CN104196611A - 一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统 - Google Patents

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刘志恩
夏婉扬
黄博文
戴胡伟
焦柯柯
郭彩祎
朱文昌
张有财
郭晶晶
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Abstract

本发明公开了一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统，该系统包括热水传送系统、储能系统、蒸汽传送系统和安装在发动机排气管中的尾气换热装置；热水传送系统包括水箱、水泵和热水输送管；储能系统包括涡轮机、发电机和蓄电池；蒸汽传送系统包括蒸汽输送管和冷凝器；尾气换热装置的蒸汽出口端设置压力阀，尾气换热装置通过蒸汽输送管连接于冷却水换热器，冷却水换热器同时通过热水输送管连接于尾气换热装置，涡轮机设置于冷凝器和尾气换热装置之间的蒸汽输送管上。本发明能够将汽车发动机排气系统中尾气的部分热量转化成电能，供汽车再利用，从而提高燃料利用率，达到节约能源和保护环境的目的。

Description

一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统
技术领域
本发明属于汽车尾气废热利用领域，具体涉及一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统。
背景技术
我国已经成为世界第一大汽车产销国，2012年汽车产销量双双突破了1900万辆，据测算，到2020年我国汽车保有量将超过1.5亿辆。汽车保有量的快速增加，将导致我国石油供应的严重不足，因此如何提高发动机燃料热量的利用率是节约石油资源、缓解能源压力、降低有害排放，确保国家能源安全及环境保护的大事。
以汽油和柴油为燃料的传统汽车发动机燃烧产生的热量，仅有30％－40％被转换成有用功输出，剩下的60％－70％的热量被冷却水和尾气带走而白白耗散掉。这其中一半的热量会被尾气带走，使得尾气温度可高达到600－700℃。传统汽车发动机气缸燃烧产生的热量中，相当一部分的热量是直接随尾气排除的，没有被回收利用。如果这些热量能够被部分回收，则可以提高发动机的燃料利用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统，旨在解决传统汽车发动机燃烧产生的热量被尾气带走而未被回收利用的问题。
为实现本发明的目的，采用的技术方案如下：
一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统，其特殊之处在于，该系统包括冷却水换热器、热水传送系统、储能系统、蒸汽传送系统和安装在发动机排气管中的尾气换热装置；所述热水传送系统包括水箱、水泵和热水输送管；所述储能系统包括涡轮机、发电机和蓄电池；所述蒸汽传送系统包括蒸汽输送管和冷凝器；尾气换热装置的蒸汽出口端设置压力阀，尾气换热装置通过蒸汽输送管连接于冷却水换热器，冷却水换热器同时通过热水输送管连接于尾气换热装置，涡轮机设置于冷凝器和尾气换热装置之间的蒸汽输送管上。
进一步，所述系统还包括安装于发动机冷却系统中的冷却水换热器，冷却水换热器设置于冷凝器和水箱之间。
进一步，所述热水输送管的末端设置用于尾气换热装置内蒸汽压力较高时将液体压入尾气换热装置中的泵喷嘴。
本发明提供的汽车尾气蒸汽涡轮转化系统，能够将汽车发动机尾气中的部分热量转化成电能，供汽车再利用，从而提高燃料利用率，达到节约能源和保护环境的目的。
附图说明
图1为汽车尾气蒸汽涡轮转化系统结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统，该汽车尾气蒸汽涡轮转化系统包括：设置于发动机冷却系统中的冷却水换热器、热水传送系统、储能系统、蒸汽传送系统和安装在发动机排气管中的尾气换热装置；热水传送系统包括水箱、水泵和热水输送管；储能系统包括涡轮机、发电机和蓄电池；蒸汽传送系统包括蒸汽输送管和冷凝器；尾气换热装置的蒸汽出口端设置压力阀，尾气换热装置通过蒸汽输送管连接于冷却水换热器，冷却水换热器同时通过热水输送管连接于尾气换热装置，涡轮机设置于冷凝器和尾气换热装置之间的蒸汽输送管上。
该系统还包括安装于发动机冷却系统中的冷却水换热器，冷却水换热器设置于冷凝器和水箱之间。
热水输送管的末端设置用于尾气换热装置内蒸汽压力较高时将液体压入尾气换热装置中的泵喷嘴。
本发明的汽车尾气蒸汽涡轮转化系统主要是利用汽车冷却系统中冷却水和尾气的热量加热系统液体工质，使其变成蒸汽后推动涡轮转动，将热能转化为可以利用的机械能，涡轮带动发电机转动将机械能转化为电能，实现热量回收，从而提高燃料利用率。该转化系统充分利用发动机冷却系统携带的热量，使用冷却水换热器加热系统中的液体，实现冷却水热量的回收再利用；该转化系统充分利用发动机尾气携带的热量，使用尾气换热装置加热系统中的热液体，使其加热成蒸汽，实现尾气热量的回收再利用。
本发明中的尾气换热装置是利用发动机尾气热量将热液体变为蒸汽，安装在发动机排气管中，布置在催化器和波纹管之后、消声器之前的位置，尾气换热装置在不影响发动机催化转化效率，特别是低温冷启动时的催化器转化效率的条件下，减少发动机振动激励的影响，并尽可能的利用尾气热量。尾气换热装置蒸汽出口端布置压力阀，一方面使产生的蒸汽压力稳定，有利于涡轮机的稳定运转；另一方面起安全控制作用，防止尾气换热装置内蒸汽压力过高而破坏设备。
涡轮机是将蒸汽热能转化为机械能的装置。蒸汽输送管中的蒸汽推动涡轮叶片旋转，涡轮机主轴通过皮带传动带动发电机旋转，从而产生电能，存储到蓄电池中。在混合动力汽车中，蓄电池中的电能可让电动机运转并驱动车辆。
冷凝器是采用风冷方式将经过涡轮机做功后的蒸汽冷却成液体。使涡轮机出口端压力下降，有利于蒸汽做功。
冷却水换热器设置于发动机冷却系统中，用于吸收冷却系统中的热量并稳定输入尾气换热装置的热水温度。冷却水换热器利用发动机冷却系统携带的热量将本发明的汽车尾气蒸汽涡轮转化系统中的液体加热，实现冷却液热量的回收再利用，冷却水换热器中加热后的热液体进入本转化系统的水箱中。冷却水换热器一方面在冷凝器效率不够时，继续将蒸汽冷却成液体，另一方面充分利用发动机冷却水的热量，使冷凝后的液体温度稳定在一定高温下，减少尾气换热装置加热时间。发动机冷却水离开缸体时的温度通常可达到90-95℃，可使尾气换热装置中液体快速被加热成蒸汽。从冷却水换热器出来的热液体进入水箱，使残余蒸汽和液体分离，减少液体在管道传输产生气阻的可能性，并有利于水泵将液体压入尾气换热装置中，实现汽车尾气蒸汽涡轮转化系统内液体流动的再循环。如果尾气换热装置内蒸汽压力比较高，则可以采用泵喷嘴的方式将液体压入尾气换热装置中。
本发明的汽车尾气蒸汽涡轮转化系统的工作过程：
在汽车发动机正常运行一段时间后，冷却水开启大循环，发动机冷却系统中冷却水的热量通过冷却水换热器加热本系统中的液体，因此本系统吸收了汽车发动机冷却系统中的一部分热量。从冷却水换热器出来的热液体进入水箱，水泵将水箱中的热液体输送到发动机排气管上的尾气换热装置中，尾气换热装置吸收尾气的热量将热液体变为蒸汽；当尾气换热装置内的蒸汽压力达到压力阀限定的开启压力后，进入涡轮机推动涡轮叶片旋转，带动发电机旋转，从而产生电能储存到蓄电池中；做功后的蒸汽进入冷凝器冷却成液体，后进入冷却水换热器继续冷却或加热，然后流入小水箱，在水泵的作用下实现再循环。本系统中的液体可以是水，也可以是发动机冷却液(水和乙二醇的混合液)。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统，其特征在于，该系统包括热水传送系统、储能系统、蒸汽传送系统和安装在发动机排气管中的尾气换热装置；所述热水传送系统包括水箱、水泵和热水输送管；所述储能系统包括涡轮机、发电机和蓄电池；所述蒸汽传送系统包括蒸汽输送管和冷凝器；尾气换热装置的蒸汽出口端设置压力阀，尾气换热装置通过蒸汽输送管连接于冷却水换热器，冷却水换热器同时通过热水输送管连接于尾气换热装置，涡轮机设置于冷凝器和尾气换热装置之间的蒸汽输送管上。
2.根据权利要求1所述的一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统，其特征在于，所述系统还包括安装于发动机冷却系统中的冷却水换热器，冷却水换热器设置于冷凝器和水箱之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统，其特征在于，所述热水输送管的末端设置用于尾气换热装置内蒸汽压力较高时将液体压入尾气换热装置中的泵喷嘴。
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