CN103644030A - 一种采用介质吸热回能内燃机的太阳能车动力源 - Google Patents

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Abstract

本太阳能车采用新型介质吸热回能式内燃机为动力源，该内燃机由直列式三个气缸构成，即燃气气缸缸套在同轴向的高压气气缸内，同轴向的压缩气气缸反向设置在燃气气缸下方，并且压缩气气缸的活塞连杆和燃气气缸套的活塞连杆互成180°共同装在曲轴上。采用介质进行吸热膨胀做功来吸收内燃机气缸壁和废气中的大部分热量，内燃机的热效率可以大幅提高，同时可不再使用水冷系统，降低生产成本；另一方面，太阳能电池板为散热风扇提供电力并为蓄电池充电，蓄电池不需要发电机进行充电，通过水雾蒸发散热能够大幅提高散热效果，且大功率加湿器的电力来自于太阳能电池板，进一步降低了能耗。综合利用多种节能技术实现车辆节能，使得汽车油耗大幅下降。

Description

一种采用介质吸热回能内燃机的太阳能车动力源
技术领域
本发明涉及一种采用介质吸热回能内燃机的太阳能车动力源，具体是一种综合利用太阳能电力及介质回收余热进行膨胀做功的内燃机作为汽车动力源，属于新能源汽车技术领域。
背景技术
新能源汽车[新能源汽车生产准入管理规则．中华人民共和国国家发展和改革委员会．2007-07-17]是指采用非常规车用燃料作为动力来源(或使用常规车用燃料、采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车(BEV,包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV)、氢发动机汽车、其他新能源(如高效储能器)汽车等。在能源紧缺,环境污染越来越严重的今天,新能源汽车已成为汽车产业未来发展的趋势 [全球新能源汽车发展的三个阶段．产业信息网．2013-09-26]。现有汽车的内燃机约有30%的热能通过废气排出，约35%的热能通过冷却系统的水带走，总计超过60%以上的热能是不能做功的，因此热能的转换效率是很低的。目前对于提高内燃机的热能的转换效率的研究很多，但已知的各种技术都较复杂，成本也较高，如何简单方便地利用这些热能来做功是一个亟待解决的问题，另一方面，汽车安装太能电池板的面积有限，约为2-3M2，发出的功率约为300—500W，这么小的电功率是无法驱动汽车的，因此要和内燃机有效结合，才能实现汽车大幅节能，如何采用新型发动机，如何巧妙利用有限的太阳能是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用介质吸热回能内燃机的太阳能车动力源，利用循环介质吸收内燃机气缸壁和废气中的热量，太阳能电池板为散热风扇提供电力并为蓄电池充电，实现车辆运行节能的目的，使得汽车油耗大幅下降。
本发明采用介质吸热回能式内燃机为动力源，该内燃机由直列式三个气缸构成，即燃气气缸27缸套在同轴向的高压气气缸26内，同轴向的压缩气气缸反向设置在燃气气缸27下方，并且压缩气气缸28的活塞连杆和燃气气缸套的活塞连杆互成180°共同装在曲轴上，燃气气缸套的活塞及连杆与高压气气缸的活塞及连杆连成一体，压缩气气缸28的排气口通过高压冷凝管连接到高压气气缸26的进气口，燃气气缸27与高压气气缸26之间，安装了螺旋热气管10，该管与燃气气缸27的排气口4与排气管接头5连通，排气通道缠绕燃气气缸27缸壁构成螺旋热气管10，热气进入到螺旋热气管10后通过穿过高压气气缸26壁上的热气排气口13通向大气，介质液态在做功冲程时，通过高压进液阀8进入高压气气缸26内，液态介质可在高压气气缸内获得到来自燃气气缸壁和燃烧废气的热能，吸热后膨胀成气体，推动高压气做功活塞14，与燃气气缸中的燃气一起做功，高压气气缸26的进气口处也设置有高压进液阀8，而排气口处设置有排气阀6，排气阀连接介质回流管30，该回流管设置介质回流管散热片29，连续弯成细而长的S形状，位于汽车底部散热层38与整个汽车底板39连成一体，整个底板构成散热板，汽车运动气流进入散热层，对介质气体进行初级降温，回流管连接进气单向阀25，位于压缩气气缸28进气口处，在压缩气气缸28的排气口处设置有压气单向阀23，高压冷凝管7采用一系列平行的金属管连接成，介质气体进入高压冷凝管7，该高压冷凝管安装散热片，经过冷凝变为液体，这会散发大量热量，高压冷凝管7外部设有导风外罩32，导风罩前端安装方形百叶窗风门33，汽车运动时，车头迎风面的气流吹动百叶窗风门，气流透过百叶窗风门吹拂高压冷凝管7，外罩底端设有散热风扇31，出风口位置设置大功率超声波加湿器34，水雾从超声波加湿器喷出后，随散热风扇31和透过百叶窗风门的合并气流共同吹拂高压冷凝管7，水雾粘贴附在高压冷凝管及散热片上，在气流的作用下迅速蒸发，带走大量蒸发热，汽车静止时，发动机处于怠速，百叶窗风门关闭，散热风扇31和超声波加湿器34正常工作，使得导风外罩32内压高于外压，散热风扇31独立吹拂散热，散热风扇31和超声波加湿器34的电能由太阳能电池板37提供，太阳能电池板连接太阳能板充电控制器36，该充电控制器并接蓄电池35、散热风扇31和超声波加湿器34，蓄电池不再通过发电机充电。
散热风扇31外围设置有喇叭状圆筒，筒的端面安装透风安全挡板。
工作介质可用卤代烃及非卤代烃类物质，若散热环节解决较好，也可以直接用水作为工作介质。
压缩气气缸28的压气总量体积与高压冷凝管7总的空腔体积之比≥5，即空压比大于5。
高压气气缸26与压缩气气缸28之间由机体外壳连接，机体外壳上设置有通气孔17，可使本装置的结构更加紧凑，并且又可使高压气气缸和压缩气气缸的活塞运动阻力减小。
本装置的压缩气气缸28的缸壁上装有一系列散热片21，可尽量使其产生的高压介质气体温度降低，从而提高高压气气缸的工作效率。
燃气做功活塞11的做功活塞连杆15与压气活塞连杆19采用长度相同的连杆，用活塞销12销铰接燃气做功活塞11，压气活塞销22铰接压气活塞20。
内燃机工作原理：该内燃机由单一的燃气气缸变为直列式三个气缸构成，即燃气气缸27、高压气气缸26和压缩气气缸28。通过四个冲程的进行,可以将气缸壁和燃气剩余的热量大部分回收掉。
1.吸气冲程：燃气做功活塞11向下运动，进气门2打开，通过进气口1吸入空气。与此同时，与燃气做功活塞11相连的高压气做功活塞14也同时向下运动，高压进液阀8打开，吸入高压冷凝管7的介质液体，介质液体收燃气气缸27的缸壁和燃烧热气排气管的热量，液体蒸发膨胀做功，推动高压气做功活塞14向下运动做功。上方两活塞在向下运动时，通过活塞连杆15和曲轴18传递，压气活塞20向上运动，进入到吸气阶段，压气单向阀23关闭，进气单向阀25打开，运动到下止点，两个进气阀关闭，开始进入压缩冲程。
2.压缩冲程：燃气做功活塞11向上运动，进气门2和排气门3关闭，与此同时，高压进液阀8关闭，排气阀6打开，与燃气做功活塞11相连的高压气做功活塞14也同时向上运动，将介质膨胀做功后的介质气体通过排气阀6排出至介质回流管30内，经介质回流管散热片29进行初步降温。上方两气缸在向上运动时，通过活塞连杆15，压气活塞20向下运动，进入到压气阶段，压气单向阀23打开，进气单向阀25关闭。介质气体通过高压进气管24被压入到高压冷凝管7中。
这里，高压冷凝管7由多根金属并列连接而成，其总的空腔体积为v=nπr 2 l，r是高压冷凝管空腔内壁半径，l是高压冷凝管总长；压气总量V=πR 2 L，，这里R为压气活塞半径，L为压气活塞行程。于是，空压比为ε=V／v≥4，热能回收效率与空压比成正比。由于高压冷凝管管壁较厚，耐压能力较强，可防止漏气；由多根金属并列连接而成，可以及时散热，将压缩空气发出的热量及时散去，以保证高压气的温度较低，便于吸热膨胀做功。
3.做功冲程：运动到上止点，两个进气排气门关闭，燃气燃烧，进入做功冲程。燃气做功活塞11向下运动，燃气膨胀做功。与此同时，与燃气做功活塞11相连的高压气做功活塞14也同时向下运动，高压进液阀8打开，喷射介质液体，该介质液体吸收气缸壁和热气排气管的热量，蒸发膨胀做功，推动高压气做功活塞14向下运动做功，这样上方两个活塞都在做功。上方两活塞在向下运动时，通过活塞连杆15，压气活塞20向上运动，进入到吸气阶段，压气单向阀23关闭，进气单向阀打开25。运动到下止点，两个进气阀关闭，开始进入排气冲程。
4.排气冲程：燃气做功活塞11向上运动，进气门2关闭，排气门3打开。燃烧后的热气由排气口4经排气管接头5进入到螺旋热气储气管10内，此时燃气的温度极高，使得金属的螺旋热气储气管10外壁的温度极高，为下一次高压冷气膨胀做功做好准备。与此同时，高压进液阀8关闭，排气阀6打开，与燃气做功活塞11相连的高压气做功活塞14也同时向上运动，将介质膨胀做功后的介质气体通过排气阀6排出至介质回流管30内，通过压气单向阀25输入压缩气气缸28内。上方两气缸在向上运动时，通过活塞连杆15，压气活塞20向下运动，进入到压气阶段，压气单向阀23打开，进气单向阀25关闭。介质气体通过高压进气管24被压入到高压冷凝管7中，进行冷凝。
上述就是四个冲程的过程。通过这样的方式可以将气缸壁和燃气剩余的热量大部分回收掉。尽管压气活塞20向下运动要消耗能量，介质气体发出的热量要尽快散去，采用散热片21和高压冷凝管7进行散热和介质回流管散热片29，成为高压冷气，但通过理论的估算，高压冷气吸热做功回收的能量大大高于压气活塞20向下运动所消耗的能量，内燃机的热效率可以提高30%。另一方面，蓄电池不需要发电机进行充电，通过水雾蒸发散热能够大幅提高散热效果，且大功率加湿器的电力来自于太阳能电池板，进一步降低了能耗。
介质工作原理：压缩气气缸28的排气口通过高压冷凝管连接到高压气气缸26的进气口，燃气气缸27与高压气气缸26之间，安装了螺旋热气管10，该管与燃气气缸27的排气口4与排气管接头5连通，排气通道缠绕燃气气缸27缸壁构成螺旋热气管10，热气进入到螺旋热气管10后通过穿过高压气气缸26壁上的热气排气口13通向大气，介质液态在做功冲程时，通过高压进液阀8进入高压气气缸26内，液态介质可在高压气气缸内获得到来自燃气气缸壁和燃烧废气的热能，吸热后膨胀成气体，推动高压气做功活塞14，与燃气气缸中的燃气一起做功，高压气气缸26的进气口处也设置有高压进液阀8，而排气口处设置有排气阀6，排气阀连接介质回流管30，该回流管设置介质回流管散热片29，该回流管细而长的S形状，位于汽车底部散热层38与整个汽车底板39连成一体，整个底板构成散热板，汽车运动气流进入散热层，对介质气体进行初级降温，回流管连接进气单向阀25，位于压缩气气缸28进气口处，在压缩气气缸28的排气口处设置有压气单向阀23，高压冷凝管7采用一系列平行的金属管连接成，介质气体进入高压冷凝管7，该高压冷凝管安装散热片，经过冷凝变为液体，这会散发大量热量，高压冷凝管7外部设有导风外罩32，导风罩前端安装方形百叶窗风门33，汽车运动时，车头迎风面的气流吹动百叶窗风门，气流透过百叶窗风门吹拂高压冷凝管7，外罩底端设有散热风扇31，出风口位置设置大功率超声波加湿器34，水雾从超声波加湿器喷出后，随散热风扇31和透过百叶窗风门的合并气流共同吹拂高压冷凝管7，水雾粘贴附在高压冷凝管及散热片上，在气流的作用下迅速蒸发，带走大量蒸发热，汽车静止时，发动机处于怠速，百叶窗风门关闭，散热风扇31和超声波加湿器34正常工作，使得导风外罩32内压高于外压，散热风扇31独立吹拂散热，散热风扇31和超声波加湿器34的电能由太阳能电池板37提供，太阳能电池板连接太阳能板充电控制器36，该充电控制器并接蓄电池35、散热风扇31和超声波加湿器34，蓄电池不再通过发电机充电。
本发明的有益效果: 采用介质进行吸热膨胀做功来吸收内燃机气缸壁和废气中的大部分热量，内燃机的热效率可以大幅提高，同时可不再使用水冷系统，降低生产成本；另一方面，太阳能电池板为散热风扇提供电力并为蓄电池充电，蓄电池不需要发电机进行充电，通过水雾蒸发散热能够大幅提高散热效果，且大功率加湿器的电力来自于太阳能电池板，进一步降低了能耗。综合利用多种节能技术实现车辆节能，使得汽车油耗大幅下降。
附图说明
图1整辆车的太阳能电池板及内燃机总体结构示意图； 
图2为本发明内燃机运动到上止点的结构示意图；
图3为本发明内燃机做功状态示意图；
图4为本发明内燃机运动到下止点的状态示意图；
图5外观结构示意图。
图1-5中各标号依次表示: 1、进气口，2、进气门，3、排气门，4、排气口，5、排气管接头，6、排气阀，7、高压冷凝管，8、高压进液阀，9、高压进气管，10、螺旋热气管，11、燃气做功活塞，12、活塞销，13、热气排气口，14、高压气做功活塞，15、做功活塞连杆，16、机体外壳，17、通气孔，18、曲轴，19、压气活塞连杆，20、压气活塞，21、散热片，22、压气活塞销，23、压气单向阀，24、高压进气管，25、进气单向阀，26、高压气气缸，27、燃气气缸， 28、压缩气气缸，29、介质回流管散热片，30、介质回流管，31、散热风扇，32、导风外罩，33、百叶窗风门，34、超声波加湿器，35、蓄电池，36、太阳能板充电控制器，37、太阳能电池板，38、汽车底部散热层，39、汽车底板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用介质吸热回能内燃机的太阳能车动力源，其结构较简单，制造成本较低，可吸收内燃机气缸壁和废气中的热量，实现车辆运行节能的目的，使得汽车油耗大幅下降。
本发明采用采用介质吸热回能式内燃机为动力源，采用燃气为燃料，也可以采用生物燃油，该内燃机由直列式三个气缸构成，即燃气气缸27缸套在同轴向的高压气气缸26内，同轴向的压缩气气缸反向设置在燃气气缸27下方，并且压缩气气缸28的活塞连杆和燃气气缸套的活塞连杆互成180°共同装在曲轴上，燃气气缸套的活塞及连杆与高压气气缸的活塞及连杆连成一体，压缩气气缸28的排气口通过高压冷凝管连接到高压气气缸26的进气口，燃气气缸27与高压气气缸26之间，安装了螺旋热气管10，该管与燃气气缸27的排气口4与排气管接头5连通，排气通道缠绕燃气气缸27缸壁构成螺旋热气管10，热气进入到螺旋热气管10后通过穿过高压气气缸26壁上的热气排气口13通向大气，介质液态在做功冲程时，通过高压进液阀8进入高压气气缸26内，液态介质可在高压气气缸内获得到来自燃气气缸壁和燃烧废气的热能，吸热后膨胀成气体，推动高压气做功活塞14，与燃气气缸中的燃气一起做功，高压气气缸26的进气口处也设置有高压进液阀8，而排气口处设置有排气阀6，排气阀连接介质回流管30，该回流管设置介质回流管散热片29，该回流管细而长，为S装，位于汽车底部散热层38与整个汽车底板39连成一体，整个底板构成散热板，汽车运动气流进入散热层，对介质气体进行初级降温，回流管连接进气单向阀25，位于压缩气气缸28进气口处，在压缩气气缸28的排气口处设置有压气单向阀23，高压冷凝管7采用一系列平行的金属管连接成，介质气体进入高压冷凝管7，该高压冷凝管安装散热片，经过冷凝变为液体，这会散发大量热量，高压冷凝管7外部设有导风外罩32，导风罩前端安装方形百叶窗风门33，汽车运动时，车头迎风面的气流吹动百叶窗风门，气流透过百叶窗风门吹拂高压冷凝管7，外罩底端设有散热风扇31，出风口位置设置大功率超声波加湿器34，水雾从超声波加湿器喷出后，随散热风扇31和透过百叶窗风门的合并气流共同吹拂高压冷凝管7，水雾粘贴附在高压冷凝管及散热片上，在气流的作用下迅速蒸发，带走大量蒸发热，汽车静止时，发动机处于怠速，百叶窗风门关闭，散热风扇31和超声波加湿器34正常工作，使得导风外罩32内压高于外压，散热风扇31独立吹拂散热，散热风扇31和超声波加湿器34的电能由太阳能电池板37提供，太阳能电池板连接太阳能板充电控制器36，该充电控制器并接蓄电池35、散热风扇31和超声波加湿器34，蓄电池不再通过发电机充电。
散热风扇31外围设置有喇叭状圆筒，筒的端面安装安全透风挡板。
高压冷凝管7采用一系列平行的金属管连接成，并且压缩气气缸28的压气总量体积与高压冷凝管7总的空腔体积之比≥5，即空压比在5以上，介质气体进入高压冷凝管7，经过冷凝变为液体，高压冷凝管7外部设有导风外罩32，外罩顶端设有散热风扇31，该风扇轴与曲轴18通过机械传动进行联动。
高压气气缸26与压缩气气缸28之间由机体外壳连接，机体外壳上设置有通气孔17，可使本装置的结构更加紧凑，并且又可使高压气气缸和压缩气气缸的活塞运动阻力减小。
本装置的压缩气气缸28的缸壁上装有一系列散热片21，可尽量使其产生的高压介质气体温度降低，从而提高高压气气缸的工作效率。
燃气做功活塞11的做功活塞连杆15与压气活塞连杆19采用长度相同的连杆，用活塞销12销铰接燃气做功活塞11，压气活塞销22铰接压气活塞20。
工作介质可用卤代烃及非卤代烃类物质，若散热环节解决较好，也可以直接用水作为工作介质。

Claims (3)

1.一种采用介质吸热回能内燃机的太阳能车动力源，其特征是：采用新型介质吸热回能式内燃机为动力源，该内燃机由直列式三个气缸构成，即燃气气缸(27)缸套在同轴向的高压气气缸(26)内，同轴向的压缩气气缸反向设置在燃气气缸(27)下方，并且压缩气气缸(28)的活塞连杆和燃气气缸套的活塞连杆互成180°共同装在曲轴上，燃气气缸套的活塞及连杆与高压气气缸的活塞及连杆连成一体，压缩气气缸(28)的排气口通过高压冷凝管连接到高压气气缸(26)的进气口，燃气气缸(27)与高压气气缸(26)之间，安装了螺旋热气管(10)，该管与燃气气缸(27)的排气口(4)与排气管接头(5)连通，排气通道缠绕燃气气缸(27)缸壁构成螺旋热气管(10)，热气进入到螺旋热气管(10)后通过穿过高压气气缸(26)壁上的热气排气口(13)通向大气，介质液态在做功冲程时，通过高压进液阀(8)进入高压气气缸(26)内，液态介质可在高压气气缸内获得到来自燃气气缸壁和燃烧废气的热能，吸热后膨胀成气体，推动高压气做功活塞(14)，与燃气气缸中的燃气一起做功，高压气气缸(26)的进气口处也设置有高压进液阀(8)，而排气口处设置有排气阀(6)，排气阀连接介质回流管(30)，该回流管设置介质回流管散热片(29)，连续弯成细而长的S形状，位于汽车底部散热层(38)与整个汽车底板(39)连成一体，整个底板构成散热板，汽车运动气流进入散热层，对介质气体进行初级降温，回流管连接进气单向阀(25)，位于压缩气气缸(28)进气口处，在压缩气气缸(28)的排气口处设置有压气单向阀(23)，高压冷凝管(7)采用一系列平行的金属管连接成，介质气体进入高压冷凝管(7)，该高压冷凝管安装散热片，经过冷凝变为液体，这会散发大量热量，高压冷凝管(7)外部设有导风外罩(32)，导风罩前端安装方形百叶窗风门(33)，汽车运动时，车头迎风面的气流吹动百叶窗风门，气流透过百叶窗风门吹拂高压冷凝管(7)，外罩底端设有散热风扇(31)，出风口位置设置大功率超声波加湿器(34)，水雾从超声波加湿器喷出后，随散热风扇(31)和透过百叶窗风门的合并气流共同吹拂高压冷凝管(7)，水雾粘贴附在高压冷凝管及散热片上，在气流的作用下迅速蒸发，带走大量蒸发热，汽车静止时，发动机处于怠速，百叶窗风门关闭，散热风扇(31)和超声波加湿器(34)正常工作，使得导风外罩(32)内压高于外压，散热风扇(31)独立吹拂散热，散热风扇(31)和超声波加湿器(34)的电能由太阳能电池板(37)提供，太阳能电池板连接太阳能板充电控制器(36)，该充电控制器并接蓄电池(35)、散热风扇(31)和超声波加湿器(34)，蓄电池与发动机电枢线断开。
2.按权利要求1所述的一种采用介质吸热回能内燃机的太阳能车动力源，其特征是：散热风扇(31)外围设置有喇叭状圆筒，筒的端面安装透风安全挡板。
3.按权利要求1所述的一种采用介质吸热回能内燃机的太阳能车动力源，其特征是：工作介质可用卤代烃及非卤代烃类物质，若散热环节解决较好，也可以直接用水作为工作介质。
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