一種廢氣及廢熱再利用系統、發動機及車輛的制作方法

本發明涉及車輛，特別涉及一種廢氣及廢熱再利用系統、發動機及車輛。

背景技術：

EGR(英文全稱：Exhaust Gas Recirculation，中文譯文：廢氣再循環)技術和廢熱回收技術在發動機節油、減排等方面有重要的作用。隨著國家排放法規的日益嚴苛，應用EGR技術和廢熱回收技術必然會成為各大主機廠發動機技術升級的主流。

但低壓EGR技術和廢熱回收技術在增壓汽油發動機上的應用，尚面臨著一些難題。第一、低壓EGR技術和廢熱回收技術的應用，讓發動機排氣側的結構布置更加復雜，不利于發動機的緊湊化設計。第二、發動機低溫冷啟動時，EGR系統不工作，EGR閥關閉，冷卻液流經EGR冷卻器，一定程度上增加了冷卻液的散熱損失，延長了暖機時間，對發動機的油耗和排放不利。第三、目前廢熱回收技術的應用過程中，存在換熱器受熱不均、局部沸騰的風險。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種廢氣及廢熱再利用系統，縮短了低溫冷啟動時發動機的暖機時間，使發動機排氣側的結構布置更加緊湊，避免了目前廢熱回收技術應用過程中，存在的換熱器受熱不均、局部沸騰的風險。

本發明的另一目的在于提供一種設置有廢氣及廢熱再利用系統的增壓汽油發動機，該發動機的結構緊湊，在冷啟動時具有很好的暖機效果。

本發明的又一目的在于提供一種車輛，該車輛設置有加有廢氣及廢熱再利用系統增壓汽油發動機，使得本車輛的廢熱被回收，縮短暖機時間，加快車輛啟動速度。

特別地，本發明提供一種廢氣及廢熱再利用系統，應用于車輛，所述車輛包括發動機、發動機水路及發動機氣路，廢氣及廢熱再利用系統包括：

EGR系統，布置在所述發動機氣路處，用于將所述發動機排出的廢氣冷卻之后再循環回流至所述發動機中重復利用，同時將廢氣用于所述發動機暖機；和

廢熱回收系統，布置在所述發動機水路處，用于在所述發動機低溫冷啟動時，通過所述EGR系統吸收廢熱給所述發動機暖機。

進一步地，所述發動機氣路包括空氣進氣管、進氣岐管、排氣岐管及廢氣排氣管，以及通過管道連接的渦輪增加器、中冷器、節氣門和三元催化器，其中，新鮮空氣由所述空氣進氣管經所述渦輪增加器、所述中冷器、所述節氣門及所述進氣岐管至所述發動機，所述發動機產生的廢氣由所述排氣歧管經所述渦輪增加器及所述三元催化器至所述廢氣排氣管；

所述EGR系統包括通過管道連接的催化器后廢熱回收控制閥、冷卻和換熱集成模塊、冷卻器后廢熱回收控制閥、EGR閥及EGR混合器，其中，所述EGR混合器安裝在所述空氣進氣管中，所述催化器后廢熱回收控制閥安裝在所述三元催化器之后以及所述廢氣排氣管之前，所述三元催化器的出口經所述冷卻和換熱集成模塊及所述EGR閥連接至所述EGR混合器，所述冷卻和換熱集成模塊的出口經所述冷卻器后廢熱回收控制閥連接至所述廢氣排氣管。

進一步地，所述冷卻和換熱集成模塊包括本體，所述本體兩端分別設有廢氣進口和廢氣出口，所述本體外周壁處設有冷卻液入口和冷卻液出口，所述本體具有夾層且內部為中空狀，所述夾層與所述冷卻液入口和所述冷卻液出口相連通，所述本體內周壁設置有向外突出的翅片。

進一步地，在所述發動機低溫冷啟動時，所述EGR閥和所述催化器后廢熱回收控制閥關閉，所述冷卻器后廢熱回收控制閥開啟，進入到所述冷卻和換熱集成模塊的廢氣加熱其中的冷卻液，加速所述發動機暖機以縮短所述發動機暖機時間；當所述發動機完成暖機，所述催化器后廢熱回收閥開啟，所述冷卻器后廢熱回收控制閥關閉。

進一步地，當所述發動機在暖機過程中有較大的功率和扭矩需求時，此時，所述EGR系統不工作，所述EGR閥關閉，排氣背壓驟然增加到設定值，所述冷卻器后廢熱回收控制閥關閉，所述催化器后廢熱回收控制閥開啟，以保證發動機較大的功率和扭矩輸出。

進一步地，當所述EGR系統工作時，所述EGR閥開啟，所述催化器后廢熱回收閥開啟，所述冷卻器后廢熱回收控制閥關閉，所述冷卻和換熱集成模塊執行EGR冷卻器的作用，所述冷卻和換熱集成模塊中的冷卻液對廢氣進行冷卻。

進一步地，所述發動機水路包括：

中冷卻器；

缸體水套，套裝于所述發動機的缸體上，用于給所述缸體降溫或者加熱；

機油冷卻模塊，與所述缸體水套之間相互交互連接，用于機油的冷卻或者加熱；

缸蓋水套，套裝于所述發動機的缸蓋上，用于給所述缸蓋降溫或者加熱；

缸蓋與排氣歧管集成水套，套裝于排氣歧管上，并與所述缸蓋水套相互交互連接，用于給缸蓋和排氣歧管冷卻或者加熱；

增壓器冷卻模塊，套裝于渦輪增壓器上，用于給渦輪增壓器降溫；

節溫器，用于自動調節水流溫度，控制冷卻液流動路徑；

暖通模塊，連接于所述節溫器的出水口處；

水泵，用于提供水流動力；

和

膨脹水壺，與所述節溫器和所述缸蓋與排氣歧管集成水套連接，避免所述發動機水路的壓力過高，所述膨脹水壺中的水最后還與所述水泵進水口管路連接；

所述廢熱回收系統包括與所述EGR系統共用的冷卻和換熱集成模塊，所述冷卻和換熱集成模塊的水路與所述暖通模塊和所述水泵串聯；

其中，所述水泵的出水口分別與所述缸體水套、所述缸蓋水套、所述缸蓋與排氣歧管集成水套和所述增壓器冷卻模塊的進水口相連接，所述缸體水套和所述缸蓋水套出水口與所述節溫器進水口連接，所述節溫器出水口與暖通模塊進水口連接，所述暖通模塊的出水口管路與所述冷卻和換熱集成模塊的進水口連接；所述冷卻和換熱集成模塊與所述增壓器冷卻模塊的出水口管路及所述水泵的進水口連接；所述中冷器進水口與所述節溫器的出水口連接，所述中冷器的出水口與所述水泵連接。

進一步地，所述發動機低溫冷啟動時，所述水泵開啟，冷卻液循環開始，此時，EGR閥和催化器后廢熱回收控制閥關閉，所述冷卻器后廢熱回收控制閥開啟，所述冷卻液經過所述暖通模塊，進入到所述冷卻和換熱集成模塊，低溫冷卻液被進入到所述冷卻和換熱集成模塊的廢氣加熱，被加熱的冷卻液被泵入所述增壓器冷卻模塊和所述缸蓋水套，經所述節溫器和所述暖通模塊，進入到所述冷卻和換熱集成模塊繼續加熱，不斷循環，加速所述發動機暖機以縮短發動機暖機時間。

本發明還提供一種發動機，所述發動機為增壓汽油發動機，還包括上面所述的廢氣及廢熱再利用系統。

本發明還提供一種車輛，包括車體和上面所述的發動機，所述發動機設置于車體內部。

本發明在車輛發動機上設置廢氣及廢熱再利用系統，包括EGR系統和廢熱回收系統，將廢熱回收系統集成到EGR系統中，讓發動機排氣側的結構布置更加緊湊。本發明廢氣及廢熱再利用系統避免目前廢熱回收技術應用過程中換熱器受熱不均、局部沸騰的風險。

本發明當發動機低溫冷啟動時，通過控制系統控制EGR閥和催化器后廢熱回收控制閥關閉，冷卻器后廢熱回收控制閥開啟，廢氣進入冷卻和換熱集成模塊加熱冷卻液，加熱冷卻液，加速發動機暖機，經過凈化的廢氣通過冷卻和換熱集成模塊，經廢熱回收閥，進入排氣管路排出，EGR技術和廢熱回收技術的集成應用，縮短了低溫冷啟動時發動機的暖機時間。當發動機在暖機過程中有較大的功率和扭矩需求時，控制系統控制EGR系統不工作，EGR閥關閉，排氣背壓驟然增加到設定值，冷卻器后廢熱回收控制閥關閉，催化器后廢熱回收控制閥開啟，以保證發動機有較大的功率和扭矩輸出。

本發明還公開設置有增壓汽油發動機以及設置有該發動機的車輛，本發動機的結構緊湊，暖機時間短，該發動機占車輛的體積小，有利于車輛的小型化和美觀；本發明的車輛的尾氣被充分利用，增加能量利用率，更節能環保；由于廢熱被充分用于暖機，大大縮短了車輛的啟動時間。

附圖說明

后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本發明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中：

圖1是根據本發明一個實施例的發動機在正常啟動時的廢氣及廢熱再利用系統結構示意圖；

圖2是根據本發明一個實施例的發動機在低溫冷啟動時的廢氣及廢熱再利用系統結構示意圖；

圖3是按照本發明一個實施例的冷卻和換熱集成模塊的結構示意圖；

圖4是按照本發明一個實施例的廢熱回收系統與發動機水路的結構示意圖；

圖5是按照本發明一個實施例的車輛的結構示意圖。

具體實施方式

圖1和圖2是根據本發明一個實施例的廢氣及廢熱再利用系統的結構示意圖。

圖1或者圖2中顯示廢氣及廢熱再利用系統。該廢氣及廢熱再利用系統應用于車輛400(如圖5所示)，所述車輛400包括發動機100、發動機水路200及發動機氣路300，廢氣及廢熱再利用系統包括EGR系統310和廢熱回收系統。EGR系統310布置在所述發動機氣路300處，用于將所述發動機100排出的廢氣冷卻之后再循環回流至所述發動機100中重復利用，同時將廢氣用于所述發動機100暖機。廢熱回收系統布置在所述發動機水路200處，用于在所述發動機100低溫冷啟動時，通過所述EGR系統310吸收廢熱給所述發動機100暖機。本發明將廢熱回收系統集成到EGR系統310中，讓發動機100排氣側的結構布置更加緊湊，避免了目前廢熱回收技術應用過程中換熱器受熱不均、局部沸騰的風險。

所述發動機氣路300包括空氣進氣管301、進氣岐管302、排氣岐管303及廢氣排氣管304，以及通過管道連接的渦輪增加器305、中冷器306、節氣門307和三元催化器308。其中，新鮮空氣由所述空氣進氣管301經所述渦輪增加器305、所述中冷器306、所述節氣門307及所述進氣岐管302至所述發動機100，所述發動機100產生的廢氣由所述排氣歧管303經所述渦輪增加器305及所述三元催化器308至所述廢氣排氣管304。所述EGR系統310包括通過管道連接的催化器后廢熱回收控制閥311、冷卻和換熱集成模塊312、冷卻器后廢熱回收控制閥313、EGR閥314及EGR混合器315。其中，所述EGR混合器315安裝在所述空氣進氣管301中，所述催化器后廢熱回收控制閥311安裝在所述三元催化器308之后以及所述廢氣排氣管304之前，所述三元催化器308的出口經所述冷卻和換熱集成模塊312及所述EGR閥314連接至所述EGR混合器315，所述冷卻和換熱集成模塊312的出口經所述冷卻器后廢熱回收控制閥313連接至所述廢氣排氣管304。EGR閥314入口管路附近布置溫度傳感器317，EGR閥314兩端接壓差傳感器318。

圖3示出了冷卻和換熱集成模塊312的結構示意圖。所述冷卻和換熱集成模塊312包括本體，所述本體兩端分別設有廢氣進口3121和廢氣出口3122，所述本體外周壁處設有冷卻液入口3123和冷卻液出口3124，所述本體具有夾層且內部為中空狀，所述夾層與所述冷卻液入口3123和所述冷卻液出口3124相連通，所述本體內周壁設置有向外突出的翅片3125。該換冷卻與熱集成模塊312中加入翅片3125，使冷卻液在流通時更均勻，從而對廢氣的冷卻效果更好。

作為一種實施方式，如圖1所示，方向A為發動機100新鮮空氣的進氣方向；方向B為EGR系統310的廢氣的氣流方向；方向C為新鮮空氣和EGR系統310的廢氣混合后形成的混合氣的氣流方向；方向D為發動機渦輪增壓器305后廢氣的氣流方向；方向E為未進入EGR系統310的廢氣的氣流方向；方向F為進入EGR系統310的廢氣的氣流方向；方向J為EGR系統310工作時的廢氣的氣流方向。

在該實施方式中，當發動機100正常運行，EGR系統310工作時，系統氣體流向如圖1所示，EGR閥314開啟，冷卻器后廢熱回收控制閥313關閉，催化器后廢熱回收控制閥311開啟，廢氣經排氣歧管303進入渦輪增壓器305渦輪機入口，從渦輪增壓器305渦輪機出口出，經過單級三元催化器308凈化之后，部分廢氣通過進氣管，進入EGR系統310進行再循環，EGR氣體由冷卻和換熱集成模塊直接冷卻，由EGR閥314精確控制EGR氣體流量，氣體通過EGR閥314之后，進入EGR混合器315和部分新鮮空氣混合，混合氣進入壓氣機前進氣管和壓氣機前進氣管新鮮空氣進行再度混合，通過壓氣機壓縮，經中冷器306、節氣門307、進氣歧管302，進入氣缸燃燒。

作為另一種實施方式，如圖2中所示，方向A為發動機100新鮮空氣的進氣方向；方向C為新鮮空氣和EGR系統310的廢氣混合后形成的混合氣的氣流方向；方向D為發動機渦輪增壓器305后廢氣的氣流方向；方向H為發動機100低溫冷啟動時進入廢熱回收系統的廢氣的氣流方向；方向I為經過冷卻器后廢熱回收控制閥313的廢氣的氣流方向，方向G為廢熱回收系統工作時流出的廢氣的氣流方向。

在該實施方式中，當發動機100低溫冷啟動時，EGR系統310不工作，EGR閥314關閉，冷卻器后廢熱回收控制閥313開啟，催化器后廢熱回收控制閥311關閉，廢氣通過EGR進氣管，進入冷卻和換熱集成模塊312，對冷卻液進行加熱，加速發動機100暖機，縮短發動機100暖機時間，經過凈化的廢氣經過冷卻和換熱集成模塊312冷卻之后，經冷卻器后廢熱回收控制閥313，通過廢熱回收管路進入排氣管路排放到大氣中。EGR系統310在低溫冷啟動時具備廢熱回收功能，縮短了發動機100暖機時間，同時，讓發動機100布置更加緊湊，此外，避免了目前廢熱回收技術應用過程中換熱器受熱不均、局部沸騰的風險。

當所述發動機完成暖機，所述催化器后廢熱回收閥開啟，所述冷卻器后廢熱回收控制閥313關閉。EGR技術和廢熱回收技術的集成應用，縮短了低溫冷啟動時發動機100的暖機時間。

當所述發動機100在暖機過程中有較大的功率和扭矩需求時，此時，所述EGR系統310不工作，所述EGR閥314關閉，排氣背壓驟然增加到設定值，所述冷卻器后廢熱回收控制閥313關閉，所述催化器后廢熱回收控制閥311開啟，以保證發動機100較大的功率和扭矩輸出。

當所述EGR系統310工作時，所述EGR閥314開啟，所述催化器后廢熱回收閥開啟，所述冷卻器后廢熱回收控制閥313關閉，所述冷卻和換熱集成模塊312執行EGR冷卻器的作用，所述冷卻和換熱集成模塊312中的冷卻液對廢氣進行冷卻。

圖4示出了廢熱回收系統與發動機水路200的結構示意圖。所述發動機水路200包括：中冷卻器201、缸體水套202、機油冷卻模塊203、缸蓋水套204、缸蓋與排氣歧管集成水套205、增壓器冷卻模塊206、節溫器207、暖通模塊208、水泵209和膨脹水壺211。

缸體水套202套裝于所述發動機100的缸體上，用于給所述缸體降溫或者加熱。機油冷卻模塊203與所述缸體水套202之間相互交互連接，用于機油的冷卻或者加熱。缸蓋水套204套裝于所述發動機100的缸蓋上，用于給所述缸蓋降溫或者加熱。缸蓋與排氣歧管集成水套205套裝于排氣歧管上，并與所述缸蓋水套204相互交互連接，用于給缸蓋和排氣歧管冷卻或者加熱。增壓器冷卻模塊206套裝于渦輪增壓器上，用于給渦輪增壓器305降溫。節溫器207用于自動調節水流溫度，控制冷卻液流動路徑。暖通模塊208連接于所述節溫器207的出水口處。水泵209用于提供水流動力。膨脹水壺211與所述節溫器207和所述缸蓋與排氣歧管集成水套205連接，避免所述發動機100水路的壓力過高，所述膨脹水壺211中的水最后還與所述水泵209進水口管路連接。所述廢熱回收系統包括與所述EGR系統310共用的冷卻和換熱集成模塊312，所述冷卻和換熱集成模塊312的水路與所述暖通模塊208和所述水泵209串聯。其中，所述水泵209的出水口分別與所述缸體水套202、所述缸蓋水套204、所述缸蓋與排氣歧管集成水套205和所述增壓器冷卻模塊206的進水口相連接，所述缸體水套202和所述缸蓋水套204出水口與所述節溫器207進水口連接，所述節溫器207出水口與暖通模塊208進水口連接，所述暖通模塊208的出水口管路與所述冷卻和換熱集成模塊312的進水口連接。所述冷卻和換熱集成模塊312與所述增壓器冷卻模塊206的出水口管路及所述水泵209的進水口連接。所述中冷器306進水口與所述節溫器207的出水口連接，所述中冷器306的出水口與所述水泵209連接。

冷卻和換熱集成模塊312的水路與暖通系統串聯。所述發動機100低溫冷啟動時，所述水泵209開啟，冷卻液循環開始，此時，EGR閥314和催化器后廢熱回收控制閥311關閉，所述冷卻器后廢熱回收控制閥313開啟，所述冷卻液經過所述暖通模塊208，進入到所述冷卻和換熱集成模塊312，低溫冷卻液被進入到所述冷卻和換熱集成模塊312的廢氣加熱，被加熱的冷卻液被泵入所述增壓器冷卻模塊206和所述缸蓋水套204，經所述節溫器207和所述暖通模塊208，進入到所述冷卻和換熱集成模塊312繼續加熱，不斷循環，加速所述發動機100暖機以縮短發動機100暖機時間。

本發明還提供一種發動機100，所述發動機100為增壓汽油發動機，還包括上面所述的廢氣及廢熱再利用系統。

圖5示出了一種汽車的結構示意圖，本發明還提供一種車輛400，包括車體和上面所述的發動機100，所述發動機100設置于車體內部。本發明中所述車輛400包括設置于車體內部的發動機100、發動機水路200及發動機氣路300，所示發動機水路200與所述發動機氣路300上集成設置有廢氣及廢熱再利用系統。所述廢氣及廢熱再利用系統包括布置在所述發動機氣路300處的EGR系統310和布置在所述發動機水路200處的廢熱回收系統。

利用設置有廢氣及廢熱再利用系統的發動機100的車輛400的結構緊湊，暖機時間短，使本車輛400可以制作成較小體積的車型，非常美觀，同時也減少了車輛400的原材料消耗；另外就是加速了車輛400的啟動時間，提高了用戶駕車體驗。

至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和范圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的范圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。