发动机预热装置以及发动机预热方法

摘要

本公开提供了一种发动机预热装置和发动机预热方法，该发动机预热装置包括：废热回收单元，用于回收车辆内的废热；以及空气冷却器，连接至废热回收单元以用于接收来自废热回收单元的废热，其中，进气在其中流动的进气管以连通方式连接至空气冷却器。

说明书

相关申请的交叉引证

本申请要求于2015年9月9日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0127573号的优先权的权益，将其公开内容整体通过引证结合于此。

技术领域

本公开涉及这样一种发动机预热装置和发动机的预热方法，即，其能够在初始起动发动机时使用车辆内的废热或由车辆产生的废热来预热进气，由此增强发动机的初始起动性能和车辆的燃料效率并且提高废热的利用率。

背景技术

当初始起动车辆(冷起动)时，发动机和进气系统具有低温度，并且发动机的热损耗导致较低的燃料效率。

为了改进这一点，已提出这样一种发动机预热装置，即，在该发动机预热装置中，电热空气加热器安装为邻近于进气歧管的入口以便预热所具有的温度等于或低于预定温度的进气。

然而，在如上所述的使用电热空气加热器的发动机预热装置中，空气加热器的安装需要围绕发动机的安装布局(使组装特性劣化)，并且具体地，需要单独的电源，这可降低车辆的总燃料效率。

发明内容

已做出本公开以解决在现有技术中出现的上述问题，同时完整地保持由现有技术实现的优点。

本公开的一方面提供了一种发动机预热装置及其预热方法，其能够在发动机初始起动时使用车辆内的废热来预热进气，由此显著增强发动机的初始起动性能和车辆的燃料效率。

根据本公开的一示例性实施方式，一种发动机预热装置包括：废热回收单元，被构造为回收车辆内的废热；以及空气冷却器，连接至废热回收单元并被构造为接收来自废热回收单元的废热，其中，进气在其中流动的进气管以连通方式连接至空气冷却器。

废热回收单元可包括工作流体在其上循环的工作流体循环路径，并且工作流体循环泵、一个或多个锅炉、膨胀器、以及冷凝器可安装在工作流体循环路径上。

第一旁通路径可安装为邻近于膨胀器，并且第一旁通阀可安装在第一旁通路径上。

空气预热锅炉/增压空气冷却器(CAC)锅炉可安装在废热回收单元的工作流体循环路径上并布置在至少一个锅炉的上游侧上，并且进气管可以连通方式连接至空气预热锅炉和空气冷却器。

被构造为预热发动机冷却剂的冷却剂预热锅炉可安装在工作流体循环路径上。

水冷式冷却回路可连接至空气冷却器并可包括低温冷却剂在其上循环的低温冷却剂循环路径。

低温散热器和低温冷却剂循环泵可安装在低温冷却剂循环路径上，低温散热器可布置在空气冷却器的上游侧上，并且低温冷却剂循环泵可安装在低温散热器与空气冷却器之间。

第二旁通路径可安装为邻近于低温散热器，并且第二旁通阀可安装在第二旁通路径上。

低温热交换器可安装在低温冷却剂循环路径上并布置为邻近于至少一个锅炉。

气体管可以连通方式连接至低温热交换器和至少一个锅炉。

根据本公开的另一示例性实施方式，一种发动机预热装置包括：废热回收单元，具有兰金循环，在该兰金循环中，锅炉、膨胀器、冷凝器以及循环泵安装在工作流体在其中循环的工作流体循环路径上；旁通路径，从膨胀器的上游侧延伸至膨胀器的下游侧；旁通阀，安装在旁通路径上并被构造为选择性地打开和关闭旁通路径；空气预热锅炉，安装在循环路径上；以及空气冷却器，布置为邻近于空气预热锅炉，其中，进气穿过其中的进气管以连通方式连接至空气预热锅炉和空气冷却器。

根据本公开的另一示例性实施方式，一种使用发动机预热装置的发动机预热方法，该发动机预热装置具有：废热回收单元，在该废热回收单元中，工作流体循环泵、锅炉、膨胀器、以及冷凝器安装在工作流体循环路径上；水冷式冷却回路，在该水冷式冷却回路中，低温冷却剂循环泵、低温散热器、以及空气冷却器安装在低温冷却剂循环路径上；第一旁通路径，安装为邻近于膨胀器；第一旁通阀，安装在第一旁通路径上；第二旁通路径，安装为邻近于低温散热器；以及第二旁通阀，安装在第二旁通路径上，该发动机预热方法包括：确定是否满足发动机需要被预热的条件；以及当发动机需要被预热时打开第一旁通阀和第二旁通阀。

当发动机不需要被预热时，可关闭第一旁通阀和第二旁通阀。

在打开第一旁通阀和第二旁通阀之后，当进气的温度低于下限参考值时，可驱动低温冷却剂循环泵。

在打开第一旁通阀和第二旁通阀之后，当进气的温度高于下限参考值时，可驱动工作流体循环泵。

附图说明

从以下结合附图的详细说明中，本公开的以上以及其他目的、特征和优点将更加显而易见。

图1是示出根据本公开的一示例性实施方式的发动机预热装置的构造的视图。

图2是示出根据本公开的一示例性实施方式的发动机预热装置的控制器与各种传感器之间的连接关系的构造的视图。

图3是示出根据本公开的一示例性实施方式的发动机预热方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施方式。作为参考，为了帮助理解，可以放大在被提到以描述本公开的图中示出的元件的尺寸或线的粗细。另外，已考虑本公开的功能来对此后所使用的术语进行限定，并且可根据用户或操作者的意图或常规实践而改变。因此，应基于本说明书的全部内容来限定这些术语。

参考图1，根据本公开的一示例性实施方式的发动机预热装置可包括：废热回收单元10，用于回收车辆内的废热；以及空气冷却器21，安装为与废热回收单元10的一部分进行热交换。

废热回收单元10可包括工作流体在其中循环的工作流体循环路径15，并且工作流体循环泵11、一个或多个锅炉31和32、膨胀器12、以及冷凝器13可安装在工作流体循环路径15上以构造兰金循环。

循环泵11可被构造为使工作流体在工作流体循环路径15上循环。

锅炉31和32可被构造为通过发动机的废热(废气的热和/或EGR气体的热)来加热和蒸发工作流体以便生成汽化的工作流体。

膨胀器12可被构造为通过废热使从锅炉31和32供应的工作流体膨胀以便生成回收功率。

冷凝器13可被构造为使从膨胀器12排出的工作流体冷凝以便生成液态工作流体。

工作流体储存在其中的工作流体储存罐14可布置在工作流体循环泵11与冷凝器13之间。工作流体储存罐14可被构造为临时储存具有通过冷凝器13冷凝的液相的工作流体或当废热回收系统的操作停止时(当车辆停止时)在收集工作流体时临时储存工作流体。

根据各种示例性实施方式，锅炉31和32可包括在工作流体循环路径15上串联连接或并联连接的EGR锅炉31和排气锅炉32。

EGR锅炉31可设置在发动机的EGR路径上并被构造为使EGR气体和工作流体进行热交换。

排气锅炉32可设置在发动机的排气管中，以便在废气和工作流体中进行热交换。

在图1中，示出了EGR锅炉31和排气锅炉32可并联连接的构造。详细地，第一路径15a和第二路径15b可布置为在工作流体循环路径15的中间并联或在工作流体循环路径上并联，并且从工作流体循环泵11的下游的一侧分支，流动路径切换阀17可安装在第一路径15a和第二路径15b的分支点处，并且第一路径15a的下游端和第二路径15b的下游端可在工作流体循环路径15的接合点15c处结合。EGR锅炉31可安装在第一路径15a上，并且排气锅炉32可安装在第二路径15b上。

膨胀器12布置在第一锅炉31和第二锅炉32的下游侧上，并且当在发动机的正常温度情况下从第一锅炉31和/或第二锅炉32排出的气态的工作流体穿过膨胀器12时，膨胀器12可生成回收功率。

第一旁通路径51可安装为邻近于膨胀器12。第一旁通路径51的入口51a可连接至膨胀器12的上游的一侧，并且第一旁通路径51的出口51b可连接至膨胀器12的下游的一侧，由此第一旁通路径51可从膨胀器12的上游侧延伸至膨胀器12的下游侧。

第一旁通阀53可安装在第一旁通路径51的入口51a中或第一旁通路径的中间或第一旁通路径上，并且第一旁通路径51可由第一旁通阀53打开和关闭。因此，工作流体可根据第一旁通阀53的选择性打开而流动通过第一旁通路径51。

基于第一旁通路径51和第一旁通阀53的构造，当在发动机需要被预热的情况下(例如，在发动机冷起动的情况下)打开第一旁通阀53时，工作流体可朝向第一旁通路径51而绕开，并且因此，膨胀器12可不操作并且因此可不生成回收功率，并且工作流体可在工作流体循环路径15上循环以便预热EGR锅炉31和排气锅炉32。

另外，换热器16可安装在膨胀器12与冷凝器13之间，并且工作流体循环路径15的部分区段和第二路径15b的部分区段可穿过换热器16。因此，在工作流体循环路径15上流动的工作流体以及在第二路径15b上流动的工作流体可彼此相交地流动以便在换热器16内进行热交换。例如，通过膨胀器12的出口排出的工作流体以及朝向排气锅炉32供应的工作流体可在换热器16内进行热交换，使得朝向排气锅炉32供应的工作流体可由从膨胀器12排出的工作流体预热。

空气预热锅炉19和冷却剂预热锅炉18可在工作流体循环路径15的第一路径15a上安装在流动路径切换阀17与EGR锅炉31之间。

空气预热锅炉19可布置在锅炉31和32的上游侧上，并且冷却剂预热锅炉18可布置在空气预热锅炉19的上游侧上。

空气冷却器21可布置为邻近于空气预热锅炉19，并且进气在其中流动的进气管35可以连通方式连接至空气冷却器21和空气预热锅炉19。因此，在发动机需要被预热的情况下(例如，在发动机的冷起动情况下)，具有低温的进气可与在空气预热锅炉19中通过第一旁通路径51循环的工作流体进行热交换以便被预热。

根据本公开的各种示例性实施方式，空气冷却器21可被构造为水冷式冷却器或气冷式冷却器。

根据一示例性实施方式，水冷式冷却回路20可连接至空气冷却器21，并且水冷式冷却回路20可包括低温冷却剂在其中循环的低温冷却剂循环路径25。

低温散热器24可在低温冷却剂循环路径25上安装在空气冷却器21的上游侧上，并且低温冷却剂可被构造为当它穿过低温散热器24时被冷却。由低温散热器24冷却的低温冷却剂可引入至空气冷却器21以冷却空气。

低温冷却剂循环泵22可安装在低温散热器24与空气冷却器21之间，并且冷却剂储存罐26可安装在低温冷却剂循环泵22的上游侧上。

第二旁通路径52可安装为邻近于低温散热器24。第二旁通路径52的入口52a可连接至低温散热器24的上游的一侧，并且第二旁通路径52的出口52b可连接至低温散热器24的下游的一侧，由此第二旁通路径52可从低温散热器24的上游侧延伸至低温散热器24的下游侧。

第二旁通阀54可安装在第二旁通路径52的入口52a或中间部分处，并且第二旁通路径52可由第二旁通阀54打开和关闭。因此，低温冷却剂可根据由第二旁通阀54选择性地打开第二旁通路径52而流动至第二旁通路径，并且因此，冷却可不由低温散热器24执行。

通过第二旁通路径52和第二旁通阀54的构造，在发动机需要被预热的情况下可打开第二旁通阀54，由此低温冷却剂可朝向第二旁通路径52而绕开，并且因此，低温冷却剂工作流体可供应至空气冷却器21以预热进气。

另外，低温热交换器23可布置在低温散热器24的上游侧上，并且在此，低温热交换器23可安装为邻近于废热回收单元10的EGR锅炉31或排气锅炉32。根据图1的示例性实施方式，示出了低温热交换器23可安装为邻近于EGR锅炉31的构造。

EGR气体或废气在其中流动的气体管36可以连通方式连接至锅炉31和32以及低温热交换器23。

根据图1的示例性实施方式，EGR气体在其中流动的气体管36可以连通方式连接至EGR锅炉31和低温热交换器23。因此，在发动机需要被预热的情况下(例如，发动机的冷起动情况下)，穿过EGR锅炉31的工作流体可由EGR气体预热，并且穿过低温热交换器23的低温冷却剂可由EGR气体预热。

低温冷却剂循环路径25可安装为使得其部分区段穿过废热回收单元10的冷凝器13。因此，从空气冷却器21的出口排出的低温冷却剂可与穿过冷凝器13的工作流体进行热交换，由此水冷式冷却回路20和废热回收单元10可被适当地热平衡。

根据本公开的各种示例性实施方式，进气管35可以连通方式串联连接至空气预热锅炉19和空气冷却器21，并且因此，在发动机需要被预热的情况下，进气可由空气预热锅炉19和空气冷却器21分两个阶段预热。详细地，当工作流体穿过第一旁通路径51且在工作流体循环路径15上循环时，工作流体在穿过空气预热锅炉19的同时首次预热具有低温的进气，具有低温的首次预热的进气可在空气冷却器21中与已穿过第二旁通路径52的低温冷却剂进行热交换以便被二次预热。

另外，根据本公开的各种示例性实施方式，气体管36可以连通方式串联连接至EGR锅炉31和低温热交换器23，并且因此，EGR气体可通过气体管36依次穿过EGR锅炉31和低温热交换器23。详细地，在EGR气体在穿过EGR锅炉31的同时与工作流体进行热交换以便被首次冷却之后，冷却的EGR气体在穿过低温热交换器23的同时可与低温冷却剂进行热交换以便被二次冷却，因此分两个阶段被冷却。因此，工作流体可由EGR锅炉31预热并且低温冷却剂可由低温热交换器23预热，由此在工作流体循环路径15与低温冷却剂循环路径25之间可有效地实现预热平衡。

另外，参考图2，本公开的各种示例性实施方式可包括控制器50，以用于控制工作流体循环泵11、低温冷却剂循环泵22、第一旁通阀53、以及第二旁通阀54的操作。

控制器50可连接至车辆的ECU 55并可接收各种类型的信息，诸如发动机的每分钟转数(RPM)、发动机的冷却剂的温度、以及来自ECU 55的进气的温度。

用于测量工作流体循环泵11的RPM的用于工作流体循环泵的RPM传感器11a、用于测量低温冷却剂循环泵22的RPM的用于低温冷却剂循环泵的RPM传感器22a、用于测量工作流体储存罐14内的工作流体的温度的温度传感器14a、用于测量空气预热锅炉19的入口/出口的温度的温度传感器19a、用于测量空气冷却器21的入口/出口的温度的温度传感器21a、用于测量EGR锅炉31的入口/出口的温度的温度传感器31a、用于测量低温热交换器23的入口/出口的温度的温度传感器23a、以及用于测量排气锅炉32的入口/出口的温度的温度传感器32a可连接至控制器50。因此，控制器50可接收废热回收单元10和水冷式冷却回路20的各种类型的信息。

以这种方式，控制器50可准确地接收车辆的信息、废热回收单元10的信息、以及水冷式冷却回路20的信息，并且准确地控制工作流体循环泵11、低温冷却剂循环泵22、第一旁通阀53、以及第二旁通阀54的操作。

图3是示出根据本公开的各种示例性实施方式的发动机预热方法的流程图。

在操作S1中，可将各种类型的车辆信息(诸如，发动机的RPM、发动机的冷却剂的温度、以及来自车辆的ECU 55的进气的温度)输入至控制器50。

可将废热回收单元10和水冷式冷却回路20的各种类型的信息(诸如，工作流体循环泵11的RPM、低温冷却剂循环泵22的RPM、工作流体的温度、空气预热锅炉19的入口/出口的温度、空气冷却器21的入口/出口的温度、EGR锅炉31的入口/出口的温度、低温热交换器23的入口/出口的温度、以及排气锅炉32的入口/出口的温度)输入至控制器50。

在将车辆的信息、废热回收单元10的信息、以及水冷式冷却回路20的信息输入至控制器50之后，在操作S2中，控制器50可确定是否满足发动机需要被预热的条件。

接下来，将详细描述发动机需要被预热的条件。即，当发动机的冷却剂的温度低于预设值(例如，80℃)、进气的温度低于预设值(例如，50℃)、以及储存在工作流体储存罐14中的工作流体的温度低于预设值(例如，50℃)时，控制器50可确定满足发动机需要被预热的条件，并且在操作S3中，可打开第一旁通阀53和第二旁通阀54。

然而，如果不满足如上所述的三个条件中的任一个，则控制器50可确定不满足发动机需要被预热的条件，并且在操作S7中，可关闭第一旁通阀53和第二旁通阀54。

同时，在打开第一旁通阀53和第二旁通阀54的状态下，当进气的温度低于下限参考值(LT，例如，40℃)时，在操作S5中，控制器50可以预定RPM(例如，2000RPM)驱动低温冷却剂循环泵22。

详细地，当打开第二旁通阀54时，低温冷却剂可通过第二旁通路径52引入至空气冷却器21，并且因此，空气冷却器21可通过低温冷却剂首次预热进气。

此时，可停止工作流体循环泵11的操作，并且此后，当锅炉31和32的温度高于预定参考值(例如，100℃)时，可以预定RPM(例如，1000RPM)驱动工作流体循环泵11。

当进气的温度高于下限参考值LT时，控制器50可以预定RPM(例如，2000RPM)驱动工作流体循环泵11。工作流体可根据工作流体循环泵11的驱动通过工作流体循环路径15和第一旁通路径51循环，并且因此，锅炉31和32可由已绕开膨胀器12的工作流体适当地预热。已由空气预热锅炉19首次预热的进气可由空气冷却器21二次预热，由此进气可被有效地预热。

此时，在与空气预热锅炉19的温度成比例地降低低温冷却剂循环泵的RPM的同时，控制器50可驱动低温冷却剂循环泵22。

如上所述，根据本公开的示例性实施方式，当发动机初始起动时，通过使用车辆内的废热来预热进气，发动机的初始起动性能和车辆的燃料效率可显著增强。

在上文中，尽管已参考示例性实施方式和附图描述了本公开，但本公开不限于此，而是在不背离所附权利要求中要求保护的本公开的精神和范围的情况下，可由本公开所属领域的技术人员进行各种修改和改变。

图中的每个元件的符号

10：废热回收单元

11：工作流体循环泵

12：膨胀器

15：工作流体循环路径

18：冷却剂预热锅炉

19：空气预热锅炉

20：水冷式冷却回路

21：空气冷却器

23：低温热交换器

24：低温散热器

25：低温冷却剂循环路径

31：EGR锅炉

32：排气锅炉

51：第一旁通路径

53：第一旁通阀

52：第二旁通路径

54：第二旁通阀