CN103470352B - 基于斯特林发动机的汽车尾气余热回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于斯特林发动机的汽车尾气余热回收装置，由能量输入系统、换热系统、菱形传动系统、能量输出系统组成；该装置安装在汽车排气管的歧管与消音器之间；汽车尾气从发动机汽缸中出来的高温汽车尾气，从入口流入，对管中的斯特林机的工质进行加热，然后排出；加热管中的工质气体，吸收从尾气传递过来的热量后，内能增加；当工质气体从热腔向流向冷腔时，在冷却水的冷却作用下，工质气体温度迅速下降，内冷减少；热腔和冷腔空间的大小似正弦曲线的方式变化，使工质气体在热腔与冷腔中以斯特林循环模式循环，完成热能向动能之间的转换。该装置能有效缓解汽车尾气热污染，提高了燃油利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于斯特林发动机的汽车尾气余热回收装置，该装置能有效缓解汽车尾气热污染，提高了燃油利用率。
背景技术
对汽车尾气余热的回收利用，世界上一些发达国家已经先后展开了相关研究，并取得了一定的成果。其中最受青睐而且已经比较成熟的技术是温差发电技术。在2008年3月，以美国通用汽车公司为首的多家汽车公司开始热电材料的研究并应用于汽车尾气余热的回收利用。后在雪佛兰Suburban上进行了装车试验，试验车辆经历了5万公里的行驶里程，实验结果表明，该技术将热能转化电能作为混合动力驱动车辆，每加仑燃油可使车辆行驶的距离增加1英里，节省燃油10%。
相比之下，我国在汽车尾气余热回收方面起步比较晚，在技术和产品自主创新方面几乎还是空白，不过，近几年来在国家自然科学基金及国家“863”研究计划的支持下，在温差发电领域的研究也有了一定的进步。
现有余热回收利用技术的不足：现有余热发电的主要装置为余热锅炉，它是利用回收废气废液中的热量来发电的。由于工质温度不高，为保证其正常工作，故锅炉体积设计很大，占据空间。
另一种新型的余热回收方式是利用热电材料发电。但是该方式也存在如下诸多缺点：
1）热电材料的加工制作成本很高，且热电材料的热电转化效率很低（<5%）；
2）产生铅污染。当前广为使用于热电产生器的材料是碲化铅及其合金，带来铅污染；
3）工作温度限制。用于温差发电的热电材料碲化铋及其合金（热电制冷器材料）的最佳运作温度为<450℃，碲化铅及其合金（热电产生器材料）最佳运作温度约为1000℃。而在汽车尾气管中，最高温度为歧管处，温度为800℃~900℃。热电材料工作温度受到限制。
发明内容
针对上述情况，本发明提供一种基于斯特林发动机的汽车尾气余热回收装置，利用斯特林机体积小、效率高、成本较低、适用性强的优点，巧妙的配合菱形传动系统，高效的将热能向动能之间的转换，该装置能有效缓解汽车尾气热污染，提高了燃油利用率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于斯特林发动机的汽车尾气余热回收装置，该装置安装在汽车排气管的歧管与消音器之间，由能量输入系统、换热系统、菱形传动系统、能量输出系统组成。换热系统包括加热器、冷却器和回热器，加热器外套接加热器罩，加热器罩一侧连接进气口，一侧连接出气口，其特征在于：加热器为管式加热器；菱形传动系统位于基座内，由双齿轮(A、B)、动力活塞连杆、配气活塞连杆、动力活塞杆和配气活塞杆组成，动力活塞连杆与配气活塞连杆通过铰链连接并固定于齿轮A靠圆心位置，动力活塞连杆的自由端通过铰链连接动力轭杆，配气活塞连杆的自由端通过铰链连接配气轭杆并固定于离齿轮A离圆心较远的位置；齿轮A和齿轮B相互啮合，且其上的机构为对称结构。
配气轭杆通过关节轴承连接在配气活塞杆的下端；配气活塞杆内接于动力活塞杆，并贯穿动力轭杆，动力轭杆连接在动力活塞杆的下端。
动力活塞杆与动力活塞连接；配合活塞杆与配气活塞连接。
配气活塞和缸体之间组成的热腔，配气活塞与动力活塞组成冷腔；冷腔的温度控制是通过流经冷腔的冷却水来实现；当工质气体从热腔向流向冷腔时，在冷却水的冷却作用下，工质气体温度迅速下降，内冷减少。热腔和冷腔空间的大小以似正弦曲线的方式变化，从而使得工质气体在热腔与冷腔中以斯特林循环模式循环，完成热能向动能之间的转换。
本发明的有益效果是：斯特林尾气余热利用装置具有体积小、效率高、成本较低、适用性强等优点，能有效缓解汽车尾气热污染，提高了燃油利用率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是菱形传动系统的结构示意图
图3是冷热腔容积变化曲线图
图4是加热器管管层向分布图
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明。
在图1、图2、图3、图4所示的第一实施例中，一种基于斯特林发动机的汽车尾气余热回收装置，该装置安装在汽车排气管的歧管与消音器之间，由能量输入系统、换热系统、菱形传动系统、能量输出系统组成。换热系统包括加热器（3）、冷却器（8）和回热器（6），加热器（3）外套接加热器罩（2），加热器罩（2）一侧连接进气口（1），一侧连接出气口（4），其特征在于：加热器（3）为管式加热器；菱形传动系统位于基座（20）内，由双齿轮(A、B)（15、19）、动力活塞连杆（17）、配气活塞连杆（18）、动力活塞杆（12）和配气活塞杆（11）组成，动力活塞连杆（17）与配气活塞连杆（18）通过铰链连接并固定于齿轮A（15）靠圆心位置，动力活塞连杆（17）的自由端通过铰链连接动力轭杆（13），配气活塞连杆（18）的自由端通过铰链连接配气轭杆（16）并固定于离齿轮A（15）离圆心较远的位置；齿轮A（15）和齿轮B（19）相互啮合，且其上的机构为对称结构。
配气轭杆（16）通过关节轴承（14）连接在配气活塞杆（18）的下端；配气活塞杆（18）内接于动力活塞杆（17），并贯穿动力轭杆（13），动力轭杆（13）连接在动力活塞杆（17）的下端。
动力活塞杆（17）与动力活塞（10）连接；配气活塞杆（18）与配气活塞（7）连接。
配气活塞（7）和缸体之间组成的热腔（5），配气活塞（7）与动力活塞（10）组成冷腔（9）；冷腔（9）的温度控制是通过流经冷腔（9）的冷却水来实现。汽车尾气温度在900—1400℃，从汽车发动机汽缸中出来的高温汽车尾气，从汽车尾气进气口（1）流入，再对管中的斯特林机的工质进行加热，然后排出；由于有单向阀作用，可以控制汽车尾气背压在安全范围内；加热管中的工质气体，吸收从尾气传递过来的热量后，内能增加。如果此时给连接两齿轮的飞轮一个初始速度，由配气活塞（7）和缸体组成的热腔（5），配气活塞（7）与动力活塞（10）组成的冷腔（9）。当工质气体从热腔（5）向流向冷腔（9）时，在冷却水的冷却作用下，工质气体温度迅速下降，内冷减少。冷热腔空间大小似正弦曲线的方式变化，从而使得工质气体在热腔（5）与冷腔（9）中以斯特林循环模式循环，带动腔内活塞运动，并通过菱形输出结构带动发电机运转。由于汽车排量变化，转速有波动，故使其经过整流等电路后储存在蓄电池中。
在图1、图2、图4所示的第二实施例中，加热器（3）主要功能是吸收汽车尾气的热量并将其传递给工质，从而使工质获得做功的能力。它是能量输入的关键部分，其性能的优劣直接影响着整机性能及节能效果。本发明中的加热器（3）采用的是管式加热器。
影响这部分换热效果因素主要为管的分布。本发明中如图4的管层分布，并经分析后得下表：
表1外部换热效果
表2管内换热效果
由表可知，尾气背压为10000Pa时，在汽车发动机允许值范围内；热流密度为23.03kW/m2，总换热量为1750W，达到了换热效果；工质的流阻损失共为0.02Mpa，与2Mpa的工质压力相比，损失较小。综上所述，该设计较好地解决了加热管组的通流面积、工质流阻损失和传热能力之间的矛盾，并且在加热器（3）中还附加了导流板，增强了尾气扰流效果，提高了换热效率。
回热器（6）的功能：当工质膨胀后从热端返回冷端，在流经回热器（6）时，回热器（6）吸收了工质的部分热量，工质温度从循环的最高温度下降到最低温度；相反，当工质在压缩后从冷端流向热端时，在流经回热器（6）的过程中，工质从回热器（6）获得能量，工质温度从循环的最低温度升高到最高温度。可见，回热器（6）能提高制冷、加热效果，从而提高发动机的效率和功率。
回热器（6）的设计关键点：应选择具有高的热容量材料来保证具有良好的热交换能力，并且要使回热器（6）的通流容积要小，减小无益容积，对工质的流阻要小。
冷却器（8）可以采用水冷和风冷两种形式。而发明中，由于对工质气体的冷却效果直接决定了输出功率的大小，因此采用冷却效果较好的水冷方式。
如图4所示，设在气缸的周围设计水套，内部均匀分布细铜管作为气体通道，将冷水从一端通入，另一端喷出，形成回路。考虑到汽车上现有的水循环系统水平均流量为15L/min，为保证一定的冷却效果，设计分析：
表3冷却器（8）工作参数
由此可见，冷却器（8）可将工质温度降低100℃，能达到良好的冷却效果。综上所述，从3个换热器进行了优化设计，提高了其换热效率，并且换热系统中的总无益容积为81299mm3，与有益容积之比约为1:1，满足设计要求。
菱形传动系统主要由动力活塞（10）、配气活塞（7）、菱形结构组成。斯特林发动机通过菱形机构输出扭矩，在机构运动过程中，动力活塞（10）提供主要动力，配气活塞（7）控制冷、热腔气体体积。
配气活塞（7）上端设计：上端主要考虑隔热和安装问题。为避免热腔（5）温度传递给冷腔（9）及减轻活塞重量，上端设计为较长的空心结构。
配气活塞（7）下端设计：下端主要考虑密封和活塞杆连接的问题。活塞外周采用PTEF材质的O型密封圈进行动态密封（优化后会选用活塞环），该材质的密封圈耐高温且摩擦系数小。由于动密封中密封圈的相对压缩率需在5%-10%之间，伸长率在3.5%-6.0%之间，选用G60密封圈并取合适的槽深宽。为了方便实验样机活塞杆长度的调整，活塞连接处均采用螺母可调式结构，且在螺纹孔下端又开设有配合孔以保证配气活塞（7）杆在运动中不至于晃动太大。
动力活塞（10）设计分为上端、中部和下端三部分。
动力活塞（10）上端设计：在菱形机构运动中，为保证热腔（5）活塞不越过冷腔（9）接头处，冷腔（9）中必然会产生部分无益容积。为减少该容积，提高工作效率，故上端设计一空心圆筒。
动力活塞（10）活塞中部与下端设计：其设计主要考虑活塞与腔体、杆之间的密封。与腔体密封中，由于靠下端密封，所以中部外径尺寸较下端小，其密封要求与配气活塞（7）下端一样。与杆密封中，采用的是V型组合式密封结构。
腔体设计：据实践操作，活塞行程取腔体直径一半为宜，故将活塞行程定为35mm。实践中得出，菱形机构运动中各活塞上下止点位置及缓冲腔的高度，确定腔体的总长242mm，考虑到与活塞的密封要求，腔体内径基本尺寸为65mm。
菱形机构设计：斯特林发动机的传动机构是发动机输出功率的主要部件，其作用是将活塞的往复直线运动转换成输出轴的直线运动。同时，为了使发动机能近似的按照理想斯特林循环运行，还需要保证动力活塞（10）领先于配气活塞（7）在90°至110°之间。
考虑到曲柄连杆机构对缸壁有一定的侧推力且平衡性较差，运动过程中摩擦损失较大，所以在本设计采用如图2的菱形机构。
表4菱形机构参数
经实体运动分析，配气活塞（7）与缸体所夹的热腔（5）与两活塞形成的冷腔（9）容积变化曲线如图4所示，经测量计算，两相位夹角为110°，满足运动要求。
Claims (1)
1.一种基于斯特林发动机的汽车尾气余热回收装置，该装置安装在汽车排气管的歧管与消音器之间，包括换热系统、菱形传动系统；换热系统包括加热器、冷却器和回热器，加热器外套接加热器罩，加热器罩一侧连接进气口，一侧连接出气口，其特征在于：加热器为管式加热器；菱形传动系统位于基座内，由齿轮A、齿轮B、动力活塞连杆、配气活塞连杆、动力活塞杆和配气活塞杆组成，动力活塞连杆与配气活塞连杆通过铰链连接并固定于齿轮A靠圆心位置，动力活塞连杆的自由端通过铰链连接动力轭杆，配气活塞连杆的自由端通过铰链连接配气轭杆并固定于离齿轮A的圆心较远的位置；齿轮A和齿轮B相互啮合，且其上的机构为对称结构；配气轭杆通过关节轴承连接在配气活塞杆的下端；配气活塞杆内接于动力活塞杆，并贯穿动力轭杆，动力轭杆连接在动力活塞杆的下端；动力活塞杆与动力活塞连接；配合活塞杆与配气活塞连接；配气活塞上端为较长的空心结构；动力活塞上端为一空心圆筒；加热器中设置增强尾气扰流效果的导流板；配气活塞和缸体之间组成的热腔，配气活塞与动力活塞组成冷腔；冷腔的温度控制是通过流经冷腔的冷却水来实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhu Tiehai Inventor before: Xie Yong Inventor before: Li Shiying Inventor before: Duan Dongsheng Inventor before: Huang Haitao Inventor before: Yao Liang Inventor before: Xiang Yuanlong Inventor before: Hu Yingzhi Inventor before: Li Ruiliang Inventor before: Sun Zhangyong |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20151023 Address after: Three village eight County of Puyang City, Henan province 457100 Puyang Town, No. 2 Applicant after: Zhu Tiehai Address before: 430074 Hubei province Wuhan city Hongshan District of Wuhan University of Technology consists of campus student apartments rose Applicant before: Xie Yong Applicant before: Li Shiying Applicant before: Duan Dongsheng Applicant before: Huang Haitao Applicant before: Yao Liang Applicant before: Xiang Yuanlong Applicant before: Hu Yingzhi Applicant before: Li Ruiliang Applicant before: Sun Zhangyong |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Lu Anqi Inventor before: Zhu Tiehai |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20170209 Address after: 200032 Shanghai city Xuhui District Rihui Village No. 81 Room 401 Applicant after: Lu Anqi Address before: Three village eight County of Puyang City, Henan province 457100 Puyang Town, No. 2 Applicant before: Zhu Tiehai |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170308 Termination date: 20180923 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |