CN115387885B - 内燃机余热回收装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内燃机余热回收装置及其控制方法，内燃机余热回收装置包括依次连接的进气组件、内燃机气缸和排气组件，并且排气组件和进气组件之间设置有换热组件。其中，内燃机气缸具有进气道和缸盖。换热组件包括相互连接的换热器和废气换热器并形成液冷回路，换热器设置在进气组件上，废气换热器设置在排气组件上。排气组件包括相互连接的排气管和具有催化剂层和隔热层的催化器，废气换热器分别与催化剂层、隔热层和排气管连接，内燃机气缸与催化剂层连接。本发明可以根据工况需要对进入内燃机气缸前的气体及进气经过的通道或催化器进行加热，提升催化剂起燃速度和附壁油膜的挥发速率，减少碳氢化合物排放。

Description

内燃机余热回收装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车领域，具体是一种内燃机余热回收装置及其控制方法。

背景技术

在严格的颗粒物排放限值要求下，部分内燃机本体开发选择颗粒物排放较低的进气道喷射（Port Fuel Injection，PFI）。与缸内直喷内燃机（Gasoline Direct Injection，GDI）相比，对于进气道喷射汽油机来说，燃油需要喷射到进气道内部，与空气初步混合后进入缸内参与燃烧。由于进气道结构的限制，所喷射的燃油会到达进气道壁面或者进气门背面，形成附壁油膜。已有的研究表明，附壁油膜现象会导致燃油以液态形式进入汽缸，造成内燃机碳氢化合物排放升高，特别是当进入进气道的新鲜空气、进气道、内燃机温度较低时，附壁油膜因低温挥发效果差，导致液态燃油进入汽缸的比例会更高。

内燃机启动期间，典型的三元催化剂起燃温度一般在250℃~300摄氏度，在启动后的60秒期间，绝大多数碳氢都没有被转化，说明催化转化器在冷启动期间，需要一定的起燃时间才能工作。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的提供一种内燃机余热回收装置及其控制方法，通过根据工况需要对进入内燃机气缸前的气体及进气经过的通道或催化器进行加热，提升催化剂起燃速度和附壁油膜的挥发速率，减少碳氢化合物排放。

本发明提供一种内燃机余热回收装置，包括依次连接的进气组件、内燃机气缸和排气组件，并且排气组件和进气组件之间设置有换热组件。其中，内燃机气缸具有进气道和缸盖，进气组件内的气体经进气道和缸盖进入内燃机气缸的内部。换热组件包括相互连接的换热器和废气换热器，换热器具有相互独立的气体流道和冷却液流道，换热器的气体流道与进气组件连接并连通，废气换热器具有相互独立的气体流道和冷却液流道，换热器的冷却液流道与废气换热器的冷却液流道相连接，并形成可控制的液冷回路，换热器设置在进气组件上，废气换热器设置在排气组件上。排气组件包括相互连接的排气管和催化器，催化器具有催化剂层和隔热层，废气换热器的气体流道分别与催化剂层、隔热层和排气管连接并连通，内燃机气缸与催化剂层连接并连通。

若内燃机进入启动工况，则控制从催化剂层排出的高温气体经废气换热器的气体流道进入隔热层后从排气管排出，以加热隔热层；若内燃机进入部分负荷工况，则控制从催化剂层排出的高温气体进入废气换热器的气体流道加热液冷回路内的液体后从排气管排出，以使换热器通过液冷回路的热量加热进入内燃机气缸的气体温度；若内燃机进入全负荷工况，则控制从催化剂层排出的高温气体从排气管直接排出。

采用上述方案，可以控制内燃机排出的高温气体经过催化剂层进入废气换热器的气体流道，废气换热器继续将该高温气体导向隔热层，在环境中的冷空气和催化剂本身之间设立一个温度较高的隔层，使催化器内的催化剂快速升温，从而在催化器冷启动期间使其快速达到起燃温度，减少因催化剂未起燃而没有转化的碳氢化合物。同时利用内燃机排气余热加热进气组件内的空气使缸盖和进气道升温，加快温升速度使附壁油膜挥发速率变快，避免燃油以液态形式进入气缸内。即本发明不但回收了内燃机的排气能量，降低了内燃机的碳氢排放，还在内燃机的启动工况中，加快催化剂的温升速率，有效改善气道喷射内燃机性能，且技术路线简单实用。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，排气组件还包括出气管、排气分流管、第一废气管和第二废气管。并且，隔热层和废气换热器的气体流道通过出气管连接并连通；隔热层和排气管通过第一废气管连接并连通；排气管和废气换热器的气体流道通过第二废气管连接并连通；催化剂层、废气换热器的气体流道和排气管分别与排气分流管连接并连通，并且排气分流管上设置有开关阀，开关阀控制排气分流管与排气管的通路开启或关闭，当排气分流管与排气管的通路关闭时，催化器的催化剂层排出的高温气体经废气换热器的气体流道进入排气管和/或隔热层。

采用上述方案，可以简单实用地控制排气组件中气体流向，进而更好地到达回收内燃机的排气能量的效果。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，内燃机余热回收装置还包括控制组件，控制组件包括进气温度传感器、水温传感器、内燃机电控单元和液冷回路控制器。其中水温传感器用于获取液冷回路中的冷却水温度信号；液冷回路控制器用于控制液冷回路开启或关闭；内燃机电控单元根据冷却水温度信号、内燃机的转速信号和节气门位置信号判断内燃机所处工况并发出工况信号；开关阀根据工况信号开启或关闭。

若内燃机电控单元判断内燃机进入启动工况，则液冷回路控制器控制液冷回路关闭，并且开关阀关闭，从催化剂层排出的高温气体依次经过排气分流管、废气换热器的气体流道、隔热层后，经第一废气管从排气管排出；若内燃机电控单元判断内燃机进入部分负荷工况，则液冷回路控制器控制液冷回路开启，并且开关阀关闭，从催化剂层排出的高温气体经排气分流管进入废气换热器的气体流道以加热液冷回路内的液体后，经第二废气管从排气管排出；若内燃机电控单元判断内燃机进入全负荷工况，则开关阀开启，从催化剂层排出的高温气体经排气分流管从排气管排出。

采用上述方案，可以通过进气温度传感器、水温传感器、内燃机电控单元和液冷回路控制器的配合精准根据需求进行控制，以达到在内燃机启动阶段快速使催化剂起燃，在部分负荷工况及时加热进气的效果。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，若内燃机电控单元根据转速信号和冷却水温度信号获取内燃机转速低于400rpm、冷却水温度低于60℃时，则判断内燃机进入启动工况。

采用上述方案，可以及时准确判断内燃机所处工况，进而进行相应的余热控制。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，控制组件还包括进气温度传感器，进气温度传感器用于获取进入内燃机气缸的进气道温度。在部分负荷工况中，若进气道温度低于50℃，则开关阀关闭；若进气道温度高于或等于50℃，则开关阀开启，从催化剂层排出的高温气体经排气分流管从排气管排出。

采用上述方案，可以在部分负荷工况中进一步进行精准的控制，当若进气道温度高于或等于50℃，附壁油膜因低温挥发效果足够减少液态燃油进入内燃机气缸的比例，从而进行正常的散热，延长使用寿命。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，换热组件还包括用于驱动液冷回路内液体流动的电子开关式水泵，液冷回路控制器为控制电子开关式水泵的电子水泵控制器。控制组件还包括催化器温度传感器，催化器温度传感器用于获取催化剂层的气体温度信号。废气换热器还具有气体流向控制器，气体流向控制器控制进入废气换热器内部的气体的流向，以使流经废气换热器的气体流道的气体进入排气管和/或隔热层

采用上述方案，电子开关式水泵的技术路线简单实用。此外，催化器温度传感器用于获取催化剂层的气体温度信号，获取催化剂层的气体温度可以监测其温度，判断其是否达到起燃温度，从而为进一步精准控制提供依据。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，进气组件还包括依次串联的进气管路、空气滤清器和节气门，节气门与内燃机气缸的缸盖连接，换热器设置在节气门和空气滤清器之间。换热组件还包括出水管和进水管，换热器和废气换热器的冷却液流道通过出水管和进水管形成液冷回路。排气组件还包括消声器，排气分流管、第二废气管和第一废气管分别通过消声器与排气管连接。

采用上述方案，技术路线简单实用，可以最大化利用现有的汽车内燃机系统。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，催化器为三元催化包，并且催化剂层设置在容纳于三元催化包的内部的催化剂载体内、隔热层设置于三元催化包的外壳与催化剂载体的外表面之间。

采用上述方案，三元催化包技术成熟催化效果好。同时，三元催化包具有外壳和催化剂载体，从催化器的催化剂层排出的高温气体返回到催化器，进入催化器外壳和催化剂载体中间的隔层里，从而在环境中的冷空气和三元催化剂本身之间设立一个温度较高的隔层，高温气体导入到隔热层的时候是进入到催化器外壳体和催化剂载体的外表面之间，没有直接接触催化剂。

本发明还提供一种内燃机余热回收装置的控制方法，内燃机余热回收装置采用上述的内燃机余热回收装置。控制方法包括以下步骤：

获取冷却水温度、内燃机转速和节气门位置，根据内燃机转速、节气门位置和液冷回路的冷却水温度判断内燃机所处工况。根据内燃机所处工况控制内燃机余热回收装置的运行状态。

若内燃机进入启动工况，则控制从催化剂层排出的高温气体经废气换热器的气体流道进入隔热层后从排气管排出，以加热隔热层。

若内燃机进入部分负荷工况，则控制从催化剂层排出的高温气体进入废气换热器的气体流道加热液冷回路内的液体后从排气管排出，以使液冷回路通过换热器加热进入内燃机气缸的气体温度。

若内燃机进入全负荷工况，则控制从催化剂层排出的高温气体从排气管直接排出。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置的控制方法，若内燃机转速低于400rpm、冷却水温度低于60℃时，则判断内燃机进入启动工况。

本发明的有益效果是：

通过提供一种内燃机余热回收装置及其控制方法，可以控制内燃机排出的高温气体经过催化剂层进入废气换热器的气体流道，废气换热器继续将该高温气体导向隔热层，在环境中的冷空气和催化剂本身之间设立一个温度较高的隔层，使催化器内的催化剂快速升温，从而在催化器冷启动期间使其快速达到起燃温度，减少因催化剂未起燃而没有转化的碳氢化合物。同时利用内燃机排气余热加热进气组件内的空气使缸盖、进气道升温，加快温升速度使附壁油膜挥发速率变快，避免燃油以液态形式进入气缸内。即本发明不但回收了内燃机的排气能量，降低了内燃机的碳氢排放，还在内燃机的启动工况中，加快催化剂的温升速率，有效改善气道喷射内燃机性能，且技术路线简单实用。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的一种内燃机余热回收装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例2中的一种内燃机余热回收装置的控制方法的控制流程框图。

附图标记说明：

10：进气组件；

11：进气管路；12：空气滤清器；13：节气门；

21：进气道；22：缸盖；

30：换热组件；

31：换热器；32：废气换热器；

33：液冷回路；331：出水管；332：进水管；

34：气体流向控制器；

40：排气组件；

41：排气管；

42：催化器；421：催化剂层；422：隔热层；

43：出气管；44：排气分流管；

45：第一废气管；46：第二废气管；

47：开关阀；48：消声器；

49：排气歧管。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种内燃机余热回收装置，如图1所示，包括依次连接的进气组件10、内燃机气缸和排气组件40，并且排气组件40和进气组件10之间设置有换热组件30。

其中，内燃机气缸具有进气道21和缸盖22，进气组件10内的气体经进气道21和缸盖22进入内燃机气缸的内部。换热组件30包括相互连接的换热器31和废气换热器32，换热器31具有相互独立的气体流道和冷却液流道，气体流道与进气组件10连接并连通，废气换热器32具有相互独立的气体流道和冷却液流道，换热器31的冷却液流道与废气换热器32的冷却液流道相连接，并形成可控制的液冷回路33，换热器31设置在进气组件10上，废气换热器32设置在排气组件40上。排气组件40包括相互连接的排气管41和催化器42，催化器42具有催化剂层421和隔热层422，废气换热器32的气体流道分别与催化剂层421、隔热层422和排气管41连接并连通，内燃机气缸与催化剂层421连接并连通。

若内燃机进入启动工况，则控制从催化剂层421排出的高温气体经废气换热器32的气体流道进入隔热层422后从排气管41排出，以加热隔热层422；若内燃机进入部分负荷工况，则控制从催化剂层421排出的高温气体进入废气换热器32的气体流道加热液冷回路33内的液体后从排气管41排出，以使换热器31通过液冷回路33的热量加热进入内燃机气缸的气体温度；若内燃机进入全负荷工况，则控制从催化剂层421排出的高温气体从排气管41直接排出。

具体地，图1中液冷回路内的箭头代表冷却液流动方向，排气组件中的箭头代表气体流动方向。

换热器31和废气换热器32的具体结构可以是现有技术中常见换热设备的换热结构，具有可进行气液相间的换热且互不干涉的气液两流道。同时废气换热器32具有控制进入其内部的气体去向的气体流向控制器34，该控制器可以是多通道切换阀、电子阀或者其他可以改变气体流向的元件，以将从来自催化器42的催化剂层421的气体导入隔热层422或者排气管41。

需要理解的是，进气组件10可以是包括现有技术中进气管路11以及设置在进气管路11的空滤等元件，进气组件10通过缸盖22和进气道21将气体通入内燃机，内燃机气缸与催化剂层421可通过排气歧管49连接，以上具体结构本领域技术人员可以根据具体车型进行设计，本实施方式在此不作限定。

此外，内燃机的部分负荷工况即内燃机未到达全部负荷状态，相应地全负荷工况即内燃机达到全部负荷状态。内燃机根据型号的不同达到满负荷状态的参数和各厂家的衡量标准也不同，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。例如，部分负荷工况可以理解为内燃机的转速正介于内燃机怠速转速至最高转速之间，同时节气门位置信号未达到100%全开的负荷。当内燃机的转速达到最高转速，同时节气门位置达到100%全开，则进入全负荷工况。

使用时，在内燃机进入启动工况，内燃机排出的高温气体会先进入催化器42与催化剂本身换热然后从催化剂层421排出，现有技术会直接将该高温气体通向排气管41，而在本方案中则控制内燃机排出的高温气体经过催化剂层421进入废气换热器32的气体流道，废气换热器32继续将该高温气体导向隔热层422，在环境中的冷空气和催化剂本身之间设立一个温度较高的隔层，使催化器42内的催化剂快速升温，从而在催化器42冷启动期间使其快速达到起燃温度，减少因催化剂未起燃而没有转化的碳氢化合物。

同时，在内燃机进入部分负荷工况时，内燃机排出的高温气体进入废气换热器32的气体流道，废气换热器32内的冷却液被高温气体加热升温，同时液冷回路33通过高温冷却液将热量传导至换热器31，换热器31的内升温后的冷却液再与进入换热器31的气体进行换热，从而对进气组件10中的新鲜空气加热提高进气温度，进而加热进气组件10和内燃机气缸的缸盖22。

内燃机排出的高温气体主要是内燃机做功后的废气，一般温度高于100℃，换热器31的冷却液一般是环境温度，在经过换热器31吸热后，该高温气体温度依然较高，因此只要比环境温度高就可以相对地达到降低散热提高进气温度的效果。

对于内燃机，特别是对于气道喷射内燃机其绝大部分时间工作在部分负荷工况，内燃机启动后，温升速度较慢导致附壁油膜挥发速率低，燃油以液态形式进入气缸内。对此，本方案利用内燃机排气余热加热进气组件10使缸盖22、进气道21升温，加快温升速度使附壁油膜挥发速率变快，避免燃油以液态形式进入气缸内，不但回收了内燃机的排气能量，降低了内燃机的碳氢排放，同时在内燃机的启动工况中，加快催化剂的温升速率，有效改善气道喷射内燃机性能，且技术路线简单实用。

最后，当内燃机进入全负荷工况则既不需要加热催化剂也不需要加热进气道21，换热组件30不工作，可控制从催化剂层421排出的高温气体从排气管41直接排出，不再经过换热组件30。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，如图1所示，排气组件40还包括出气管43、排气分流管44、第一废气管45和第二废气管46。其中，隔热层422和废气换热器32的气体流道通过出气管43连接并连通；隔热层422和排气管41通过第一废气管45连接并连通；排气管41和废气换热器32的气体流道通过第二废气管46连接并连通；催化剂层421、废气换热器32的气体流道和排气管41分别与排气分流管44连接并连通，并且排气分流管44上设置有开关阀47，开关阀47控制排气分流管44与排气管41的通路开启或关闭，当排气分流管44与排气管41的通路关闭时，催化器42的催化剂层421排出的高温气体经废气换热器32的气体流道进入排气管41和/或隔热层422。

具体地，开关阀47与废气换热器32配合控制高温气体的走向。例如，如图1所示，需要将高温气体导入隔热层422时，关闭开关阀47同时控制废气换热器32的控制器（如多通道切换阀）与隔热层422开启通路，此时高温气体从催化剂层421排出后则只能经废气换热器32的气体流道进入隔热层422。同理，也可以控制高温气体经废气换热器32的气体流道进入排气管41；或同时打开废气换热器32、废气换热器32与隔热层422的通路，从而使高温气体可以部分进入隔热层422部分进入排气管41，具体的控制过程，本领域技术人员可根据设计需要进行选择。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，内燃机余热回收装置还包括控制组件，控制组件包括进气温度传感器、水温传感器、内燃机电控单元和液冷回路33控制器。其中，水温传感器用于获取液冷回路33中的冷却水温度信号；液冷回路33控制器用于控制液冷回路33开启或关闭；内燃机电控单元根据冷却水温度信号、内燃机的转速信号和节气门位置信号判断内燃机所处工况并发出工况信号；开关阀47根据工况信号开启或关闭。

具体地，通过内燃机电控单元接收转速信号、冷却水温度信号判定内燃机是否处于启动工况，若内燃机电控单元判断内燃机进入启动工况，则液冷回路33控制器控制液冷回路33关闭，并且开关阀47关闭，从催化剂层421排出的高温气体依次经过排气分流管44、废气换热器32的气体流道、隔热层422后，经第一废气管45从排气管41排出。

需要理解的是，启动工况持续时间比较短，不需要加热新鲜空气，此时液冷回路33控制器控制液冷回路33关闭，冷却液不流动带走的热量更少，回到催化包的气体温度更高，如此可以把全部的热量用来帮助催化剂加热使催化剂起燃。但本领域技术人员也可以根据自身车型需要，在启动工况选择打开液冷回路33以加热空气，以上操控方式均在本发明的保护范围内。

通过内燃机电控单元接收转速信号，冷却水温度信号，节气门位置信号，判定内燃机是否处于部分负荷工况。若内燃机电控单元判断内燃机进入部分负荷工况，则液冷回路33控制器控制液冷回路33开启，并且开关阀47关闭，从催化剂层421排出的高温气体经排气分流管44进入废气换热器32的气体流道以加热液冷回路33内的液体后，经第二废气管46从排气管41排出。此时，液冷回路33通过高温冷却液将热量传导至换热器31，换热器31的内升温后的冷却液再与进入换热器31的气体进行换热，从而对进气组件10中的新鲜空气加热提高进气温度，进而加热进气组件10和内燃机气缸的缸盖22。

通过内燃机电控单元接收转速信号，冷却水温度信号，节气门位置信号。若内燃机电控单元判断内燃机是否进入全负荷工况，则此时，既不需要加热催化剂也不需要加热进气道21，控制开关阀47开启，从催化剂层421排出的高温气体经排气分流管44从排气管41排出。

具体地，转速信号和节气门位置信号可以从现有的内燃机获取手段获取，如现有的节气门13传感器和转速传感器等。特别地，转速信号可以是从曲轴转角位置传感器获取的信号。

需要理解的是，内燃机的部分负荷工况可以理解为根据转速信号得知内燃机的转速正介于内燃机怠速转速至最高转速之间，同时节气门位置信号未达到100%全开的负荷。当内燃机的转速达到最高转速，同时节气门位置达到100%全开，则进入全负荷工况。内燃机转速和节气门的具体参数本领域技术人员可根据实际车型进行设置，本实施方式在此不作具体限定。

采用上述方案，可以通过进气温度传感器、水温传感器、内燃机电控单元和液冷回路33控制器的配合精准根据需求进行控制，以达到在内燃机启动阶段快速使催化剂起燃，在部分负荷工况及时加热进气的效果。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，若内燃机电控单元根据转速信号和冷却水温度信号获取内燃机转速低于400rpm、冷却水温度低于60℃时，则判断内燃机进入启动工况。

采用上述方案，可以及时准确判断内燃机所处工况，进而进行相应的余热控制。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，控制组件还包括进气温度传感器，进气温度传感器用于获取进入内燃机气缸的进气道21温度；在部分负荷工况中，若进气道21温度低于50℃，则开关阀47关闭；若进气道21温度高于或等于50℃，则开关阀47开启，从催化剂层421排出的高温气体经排气分流管44从排气管41排出。

采用上述方案，可以在部分负荷工况中进一步进行精准的控制，当若进气道21温度高于或等于50℃，附壁油膜因低温挥发效果足够减少液态燃油进入内燃机气缸的比例，从而进行正常的散热，延长使用寿命。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，换热组件30还包括用于驱动液冷回路33内液体流动的电子开关式水泵（图中未示出），液冷回路33控制器为控制电子开关式水泵的电子水泵控制器；控制组件还包括催化器42温度传感器，催化器42温度传感器用于获取催化剂层421的气体温度信号。废气换热器32还具有气体流向控制器34，气体流向控制器34控制进入废气换热器内部的气体的流向，以使流经废气换热器32的气体流道的气体进入排气管41和/或隔热层422。

具体地，电子开关式水泵可以是设置在液冷回路33的任意位置包括设置在换热器31和废气换热器32上。优选地，电子开关式水泵设置在废气换热器32上，以减少控制线路。并且使用电子开关式水泵的技术路线简单实用。气体流向控制器34可以是多通道切换阀、电子阀或者其他可以改变气体流向的元件。

催化器42温度传感器用于获取催化剂层421的气体温度信号，获取催化剂层421的气体温度可以监测其温度，判断其是否达到起燃温度，从而为进一步精准控制提供依据。例如，当催化剂温度在启动工况中已经达到200-300℃的起燃温度，此时可以使废气换热器32控制停止高温气体继续进入隔热层422。本领域技术人员可以根据设计需要进行控制操作，本实施方式不作具体限定。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，如图1所示，进气组件10还包括依次串联的进气管路11、空气滤清器12和节气门13，节气门13与内燃机气缸连接，换热器31设置在节气门13和空气滤清器12之间。换热组件30还包括出水管331和进水管332，换热器31和废气换热器32的冷却液流道通过出水管331和进水管332形成液冷回路33。排气组件40还包括消声器48，排气分流管44、第二废气管46和第一废气管45分别通过消声器48与排气管41连接。

采用上述方案，技术路线简单实用，可以最大化利用现有的汽车内燃机系统。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置，催化器42为三元催化包，并且催化剂层421设置在容纳于三元催化包的内部的催化剂载体内、隔热层422设置于三元催化包的外壳与催化剂载体的外表面之间。

具体地，三元催化包技术成熟催化效果好。同时，三元催化包具有外壳和催化剂载体，从催化器42的催化剂层421排出的高温气体返回到催化器42，进入催化器42外壳和催化剂载体中间的隔层里，从而在环境中的冷空气和三元催化剂本身之间设立一个温度较高的隔层，高温气体导入到隔热层422的时候是进入到催化器42外壳体和催化剂载体的外表面之间，没有直接接触催化剂。

实施例2

提供一种内燃机余热回收装置的控制方法，内燃机余热回收装置采用如实施例1中的内燃机余热回收装置，如图2所示，控制方法包括以下步骤：

获取冷却水温度、内燃机转速和节气门位置，根据内燃机转速、节气门位置和液冷回路33的冷却水温度判断内燃机所处工况；

根据内燃机所处工况控制内燃机余热回收装置的运行状态；

若内燃机进入启动工况，则控制从催化剂层421排出的高温气体经废气换热器32的气体流道进入隔热层422后从排气管41排出，以加热隔热层422；

若内燃机进入部分负荷工况，则控制从催化剂层421排出的高温气体进入废气换热器32的气体流道加热液冷回路33内的液体后从排气管41排出，以使液冷回路33通过换热器31加热进入内燃机气缸的气体温度；

若内燃机进入全负荷工况，则控制从催化剂层421排出的高温气体从排气管41直接排出。

根据本发明的另一具体实施方式，本发明的实施方式公开的一种内燃机余热回收装置的控制方法，若内燃机转速低于400rpm、冷却水温度低于60℃时，则判断内燃机进入启动工况。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种内燃机余热回收装置，其特征在于，包括依次连接的进气组件、内燃机气缸和排气组件，并且所述排气组件和进气组件之间设置有换热组件；其中

所述内燃机气缸具有进气道和缸盖，所述进气组件内的气体经所述进气道和所述缸盖进入所述内燃机气缸的内部；

所述换热组件包括相互连接的换热器和废气换热器，所述换热器具有相互独立的气体流道和冷却液流道，所述换热器的所述气体流道与所述进气组件连接并连通，所述废气换热器具有相互独立的气体流道和冷却液流道，所述换热器的所述冷却液流道与所述废气换热器的所述冷却液流道相连接，并形成可控制的液冷回路，所述换热器设置在所述进气组件上，所述废气换热器设置在所述排气组件上；

所述排气组件包括相互连接的排气管和催化器，所述催化器具有催化剂层和隔热层，所述废气换热器的气体流道分别与所述催化剂层、所述隔热层和所述排气管连接并连通，所述内燃机气缸与所述催化剂层连接并连通；

若内燃机进入启动工况，则控制从所述催化剂层排出的高温气体经所述废气换热器的所述气体流道进入所述隔热层后从所述排气管排出，以加热所述隔热层；

若所述内燃机进入部分负荷工况，则控制从所述催化剂层排出的高温气体进入所述废气换热器的所述气体流道加热所述液冷回路内的液体后从所述排气管排出，以使所述换热器通过所述液冷回路的热量加热进入所述内燃机气缸的气体温度；

若所述内燃机进入全负荷工况，则控制从所述催化剂层排出的高温气体从所述排气管直接排出。

2.根据权利要求1所述的内燃机余热回收装置，其特征在于，所述排气组件还包括出气管、排气分流管、第一废气管和第二废气管；并且，

所述隔热层和所述废气换热器的所述气体流道通过所述出气管连接并连通；

所述隔热层和所述排气管通过所述第一废气管连接并连通；

所述排气管和所述废气换热器的所述气体流道通过所述第二废气管连接并连通；

所述催化剂层、所述废气换热器的所述气体流道和所述排气管分别与所述排气分流管连接并连通，并且所述排气分流管上设置有开关阀，所述开关阀控制所述排气分流管与所述排气管的通路开启或关闭，当所述排气分流管与所述排气管的通路关闭时，所述催化器的所述催化剂层排出的高温气体经所述废气换热器的所述气体流道进入所述排气管和/或所述隔热层。

3.根据权利要求2所述的内燃机余热回收装置，其特征在于，所述内燃机余热回收装置还包括控制组件，所述控制组件包括进气温度传感器、水温传感器、内燃机电控单元和液冷回路控制器；其中

所述水温传感器用于获取所述液冷回路中的冷却水温度信号；

所述液冷回路控制器用于控制所述液冷回路开启或关闭；

所述内燃机电控单元根据所述冷却水温度信号、所述内燃机的转速信号和节气门位置信号判断所述内燃机所处工况并发出工况信号；

所述开关阀根据所述工况信号开启或关闭；

若所述内燃机电控单元判断所述内燃机进入启动工况，则所述液冷回路控制器控制所述液冷回路关闭，并且所述开关阀关闭，从所述催化剂层排出的高温气体依次经过所述排气分流管、所述废气换热器的所述气体流道、所述隔热层后，经所述第一废气管从所述排气管排出；

若所述内燃机电控单元判断所述内燃机进入部分负荷工况，则所述液冷回路控制器控制所述液冷回路开启，并且所述开关阀关闭，从所述催化剂层排出的高温气体经所述排气分流管进入所述废气换热器的所述气体流道以加热所述液冷回路内的液体后，经所述第二废气管从所述排气管排出；

若所述内燃机电控单元判断所述内燃机进入全负荷工况，则所述开关阀开启，从所述催化剂层排出的高温气体经所述排气分流管从所述排气管排出。

4.根据权利要求3所述的内燃机余热回收装置，其特征在于，

若所述内燃机电控单元根据所述转速信号和所述冷却水温度信号获取内燃机转速低于400rpm、冷却水温度低于60℃时，则判断所述内燃机进入启动工况。

5.根据权利要求3所述的内燃机余热回收装置，其特征在于，所述进气温度传感器用于获取进入所述内燃机气缸的进气道温度；

在所述部分负荷工况中，若所述进气道温度低于50℃，则所述开关阀关闭；

若所述进气道温度高于或等于50℃，则所述开关阀开启，从所述催化剂层排出的高温气体经所述排气分流管从所述排气管排出。

6.根据权利要求3所述的内燃机余热回收装置，其特征在于：

所述换热组件还包括用于驱动所述液冷回路内液体流动的电子开关式水泵，所述液冷回路控制器为控制所述电子开关式水泵的电子水泵控制器；

所述控制组件还包括催化器温度传感器，所述催化器温度传感器用于获取所述催化剂层的气体温度信号；

所述废气换热器还具有气体流向控制器，所述气体流向控制器控制进入所述废气换热器内部的气体的流向，以使流经所述废气换热器的所述气体流道的气体进入所述排气管和/或所述隔热层。

7.根据权利要求2所述的内燃机余热回收装置，其特征在于，所述进气组件还包括依次串联的进气管路、空气滤清器和节气门，所述节气门与所述内燃机气缸的缸盖连接，所述换热器设置在所述节气门和所述空气滤清器之间；

所述换热组件还包括出水管和进水管，所述换热器和所述废气换热器的所述冷却液流道通过所述出水管和所述进水管形成所述液冷回路；

所述排气组件还包括消声器，所述排气分流管、所述第二废气管和所述第一废气管分别通过所述消声器与所述排气管连接。

8.根据权利要求1~7中任一项所述的内燃机余热回收装置，其特征在于，所述催化器为三元催化包，并且所述催化剂层设置在容纳于所述三元催化包的内部的催化剂载体内、所述隔热层设置于所述三元催化包的外壳与所述催化剂载体的外表面之间。

9.一种内燃机余热回收装置的控制方法，其特征在于，所述内燃机余热回收装置采用如权利要求1-8任意一项所述的内燃机余热回收装置；

所述控制方法包括以下步骤：

获取冷却水温度、内燃机转速和节气门位置，根据所述内燃机转速、所述节气门位置和所述液冷回路的冷却水温度判断所述内燃机所处工况；

根据所述内燃机所处工况控制所述内燃机余热回收装置的运行状态；

若所述内燃机进入启动工况，则控制从所述催化剂层排出的高温气体经所述废气换热器的所述气体流道进入所述隔热层后从所述排气管排出，以加热所述隔热层；

若所述内燃机进入部分负荷工况，则控制从所述催化剂层排出的高温气体进入所述废气换热器的所述气体流道加热所述液冷回路内的液体后从所述排气管排出，以使所述液冷回路通过所述换热器加热进入所述内燃机气缸的气体温度；

若所述内燃机进入全负荷工况，则控制从所述催化剂层排出的高温气体从所述排气管直接排出。

10.根据权利要求9所述的内燃机余热回收装置的控制方法，其特征在于，

若所述内燃机转速低于400rpm、所述冷却水温度低于60℃时，则判断所述内燃机进入启动工况。