CN103850826B - 氨电活塞内燃发动机及使用该发动机的车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够同时对发动机尾气以及发动机活塞缸外部液冷器中冷却液的热量进行有效利用的氨电活塞内燃发动机以及使用该发动机的车辆。该氨电活塞内燃发动机包括内燃发动机活塞缸，内燃发动机活塞缸连接与内燃发动机燃烧室相通的排气通道，内燃发动机活塞缸的外部设有液冷器，液冷器连接换热装置，所述换热装置包括第一换热单元和第二换热单元，第一换热单元包括具有进气口和排气口的氨气加热增压腔室以及用于对该氨气加热增压腔室进行加热的第一流路，第二换热单元包括具有进液口、排液口和排气口的氨水加热气化腔室以及分别对该氨水加热气化腔室进行加热的第二流路和第三流路，第一流路的入口与所述排气通道连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃发动机及使用该发动机的车辆，具体涉及一种氨电活塞内燃发动机。
背景技术
活塞内燃发动机的余热主要分为两个部分，一是燃烧室排气口排放的尾气，二是内燃发动机活塞缸外部液冷器中冷却液（一般为水）带走的热量。以汽车发动机为例，正常工作时要求液冷器中冷却液温度控制在80－90℃之间，在此温度范围内发动机的工作效率才最高，超过或低于这个温度范围就将影响发动机的安全经济运行；而普通柴油机排气温度一般为400—450℃左右，汽油机比柴油机的排气温度要高，可以达到750℃以上，汽车排气管末端出口温度在80℃左右。由以上数据可以看出，柴油发动机和汽油发动机在正常工作时都会产生大量的余热。但是，这些大量的余热一直以来都没有得到过有效利用。另外，由于排气管末端温度在80℃左右，在这个温度下本可以自然沉降的颗粒物进一步分解，由PM10变为PM2.5，从而加剧了目前大气污染，同时车辆排放的高温热风也是气候变暖的重要原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够同时对发动机尾气以及发动机活塞缸外部液冷器中冷却液的热量进行有效利用的氨电活塞内燃发动机以及使用该发动机的车辆。
本发明的氨电活塞内燃发动机，包括内燃发动机活塞缸，内燃发动机活塞缸连接与内燃发动机燃烧室相通的排气通道，内燃发动机活塞缸的外部设有液冷器，液冷器连接换热装置，所述换热装置包括第一换热单元和第二换热单元，第一换热单元包括具有进气口和排气口的氨气加热增压腔室以及用于对该氨气加热增压腔室进行加热的第一流路，第二换热单元包括具有进液口、排液口和排气口的氨水加热气化腔室以及分别对该氨水加热气化腔室进行加热的第二流路和第三流路，第一流路的入口与所述排气通道连接，第一流路的出口与第二流路的入口连接，第二流路的出口连接排气装置，第三流路的入口与所述液冷器的出口连接，第三流路的出口通过第一动力装置与所述液冷器的入口连接，氨气加热增压腔室的进气口与氨水加热气化腔室的排气口导通，氨气加热增压腔室的排气口与由氨气驱动发电的汽轮发电机的氨气输入端相连，该汽轮发电机的氨气输出端与氨气水冷回收装置连接，氨水加热气化腔室的排液口通过第二动力装置与氨气水冷回收装置中的喷淋器连接，该喷淋器使用氨水加热气化腔室中经过换热的剩余氨液喷淋冷却来自于汽轮发电机所排放的氨气，氨气水冷回收装置的氨水输出端通过第三动力装置与氨水加热气化腔室的进液口连接。
本发明上述氨电活塞内燃发动机工作时，燃烧室排气口排放的高温尾气首先进入第一换热单元的第一流路，然后再从第一流路的出口进入第二换热单元的第二流路，最后从第二流路的出口流出换热装置，最后从排气装置排放，而液冷器中对内燃发动机活塞缸进行冷却后温度升高的冷却液则进入第二换热单元的第三流路，进行换热冷却后从第三流路出口流出，再通过第一动力装置的驱动返回液冷器的入口，从而在液冷器与换热装置之间进行循环流动，当尾气进入第二流路后，由于其已经在第一换热单元中进行过了一次换热（即与进入氨气加热增压腔室中的氨气进行换热），因此其温度已经显著下降，但是，由于氨的沸点较低，从进液口进入氨水加热气化腔室中的氨水仍然能够被第二流路中的尾气以及第三流路中的冷却液共同加热而大量转化为氨气，此后，氨水加热气化腔室中产生的氨气进入氨气加热增压腔室，这时，这些氨气再与刚进入第一换热单元的第一流路中的高温尾气发生热交换，使氨气进一步被加热和增压，提高后续汽轮发电机的发电效率，氨水加热气化腔室中经过换热的剩余氨液从氨水加热气化腔室的排液口排出并在第二动力装置作用下进入氨气水冷回收装置的喷淋器，该喷淋器使用氨水加热气化腔室中经过换热的剩余氨液喷淋冷却来自于汽轮发电机所排放的氨气，从氨气水冷回收装置中回收到的高浓度氨水最后通过第三动力装置进入氨水加热气化腔室的进液口，如此循环，从而充分利用活塞内燃发动机燃烧室排气口排出的尾气以及液冷器中冷却液的热量进行发电。
本发明上述氨电活塞内燃发动机同时利用了内燃发动机燃烧室所排尾气的热量以及内燃发动机活塞缸外部液冷器中冷却液吸收的热量。通常，内燃发动机燃烧室所排尾气的温度为400－800℃，而内燃发动机活塞缸外部液冷器中冷却液的温度则低于100℃，两者相差很大，人们往往难以同时将这两种热源进行有效组合利用，因此本发明申请日前未见到有人提出过同时利用内燃发动机燃烧室所排尾气的热量以及内燃发动机活塞缸外部液冷器中冷却液吸收的热量的想法。由于本发明的氨电活塞内燃发动机中采用的换热装置恰好能够将上述两种热源进行有机结合，其一方面利用串联的第一流路和第二流路实现对高温尾气的两级降温，一方面利用第三流路对温度本就不高的冷却液进行降温（而这刚好又是第二换热单元需要的，因为能够使氨水加热气化腔室中的氨水在分解产生氨气的同时不产生或少产生水蒸气），从而将产生高压且低含水量的氨气，有利于汽轮发电机的发电。
作为第一换热单元的一种具体结构，所述氨气加热增压腔室是由多根竖直设置在第一换热单元中并沿水平方向间隔布置的换热管的管腔构成，这些换热管的两端分别安装在孔板上，换热管的下端为氨气加热增压腔室的进气口，上端为氨气加热增压腔室的排气口，第一换热单元中所述换热管的外侧构成第一流路。作为第一换热单元的另一种具体结构，所述第一流路是由在第一换热单元中曲折延伸的换热管构成，第一换热单元中所述换热管的外侧构成氨气加热增压腔室。
作为第二换热单元的一种具体结构，所述第二流路和第三流路分别由在第二换热单元中延伸的换热管构成，第二换热单元中所述换热管的外侧构成氨水加热气化腔室。在此基础上，所述第二流路和第三流路在第二换热单元中共同形成的温度场可具有由上往下温度降低的梯度。当第二流路和第三流路在第二换热单元中共同形成的温度场可具有由上往下温度降低的梯度时，氨水加热气化腔室中的氨水由下往上逐渐加热汽化，起到一定的氨气增压效果，有利于进一步提高后续汽轮发电机的发电效率。
所述第一换热单元与第二换热单元可以上下叠置为一整体，氨气加热增压腔室与氨水加热气化腔室上下贯通。将换热装置设计成第一换热单元与第二换热单元上下叠置为一整体，并使氨气加热增压腔室与氨水加热气化腔室上下贯通的形式后，不仅能够提高设备的整体性和紧凑性，更重要的是还能够缩短换热介质在第一换热单元与第二换热单元之间的流动距离，减少热量损失，并且还可以降低氨气在第一换热单元与第二换热单元之间的流动阻力。
进一步的，所述第一流路的入口温度为400－800℃，第二流路的入口温度≥70℃且＜100℃，第二流路的出口温度为15－40℃，第三流路的入口温度为≥50℃且＜100℃。将第二流路的入口温度控制在≥70℃且＜100℃，位于氨水加热气化腔室中的氨水在分解产生氨气的同时基本上不产生水蒸气，这样就能够确保进入第二汽轮发电机的几乎全是氨气，从而避免当进入第二汽轮发电机的是氨气和水蒸气的混合气体所产生的问题；第一流路的入口温度为400－800℃，第三流路的入口温度为≥50℃且＜100℃是目前活塞内燃发动机燃烧室排气口排放的尾气以及液冷器中冷却液的通常温度范围；第二流路的出口温度为15－40℃，降低了排气管末端出口温度，减少大气PM2.5污染。
本发明由活塞内燃发动机驱动的车辆，其活塞内燃发动机采用上述氨电活塞内燃发动机，该氨电活塞内燃发动机整体安装于车体中，所述汽轮发电机与安装于车体中的蓄电池电连接。为将上述氨电活塞内燃发动机整体安装于车体中可以用其换热装置替换目前通常安装于汽车前部的散热器，同时应采用微型化的汽轮发电机。目前市面上已有微型汽轮发电机可供选用。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明氨电活塞内燃发动机的结构示意图。
图2为本发明氨电活塞内燃发动机中换热装置的一种具体结构示意图。
图3为本发明氨电活塞内燃发动机中换热装置的另一种具体结构示意图。
图4为本发明安装有氨电活塞内燃发动机的混合动力轿车的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，氨电活塞内燃发动机包括内燃发动机活塞缸100，内燃发动机活塞缸100连接与内燃发动机燃烧室130相通的排气通道200，内燃发动机活塞缸100的外部设有液冷器120（具体为水冷器），液冷器120连接换热装置300，换热装置300包括第一换热单元310和第二换热单元320，第一换热单元310包括具有进气口和排气口的氨气加热增压腔室311以及用于对该氨气加热增压腔室311进行加热的第一流路312，第二换热单元320包括具有进液口、排液口和排气口的氨水加热气化腔室321以及分别对该氨水加热气化腔室321进行加热的第二流路322和第三流路323，第一换热单元310与第二换热单元320上下叠置为一整体，氨气加热增压腔室311与氨水加热气化腔室321上下贯通，第一流路312的入口与所述排气通道200连接，第一流路312的出口与第二流路322的入口连接，第二流路322的出口连接排气装置，第三流路323的入口与所述液冷器120的出口连接，第三流路323的出口通过第一动力装置D1（具体采用泵）与所述液冷器120的入口连接，氨气加热增压腔室311的进气口与氨水加热气化腔室321的排气口导通，氨气加热增压腔室311的排气口与由氨气驱动发电的汽轮发电机610的氨气输入端相连，该汽轮发电机610的氨气输出端与氨气水冷回收装置620连接，氨水加热气化腔室321的排液口通过第二动力装置D2（具体采用泵）与氨气水冷回收装置620中的喷淋器621（具体采用喷射泵）连接，该喷淋器621使用氨水加热气化腔室321中经过换热的剩余氨液喷淋冷却来自于汽轮发电机610所排放的氨气，氨气水冷回收装置620的氨水输出端通过第三动力装置D3（具体采用泵）与氨水加热气化腔室321的进液口连接。其中，第三流路323的入口与所述液冷器120的出口之间连接有热水箱400，第三流路323的出口与所述液冷器120的入口之间连接有冷水箱500，第一动力装置D1位于冷水箱500与液冷器120的入口之间，以便确保第三流路323中流速均匀。
实施例1
如图4所示，安装氨电活塞内燃发动机（属汽油发动机）的混合动力轿车，其中，所述的换热装置300安装在车体700前部，取代了目前的发动机散热器，内燃发动机活塞缸100的安装位置与现有汽车发动机一致，由汽轮发电机610和氨气水冷回收装置620组成的氨气发电回收系统600（如图1）安装在汽车发动机的后侧部，在车体700尾部装有与汽轮发电机610电连接的蓄电池900，车体700中安装有由该蓄电池900的电力驱动的电动机800，电动机800与车辆驱动轴传动连接。该混合动力轿车既可以由氨电活塞内燃发动机单独驱动，也可以由电动机800驱动，或者由氨电活塞内燃发动机和电动机800共同进行驱动。当氨电活塞内燃发动机工作时，汽轮发电机610即将产生的电能存储在蓄电池900中，以便为电动机800的工作提供电力。结合图1，该混合动力轿车中的氨电活塞内燃发动机的工作过程为：内燃发动机燃烧室130排放的高温尾气（700－750℃）首先进入第一换热单元310的第一流路312，然后再从第一流路312的出口进入第二换热单元320的第二流路322（第二流路321的入口温度控制在90℃左右），最后从第二流路322的出口流出换热装置（第二流路322的出口温度为30℃左右，最后从排气管排放，而内燃发动机活塞缸100外部水冷器中对内燃发动机活塞缸进行冷却后温度升高的冷却水（温度为80－90℃）则通过热水箱400中转后进入第二换热单元的第三流路323，进行换热冷却后从第三流路出口流出，再通过泵的驱动返回水冷器的入口，从而在水冷器与换热装置之间进行循环流动。上述过程中，从进液口进入氨水加热气化腔室321中的氨水同时被第二流路322中的尾气以及第三流路323中的冷却水（尾气与冷却水的入口温度基本上一致）共同加热而大量转化为氨气，此后，氨水加热气化腔室321中产生的氨气进入氨气加热增压腔室311，这时，这些氨气再与刚进入第一换热单元310的第一流路311中的高温尾气发生热交换，使氨气进一步被加热和增压，然后再从氨气加热增压腔室311的排气口直接到汽轮发电机610以驱动其发电，氨水加热气化腔室321中经过换热的剩余氨液（稀氨水）从氨水加热气化腔室321底部的排液口排出并在泵作用下进入氨气水冷回收装置620的喷淋器621（喷射泵），喷射泵210使用稀氨水来喷淋冷却来自于汽轮发电机610所排放的氨气，从而将氨气水冷回收至氨气水冷回收装置620中，然后再通过泵的作用将氨气水冷回收装置620中的浓氨水打入氨水加热气化腔室321中。
该实施例1中，如图1所示，第一换热单元310的具体结构为：氨气加热增压腔室311是由多根竖直设置在第一换热单元310中并沿水平方向间隔布置的换热管的管腔构成，这些换热管的两端分别安装在孔板302上，换热管的下端为氨气加热增压腔室311的进气口，上端为氨气加热增压腔室311的排气口，第一换热单元310中所述换热管的外侧构成第一流路312。第二换热单元的具体结构为：第二流路322和第三流路323分别由在第二换热单元320中延伸的换热管构成，第二换热单元320中所述换热管的外侧构成氨水加热气化腔室321。第一换热单元310中所采用的换热管能够对其中被加热的氨气起到很好的压缩作用。从图1中还可看出，第二流路322和第三流路323的换热管分别位于氨水加热气化腔室321中心轴线的两侧，并呈左右对称布置，同时，第二流路322和第三流路323的换热管均是从上向下弯曲延伸的，即热介质在换热管中整体上由上往下流动，因此，第二流路322和第三流路323能够在第二换热单元320中共同形成具有由上往下温度逐渐降低梯度的温度场，这样氨水加热气化腔室321中的氨水能够由下往上逐渐均匀的加热汽化，有利于进一步提高后续汽轮发电机610的发电效率。
实施例2
实施例2是在实施例的基础上，仅对其第一换热单元310的结构进行了调整。如图2所示，实施例2的第一换热单元310的具体结构为：第一流路312是由在第一换热单元310中曲折延伸的换热管构成，第一换热单元310中所述换热管的外侧构成氨气加热增压腔室311。
实施例3
安装氨电活塞内燃发动机（属柴油发动机）的货车，其中，所述的换热装置300同样安装在车体700前部，取代了目前的发动机散热器，内燃发动机活塞缸100的安装位置与现有汽车发动机一致，由汽轮发电机610和氨气水冷回收装置620组成的氨气发电回收系统600（如图1）安装在汽车发动机的后侧部，车体700中装有与汽轮发电机610电连接的蓄电池900。结合图1，该氨电活塞内燃发动机的工作过程为：内燃发动机燃烧室130排放的高温尾气（400－450℃）首先进入第一换热单元310的第一流路312，然后再从第一流路312的出口进入第二换热单元320的第二流路322（第二流路321的入口温度控制在90℃左右），最后从第二流路322的出口流出换热装置（第二流路322的出口温度为30℃左右，最后从排气管排放，而内燃发动机活塞缸100外部水冷器中对内燃发动机活塞缸进行冷却后温度升高的冷却水（温度为50－60℃）则通过热水箱400中转后进入第二换热单元的第三流路323，进行换热冷却后从第三流路出口流出，再通过泵的驱动返回水冷器的入口，从而在水冷器与换热装置之间进行循环流动。上述过程中，从进液口进入氨水加热气化腔室321中的氨水同时被第二流路322中的尾气以及第三流路323中的冷却水共同加热而大量转化为氨气，此后，氨水加热气化腔室321中产生的氨气进入氨气加热增压腔室311，这时，这些氨气再与刚进入第一换热单元310的第一流路311中的高温尾气发生热交换，使氨气进一步被加热和增压，然后再从氨气加热增压腔室311的排气口直接到汽轮发电机610以驱动其发电，氨水加热气化腔室321中经过换热的剩余氨液（稀氨水）从氨水加热气化腔室321底部的排液口排出并在泵作用下进入氨气水冷回收装置620的喷淋器621（喷射泵），喷射泵210使用稀氨水来喷淋冷却来自于汽轮发电机610所排放的氨气，从而将氨气水冷回收至氨气水冷回收装置620中，然后再通过泵的作用将氨气水冷回收装置620中的浓氨水打入氨水加热气化腔室321中。
该实施例3中，如图3所示，第一换热单元310的具体结构为：氨气加热增压腔室311是由多根竖直设置在第一换热单元310中并沿水平方向间隔布置的换热管的管腔构成，这些换热管的两端分别安装在孔板302上，换热管的下端为氨气加热增压腔室311的进气口，上端为氨气加热增压腔室311的排气口，第一换热单元310中所述换热管的外侧构成第一流路312。第二换热单元的具体结构为：第二流路322和第三流路323分别由在第二换热单元320中延伸的换热管构成，第二换热单元320中所述换热管的外侧构成氨水加热气化腔室321。第一换热单元310中所采用的换热管能够对其中被加热的氨气起到很好的压缩作用。从图3中还可看出，第二流路322的换热管位于第三流路323的换热管上方（第二流路322的换热管与第三流路323的换热管可上下重叠一部分），由于第二流路322的入口温度高于第三流路323的入口温度，因此，第二流路322和第三流路323能够在第二换热单元320中共同形成具有由上往下温度逐渐降低梯度的温度场，这样氨水加热气化腔室321中的氨水能够由下往上逐渐均匀的加热汽化，有利于进一步提高后续汽轮发电机610的发电效率。
Claims (9)
1.由活塞内燃发动机驱动的车辆，包括车体(700)和整体安装于车体(700)中的活塞内燃发动机，其特征在于：所述活塞内燃发动机采用氨电活塞内燃发动机，所述氨电活塞内燃发动机包括内燃发动机活塞缸(100)，内燃发动机活塞缸(100)连接与内燃发动机燃烧室(130)相通的排气通道(200)，内燃发动机活塞缸(100)的外部设有液冷器(120)，液冷器(120)连接用于取代发动机散热器的换热装置(300)，所述换热装置(300)包括第一换热单元(310)和第二换热单元(320)，第一换热单元(310)包括具有进气口和排气口的氨气加热增压腔室(311)以及用于对该氨气加热增压腔室(311)进行加热的第一流路(312)，第二换热单元(320)包括具有进液口、排液口和排气口的氨水加热气化腔室(321)以及分别对该氨水加热气化腔室(321)进行加热的第二流路(322)和第三流路(323)，第一流路(312)的入口与所述排气通道(200)连接，第一流路(312)的出口与第二流路(322)的入口连接，第二流路(322)的出口连接排气装置，第三流路(323)的入口与所述液冷器(120)的出口连接，第三流路(323)的出口通过第一动力装置(D1)与所述液冷器(120)的入口连接，氨气加热增压腔室(311)的进气口与氨水加热气化腔室(321)的排气口导通，氨气加热增压腔室(311)的排气口与由氨气驱动发电的汽轮发电机(610)的氨气输入端相连，该汽轮发电机(610)的氨气输出端与氨气水冷回收装置(620)连接，氨水加热气化腔室(321)的排液口通过第二动力装置(D2)与氨气水冷回收装置(620)中的喷淋器(621)连接，该喷淋器(621)使用氨水加热气化腔室(321)中经过换热的剩余氨液喷淋冷却来自于汽轮发电机(610)所排放的氨气，氨气水冷回收装置(620)的氨水输出端通过第三动力装置(D3)与氨水加热气化腔室(321)的进液口连接；上述汽轮发电机(610)与车体(700)中的蓄电池(900)电连接。
2.如权利要求1所述的车辆，其特征在于：所述氨气加热增压腔室(311)是由多根竖直设置在第一换热单元(310)中并沿水平方向间隔布置的换热管的管腔构成，这些换热管的两端分别安装在孔板(302)上，换热管的下端为氨气加热增压腔室(311)的进气口，上端为氨气加热增压腔室(311)的排气口，第一换热单元(310)中所述换热管的外侧构成第一流路(312)。
3.如权利要求1所述的车辆，其特征在于：所述第一流路(312)是由在第一换热单元(310)中曲折延伸的换热管构成，第一换热单元(310)中所述换热管的外侧构成氨气加热增压腔室(311)。
4.如权利要求1所述的车辆，其特征在于：所述第二流路(322)和第三流路(323)分别由在第二换热单元(320)中延伸的换热管构成，第二换热单元(320)中所述换热管的外侧构成氨水加热气化腔室(321)。
5.如权利要求4所述的车辆，其特征在于：所述第二流路(322)和第三流路(323)在第二换热单元(320)中共同形成的温度场具有由上往下温度降低的梯度。
6.如权利要求1至5中任意一项权利要求所述的车辆，其特征在于：所述第一换热单元(310)与第二换热单元(320)上下叠置为一整体，氨气加热增压腔室(311)与氨水加热气化腔室(321)上下贯通。
7.如权利要求1至5中任意一项权利要求所述的车辆，其特征在于：所述第一流路(312)的入口温度为400－800℃，第二流路(322)的入口温度≥70℃且＜100℃，第二流路(322)的出口温度为15－40℃，第三流路(323)的入口温度为≥50℃且＜100℃。
8.如权利要求1至5中任意一项权利要求所述的车辆，其特征在于：第三流路(323)的入口与所述液冷器(120)的出口之间连接热水箱(400)，第三流路(323)的出口与所述液冷器(120)的入口之间连接冷水箱(500)，第一动力装置(D1)位于冷水箱(500)与液冷器(120)的入口之间。
9.如权利要求1所述的车辆，其特征在于：所述车体(700)中安装有由蓄电池(900)的电力驱动的电动机(800)，电动机(800)与车辆驱动轴传动连接。
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