CN101474954B - 利用汽车尾气能量的汽车空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用汽车尾气能量的汽车空调系统，旨在提供一种能够充分利用汽车排放的高温尾气的热能和动能驱动汽车空调系统，以降低燃油的消耗，减少对环境的热污染。发动机尾气管的入口与汽车发动机的尾气出口连接，发动机尾气管的出口与尾气净化器的入口连接，尾气净化器的气体出口与燃气涡轮机的入口连接，燃气涡轮机的出口与置于空气换热管内的汽车尾气管连接，燃气涡轮机的输出轴通过传动机构与发电/电动组合机的动力输入轴连接，发电/电动组合机的动力输出轴通过传动机构与CO₂压缩机的主轴连接，发电/电动组合机的接线端子与蓄电池的接线端子连接。该空调系统充分利用了汽车残余能量，提高能源的使用效率，节约能源，保护环境。

Description

利用汽车尾气能量的汽车空调系统

技术领域

本发明专利涉及一种利用汽车尾气能量的汽车空调系统，更具体的说，是涉及一种利用汽车发动机排出废气的热能和动能来驱动汽车空调系统的利用汽车尾气能量的汽车空调系统。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们拥有汽车的数量不断增加。目前，汽车发动机工作时，只使用引擎产生的部分能量，通过排气管排放出的高能量的尾气中流失了其余的大部分能量，造成能源的浪费和严重的空气污染。另外，目前的汽车空调系统中的压缩机采用发动机带动。由于空调的广泛使用，明显增大了汽车燃料的消耗和汽车尾气的排量，造成了更大的空气污染，加剧了能源紧张的局势。同时，目前汽车空调系统的循环工质为氟利昂，造成了温室效应和对臭氧层的破坏。因此，能源的紧缺和环境的污染，对汽车技术提出更高的要求，应充分利用汽车残余能量，综合利用能源，提高能源的使用效率，节约能源，保护环境。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种能够充分利用汽车排放的高温尾气的热能和动能驱动汽车空调系统，以降低燃油的消耗，减少对环境热污染的利用汽车尾气能量的汽车空调系统。

本发明通过下述技术方案实现：

一种利用汽车尾气能量的汽车空调系统，其特征在于，包括由CO₂跨临界循环系统和送风系统组成的汽车空调系统、燃气涡轮机、发电/电动组合机和蓄电池，所述CO₂跨临界循环系统中，CO₂压缩机的出口与四通阀的第四接口连接，四通阀的第一接口与车内换热器的第一接口连接，车内换热器的第二接口通过毛细管与车外换热器的第一接口连接，车外换热器的第二接口与四通阀的第二接口连接，四通阀的第三接口与CO₂压缩机的入口连接；所述送风系统包括送风风道，在送风风道内设有送风风机和第一温度传感器，车内换热器放置在送风风道内，所述送风风道的入口处设有新风进气控制风门；空气换热管的出口与送风风道的侧壁连接，在空气换热管内设置有风机，空气换热管与送风风道的连接处设置有热风进气控制风门，在空气换热管的侧面设置有热风排出控制风门，空气换热管的空气入口设有进气控制风门；发动机尾气管的入口与汽车发动机的尾气出口连接，发动机尾气管的出口与尾气净化器的入口连接，尾气净化器的气体出口与燃气涡轮机的入口连接，燃气涡轮机的出口与置于空气换热管内的汽车尾气管连接，所述燃气涡轮机的输出轴通过传动机构与发电/电动组合机的动力输入轴连接，发电/电动组合机的动力输出轴通过传动机构与CO₂压缩机的主轴连接，发电/电动组合机的接线端子与蓄电池的接线端子连接，第一温度传感器、新风进气控制风门、热风进气控制风门、进气控制风门、热风排出控制风门、四通阀分别与空调自动控制系统连接。

所述尾气净化器的液体出口与水泵的进水口连接，在空气换热管与汽车尾气管之间设置有换热水管，所述换热水管一端与所述水泵的出水口连接，另一端与蒸汽喷嘴连接，所述蒸汽喷嘴的出口与蒸汽涡轮机的蒸汽入口连接，所述蒸汽涡轮机的出口与大气连通，蒸汽涡轮机的输出轴与发电机的输入轴连接，所述发电机的接线端子与蓄电池的接线端子连接。

在尾气净化器与水泵之间设置有三通阀，所述三通阀的第一接口与水泵的进水口连接，三通阀的第二接口与大气连通，三通阀的第三接口与尾气净化器的水出口连接；在蒸汽涡轮机的蒸汽入口处设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器与温度控制器连接，所述温度控制器的控制信号输出端与三通阀的控制信号输入端连接。

所述燃气涡轮机和蒸汽涡轮机为离心叶轮式结构。

所述蓄电池分别与水泵、风机和送风风机连接。

燃气涡轮机的输出轴通过离合器与发电/电动组合机的动力输入轴连接；发电/电动组合机的动力输出轴通过离合器与CO₂压缩机的主轴连接。

本发明具有下述技术效果：

1.本发明的利用汽车尾气能量的汽车空调系统能够利用汽车尾气流体冲击燃气涡轮机的叶轮转动而产生动力，带动发电/电动组合机转动，发电/电动组合机带动压缩机运转，发电/电动组合机剩余的电量储存在蓄电池中，将高能量汽车尾气的动能转化为CO₂压缩机的机械能和蓄电池的电能，利用燃气涡轮机和蓄电池的电能驱动汽车空调系统，降低了燃油的消耗，节约了能源，减少了对环境的污染。

2.本发明的利用汽车尾气能量的汽车空调系统中的空气换热管能够使外界空气吸收汽车尾气管内尾气的热量，温度升高，送至汽车车内，提供冬季汽车车内供暖的热源，减少了燃油的消耗，相应地减少汽车尾气的排放，减少了对环境的污染。

3.本发明中的利用汽车尾气能量的汽车空调系统能够利用汽车尾气净化出来的水，通过换热水管吸收尾气热量后形成蒸汽流体，蒸汽流体冲击蒸汽涡轮机的叶轮转动而产生动力，带动发电机转动，将尾气的热能转化为电能储存在蓄电池中，利用蓄电池的电能驱动汽车空调系统，降低了燃油的消耗，节约了能源，减少汽车尾气热量的排放，减少了对环境的热污染。

4.本发明的利用汽车尾气能量的汽车空调系统采用以CO₂为工质的跨临界循环，充分利用自然工质CO₂的热力特性，设备的尺寸小，管径小，系统结构紧凑，对环境无污染。

5.本发明的利用汽车尾气能量的汽车空调系统通过温度传感器感受送风温度，通过汽车空调控制系统控制热风进气、新风进气和热风排出风门的大小，控制CO₂跨临界循环系统的开停，有利于节约能源。

6.本发明的利用汽车尾气能量的汽车空调系统通过温度控制器控制三通阀的开启度和三通阀接口的连接，控制水管中的水量，使蒸汽涡轮机安全运行。

7.本发明的利用汽车尾气能量的汽车空调系统中的燃气涡轮机和蒸汽涡轮机采用离心叶轮式，结构紧凑，能量转化的效率高。

8.蓄电池的电能可以用来驱动水泵、风机和送风风机等设备，不增加燃油的消耗量。

附图说明

图1为本发明利用汽车尾气能量的汽车空调系统的示意图；

图2为四通阀的接口示意图；

图3为三通阀的接口示意图；

图4为尾气管、水管和空气换热管的位置关系示意图。

图5为A-A剖视图。

具体实施方式

图1至图5为本发明利用汽车尾气能量的汽车空调系统的示意图，包括由CO₂跨临界循环系统和送风系统组成的汽车空调系统、燃气涡轮机5、发电/电动组合机6和蓄电池12。

所述CO₂跨临界循环系统中，CO₂压缩机14的出口与四通阀13的第四接口28连接，四通阀13的第一接口25与车内换热器7的第一接口连接，车内换热器7的第二接口通过毛细管9与车外换热器11的第一接口连接，车外换热器11的第二接口与四通阀13的第二接口26连接，四通阀13的第三接口27与CO₂压缩机14的入口连接。所述送风系统包括送风风道4，在送风风道4内设有送风风机24和第一温度传感器8，车内换热器7放置在送风风道4内。送风风道4的入口处设有新风进气控制风门1。空气换热管18的出口与送风风道4的侧壁连接，在空气换热管18内设置有风机19，空气换热管18与送风风道4的连接处设置有热风进气控制风门3，在空气换热管18的侧面设置有热风排出控制风门2，空气换热管的空气入口设有进气控制风门15。发动机尾气管20的入口与汽车发动机的尾气出口连接，发动机尾气管20的出口与尾气净化器10的入口连接，尾气净化器的气体出口与燃气涡轮机5的入口连接，燃气涡轮机的出口与置于空气换热管18内的汽车尾气管33连接。燃气涡轮机5的输出轴通过传动机构与发电/电动组合机6的动力输入轴连接，发电/电动组合机6的动力输出轴通过传动机构与CO₂压缩机14的主轴连接，发电/电动组合机6的接线端子与蓄电池12的接线端子连接。第一温度传感器8、新风进气控制风门1、热风进气控制风门3、进气控制风门15、热风排出控制风门2、四通阀13分别与空调自动控制系统连接。

由尾气净化器10的出口来的尾气流体冲击燃气涡轮机5的叶轮转动而产生动力，通过燃气涡轮机的输出轴带动发电/电动组合机6的动力输入轴转动。发电/电动组合机既可作为发电机运行，也可以作为电动机运行。机械能从发电/电动组合机动力输出轴上输出，拖动CO₂压缩机运转，将电能转换成CO₂压缩机的机械能而成为电动机。如用燃气涡轮机带动发电/电动组合机的电枢，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，发电/电动组合机将机械能转换成电能而成为发电机。发电/电动组合机6带动CO₂压缩机14运转，发电/电动组合机6剩余的电能储存在蓄电池12中，从而将高能量汽车尾气的动能转化为CO₂压缩机的机械能和蓄电池的电能。

为了方便燃气涡轮机、发电/电动组合机、CO₂压缩机之间的连接与分离，燃气涡轮机的输出轴通过离合器与发电/电动组合机的动力输入轴连接；发电/电动组合机的动力输出轴通过离合器与CO₂压缩机的主轴连接。

为了回收尾气的热能，尾气净化器10的液体出口与水泵17的进水口连接，在空气换热管18与汽车尾气管33之间设置有换热水管32，换热水管32一端与水泵17的出水口连接，另一端与蒸汽喷嘴21连接，蒸汽喷嘴21的出口与蒸汽涡轮机23的蒸汽入口连接，蒸汽涡轮机23的出口与大气连通，蒸汽涡轮机23的输出轴与发电机22的输入轴连接，发电机的接线端子与蓄电池12的接线端子连接。为了保护蒸汽涡轮机，在尾气净化器10与水泵17之间设置有三通阀16，三通阀16的第一接口29与水泵17的进水口连接，三通阀的第二接口30与大气连通，三通阀的第三接口31与尾气净化器10的水出口连接。在蒸汽涡轮机23的蒸汽入口处设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器与温度控制器连接，所述温度控制器的控制信号输出端与三通阀16的控制信号输入端连接。由尾气净化器10分离出来的水流经三通阀16，经水泵17加压后，进入换热水管32中，吸收汽车尾气管33内高温尾气放出的热量，温度升高成蒸汽，经蒸汽喷嘴21喷出，冲击蒸汽涡轮机23的叶轮转动而产生动力，带动发电机22转动，发电机22产生的电能储存在蓄电池12中。通过第二温度传感器感受蒸汽涡轮机23的蒸汽入口温度，如果温度满足设定要求，则通过温度控制器控制三通阀，将三通阀16的第一接口29与第三接口31连通，第二接口30与第三接口31断开；如果温度过低，则通过温度控制器控制三通阀，将三通阀16的第一接口29与第三接口31断开，三通阀16的第二接口30与第三接口31连通，将多余的水排向大气，以保护蒸汽涡轮机23。

在冬季供热时，当汽车在运行的模式下，则打开进气控制风门15和热风进气控制风门3，关闭新风进气控制风门1，外界空气经进气控制风门15进入空气换热管18内，吸收汽车尾气管33内汽车尾气剩余的热量温度升高后由风机19送入送风风道4中，由送风风机24送至汽车车内。通过第一温度传感器8感受送风温度，如果送风温度过高，则通过空调自动控制系统关小热风进气控制风门3，打开新风进气控制风门1，混合后的空气送至汽车车内，同时打开热风排出控制风门2，将其余的热风排出。燃气涡轮机5的输出轴与发电/电动组合机6的动力输入轴连接，同时，控制发电/电动组合机6与CO₂压缩机之间的离合器，使发电/电动组合机6的动力输出轴与CO₂压缩机的主轴脱离开，燃气涡轮机5带动发电/电动组合机6，发电/电动组合机6输出电能，储存在蓄电池12中。如果在汽车运行的模式下，通过空气换热管18送入热风的温度不足以满足送风温度的要求，则控制燃气涡轮机5的输出轴与发电/电动组合机6的动力输入轴连接，发电/电动组合机6的动力输出轴与CO₂压缩机14的主轴连接，燃气涡轮机5带动发电/电动组合机和CO₂压缩机运转，启动CO₂跨临界循环系统，四通阀13的第四接口28与第一接口25连通，第三接口27与第二接口26连通，此时，打开新风进气控制风门1，空气进入送风风道内。由CO₂压缩机14压缩后的高温高压CO₂气体经过四通阀13，进入车内换热器7与送风风道内的空气热交换，放出热量冷却后，经毛细管9截流降压后，进入车外换热器11，与车外空气进行热交换后回到CO₂压缩机。进入送风风道内的空气吸收车内换热器7内高温高压CO₂气体放出的热量后，由送风风机24送至车内。同时，发电/电动组合机输出的电能，储存在蓄电池12中。如在停车状态，人员在车内等候时，则发电/电动组合机6的动力输出轴与CO₂压缩机14的主轴连接，控制燃气涡轮机5的输出轴与发电/电动组合机6的动力输入轴之间的离合器分离，使燃气涡轮机5的输出轴与发电/电动组合机6的动力输入轴脱离开，利用蓄电池12带动发电/电动组合机6，此时，发电/电动组合机6作为电动机工作，机械能从发电/电动组合机6的动力输出轴上输出，拖动CO₂压缩机运转，启动CO₂跨临界循环系统，为车内供暖。

在夏季供冷的运行模式下，关闭热风进气控制风门3，打开热风排出控制风门2，打开新风进气控制风门1，空气进入送风风道内。在汽车运行的模式下，燃气涡轮机5的输出轴与发电/电动组合机6的动力输入轴连接，发电/电动组合机6的动力输出轴与CO₂压缩机14的主轴连接，燃气涡轮机5带动发电/电动组合机运转，发电/电动组合机输出的电能储存在蓄电池12中。同时，发电/电动组合机带动CO₂压缩机，启动CO₂跨临界循环系统，通过空调自动控制系统控制四通阀13的第四接口28与第二接口26连通，第三接口27与第一接口25连通，由CO₂压缩机14压缩后的高温高压CO₂气体经过四通阀13，进入车外换热器11，与车外空气热交换，放出热量冷却，经毛细管9截流降压后，进入车内换热器7，吸收送风风道内空气的热量后回到CO₂压缩机。进入送风风道内的空气与车内换热器7内的低温低压CO₂气体热交换，降温后的冷风由送风风机24送至车内。在停车状态，人员在车内等候需要供冷时，发电/电动组合机6的动力输出轴与CO₂压缩机14的主轴连接，控制发电/电动组合机6的动力输入轴与燃气涡轮机5的输出轴之间的离合器，使发电/电动组合机6的动力输入轴与燃气涡轮机5的输出轴脱离开，利用蓄电池12带动发电/电动组合机6，此时，发电/电动组合机6作为电动机工作，机械能从发电/电动组合机6的动力输出轴输出，拖动CO₂压缩机运转，启动CO₂跨临界循环系统，进行制冷循环。

本发明结构简单，充分利用了汽车残余能量，综合利用能源，提高能源的使用效率，节约能源，保护环境，便于制造、安装和维护，环保节能。特别适用于汽车等交通运输工具，本发明的提出是使汽车尾气能量回收走向实际应用的关键技术之一。

尽管参照实施例对所公开的涉及一种利用汽车尾气能量的汽车空调系统进行了特别描述，以上描述的实施例是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所有的变化和修改都在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种利用汽车尾气能量的汽车空调系统，其特征在于，包括由CO₂跨临界循环系统和送风系统组成的汽车空调系统、燃气涡轮机、发电/电动组合机和蓄电池，所述CO₂跨临界循环系统中，CO₂压缩机的出口与四通阀的第四接口连接，四通阀的第一接口与车内换热器的第一接口连接，车内换热器的第二接口通过毛细管与车外换热器的第一接口连接，车外换热器的第二接口与四通阀的第二接口连接，四通阀的第三接口与CO₂压缩机的入口连接；所述送风系统包括送风风道，在送风风道内设有送风风机和第一温度传感器，车内换热器放置在送风风道内，所述送风风道的入口处设有新风进气控制风门；空气换热管的出口与送风风道的侧壁连接，在空气换热管内设置有风机，空气换热管与送风风道的连接处设置有热风进气控制风门，在空气换热管的侧面设置有热风排出控制风门，空气换热管的空气入口设有进气控制风门；发动机尾气管的入口与汽车发动机的尾气出口连接，发动机尾气管的出口与尾气净化器的入口连接，尾气净化器的气体出口与燃气涡轮机的入口连接，燃气涡轮机的出口与置于空气换热管内的汽车尾气管连接，所述燃气涡轮机的输出轴通过传动机构与发电/电动组合机的动力输入轴连接，发电/电动组合机的动力输出轴通过传动机构与CO₂压缩机的主轴连接，发电/电动组合机的接线端子与蓄电池的接线端子连接，第一温度传感器、新风进气控制风门、热风进气控制风门、进气控制风门、热风排出控制风门、四通阀分别与空调自动控制系统连接；所述尾气净化器的液体出口与水泵的进水口连接，在空气换热管与汽车尾气管之间设置有换热水管，所述换热水管一端与所述水泵的出水口连接，另一端与蒸汽喷嘴连接，所述蒸汽喷嘴的出口与蒸汽涡轮机的蒸汽入口连接，所述蒸汽涡轮机的出口与大气连通，蒸汽涡轮机的输出轴与发电机的输入轴连接，所述发电机的接线端子与蓄电池的接线端子连接。

2.根据权利要求1所述的利用汽车尾气能量的汽车空调系统，其特征在于，在尾气净化器与水泵之间设置有三通阀，所述三通阀的第一接口与水泵的进水口连接，三通阀的第二接口与大气连通，三通阀的第三接口与尾气净化器的水出口连接；在蒸汽涡轮机的蒸汽入口处设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器与温度控制器连接，所述温度控制器的控制信号输出端与三通阀的控制信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的利用汽车尾气能量的汽车空调系统，其特征在于，所述燃气涡轮机和蒸汽涡轮机为离心叶轮式结构。

4.根据权利要求1所述的利用汽车尾气能量的汽车空调系统，其特征在于，所述蓄电池分别与水泵、风机和送风风机连接。

5.根据权利要求1所述的利用汽车尾气能量的汽车空调系统，其特征在于，燃气涡轮机的输出轴通过离合器与发电/电动组合机的动力输入轴连接；发电/电动组合机的动力输出轴通过离合器与CO₂压缩机的主轴连接。

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