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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410478973.6 (22)申请日 2014.09.18 F01K 23/14(2006.01) B60H 1/00(2006.01) (71)申请人同济大学 地址 200092 上海市杨浦区四平路1239号 (72)发明人杜爱民 朱忠攀 邵达 (74)专利代理机构上海科盛知识产权代理有限 公司 31225 代理人叶敏华 (54) 发明名称 一种双源动力系统及其控制方法 (57) 摘要 本发明涉及一种双源动力系统及其控制方 法，该系统包括内燃机、低温工质存储罐、换热器、 涡轮及电机，内燃机内设排气单元与冷却单元，低 温工质存储罐。
2、内部存放低温工质，换热器对排气 单元的排气、冷却单元的冷却水及低温工质进行 传热，降低排气与冷却水温度，同时对低温工质进 行加热气化，使其膨胀形成高压气体，涡轮与换热 器及内燃机连接，进气口接收从换热器流出的高 压气体，出气口与内燃机连接，将高压气体热能转 换成机械能，电机与涡轮连接，受涡轮驱动而发电 或向外做功，将机械能存储为电能，或利用机械能 向外做功。与现有技术相比，本发明在保证满足交 通运输复杂工况动力变化需求的同时，进一步提 高了动力系统的能量利用率。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (10)申。
3、请公布号 CN 104389648 A (43)申请公布日 2015.03.04 CN 104389648 A 1/2页 2 1.一种双源动力系统，其特征在于，包括： 内燃机(9)：作为主动力源，其内设排气单元与冷却单元； 低温工质存储罐(1)：内部存放低温工质，作为副动力源； 换热器(3)：与内燃机(9)的排气单元和冷却单元连接，并与低温工质存储罐(1)连 接，接收低温工质，换热器(3)对排气单元的排气、冷却单元的冷却水及低温工质进行传 热，降低排气与冷却水温度，同时对低温工质进行加热气化，使其膨胀形成高压气体； 涡轮(7)：与换热器(3)及内燃机(9)连接，进气口接收从换热器(3)流出的高。
4、压气体， 出气口与内燃机(9)连接，将高压气体热能转换成机械能； 电机(8)：与涡轮(7)连接，受涡轮(7)驱动而发电或向外做功，将机械能存储为电能， 或利用机械能向外做功。 2.根据权利要求1所述的一种双源动力系统，其特征在于，低温工质存储罐(1)与换 热器(3)连接管路上设有低温泵(2)与流量计(4)，换热器(3)与涡轮(7)之间连接管路上 设有压力计(5)与第一控制阀(6)，涡轮(7)与内燃机(9)之间连接管路上设有第二控制阀 (12)， 所述的低温泵(2)、流量计(4)、压力计(5)、第一控制阀(6)及第二控制阀(12)同时与 电子控制器(10)连接，所述的电子控制器(10)接收流量计。
5、(4)与压力计(5)的反馈信号， 并控制低温泵(2)、第一控制阀(6)及第二控制阀(12)的启闭状态或开启大小。 3.根据权利要求1所述的一种双源动力系统，其特征在于，动力系统还包括空调(13)， 该空调(13)与内燃机(9)的冷却单元连接，接收冷却单元热能而进行制热，空调(13)还与 涡轮(7)的出气口连接，接收涡轮(7)的出气而进行制冷。 4.根据权利要求3所述的一种双源动力系统，其特征在于，空调(13)与内燃机(9)的 冷却单元之间连接管路上设有第四控制阀(14)，空调(13)与涡轮(7)的出气口连接管路上 设有第三控制阀(12)。 5.根据权利要求1所述的一种双源动力系统，其特征在于，。
6、所述的内燃机(9)包括二冲 程或四冲程的传统汽油机或柴油机，也包括以甲醇、乙醇、天然气、液化石油气或生物柴油 为替代能源的发动机。 6.根据权利要求1所述的一种双源动力系统，其特征在于，低温工质存储罐(1)内部存 放的低温工质包括液氮、液氦、液化空气或干冰。 7.根据权利要求1所述的一种双源动力系统，其特征在于，所述的换热器(3)内包括两 个串联的换热结构，分别与排气单元和冷却单元连接。 8.根据权利要求1所述的一种双源动力系统，其特征在于，所述的低温工质存储罐(1) 为隔热、耐高温、抗震抗暴的密封罐体、瓶体或箱体，选用的材质包括钢、碳纤维或合金。 9.一种如权利要求1所述的双源动力系统的控制。
7、方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)内燃机(9)工作开始后，电子控制器(10)控制低温泵(2)运转，将低温工质泵入 换热器(3)，利用内燃机(9)的排气及冷却水对低温工质进行加热气化，同时低温介质与排 气及冷却水进行传热，降低排气及冷却水温度的同时可使低温介质进一步膨胀形成高压气 体； (2)当压力计(5)检测管道内压力到达设定值时，电子控制器(10)控制第一控制阀 (6)开启，高压气体流向涡轮(7)，涡轮(7)驱动电机(8)发电或向外做功，实现能量存储； 权 利 要 求 书CN 104389648 A 2/2页 3 (3)当内燃机(9)排温一定时，随着内燃机(9)转速增加，电子控制器(1。
8、0)控制低温泵 (2)运转速度加快，使得更多的低温介质进入换热器(3)，加快内燃机(9)余热回收；随着内 燃机(9)转速降低，电子控制器(10)控制低温泵(2)运转速度变慢，使得较少的低温介质 进入换热器(3)，在保证内燃机(9)余热回收的同时减少低温介质的消耗； (4)当内燃机(9)停止时，电子控制器(10)控制低温泵(2)停止向换热器(3)输送能 量，控制第一控制阀(6)关闭，防止空气回流发生结霜现象。 权 利 要 求 书CN 104389648 A 1/4页 4 一种双源动力系统及其控制方法 技术领域 0001 本发明属于动力机械及工程领域的节能减排技术，尤其是涉及一种双源动力系统 及其。
9、控制方法。 背景技术 0002 一百多年来，内燃机作为动力源被广泛应用于汽车、船舶、飞机、火箭、坦克等交通 运输领域，其中车用汽油机与柴油机需求量最为惊人。近年来中国汽车市场始终保持高速 发展，年产量由2000年的207万辆增长至2013年的2212万辆，销量由209万辆增长至2198 万辆，年复合增长率均达到20。当前中国已经超过美国，成为全球第一大汽车市场。快速 增长的传统汽车市场，使得我国面临的能源问题与环境污染问题日益突出，内燃机节能与 减排技术成为当前的研究热点。 0003 研究表明，内燃机工作时燃料所含热能只有一部分转变为有用功，其余部分以热 能或动能形式损失掉，其中热能损失主要来。
10、自于内燃机排气及冷却水所带走的热量。回收 这部分内燃机热能损失是提高燃料能量利用率的必然趋势。 0004 氮气是空气的主要组成部分，约占空气的78.12，无色无味无污染，该气体在正 常大气压下温度降低至-196即可形成液氮；如果加压可以在更高的温度下形成液氮。液 氮是氮气在低温下形成的液体形态，可作为一种低温形式存在，且由于在空分厂液氮作为 副产品出现，制备成本低廉，国内外科研机构曾用其开发了相关液氮气动发动机作为汽车 动力源，类似的还有液氦发动机、液化空气发动机以及干冰发动机。但这些发动机由于存在 动力性不足问题而未能被广泛应用，但这种低温气动的动力形式越来越多地引起了业界的 关注。 000。
11、5 针对内燃机当前的热损失问题以及低温储能系统的性能优势，本发明提出了一种 双源动力系统及其能量控制方法。研究表明该系统有效利用了内燃机余热能与低温储能， 大大提高能源的利用效率，在车用、船用、航空等不同交通运输领域具备较大的应用潜力。 发明内容 0006 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双源动力系统 及其能量控制方法，在保证满足交通运输复杂工况动力变化需求的同时，进一步提高动力 系统的能量利用率。 0007 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 0008 一种双源动力系统，包括： 0009 内燃机：作为主动力源，其内设排气单元与冷却单元； 0010 低温工质存储罐。
12、：内部存放低温工质，作为副动力源； 0011 换热器：与内燃机的排气单元和冷却单元连接，并与低温工质存储罐连接，接收低 温工质，换热器对排气单元的排气、冷却单元的冷却水及低温工质进行传热，降低排气与冷 却水温度，同时对低温工质进行加热气化，使其膨胀形成高压气体； 说 明 书CN 104389648 A 2/4页 5 0012 涡轮：与换热器及内燃机连接，进气口接收从换热器流出的高压气体，出气口与内 燃机连接，将高压气体热能转换成机械能； 0013 电机：与涡轮连接，受涡轮驱动而发电或向外做功，将机械能存储为电能，或利用 机械能向外做功。 0014 低温工质存储罐与换热器连接管路上设有低温泵与流。
13、量计，换热器与涡轮之间连 接管路上设有压力计与第一控制阀，涡轮与内燃机之间连接管路上设有第二控制阀， 0015 所述的低温泵、流量计、压力计、第一控制阀及第二控制阀同时与电子控制器连 接，所述的电子控制器接收流量计与压力计的反馈信号，并控制低温泵、第一控制阀及第二 控制阀的启闭状态或开启大小。流量计可以实时监测低温工质的气耗量，表征低温工质的 使用量以及低温工质的余量。压力计可以实时监测涡轮前出气压力，表征低温工质气化后 的膨胀情况。各控制阀可以控制低温工质对外输出通断与否，调节气流压力与速度，可选取 电磁式、电子式、机械式。 0016 动力系统还包括空调，该空调与内燃机的冷却单元连接，接收冷。
14、却单元热能而进 行制热，空调还与涡轮的出气口连接，接收涡轮的出气而进行制冷。 0017 空调与内燃机的冷却单元之间连接管路上设有第四控制阀，空调与涡轮的出气口 连接管路上设有第三控制阀。 0018 所述的内燃机包括二冲程或四冲程的传统汽油机或柴油机，也包括以甲醇、乙醇、 天然气、液化石油气或生物柴油为替代能源的发动机。 0019 低温工质存储罐内部存放的低温工质包括液氮、液氦、液化空气或干冰。 0020 所述的换热器内包括两个串联的换热结构，分别与排气单元和冷却单元连接。 0021 所述的低温工质存储罐为隔热、耐高温、抗震抗暴的密封罐体、瓶体或箱体，选用 的材质包括钢、碳纤维或合金。 0022。
15、 一种双源动力系统的控制方法，包括以下步骤： 0023 (1)内燃机工作开始后，电子控制器控制低温泵运转，将低温工质泵入换热器，利 用内燃机的排气及冷却水对低温工质进行加热气化，同时低温介质与排气及冷却水进行传 热，降低排气及冷却水温度的同时可使低温介质进一步膨胀形成高压气体； 0024 (2)当压力计检测管道内压力到达设定值时，电子控制器控制第一控制阀开启，高 压气体流向涡轮，涡轮驱动电机发电或向外做功，实现能量存储； 0025 (3)当内燃机排温一定时，随着内燃机转速增加，电子控制器控制低温泵运转速度 加快，使得更多的低温介质进入换热器，加快内燃机余热回收；随着内燃机转速降低，电子 控制器。
16、控制低温泵运转速度变慢，使得较少的低温介质进入换热器，在保证内燃机余热回 收的同时减少低温介质的消耗； 0026 (4)当内燃机停止时，电子控制器控制低温泵停止向换热器输送能量，控制第一控 制阀关闭，防止空气回流发生结霜现象。 0027 当空调打开时，制热需求是第四控制阀打开，部分冷却单元热能进入空调循环，制 冷需求时第三控制阀打开，低温工质进入空调循环。 0028 当发动机需要EGR循环抑制爆震或NO X 排放时，第二控制阀打开，少量低温工质进 入内燃机进气单元。 0029 与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果： 说 明 书CN 104389648 A 3/4页 6 0030 (1)。
17、本发明的系统由主副两个动力源构成，主动力源为内燃机，副动力源为低温工 质存储罐，可对主动力源的排气余热与冷却单元热量再利用，最终转换为电能或辅助对外 做功，整个系统采取电控的方式对低温泵进行控制，调节工质的供应。 0031 (2)将传统内燃机的排气单元与冷却单元被进一步改进，大大提高了能源利用效 率，同时副动力源进一步提升了整体系统的动力性与经济性，降低了系统能量排放。 0032 (3)采用换热器实现低温工质吸热气化，气化工质膨胀驱动涡轮转动，带动发电机 发电或向外做功。同时由于内燃机排气温度以及排气背压的降低，可减少了内燃机的泵气 损失；冷却单元的热损失被有效回收利用，从而整体提高了内燃机热。
18、效率。 0033 (4)涡轮排出的低温工质气体可进一步用于汽车的空调系统空气制冷。另外其创 新在于可将低温工质气体引入内燃机来控制燃烧，即可以通过其换热器来替换传统内燃机 EGR和EGR中冷器设备。而且该系统可实现排气噪声的降噪功能，改善传统内燃机的排气性 能。 0034 (5)本发明的系统间接提高了内燃机热效率，提高了系统动力性、经济性和排放性 能，在车用、船用、航空等不同交通运输领域具备较大的应用潜力。 附图说明 0035 图1为本发明的结构原理图； 0036 图2为本发明的控制原理图。 具体实施方式 0037 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 0038 实施例 0039 一。
19、种双源动力系统，如图1所示，包括内燃机9、低温工质存储罐1、换热器3、涡轮 7、电机8及空调13。内燃机9作为主动力源，其内设排气单元与冷却单元；低温工质存储 罐1内部存放低温工质，作为副动力源；换热器3与内燃机9的排气单元和冷却单元连接， 并与低温工质存储罐1连接，接收低温工质，换热器3对排气单元的排气、冷却单元的冷却 水及低温工质进行传热，降低排气与冷却水温度，同时对低温工质进行加热气化，使其膨胀 形成高压气体；涡轮7与换热器3及内燃机9连接，进气口接收从换热器3流出的高压气 体，出气口与内燃机9连接，将高压气体热能转换成机械能；电机8与涡轮7连接，受涡轮7 驱动而发电或向外做功，将机械能。
20、存储为电能，或利用机械能向外做功。空调13与内燃机 9的冷却单元连接，接收冷却单元热能而进行制热，空调13还与涡轮7的出气口连接，接收 涡轮7的出气而进行制冷。 0040 低温工质存储罐1与换热器3连接管路上设有低温泵2与流量计4，换热器3与涡 轮7之间连接管路上设有压力计5与第一控制阀6，涡轮7与内燃机9之间连接管路上设有 第二控制阀12，低温泵2、流量计4、压力计5、第一控制阀6及第二控制阀12同时与电子控 制器10连接。 0041 如图2所示，电子控制器10接收流量计4与压力计5的反馈信号，并控制低温泵 2、第一控制阀6及第二控制阀12的启闭状态或开启大小。 0042 空调13与内燃机9。
21、的冷却单元之间连接管路上设有第四控制阀14，空调13与涡 说 明 书CN 104389648 A 4/4页 7 轮7的出气口连接管路上设有第三控制阀12。 0043 流量计4可以实时监测低温工质的气耗量，表征低温工质的使用量以及低温工质 的余量。压力计5可以实时监测涡轮前出气压力，表征低温工质气化后的膨胀情况。各控 制阀可以控制低温工质对外输出通断与否，调节气流压力与速度，可选取电磁式、电子式、 机械式。 0044 内燃机9包括二冲程或四冲程的传统汽油机或柴油机，也包括以甲醇、乙醇、天然 气、液化石油气或生物柴油为替代能源的发动机。 0045 低温工质存储罐1内部存放的低温工质包括液氮、液氦、。
22、液化空气或干冰。 0046 换热器3内包括两个串联的换热结构3.1和3.2，分别与排气单元和冷却单元连 接。 0047 低温工质存储罐1为隔热、耐高温、抗震抗暴的密封罐体、瓶体或箱体，选用的材 质包括钢、碳纤维或合金。 0048 一种双源动力系统的控制方法，包括以下步骤： 0049 (1)内燃机9工作开始后，电子控制器10控制低温泵2运转，将低温工质泵入换热 器3，利用内燃机9的排气及冷却水对低温工质进行加热气化，同时低温介质与排气及冷却 水进行传热，降低排气及冷却水温度的同时可使低温介质进一步膨胀形成高压气体； 0050 (2)当压力计5检测管道内压力到达设定值时，电子控制器10控制第一控制。
23、阀6 开启，高压气体流向涡轮7，涡轮7驱动电机8发电或向外做功，实现能量存储； 0051 (3)当内燃机9排温一定时，随着内燃机9转速增加，电子控制器10控制低温泵 2运转速度加快，使得更多的低温介质进入换热器3，加快内燃机9余热回收；随着内燃机9 转速降低，电子控制器10控制低温泵2运转速度变慢，使得较少的低温介质进入换热器3， 在保证内燃机9余热回收的同时减少低温介质的消耗； 0052 (4)当内燃机9停止时，电子控制器10控制低温泵2停止向换热器3输送能量，控 制第一控制阀6关闭，防止空气回流发生结霜现象。 0053 当空调13打开时，制热需求是第四控制阀14打开，部分冷却单元热能进入空。
24、调13 循环，制冷需求时第三控制阀12打开，低温工质进入空调13循环。 0054 当发动机需要EGR循环抑制爆震或NO X 排放时，第二控制阀11打开，少量低温工 质进入内燃机9进气单元。 0055 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。 熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般 原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领 域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的 保护范围之内。 说 明 书CN 104389648 A 1/1页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104389648 A 。