CN102434310A - 内燃机-斯特林机联合循环的混合动力系统 - Google Patents

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鹿鹏
岳晨
韩东
陈慧
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Abstract

本发明公开了一种内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统，属于能源与动力等领域。其特征在于：该系统还包括斯特林辅助动力子系统，该子系统包括换热器、斯特林发动机、与斯特林发动机相连的发电机、与发电机相连的控制器。控制器一端连接充电电池，一端连接电动机。换热器配置于内燃机热转功子系统的烟气消音装置中，或配置于烟气触媒净化装置前。内燃机热转功子系统和斯特林辅助动力子系统共用一个冷却剂散热装置。本发明具有结构简单紧凑和燃料利用率高等特点，能够提高内燃机输出功率，改善车辆节能减排性能。

Description

内燃机-斯特林机联合循环的混合动力系统
技术领域
本发明涉及一种内燃机－斯特林机联合循环的的混合动力系统，属于能源与动力领域。
背景技术
目前内燃机的热效率一般为33%,其排气余热约占输入燃料热值的33%,排气温度在600K～1000K之间。将温度远高于环境温度的内燃机烟气直接排空，不仅导致局部热污染，而且是一种浪费。回收内燃机烟气中的有用能具有重要的社会效益和经济效益。内燃机排气虽然具有一定的温度，但压力较低。对该烟气余热进行回收，既不能影响内燃机性能，又要结构紧凑，降低成本。
专利申请号为200980106705.9的中国发明专利公开了一种余热回收系统，该系统配置多套斯特林发动机和加热器，回收车辆内燃机余热。其特征在于通过特定的结构“在利用多个余热回收机回收余热的情况下降低各余热回收机关所产生的动力差异”。该专利涉及的余热回收系统独立于内燃机，只考虑了满负荷条件下的余热回收，没有考虑内燃机在启停和部分负荷条件下余热回收系统的运行。而且该系统构成复杂，布置结构实现难度大，操作可靠性欠缺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统。通过具有较高热电转化效率的斯特林机回收内燃机烟气余热，将其转化为电能或直接驱动空调压缩机。
一种内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统，包括内燃机热转功子系统、环境空气冷却子系统、动力传输子系统；其中内燃机热转功子系统包括具有吸气端和排气端的内燃机、依次与内燃机排气端相连的烟气触媒净化装置、烟气消音装置和排气阀；发动机还具有冷却剂进口和冷却剂出口；其中环境空气冷却子系统包括具有冷却空气进口、冷却空气出口、冷却剂散热装置和循环泵；其中动力传输子系统包括通过曲轴与内燃机动力联接的主轴、与主轴动力联接的动力传动装置、与动力传动装置相连的空调压缩机和辅助动力传递装置，还包括一个与辅助动力传递装置相连的电动机；其特征在于：该混合动力系统还包括斯特林辅助动力子系统，该斯特林辅助动力子系统包括斯特林发动机、与斯特林发动机相连的发电机、与发电机相连的控制器、与控制器相连的充电电池；上述环境空气冷却子系统将内燃机冷却剂散热装置和斯特林发动机冷却剂散热装置融合为一个共用的冷却剂散热装置；该散热装置的冷却剂出口通过循环泵与斯特林发动机冷却剂进口相连，斯特林发动机冷却器的冷却剂出口与内燃机冷却剂进口相连，内燃机冷却剂出口与冷却剂散热装置进口相连；所述的充电电池与所述的动力传输子系统的动力传动装置连接；所述的控制器与所述的动力传输子系统的的电动机连接。
本发明内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统工作过程包括以下具体过程：内燃机将燃料热能转化为机械能，输送给动力传输子系统；同时将排气废热通过烟气触媒净化装置、烟气消音装置、文丘里喷管式排气阀排放至环境空气中；同时将冷却剂废热通过冷却剂散热装置排放至环境空气中；其特征在于还包括以下过程：斯特林发动机通过换热器吸收内燃机排气废热将其转换为斯特林发动机工作介质的热能，斯特林发动机工作介质的热能通过斯特林发动机将其转化为机械能，斯特林发动机输出的机械能通过发电机输出电能，发电机输出的电能通过控制器给充电电池充电，或通过控制器转换为电动机的机械能；电动机输出的机械能通过辅助动力传递装置驱动车载空调压缩机输出冷能，或（并）将电动机输出的机械能通过辅助动力传递装置传递给动力传动装置。斯特林发动机工作介质通过斯特林发动机冷却器冷却后，被压缩回流至斯特林发动机换热器；而斯特林发动机冷却器废热通过冷却剂散热装置排放至环境空气中；斯特林发动机换热器出口烟气压力较低，为防止环境空气倒流影响发动机性能，采用文丘里喷管式排气阀。
上述斯特林辅助动力子系统输出功率是随内燃机负荷的变化而变化。斯特林辅助动力子系统中控制器根据内燃机输出功率大小（不同车速）确定功率输出策略。当内燃机低负荷运行时，斯特林辅助动力子系统输出功率较小，斯特林发动机通过发电机给充电电池充电；当内燃机以中等负荷运行时，斯特林辅助动力子系统输出功率较大，控制器根据需要，通过辅助动力传递装置驱动车用空调压缩机，或向内燃机动力传输子系统输出轴功；当内燃机高负荷运行时，斯特林辅助动力子系统输出功率足够大，斯特林发动机通过辅助动力传递装置驱动车用空调压缩机，同时向内燃机动力传输子系统输出轴功；当斯特林辅助动力子系统输出功率为零时，充电电池可作为动力源，通过电动机和辅助动力传递装置驱动车用空调压缩机。当充电电池电压不足时，可以通过斯特林发动机充电，或通过动力传动装置充电。当斯特林发动机或充电电池不能驱动空调压缩机时，内燃机可通过动力传动装置直接驱动空调压缩机。
上述斯特林发动机的换热器可布置在烟气消音装置中，或布置在烟气触媒净化装置前。换热器具体结构形式为结构逆流式螺旋扭曲扁管结构，汽车尾气在管外冲刷，斯特林发动机工作介质在扁管内流动。螺旋扭曲扁管外缘保持螺旋线紧密接触，起到相互支撑作用并在换热管间形成螺旋形流道。
上述环境空气冷却子系统只布置一个冷却剂散热装置，采用内燃机原有的冷却剂，冷却斯特林发动和内燃机冷却剂。该冷却剂经过循环泵后，依次冷却斯特林发动机和内燃机，再流入冷却剂散热装置，最后返回到循环泵入口，完成一个循环。采用这种冷却方式只需要在环境空气冷却子系统的原有位置相应增大空冷散热装置的散热面积，不需要改动内燃机原有的布置。这种布置，结构简单，有利于环境空气冷却系统的统一控制，便于斯特林辅助动力子系统与内燃机的整体检测和维护。
利用上述斯特林辅助动力子系统，可以实现对内燃机排放烟气余热回收利用，提高燃料利用率，增加内燃机输出功率，达到节能效果，而且对原有的内燃机动力系统改变不大。
附图说明
图1是本发明内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统原理图，其中换热器置于烟气消音装置中。
图2是本发明内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统原理图，其中换热器置于烟气触媒净化装置前。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
本发明提出的内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统，如图1所示。该混合动力系统包括包括内燃机热转功子系统、环境空气冷却子系统、动力传输子系统以及斯特林辅助动力子系统；其中内燃机热转功子系统包括具有吸气端和排气端的内燃机、依次与内燃机排气端相连的烟气触媒净化装置、烟气消音装置和排气阀；发动机还具有冷却剂进口和冷却剂出口；其中环境空气冷却子系统包括具有冷却空气进口、冷却空气出口、冷却剂散热装置和循环泵；其中动力传输子系统包括通过曲轴与内燃机动力联接的主轴、与主轴动力联接的动力传动装置、与动力传动装置相连的空调压缩机和辅助动力传递装置，还包括一个与辅助动力传递装置相连的电动机；斯特林辅助动力子系统，该斯特林辅助动力子系统包括斯特林发动机、与斯特林发动机相连的发电机、与发电机相连的控制器、与控制器相连的充电电池；上述环境空气冷却子系统将内燃机冷却剂散热装置和斯特林发动机冷却剂散热装置融合为一个共用的冷却剂散热装置；该散热装置的冷却剂出口通过循环泵与斯特林发动机冷却剂进口相连，斯特林发动机冷却器的冷却剂出口与内燃机冷却剂进口相连，内燃机冷却剂出口与冷却剂散热装置进口相连；充电电池与动力传输子系统的动力传动装置连接；控制器与动力传输子系统的的电动机连接。
本发明混合动力系统的工作过程如下：境中的空气从内燃机吸气端进入内燃机热转功子系统的内燃机气缸，与燃料混合后燃烧，燃烧后的高温高压烟气驱动内燃机活塞运动，将部分烟气热能转化为曲轴的机械能，并将机械能输送给动力传输子系统；同时启动环境空气冷却子系统，冷却内燃机；从内燃机排气端输出的高温高压烟气先经过触媒净化装置脱除烟气中的毒害性和腐蚀性成分，再经过逆流式螺旋扭曲扁管换热器，加热斯特林发动机工作介质；然后进入烟气消音装置，在降低烟气压力的同时起到消音的作用；最后排出烟气消音装置的烟气经过排气阀排入环境空气中。
启动内燃机后，对外排放的热烟气通过逆流换热器加热斯特林发动机的工作介质，如氦气。当斯特林发动机的工作介质达到一定温度后，斯特林发动机开始运转。由于环境空气冷却子系统在之前已经启动，冷却剂先经过斯特林发动机冷却器冷却工作介质，再流入内燃机进行冷却，最后流入冷却剂散热装置对环境放热。随内燃机负荷的变化，即排放余热烟气的流量和温度的变化，斯特林发动机输出功率也随之变化。斯特林辅助动力子系统中控制器根据斯特林发动机输出功率大小确定功率输出策略，或用于充电，或用于驱动空调压缩机，或用于输出轴功。

Claims (4)

1.一种内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统，包括内燃机热转功子系统、环境空气冷却子系统、动力传输子系统；其中内燃机热转功子系统包括具有吸气端和排气端的内燃机、依次与内燃机排气端相连的烟气触媒净化装置、烟气消音装置和排气阀；发动机还具有冷却剂进口和冷却剂出口；其中环境空气冷却子系统包括具有冷却空气进口、冷却空气出口、冷却剂散热装置和循环泵；其中动力传输子系统包括通过曲轴与内燃机动力联接的主轴、与主轴动力联接的动力传动装置、与动力传动装置相连的空调压缩机和辅助动力传递装置，还包括一个与辅助动力传递装置相连的电动机；
其特征在于：该混合动力系统还包括斯特林辅助动力子系统，该斯特林辅助动力子系统包括斯特林发动机、与斯特林发动机相连的发电机、与发电机相连的控制器、与控制器相连的充电电池；
所述环境空气冷却子系统将内燃机冷却剂散热装置和斯特林发动机冷却剂散热装置融合为一个共用的冷却剂散热装置；该散热装置的冷却剂出口通过循环泵与斯特林发动机冷却剂进口相连，斯特林发动机冷却器的冷却剂出口与内燃机冷却剂进口相连，内燃机冷却剂出口与冷却剂散热装置进口相连；
所述的充电电池与所述的动力传输子系统的动力传动装置连接；所述的控制器与所述的动力传输子系统的的电动机连接。
2.根据权利要求1所述的内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统，其特征在于： 斯特林辅助动力子系统功率输出根据内燃机输出功率大小即不同车速确定功率输出策略。
3.根据权利要求1所述的内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统，其特征在于：所述斯特林发动机的换热器布置在烟气消音装置中，或布置在烟气触媒净化装置前。
4.根据权利要求1所述的内燃机－斯特林机联合循环的混合动力系统，其特征在于：所述斯特林发动机的换热器为逆流式换热器，具体结构为螺旋扭曲扁管结构。
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