CN103978897B - 一种汽车发动机排气余热助力驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车发动机排气余热助力驱动系统，包括锅炉、驱动叶轮、温度开关；驱动叶轮的腔室入口端通过主管道与锅炉的气化锅连通，驱动叶轮的腔室出口端与冷凝器入口端连通，冷凝器的一个出口端通过管道与重力压水箱入口端连通，冷凝器的另一个出口端通过旁通管道与主管道连通；重力压水箱出口端与锅炉的预热锅连通；主管道上、驱动叶轮与冷凝器之间的管道上、重力压水箱出口端与预热锅之间的管道上各安装有一个截断电磁阀；重力压水箱顶部安装有驱动装置；所有的截断电磁阀、安装于重力压水箱底部的压力开关均通过继电器与外部电源连接。本发明能增加内燃机输出功率。

Description

一种汽车发动机排气余热助力驱动系统

技术领域

本发明涉及汽车发动机节能领域，特别是一种汽车发动机排气余热助力驱动系统。

背景技术

众所周知，发动机在运行时会产生大量热量，而现有的自然吸气汽油机中，不论是国产还是进口汽车，都只有不到30%的热能被利用，约40%的热能以排气方式损耗，约30%在引擎冷却过程中被损耗，这表示高达70%的可用能源因此而浪费。传统柴油机由于高的压缩比，发动机膨胀效率被有效利用，其热效率也只有约37%。目前国际上在用内燃机最高热能利用率也只有40%多一点，仍然有大量的热能以废气和冷却方式浪费。如果能将众多的热能加以有效利用，可以让能源的使用率提升到更高的程度。

各行各业使用的以石油产品为燃料的内燃机实际上是一个将石油产品燃烧并转换为热能的机械系统，其在工作时并没有将能量大量转换，燃烧所产生的热能实际上被大量浪费，不论是国产还是进口产品，都只有不到30%的热能被转换成机械能利用，约40%的热能以排气方式损耗，约30%在引擎冷却过程中被损耗，这表示高达70%的可用能源因此而浪费。

目前，国际上一些大的汽车公司均在进行这方面的研究，但尚未推出实用型的产品。

德国宝马公司于2012年推出了利用废弃余热产生的高压蒸汽助力发动机曲轴的设想，并已经投入研究实验。在该设想中，必须在发动机的曲轴前端加装一个一定体积的助力驱动装置。其设想的动力产生及利用原理如下：

废气（600℃-1000℃）加热安装于消声器附近的蒸汽锅炉→产生高压蒸汽→蒸汽管道→曲轴蒸汽涡轮助力器→散热器（蒸汽凝结）→高压微型水泵→蒸汽锅炉。

日本丰田公司正在其混合动力汽车上加装汽轮发电机，进行废弃余热产生高压蒸汽驱动发电机实验。然后将发电机发出的电能输送给混合动力汽车的电池组。其动力产生及利用原理如下：

废气（600℃-1000℃）加热安装于消声器附近的蒸汽锅炉→产生高压蒸汽→蒸汽管道→蒸汽涡轮发电机→散热器（蒸汽凝结）→高压微型水泵→蒸汽锅炉。

宝马公司的研究是将热能动力作用于发动机曲轴，在发动机运行过程中，发动机的曲柄连杆机构和配气机构、变速器的机械摩擦将消耗部分能量，能源得不到最大程度的利用。丰田公司的蒸汽涡轮用来在混合动力汽车上产生电能，能量也经过了两次转换，转换过程中的能量损失同样不可小视。汽车发动机蒸汽涡轮助力驱动系统直接作用于汽车变速器后端，避开了发动机和变速器等需要在运行时消耗部分机械能的机械构件，使机械摩擦损失小，能源利用率能够得到进一步的提高。

国内多家企业和科研单位的研究人员目前将主要目标集中在发电机余热发电方面，也就是将热能直接转换为电能，没有进行热能至动能的直接转换。由于能量在每次转换过程中都有部分损失，经过二次转换以后的最终利用率不是很理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种汽车发动机排气余热助力驱动系统，增大汽缸循环过程中的进气量，从而增加汽车内燃机输出功率，节省减排。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种汽车发动机排气余热助力驱动系统，包括安装在汽车发动机排气歧管与排气管接口处高温部位的锅炉、安装于汽车从动轮上且与汽车从动轮同轴的驱动叶轮、安装在汽车发动机冷却液管道上的温度开关；所述驱动叶轮的腔室入口端通过主管道与所述锅炉的气化锅连通，所述驱动叶轮的腔室出口端与冷凝器入口端连通，所述冷凝器的一个出口端通过管道与重力压水箱入口端连通，所述冷凝器的另一个出口端通过旁通管道与所述主管道连通；所述重力压水箱出口端与所述锅炉的预热锅连通；所述主管道上、驱动叶轮与冷凝器之间的管道上、重力压水箱出口端与所述预热锅之间的管道上各安装有一个截断电磁阀；所述重力压水箱顶部安装有驱动装置，所述驱动装置带动安装于重力压水箱内部的加压装置上下移动；所有的截断电磁阀、安装于重力压水箱底部的压力开关均通过继电器的触点与外部电源连接，所述驱动叶轮与冷凝器之间的管道上的截断电磁阀、驱动装置均与压力开关电连接，所述温度开关与汽车倒档开关电连接，所述汽车倒档开关与所述继电器的线圈电连接。

所述旁通管道一端与所述冷凝器一个出口端连通，所述旁通管道另一端与所述主管道上的截断电磁阀、气化锅之间的主管道连通；所述旁通管道上安装有旁通阀；所述驱动叶轮与所述主管道上的截断电磁阀之间的主管道上安装有膨胀阀；所述驱动装置包括安装于重力压水箱顶部的压力补偿电机、减速机和凸轮，所述压力补偿电机通过所述减速机、凸轮带动所述加压装置上下移动；所述加压装置为压水平板；所述重力压水箱形状为内壁光滑的漏斗状，且所述漏斗状较小一端的出口与所述预热锅连通。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在系统能大量吸收热能的同时，使排气管内高温气体被急速冷却，导致管内背压下降，排气阻力减小，从而使气缸内排气彻底，汽缸循环过程中的进气量增大，内燃机输出功率增加，极大地利用了汽车发动机的热能，达到了节能减排的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括安装在汽车发动机排气歧管与排气管接口处高温部位的锅炉1、安装于汽车从动轮上且与汽车从动轮同轴的驱动叶轮2、安装在汽车发动机冷却液管道上的温度开关3；所述驱动叶轮2的腔室入口端通过主管道与所述锅炉1的气化锅4连通，所述驱动叶轮2的腔室出口端与冷凝器5入口端连通，所述冷凝器5的一个出口端通过管道与重力压水箱6入口端连通，所述冷凝器5的另一个出口端通过旁通管道与所述主管道连通；所述重力压水箱6出口端与所述锅炉1的预热锅7连通；所述主管道上、驱动叶轮2与冷凝器5之间的管道上、重力压水箱6出口端与所述预热锅7之间的管道上各安装有一个截断电磁阀8；所述重力压水箱6顶部安装有驱动装置，所述驱动装置带动安装于重力压水箱6内部的加压装置上下移动；所有的截断电磁阀8、安装于重力压水箱6底部的压力开关9均通过继电器16的触点与外部电源连接，所述驱动叶轮2与冷凝器5之间的管道上的截断电磁阀、驱动装置均与压力开关9电连接，所述温度开关3与汽车倒档开关电连接，所述汽车倒档开关17与所述继电器16的线圈电连接。

本发明中，所述旁通管道一端与所述冷凝器5一个出口端连通，所述旁通管道另一端与所述主管道上的截断电磁阀8、气化锅4之间的主管道连通；所述旁通管道上安装有旁通阀14；所述驱动叶轮2与所述主管道上的截断电磁阀8之间的主管道上安装有膨胀阀10；所述驱动装置包括安装于重力压水箱6顶部的压力补偿电机11、减速机12和凸轮13，所述压力补偿电机11通过所述减速机12、凸轮13带动所述加压装置上下移动；所述加压装置为压水平板15；所述重力压水箱6形状为内壁光滑的漏斗状，且所述漏斗状较小一端的出口与所述预热锅7连通。

本发明锅炉用于将重力压水箱的液态水进行初次加温后再将高温水气化，并形成约2MP的气压，预热锅和气化锅之间由隔板隔开，隔板上开有小孔；驱动叶轮承受来自于膨胀阀的高压蒸汽，在蒸汽作用下给汽车后车轮轴助力；冷凝器将来自于驱动叶轮室和旁通管道的蒸汽冷却成液态水并存储，利用水本身重力将水输送给重力压水箱；重力压水箱利用液态水本身重力将液态水输送给锅炉预热炉；截断电磁阀在温度开关和倒档开关作用下接通或关闭其所在管道；温度开关在60°以上时接通，由于发动机在刚启动时，排气管温度较低，不利于将水迅速气化，因此发动机温度较低时通过温度开关将系统关闭；由于锅炉进口与出口端保持较高压力，方可使高压蒸汽顺着出口端进入驱动叶轮，因此压力开关在重力压水箱底部压力低于3MP时接通；在重力压水箱底部压力低于3MP时，压力开关接通给压力补偿电机供电，在重力压水箱底部压力低于3MP时，压力开关接通给电机供电，压力补偿电机驱动减速及凸轮机构驱动减速机及凸轮；减速机对压力补偿电机输出的动力减速增扭，并通过凸轮驱动位于重力压水箱内部的压水平板作往复运动，达到给重力压水箱加压的目的；在发动机冷却液温度低于60摄氏度，而三个截断电磁阀均处于截断状态时，如气化锅内压力高于2.5MP时，旁通阀（泄压阀）打开，释放气化锅内高温蒸汽至冷凝器。

本发明工作原理如下：

倒档时，发动机不管处于什么工况系统状态均关闭，保证在汽车倒车时不向驱动叶轮施加反向力阻碍车辆倒车；发动机冷却水低于60摄氏度时，由于排气管表面温度较低，产生的蒸汽量有限，对驱动叶轮的作用较小，此时截断电磁阀均关闭，系统不工作。在发动机冷却液温度低于60摄氏度，而三个截断电磁阀均处于截断状态时，如气化锅内压力高于2.5MP时，旁通阀打开，释放气化锅内高温蒸汽至冷凝器；发动机冷却水达到60摄氏度以上时，发动机排气管前节表面温度达到150摄氏度以上，并随着发动机的持续工作，该温度将保持持续升高，且持续产生高温，此时，三个截断电磁阀均打开，气化锅内产生的高温（120摄氏度）高压（约2-2.5MP）蒸汽经主管道上截断电磁阀、膨胀阀、驱动叶轮室、驱动叶轮与冷凝器之间管道上的截断电磁阀、冷凝器、重力压水箱、重力压水箱与预热锅之间的管道上的截断电磁阀、预热锅、气化锅完成一个循环。在蒸汽循环的过程中温度逐步降低，到达冷凝器后蒸汽将被散热冷却成约50摄氏度液态水进入重力压水箱。在重力压水箱自身重力作用下，液态水被重新注入预热锅，此时如果重力压水箱出口端压力低于3MP，压力开关接通，压力补偿电机启动，通过减速机及凸轮驱动水箱上部压水平板给注入预热锅的液态水加压，保证预热锅的两端具有近1MP的压力差，高温液态水能在此压力下顺利注入气化锅。在发动机冷却液温度高于60摄氏度，如气化锅内压力高于2.5MP时，旁通阀打开，释放气化锅内高温蒸汽至冷凝器。

本发明使用过程如下：

启动发动机，发动机冷却水温度低于60摄氏度时，温度开关控制继电器关闭，安装于给水端的三个截断电磁阀以及压力开关均不得电而关闭，本发明系统处于静止状态。

当冷却液温度达到60摄氏度时，此时发动机排气管气化炉处已经达到150摄氏度以上温度，预热锅的温度约为110-120摄氏度之间，安装于排气管表面的锅炉已经将锅炉内的存水气化。冷却液温度开关在冷却液60摄氏度以上时闭合，安装在管道上的三个截断电磁阀打开，在重力压水箱的作用下，液态水被注入预热锅加热至70-80摄氏度，在重力压水箱的持续作用下，高温水通过隔板小孔注入气化锅，在气化锅表面高达200摄氏度的作用下，高温水被瞬间气化，形成约2MP的蒸汽压力，该蒸汽经管道、膨胀阀进入驱动叶轮，驱动叶轮在高压蒸汽作用下转动，从而助力后车轮轮轴。系统运行时如重力压水端压力低于3MP，压力开关接通，压力补偿电机开始工作，通过减速及凸轮机构在重力压水箱顶部施加压力，加压水箱水压，达到压力补偿的目的。

Claims (3)

1.一种汽车发动机排气余热助力驱动系统，其特征在于，包括安装在汽车发动机排气歧管与排气管接口处高温部位的锅炉（1）、安装于汽车从动轮上且与汽车从动轮同轴的驱动叶轮（2）、安装在汽车发动机冷却液管道上的温度开关（3）；所述驱动叶轮（2）的腔室入口端通过主管道与所述锅炉（1）的气化锅（4）连通，所述驱动叶轮（2）的腔室出口端与冷凝器（5）入口端连通，所述冷凝器（5）的一个出口端通过管道与重力压水箱（6）入口端连通，所述冷凝器（5）的另一个出口端通过旁通管道与所述主管道连通；所述重力压水箱（6）出口端与所述锅炉（1）的预热锅（7）连通；所述主管道上、驱动叶轮（2）与冷凝器（5）之间的管道上、重力压水箱（6）出口端与所述预热锅（7）之间的管道上各安装有一个截断电磁阀（8）；所述重力压水箱（6）顶部安装有驱动装置，所述驱动装置带动安装于重力压水箱（6）内部的加压装置上下移动；所有的截断电磁阀（8）、安装于重力压水箱（6）底部的压力开关（9）均通过继电器的触点与外部电源连接，所述驱动叶轮（2）与冷凝器（5）之间的管道上的截断电磁阀、驱动装置均与压力开关（9）电连接，所述温度开关（3）与汽车倒档开关电连接，所述汽车倒档开关与所述继电器的线圈电连接；

所述旁通管道一端与所述冷凝器（5）一个出口端连通，所述旁通管道另一端与所述主管道上的截断电磁阀（8）、气化锅（4）之间的主管道连通；所述旁通管道上安装有旁通阀（14）；

所述驱动叶轮（2）与所述主管道上的截断电磁阀（8）之间的主管道上安装有膨胀阀（10）；

所述驱动装置包括安装于重力压水箱（6）顶部的压力补偿电机（11）、减速机（12）和凸轮（13），所述压力补偿电机（11）通过所述减速机（12）、凸轮（13）带动所述加压装置上下移动。

2.根据权利要求1所述的汽车发动机排气余热助力驱动系统，其特征在于，所述加压装置为压水平板（15）。

3.根据权利要求1～2之一所述的汽车发动机排气余热助力驱动系统，其特征在于，所述重力压水箱（6）形状为内壁光滑的漏斗状，且所述漏斗状较小一端的出口与所述预热锅（7）连通。