CN103670624B - 利用尾气热量进行能量回收的系统及配置有该系统的汽车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用尾气热量进行能量回收的系统，所述系统通过散热板与汽车尾气排气管相连，所述系统包括第一子系统和用于控制所述系统运行的控制装置，所述第一子系统具有腔体、至少两根热管、喷嘴，以及至少一个第一级涡扇。本发明还提供一种配置有该系统的汽车。本发明的优势在于该系统制造成本低、布置灵活，能够在最大程度上利用尾气热量进行整车蓄电、车内采暖补偿、车内空气加湿处理，实为一种经济适用的解决方案。

Description

利用尾气热量进行能量回收的系统及配置有该系统的汽车

技术领域

本发明属于整车能量回收技术领域，尤其涉及一种利用尾气热量进行能量回收的系统及一种配置有该系统的汽车。

背景技术

在汽车领域中，发动机尾气具有巨大热量，一直以来作为提高整车能量利用的重要途径。例如在现有技术中，已广泛应用废气涡轮增压器来实现增压，在有效地利用了废气的余热的同时大大提升了发动机的性能。

现有利用尾气的专利发明主要涉及以下两大类：

一.利用尾气热量进行车内采暖以及车窗除霜

利用发动机的尾气与换热器进行换热，产生的热水进一步与散热器进行换热，从而加热乘客舱温度或是为车窗进行除霜。例如在公告号为CN101338931A的中国发明专利中公开了一种汽车尾气热能转换空调能量的方法及系统，其包括蒸化器、散热片、蒸发器、节流阀以及热交换器等组成部件。然而，采用该发明的技术方案存在的主要问题在于：利用尾气与换热器进行热交换增加了废气循环子系统，对于换热器提出了更高的要求；现有乘用车普遍是利用发动机的水侧热量进行采暖，已经有效的利用了多余的热量。

二.利用汽车尾气能量进行发电

涉及到利用尾气能量进行电能转换的普遍方式为热电制冷，即利用半导体材料的赛贝克效应：利用发动机尾气的高温热源与常温环境的温差，其中热源端靠近半导体的热端、冷端利用散热片进行散热。现有技术可以参阅中国实用新型CN200820100124.7、CN200920263376.6等专利文献。其存在的主要问题在于：热电转换效率低下、发电功率小及热端的热传导效率低等。

因而，如何更好地将尾气热量转换为热能、电能，即如何提高尾气利用率是这种尾气利用系统需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用尾气热量进行能量回收的系统从而可以有效地解决现有技术中存在的上述问题，以便能更好地满足人们的现实需求。

此外，本发明的目的还在于提供一种配置有该系统的汽车，从而进一步满足实际需求。

为实现上述的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种利用尾气热量进行能量回收的系统，所述系统通过散热板与汽车尾气排气管相连，所述系统包括第一子系统和用于控制所述系统运行的控制装置，所述第一子系统具有：

腔体，其包含：水槽；绝缘区域，其与所述水槽相邻；集热板，其位于所述水槽和所述绝缘区域的上方；挡板，其位于所述腔体的顶部；以及压力传感器，其包含执行机构并与所述挡板相连；

至少两根热管，其中至少一根所述热管贯穿所述水槽被布置在所述散热板和所述集热板之间，并且至少一根所述热管贯穿所述绝缘区域被布置在所述散热板和所述集热板之间；

喷嘴，其被布置在所述腔体的上方；以及

至少一个第一级涡扇，其被布置在所述喷嘴的出口处并与传动机构相连；

其中，所述热管中的尾气热量使所述水槽中的水受热被汽化形成蒸汽，所述压力传感器检测所述腔体内部的蒸汽压力，所述控制装置则接收由所述压力传感器检测的信号，当所检测的压力值达到预设值时，所述控制装置命令所述执行机构打开所述挡板以使所述蒸汽排入所述喷嘴中，所述蒸汽经过所述喷嘴到达所述第一级涡扇并驱动其旋转，同时所述第一级涡扇带动所述传动机构转动以收集电能。

在上述的系统中，优选地，所述系统还包括第二子系统，所述第二子系统具有：

蓄热模块；

管路，其与所述喷嘴的出口流体连通；

导管，其被布置在所述蓄热模块与所述腔体之间；以及

至少一个第二级涡扇，其被布置在所述管路中并与所述传动机构相连；

其中，从所述第一级涡扇排出的余下蒸汽沿着所述管路到达所述第二级涡扇并驱动其旋转，同时所述第二级涡扇带动所述传动机构转动以收集电能，从所述第一级涡扇及所述第二级涡扇排出的蒸汽与所述管路上方的空气侧经换热后产生的冷凝水通过各自的流道流入所述蓄热模块中。

在上述的系统中，优选地，所述系统还包括第三子系统，所述第三子系统具有：

蒸汽存储罐，其被布置在所述管路的末端；

控制阀，其被布置在所述蒸汽存储罐与车厢之间；

泄压阀，其被布置在所述蒸汽存储罐上并且其一端与大气连通；以及

湿度传感器，其被布置在所述车厢内；

其中，从所述第二级涡扇排出的最后一部分蒸汽沿所述管路继续前进直至进入所述蒸汽存储罐，所述湿度传感器检测所述车厢内部的湿度，所述控制装置则接收由所述湿度传感器检测的信号，当所检测的湿度值低于预设值时，所述控制装置命令所述控制阀打开阀门，从而使所述蒸汽存储罐中的湿蒸汽进入所述车厢内来满足所述车厢的湿度要求；当所检测的湿度值达到预设值时，所述控制装置命令所述控制阀关闭阀门，并命令所述泄压阀打开阀门，从而使部分蒸汽喷射至大气。

在上述的系统中，优选地，所述蓄热模块具有浮子开关，所述浮子开关被设置成当所述蓄热模块中的水量达到预设水位后开启，从而使得部分水量通过所述导管进入所述集热板流回所述水槽中。

在上述的系统中，优选地，所述第一子系统中的所述绝缘区域填充有绝缘材料。

在上述的系统中，优选地，所述蓄热模块由石蜡制成。

在上述的系统中，优选地，所述第一子系统中的所述散热板和所述热管以导热胶接触。

在上述的系统中，优选地，所述第一子系统中的所述水槽上设置有补液口，所述补液口被设置成当所述水槽中的液面低于最低水位时补液。

一种汽车，所述汽车配置有根据以上任一项所述的系统。

本发明的有益效果在于：采用本发明的系统可以实现将尾气热能经水蒸气相变、蒸汽增压转换为机械能、电能的过程，并且同时可以实现将尾气热能经水加热、蓄热重新回到冷却水进行热量补偿的循环过程，此外通过对最后一部分热量的回收使用也实现了车厢内的加湿过程。本发明布置灵活、制造成本低，在很大程度上能够有效利用整车尾气热量进行整车蓄电、车内采暖补偿、车内空气加湿处理，实为经济实用的解决方案。

附图说明

以下将结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。在图中：

图1是根据本发明的利用尾气热量进行能量回收的系统的一个优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，对具体实施例的详细说明用于说明和解释本发明，但并不用于限制本发明。

首先要指出的是，在本说明书中可能出现的上、下、左、右、前、后、等方位用语是相对于附图中所示的利用尾气进行能量回收的系统的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

请参阅图1，它在总体上示意性地图示出了本发明的利用尾气热量进行能量回收的系统的一个实施例的结构示意图。该系统通过散热板21与汽车尾气排气管22相连以实现利用尾气热量的目的，排气管22与散热板21可以采用焊接等适宜的方式固定在一起。在该实施例中，该系统包括第一子系统和控制装置(控制装置的主要作用是控制整个系统的运行，其可以根据需要包含不同功能的控制单元，例如控制装置可以接收本系统中各个传感器等部件的信号进行逻辑运算和数据处理，并且同时向执行机构发出执行命令。为了更清楚地显示各个零部件的连接关系，在图中并未绘出控制装置)，第一子系统具有腔体2、四根热管1、喷嘴8以及第一级涡扇9，喷嘴8被布置在腔体2上方并且第一级涡扇9被布置在喷嘴8一端出口处。腔体2具有水槽3、绝缘区域4、集热板5、位于腔体2顶部的挡板7，以及压力传感器6。压力传感器6具有执行机构并与挡板7相连。水槽3和绝缘区域4被布置成彼此相邻，集热板5位于水槽3和绝缘区域4的上方。优选地，绝缘区域4中可以填充有绝缘材料，例如树脂、石棉及其它适宜的无机材料等。四根热管1被设计成一端与散热板21连接，另一端与集热板5连接，其中两根热管1被布置成贯穿水槽3，另两根热管1被布置成贯穿绝缘区域4。每一根热管1分别可以通过热传导效率高的导热胶与散热板21相连。

在优选的实施例中，水槽3上可以设有补液口(未示出)，若水槽3中的水位在最大值刻度线及最小值刻度线之间即满足要求，若未到预设的最低水位时则需及时补液以防烧干水槽3中的水而导致热管1爆裂，当然如果在实际操作时不会发生上述烧干等问题时，也可以不采用这样的补液口。

可以理解的是，上述说明书中提及的热管1的数量不限于本文中所说的数量，根据不同的实际情况，在水槽3或绝缘区域4中的热管1的数量可以分别是一根、三根、四根、五根或更多。

本领域技术人员可以认识到的是，该系统通过热管1经由散热板21与汽车尾气排气管22相连，以实现将尾气通过热管1导热到集热盘及水槽的目的，而排气管22与散热板21则可以采用焊接等方式固定在一起。

在实际情况中，由于尾气的巨大热量以及热管1的高传热效率，使得水槽3中的部分水在短时间内相变成水蒸气，受热升腾的大量蒸汽积聚在腔体2的顶部。位于腔体2顶部的压力传感器6一直检测着腔体2内部的蒸汽压力，随着相变的持续进行，上部空间的蒸汽压力进一步提高，当压力传感器6检测的压力值达到某一预设值时，控制装置接收到这一信号的同时命令执行机构机械性地打开位于腔体2顶部的挡板7。在这时候，大量高温高压气体快速通过挡板7并经过腔体2上部的喷嘴8进入到管路10中，同时进一步提高蒸汽动能并降低了蒸汽内能，实现了子系统内部内能至动能的转换。高速蒸汽经过管路10到达第一级涡扇9并驱动第一级涡扇9旋转，进而带动与第一级涡扇9连接的末端传动机构16(其为示意性地图示)一同旋转，以便有效地完成电能回收。反之，当所检测的压力值未达到该预设值时，控制装置则命令执行机构机械性地关闭位于腔体2顶部的挡板7。

从图1中可见，利用尾气热量进行能量回收的系统还包括有第二子系统，第二子系统具有第二级涡扇14、蓄热模块11，与喷嘴8的出口流体连通的管路10以及与腔体2连通的导管13。第二级涡扇14与第一级涡扇9位于同一管路10中，从第一级涡扇9排出的余下蒸汽沿管路10继续行进，并与管路10上的空气侧进行一部分换热，经热换后产生的一部分冷凝水沿流道15流入蓄热模块11中以进行热能的进一步回收。另一部分蒸汽继续行进到达第二级涡扇14并且驱动第二级涡扇14旋转，进而带动与第二级涡扇14连接的末端传动机构16一同转动，以便进一步收集电能。同样地，从第二级涡扇14排出的蒸汽沿管路10继续前行，并与管路10上的空气侧进行一部分换热，经热换后产生的一部分冷凝水沿流道15流入蓄热模块11中以进行热能的进一步回收。

优选采用石蜡蓄热模块的蓄热模块11通过导管13与第一子系统中的腔体2相连。考虑到循环利用第二子系统中的冷凝水，因此优选地还在图1的实施例中在导管13与蓄热模块11连通的一端处设有浮子开关12，导管13与腔体2的接口位于集热板5的上方，浮子开关12被设计为当蓄热模块11中水量达到预设水位后自动打开从而使得多余水量缓慢通过导管13流经集热板5最后进入水槽3中。在该过程中，第一子系统的绝缘区域中的两根热管1主要用来实现从蓄热模块11返回的冷凝水进行相变过程，而在第一子系统中布置在水槽3中的两根热管1除了起到加热水槽中水的作用之外，与绝缘区域中的两根热管1一同加热流过集热板5中的冷凝水，从而有效地补充了第一子系统中的蒸汽量，并且同时满足蓄热模块11与冷凝水的充分换热。

如图1所示，利用尾气热量进行能量回收的系统还包括第三子系统，第三子系统具有蒸汽存储罐18、泄压阀17、控制阀19，以及布置在车厢内的湿度传感器20。蒸汽存储罐18被设置在管路10的末端处，控制阀19被布置在蒸汽存储罐18与车厢之间，泄压阀17被布置在蒸汽存储罐18上并且其一端与大气连通。

从第二子系统排出的最后一部分蒸汽沿管路10最终到达蒸汽存储罐18并由蒸汽存储罐18储存。车厢内的湿度传感器20一直在检测着车厢内部的湿度，而控制装置则接收由湿度传感器20检测的信号，当湿度传感器20检测的湿度值低于某一预设值时，控制装置接收这一信号的同时命令控制阀19打开阀门，从蒸汽存储罐18排出的部分湿蒸汽首先与暖芯出口空气进行混合然后进入车厢内。当车厢内部湿度较大或满足舒适性要求即湿度传感器20检测的湿度值达到该预设值时，控制装置则命令控制阀19关闭阀门，并命令泄压阀17打开阀门，从而使多余的湿蒸汽自动喷射至大气环境中，有利地实现了自动调控车厢内湿度的功能。

显而易见，如果在汽车中同时使用本系统的第一子系统、第二子系统以及第三子系统可以最大化地利用尾气热量将其转换成电能并同时满足车厢内的湿度要求。然而从节省成本、简化设计的角度出发，可以根据实际情况选择性地使用第二子系统以及第三子系统，即如果只需实现小部分蓄电那么采用第一子系统即可满足需要；若是要求蓄电、蓄热而无需对车厢内部空气加湿时，可以同时采用第一子系统和第二子系统而不必考虑加设第三子系统。同样可以理解的是，本系统中的控制装置也可以根据不同需求增加或减少相应的控制单元，例如本系统若不采用加湿功能，则可以将控制装置中控制湿度值的控制单元去除。

从技术的角度来看，本发明的利用尾气热量进行能量回收的系统主要涉及热管传热技术、相变换热技术、蒸汽压缩动能转换电能技术、空调采暖蓄热技术运用以及空气调节加湿调节技术等。由于本系统既能实现采暖又能有效加湿，其在冬季时使用优点尤为突出，并且出于人性化的考虑，在越来越多的汽车中将实现对舱内空气湿度进行调节的功能以满足人体舒适性要求。简而言之，本发明不仅很好地满足了驾乘需求，而且也符合绿色环保低碳的理念，因此非常值得在汽车领域中进行推广。

以上列举了若干具体实施例来详细阐明本发明的利用汽车尾气热量进行能量回收的系统，上述个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员还可以做出各种变形和改进。例如，涡扇9和14的位置可以在某些应用场合下或者根据实际需求情况，被布置在管路10的不同位置上，并且涡扇的数量不限于文中所提及的两个(第一级涡扇和第二级涡扇)，可以是三个、四个、五个或更多，从而能够有利地增强涡扇驱动传动机构做功的能力。再如，散热板21和热管1可以不必采用导热胶来接触，改用其它合适的形式也是可以接受的。因此，所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。

Claims (9)

1.一种利用尾气热量进行能量回收的系统，所述系统通过散热板与汽车尾气排气管相连，其特征在于，所述系统包括第一子系统和用于控制所述系统运行的控制装置，所述第一子系统具有：

腔体，其包含：水槽；绝缘区域，其与所述水槽相邻；集热板，其位于所述水槽和所述绝缘区域的上方；挡板，其位于所述腔体的顶部；以及压力传感器，其包含执行机构并与所述挡板相连；

至少两根热管，其中至少一根所述热管贯穿所述水槽被布置在所述散热板和所述集热板之间，并且至少一根所述热管贯穿所述绝缘区域被布置在所述散热板和所述集热板之间；

喷嘴，其被布置在所述腔体的上方；以及

至少一个第一级涡扇，其被布置在所述喷嘴的出口处并与传动机构相连；

其中，所述热管中的尾气热量使所述水槽中的水受热被汽化形成蒸汽，所述压力传感器检测所述腔体内部的蒸汽压力，所述控制装置则接收由所述压力传感器检测的信号，当所检测的压力值达到预设值时，所述控制装置命令所述执行机构打开所述挡板以使所述蒸汽排入所述喷嘴中，所述蒸汽经过所述喷嘴到达所述第一级涡扇并驱动其旋转，同时所述第一级涡扇带动所述传动机构转动以收集电能。

2.根据权利要求1所述的利用尾气热量进行能量回收的系统，其特征在于，所述系统还包括第二子系统，所述第二子系统具有：

蓄热模块；

管路，其与所述喷嘴的出口流体连通；

导管，其被布置在所述蓄热模块与所述腔体之间；以及

至少一个第二级涡扇，其被布置在所述管路中并与所述传动机构相连；

其中，从所述第一级涡扇排出的余下蒸汽沿着所述管路到达所述第二级涡扇并驱动其旋转，同时所述第二级涡扇带动所述传动机构转动以收集电能，从所述第一级涡扇及所述第二级涡扇排出的蒸汽与所述管路上方的空气侧经换热后产生的冷凝水通过各自的流道流入所述蓄热模块中。

3.根据权利要求2所述的利用尾气热量进行能量回收的系统，其特征在于，所述系统还包括第三子系统，所述第三子系统具有：

蒸汽存储罐，其被布置在所述管路的末端；

控制阀，其被布置在所述蒸汽存储罐与车厢之间；

泄压阀，其被布置在所述蒸汽存储罐上并且其一端与大气连通；以及

湿度传感器，其被布置在所述车厢内；

其中，从所述第二级涡扇排出的最后一部分蒸汽沿所述管路继续前进直至进入所述蒸汽存储罐，所述湿度传感器检测所述车厢内部的湿度，所述控制装置则接收由所述湿度传感器检测的信号，当所检测的湿度值低于预设值时，所述控制装置命令所述控制阀打开阀门，从而使所述蒸汽存储罐中的湿蒸汽进入所述车厢内来满足所述车厢的湿度要求；当所检测的湿度值达到预设值时，所述控制装置命令所述控制阀关闭阀门，并命令所述泄压阀打开阀门，从而使部分蒸汽喷射至大气。

4.根据权利要求2或3所述的利用尾气热量进行能量回收的系统，其特征在于，所述蓄热模块具有浮子开关，所述浮子开关被设置成当所述蓄热模块中的水量达到预设水位后开启，从而使得部分水量通过所述导管进入所述集热板流回所述水槽中。

5.根据权利要求2或3所述的利用尾气热量进行能量回收的系统，其特征在于，所述第一子系统中的所述绝缘区域填充有绝缘材料。

6.根据权利要求2或3所述的利用尾气热量进行能量回收的系统，其特征在于，所述蓄热模块由石蜡制成。

7.根据权利要求2或3所述的利用尾气热量进行能量回收的系统，其特征在于，所述第一子系统中的所述散热板和所述热管以导热胶接触。

8.根据权利要求2或3所述的利用尾气热量进行能量回收的系统，其特征在于，所述第一子系统中的所述水槽上设置有补液口，所述补液口被设置成当所述水槽中的液面低于最低水位时补液。

9.一种汽车，其特征在于，所述汽车配置有根据权利要求1-8中任一项所述的利用尾气热量进行能量回收的系统。