWP模式下的TEG通过提取废气能量并基于珀尔帖效应加热机油，从而加快了NEDC刚开始时机油的预热，在热电发生器-发动机预热-废热回收(TEG-EWP-WHR)情景下前100s内机油温度相对于基线的机油温度升高约7℃，机油温度达到88℃的预热时间(697s)相对于基线(1128s)减少了38％，TEG-EWP-WHR情景下机油在868s时达到了最佳发动机油温(100℃)。
在TEG-EWP-WHR情景下，TEG在城市循环工况(urban driving cycle)(0s–780s)中产生约50W功率的电力，这是由于在城市循环工况中频繁停车而导致发动机产生的热能相对较少。在市郊循环工况(extra-urban driving cycle)(780s–1180s)中，电力输出增加，并且当车辆连续高速行驶时，最大发电功率为153W。NEDC中TEG-WHR情景的总再生电能约为1.95×104J。