CN103775243A - 循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术 - Google Patents

Abstract

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术。它利用发动机的冷却液热量及尾气排放带走的热量发电，提高了燃油利用率，降低了尾气排放，改善了发动机的动力特性。含有大量低温饱和蒸汽的冷却液经汽水分离器分离出低温饱和蒸汽和冷却液后，分别被循环气泵及循环水泵加压，送到发动机气缸体冷却水套和气缸盖水套，对发动机进行冷却，随后冷却液流入蒸发器，由尾气继续加热产生蒸汽。蒸汽经加热管被发动机尾气加热形成较高温度和压力的气体，并流入螺杆膨胀机做功，之后经凝汽器形成含饱和蒸汽的冷却液，并经汽水分离器后又送入冷却水套往复循环；同时，螺杆膨胀机带动同步发电机发电，经电子整流稳压后，形成直流电给汽车动力电池系统供电。

Description

循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术

所属技术领域

本发明涉及一种汽车余热发电技术，尤其是可循环利用发动机冷却液，把发动机的冷却液热能和汽车排放尾气的热能产生蒸汽，推动螺杆膨胀机做功，将汽车余热转化为电能，供混合动力汽车使用，属于汽车节能技术领域。

背景技术

目前，能源问题受到世界各国高度重视，随着人们生活水平的提高，汽车保有量越来越大，汽车能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题越来越受到各国关注。近年来，由于温室气体的排放，各种极端天气频繁爆发，给人类社会带来很大影响。

调查研究表明，汽车燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量都被散失或排放到大气中，既造成了能源极大浪费，也带来了不良环境影响。因此将这些汽车废热有效利用是实现汽车节能，降低汽车能源消耗，节能减排的一个有效途径。2012年7月，国务院颁发《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》，明确提出节能减排、降低燃料消耗量、重点开展混合动力技术研究是当前我国汽车行业的主要任务。

从目前汽车所用发动机的热平衡来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的30-45％(柴油机)或20％-30％(汽油机)，其余能量都以余热形式排出车外，如下表所示(梁和平，梁桂森.高效低成本柴油机余热利用暖空调设计[J].柴油机Diesel Engine，2002(1))。

热平衡各分项％	汽油机	高速柴油机	中速柴油机
				转变为有效功的热量	20～30	30～40	35～45
冷却液带走的热量	25～30	20～25	10～20
				废气带走的热量	40～45	35～40	30～40
其它热损失	5～10	5～10	10～15

表1内燃机的热平衡表

从表中可以看出汽车发动机冷却介质及废气带走的热量有较大利用空间。目前已知的汽车余热利用技术有余热制冷技术、余热采暖技术、余热发电技术、余热制氢技术及涡轮增压技术等。

余热制冷技术主要应用于蒸汽压缩式空调，以回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统，目前利用发电机尾气余热制冷主要是吸收式制冷和吸附式制冷。吸收式制冷原理是以热能为动力来完成制冷循环的；吸附式制冷是利用某些固体物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸汽，在另一种温度及压力下又能把它释放出来的特性来实现制冷(见王鲁峰，李辉，万小利等.模拟多种发动机尾气热源的吸附制冷试验台研究[J].能源工程，2004(3)：5-7)。其缺点是空调系统体积大，制冷功率较小，废热利用率不高，汽车空调要求体积小、制冷量大、性能可靠、操作方便，这限制了它的应用和发展。

余热采暖技术利用汽车发动机工作剩余热量供暖，虽然结构简单，但仅在冬季发挥作用，余热利用不充分，使用受到限制。

余热发电技术常用方法有四种，分别为利用半导体温差发电、氟龙透平发电、废气涡轮发电和斯特林循环原理发电。

温差发电是利用热电材料的泽贝克效应，将热能直接转换为电能的一种方法。目前温差发电的转换效率在10％以上(引自刘洪阳，刘万钊，贺强，杨晓光，赵力.发动机排气管余热发电研究，长春理工大学学报(自然科学版)第30卷第3期)。但目前高效率的热电转换材料尚未发现，已知的热电转换材料效率太低，至少在目前此种方法还不十分可行。日本的一色尚次(ISBN 7-111-00702-6《余热回收利用系统实用手册》上册)提出了利用发动机废热的氟龙透平发电装置，该装置利用一种在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(通常为氟利昂)作为工质，使其在吸收发动机废热后由液态变为高压蒸汽从而推动透平机发电，此种装置在利用低品位热能方面有优势，其缺陷是系统较为复杂笨重。废气涡轮发电(见张铁柱，张洪信，郝建.内燃机废气能量回收利用装置[P].实用新型专利，ZL95206566.5)是利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电，此种装置结构简单，但有可能对发动机工作性能产生影响。斯特林循环原理发电已由赵刚，李富或，朱建良在汽车尾气余热发电的原理与实现(信息技术2005年第10期)中论述，虽然效率高，但需外燃机，无法用在普通汽车上。

余热制氢技术在徐正好，常健，杨宗栋，郑康元的余热制氢发动机的开发研究[J](《小型内燃机与摩托车》，2003(3))中加以论述，是以醇类燃料为基质，排气管路的部位安装“余热氢气发生器”，并利用排放废气的余热，在催化剂的作用下，促使醇类原料裂解为氢和其他辅助燃料，供发动机燃烧。它的缺点是需要额外的醇类燃料为基质。

废气涡轮增压技术是利用废气中的部分能量来提高内燃机的进气压力进而增加充气量、以改善动力性和经济性的内燃机性能提高技术。废气涡轮增压器主要由同轴安装的涡轮和叶轮组成，发动机排出的废气经排气管推动涡轮高速运转，从而带动叶轮压缩新鲜空气并通过进气歧管送入发动机汽缸内。废气涡轮增压改善了内燃机的动力性和经济性，但这种处理方法的主要目的是借助废气中的部分能量来提高内燃机的进气压力增加充气量；另外，由于内燃机与涡轮增压装置联合工作时能量传递的特点，使增压内燃机的加速性能和扭矩特性受到影响，造成涡轮加速迟滞。涡轮增压技术经过多年的发展，如宝马公司采用2级涡轮增压技术，有效地改善了涡轮迟滞现象，但涡轮迟滞是很难彻底根除的。

利用发动机余热做功的研究始于20世纪80年代，主要的研究机构有日本本田公司、美国康明斯公司和德国宝马公司等。目前所提出的方案中存在的主要问题是仅单一回收发动机的排气余热，而未对发动机的冷却水余热加以回收利用。何茂刚，张新欣，曾科在《车用发动机余热回收的新型联合热力循环》(西安交通大学学报第43卷第11期2009年11月)中提到如何充分利用发动机的余热，但整个系统太复杂，部件繁多，在现代汽车上很难实现。

发明内容

本发明的目的是为了解决汽车余热不能充分高效利用的问题，而提出一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是循环利用发动机冷却液作为工质进行发电。

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是冷却液为水和乙醇的混合物。

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是发动机循环使用冷凝器冷却所形成的凝结液及低温饱和蒸汽进行冷却。

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是发动机气缸体及气缸盖分别用冷却液和低温饱和蒸汽进行冷却。

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是冷却液和低温饱和蒸汽分别由循环水泵及循环气泵加压后流入发动机冷却水套对发动机进行冷却。

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是发动机外部具有保温层结构。

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是发动机排气歧管位于蒸发器中。

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是汽车尾气排气管位于蒸汽加热管内。

一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是使用汽水分离器对膨胀机做功后的乏汽经凝汽器形成的汽水混合物进行分离。

本发明的有益效果是：

1)循环利用发动机冷却液，循环做功系统无污染，是一种环保技术，同时有效控制了整车重量。

2)发动机无风扇冷却，有效地利用了汽车余热，在降低燃油消耗和减轻整车重量的同时改善了发动机的动力特性。

3)发动机气缸体和气缸盖分别由冷却液及低温蒸汽冷却，可改善气缸盖及缸体的工作状况，提高发动机升功率和降低燃油消耗。

4)使用螺杆膨胀机发电，将高温蒸汽的热能转换为机械能，安全高效，使用成本低。

5)配合混合动力汽车使用时，有非常诱人的技术优势：汽车在低速时为动力电池驱动，节能减排；中速时为发动机驱动，余热所发电能储存于动力电池；高速/急加速时为余热所发电能/动力电池和发动机同时驱动，充分发挥汽车的动力性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统原理图。

图2是发动机冷却系示意图。

其中，1-发动机气缸体，2-发动机气缸盖，3-排气歧管，4-排气歧管汇集末端，5-蒸发器，6-发动机排气管，7-高温蒸汽管，8-三元催化器，9-排气尾管，10-进气调节阀，11-螺杆膨胀机，12-凝汽器，13-冷水阀，14-汽水分离器，15-循环气泵，16-循环水泵，17-发电机，18-整流稳压器，19-动力电池，20-回流阀，21-散热器，22-发动机保温层，23-发动机气缸垫，24-发动机气缸体冷却水套入口，25-发动机气缸体冷却水套出口，26-发动机气缸盖冷却水套入口，27-发动机气缸盖冷却水套出口，28-发动机气缸排气口，29-高温汽水混合物，30-发动机尾气。

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。

如附图1所示，冷车启动时，蒸汽进气调节阀10及冷水阀13关闭，回流阀20打开，循环气泵15及循环水泵16起动使冷却液在发动机冷却水套内循环流动，以保证发动机能够迅速预热。发动机预热后，进入正常工作状态，回流阀20关闭，冷却液在蒸发器5中被排气歧管3加热后变成汽水化合物，汽水化合物在高温蒸汽管7中被发动机排气管6加热后温度进一步升高，然后进气调节阀10开启，蒸汽(含水)进入螺杆膨胀机11进行做功，其热能转化为机械能。螺杆膨胀机11带动与之相连的发电机17一起转动，机械能转换为电能。同时，产生的交流电经整流稳压器18后变成直流电，存储于动力电池19中。蒸汽(含水)经螺杆膨胀机11做功后，部分乏汽被凝汽器12冷却成冷凝液，冷水阀13开启，含有大量低温饱和蒸汽的冷凝液经汽水分离器14进行汽水分离，分离后的蒸汽及冷凝液分别由循环气泵15及循环水泵16加压后，流回发动机气缸体冷却水套及气缸盖冷却水套，对发动机进行冷却，这样形成了冷却液工质的循环。此外，当发电系统异常时，蒸汽进气调节阀10及冷水阀13关闭，回流阀20打开，散热器21对循环液进行冷却，以保证紧急情况下对发动机进行冷却。

附图2中，来自汽水分离器的低温饱和蒸汽被循环气泵15加压后，流入发动机气缸体冷却水套入口24，对发动机气缸体1进行冷却，并从发动机气缸体冷却水套出口25流出，进入蒸发器；同时，来自汽水分离器的冷却液在循环水泵16的作用下流入发动机气缸盖冷却水套入口26，对发动机气缸盖2进行冷却，并从发动机气缸盖冷却水套出口27流出，进入蒸发器。这样，冷却液及低温饱和蒸汽将发动机的多余热量带走，维持其正常工作温度。由于冷却液的换热系数大于低温饱和蒸汽的换热系数，形成气缸盖的工作温度低于缸体的工作温度，达到理想的发动机热工作状态。气缸盖温度较低可提高充气效率，增大进气量。温度低且进气量大可促进完全燃烧，降低有害物的形成，也提高输出功率。较高气缸体温度会减小摩擦损失，直接改善燃油效率，间接地降低缸内峰值压力和温度。同时，发动机保温层22有效地减少热量的损失，提高了利用效率。

Claims (9)

1.一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是循环利用发动机冷却液作为工质进行发电。

2.根据权利1所述的一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是冷却液为水和乙醇的混合物。

3.一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是发动机循环使用经冷凝器冷却所形成的冷却液及低温饱和蒸汽进行冷却。

4.根据权利3所述的一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是发动机气缸体及气缸盖分别用冷却液和低温饱和蒸汽进行冷却。

5.根据权利4所述的一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是冷却液和低温饱和蒸汽分别由循环水泵及循环气泵加压后流入发动机冷却水套对发动机进行冷却。

6.一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是发动机外部具有保温层结构。

7.一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是发动机排气歧管位于蒸发器中。

8.一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是汽车尾气排气管位于蒸汽加热管内。

9.一种循环利用发动机冷却液的汽车余热发电技术，其特征是使用汽水分离器对膨胀机做功后的乏汽经凝汽器形成的汽水混合物进行分离。

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