CN104405529A - 基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置,废气能量采集器(7)吸收废气的能量,通过热能量传导体(9)把能量传递到斯特林热机气缸Ⅰ(18)的加热端(10);气缸Ⅱ(20)外表面的散热肋片与周围环境换热保证冷却端(19)维持较低的温度。斯特林热机中的工质从加热端(10)吸热后膨胀并推动活塞Ⅰ(21)做功;工质从气缸Ⅰ(18)流回到气缸Ⅱ(20)中,在气缸Ⅱ(20)中被冷却端(19)冷却,然后工质再流回气缸Ⅰ(18),在气缸Ⅰ(18)中从加热端(10)吸热后膨胀做功。如此往复循环,斯特林热机便利用发动机废气能量来输出轴功,并经过传动装置带动发电机发电,然后可以把这部分电能存储在蓄电池中。
Description
技术领域
本发明属于斯特林循环能源利用的技术领域,具体涉及开发一种基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置。
背景技术
随着国家的迅速发展和社会的快速进步,能源的消耗量也在快速增大,节能倍受重视。相关数据资料表明,化石燃料的能量近三分之二未被有效利用,以各种方式排放到环境中,这不仅是能源的浪费,还带来了日益恶化的环境污染。为此,节能技术的开发越来越受到各界人士的关注。
发动机排出的废气具有很高的能量,即便被废气涡轮增压器利用后,涡轮机出口处废气的能量仍然很高,这些能量不加利用固然可惜。本发明以斯特林循环为基础,以充分利用废气的能量为目的,在对原发动机性能无影响的前提下对废气能量做更充分的利用,以减少能源浪费,提高能源利用效率,具有较高的实用价值。
发明内容
本发明目的是提供一种基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置,该装置以斯特林循环为依据,充分利用发动机废气的能量,将低品质的热能转化为高品质的机械能,利用转化的机械能驱动发电机发电。可以实现在不影响原发动机性能的前提下更充分利用废气能量的目的,并具有很大的应用潜力。
为实现上述功能,本发明采用如下方案:
本发明是基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置。由废气能量采集器7、排气总管Ⅲ8、热能量传导体9、加热端10、传动装置11、发电机12、电压调节器13、蓄电池14、回热器15、气道Ⅰ16、气道Ⅱ17、气缸Ⅰ18、冷却端19、气缸Ⅱ20、活塞Ⅰ21、连杆Ⅰ22、连杆Ⅱ23、曲轴24、活塞Ⅱ25、曲轴箱26组成;其中活塞Ⅰ21和曲轴24通过连杆Ⅰ22相连,活塞Ⅱ25与曲轴24通过连杆Ⅱ23相连,曲轴24有两个相互垂直的曲拐,且曲轴24被包含在曲轴箱26中,气缸Ⅰ18与气缸Ⅱ20相互对置,两个气缸顶端分别连接气道Ⅱ17和气道Ⅰ16,气道Ⅰ16和气道Ⅱ17通过回热器15相连,曲轴24与传动装置11相连,传动装置11与发电机12相连,发电机12与电压调节器13相连,电压调节器13与蓄电池14相连。
在本发明的一个较佳实施例中,所述斯特林热机将废气的热能转变成斯特林热机的机械能,曲轴24通过传动装置11驱动发电机12发电,并通过电压调节器13将电能储存在蓄电池14中;其中斯特林热机由加热端10、回热器15、气道Ⅰ16、气道Ⅱ17、气缸Ⅰ18、冷却端19、气缸Ⅱ20、活塞Ⅰ21、连杆Ⅰ22、连杆Ⅱ23、曲轴24、活塞Ⅱ25、曲轴箱26构成。
在本发明的一个较佳实施例中,所述废气能量采集器7采集废气的能量,并通过热能量传导体9传递给加热端10。
本发明的有益效果在于:本发明可以在不改变原发动机性能的前提下进一步利用发动机废气的能量,通过斯特林循环产生轴功,驱动发电机发电,并把低品质的废气热能转变成高品质的电能,实现该装置对发动机废气能量进一步利用的目的,为后续整车余能利用技术和节能技术的开发开辟了新的途径;并且热能量传导体可以使得斯特林热机和废气能量采集器的布置更加灵活,使得该装置的使用价值更高。
附图说明
图1为这种基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置整体应用布置示意图
各部分分别是:进气总管Ⅰ1、进气总管Ⅱ2、发动机3、排气总管Ⅰ4、涡轮增压器5、排气总管Ⅱ6、废气能量采集器7、排气总管Ⅲ8、热能量传导体9、加热端10、传动装置11、发电机12、电压调节器13、蓄电池14、回热器15、气道Ⅰ16、气道Ⅱ17、气缸Ⅰ18、冷却端19、气缸Ⅱ20、活塞Ⅰ21、连杆Ⅰ22、连杆Ⅱ23、曲轴24、活塞Ⅱ25、曲轴箱26。
图2为这种基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置的结构示意图
各部分分别是:废气能量采集器7、排气总管Ⅲ8、热能量传导体9、加热端10、传动装置11、发电机12、电压调节器13、蓄电池14、回热器15、气道Ⅰ16、气道Ⅱ17、气缸Ⅰ18、冷却端19、气缸Ⅱ20、活塞Ⅰ21、连杆Ⅰ22、连杆Ⅱ23、曲轴24、活塞Ⅱ25、曲轴箱26。
具体实施方式
以下结合附图1和附图2对本发明技术方案作进一步详细阐述:
本发明由排气总管Ⅱ6、废气能量采集器7、排气总管Ⅲ8、热能量传导体9、加热端10、传动装置11、发电机12、电压调节器13、蓄电池14、回热器15、气道Ⅰ16、气道Ⅱ17、气缸Ⅰ18、冷却端19、气缸Ⅱ20、活塞Ⅰ21、连杆Ⅰ22、连杆Ⅱ23、曲轴24、活塞Ⅱ25、曲轴箱26构成。
本发明是基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置。在一个较佳的实施例中,气体从进气总管Ⅰ1进入,然后进入涡轮增压器5的压气机端,而后经过压缩的气体通过进气总管Ⅱ2与发动机3相连,气体进入发动机3;每个工作循环的废气从发动机3排出,经过排气总管Ⅰ4进入涡轮增压器5的涡轮端,废气从涡轮排出后经过排气总管Ⅱ6进入废气能量采集器7,被再次利用的废气排出后进入排气总管Ⅲ8。废气能量采集器7通过热能量传导体9把能量传递给加热端10,由加热端10为斯特林热机15-26提供高温热源,其中斯特林热机的工质储存在气道Ⅰ16、气道Ⅱ17、气缸Ⅰ18和气缸Ⅱ20中;气缸Ⅰ18为膨胀气缸,活塞Ⅰ21和曲轴24通过连杆Ⅰ22相连;气缸Ⅱ20为压缩气缸,由冷却端19上的散热片通过与环境换热来提供低温热源;活塞Ⅱ25与曲轴24通过连杆Ⅱ23相连。曲轴24有两个相互垂直的曲拐,曲轴24整体被包含在曲轴箱26中。气缸Ⅰ18与气缸Ⅱ20对置,两个气缸顶端分别连接气道Ⅱ17和气道Ⅰ16,气道Ⅰ16和气道Ⅱ17通过回热器15相连。斯特林热机利用发动机废气能量发出的机械能以轴功的形式通过传动装置11带动发电机12,发电机发出的电能通过电压调节器13存储在蓄电池14中。
本发明是基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置,其中斯特林热机包含加热端10、回热器15、气道Ⅰ16、气道Ⅱ17、气缸Ⅰ18、冷却端19、气缸Ⅱ20、活塞Ⅰ21、连杆Ⅰ22、连杆Ⅱ23、曲轴24、活塞Ⅱ25、曲轴箱26;斯特林热机实现热能向机械能的转化。
本发明是基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置,其中废气能量采集器7一端与排气总管Ⅱ6相连,一端与排气总管Ⅲ8相连,另外还与热能量传导体9相连,热能量传到体9与加热端10相连;以此实现能量的采集和传递。
本发明是基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置,是以利用废气的能量为目的,在不影响发动机原有性能的前提下,进一步利用废气能量,得到高品质的电能。该装置的工作过程分为三部分。第一部分是废气能量采集过程,包含排气总管Ⅱ6、废气能量采集器7、排气总管Ⅲ8、热能量传导体9;第二部分是能量转换过程,包含回热器15、气道Ⅰ16、气道Ⅱ17、气缸Ⅰ18、冷却端19、气缸Ⅱ20、活塞Ⅰ21、连杆Ⅰ22、连杆Ⅱ23、曲轴24、活塞Ⅱ25、曲轴箱26;第三部分是能量存储过程,包含传动装置11、发电机12、电压调节器13、蓄电池14。
本发明的原理是:废气能量采集器吸收废气的能量,并通过热能量传导体把能量传递到斯特林热机膨胀气缸的加热端,以此来作为斯特林热机的高温热源。在压缩气缸的外表面有散热肋片,它与周围环境换热保证冷端维持较低的温度,以此作为斯特林热机的低温热源。斯特林热机中的工质从回热器中吸热后进入膨胀气缸,再从高温热源吸热,工质受热膨胀并推动活塞做功;然后工质从膨胀气缸经过气道流回到冷端压缩气缸的过程中,在经过回热器时,向回热器放热,工质在低温热源被进一步冷却,被冷却的工质再次经回热器流回热端,如此往复循环,斯特林热机便利用发动机废气能量来做功,实现低品质的废气能量向高品质的机械能的转化;这些机械能通过斯特林发动机的曲轴输出,并经过传动装置带动发电机发电,然后把这部分电能存储在蓄电池中。最终实现低品质的废气热能转化为高品质的电能。
废气能量采集过程:从涡轮增压器5的涡轮端排出来的废气流经排气总管Ⅱ6,而后进入废气能量采集器7的空腔中,然后经过排气总管8排出废气。废气能量采集器7与高温的废气进行换热,废气能量采集器7采集到的能量通过热能量传导体9传给加热端10;废气能量采集器7不断从废气中采集能量,使得加热端10能够持续为斯特林热机的工质提供能量。废气能量采集器7的内空腔的有效流通截面积不小于排气总管Ⅱ6的流通截面积,保证在不降低发动机原有性能的前提下进一步利用废气能量,使得该装置有较高的实用价值。
能量转换过程:包含斯特林热机的工作过程和机械能向电能的转化过程。
其中斯特林热机的工作过程:以曲轴顺时针转动为例,活塞Ⅰ21从气缸Ⅰ18的最左侧向右运动到气缸Ⅰ18的中点,活塞Ⅱ25从气缸Ⅱ20的中间位置运动到气缸Ⅱ20的最右侧,气缸Ⅱ20中的工质经过气道Ⅰ16、回热器15和气道Ⅱ17流进气缸Ⅰ18中,在此过程中,气缸Ⅰ18增大的容积等于气缸Ⅱ20减小的容积,系统中工质的总体积不变,由于气缸Ⅱ20中的工质处于低温热源中,温度较低,在经过回热器15时从回热器15中吸热;
工质进入气缸Ⅰ18后从高温热源吸收到大量的热量而膨胀并推动活塞Ⅰ21向右运动,通过连杆Ⅰ22把气缸Ⅰ18中工质对活塞Ⅰ21的作用力作用在曲轴24的曲拐上,使得曲轴24受到转矩的作用而继续沿顺时针转动,直到活塞Ⅰ21到达气缸Ⅰ18的最右侧时,这个转矩消失,与此同时,活塞Ⅱ25从气缸Ⅱ20的最右侧向左运动到气缸Ⅱ20的中间位置,这个过程中,气缸Ⅰ18和气缸Ⅱ20的体积都增大,系统中工质的体积增大而压力减小;
在系统的惯性作用下曲轴24继续沿顺时针转动,活塞Ⅰ21向左运动到气缸Ⅰ18的中间位置,活塞Ⅱ25向左运动到气缸Ⅱ20的最左侧,气缸Ⅰ18中的高温工质经过气道Ⅱ17和回热器15流到气道Ⅰ16和气缸Ⅱ20中,这个过程中,系统中工质的体积不变,由于气缸Ⅰ18中工质的温度较高,经过回热器15时向回热器放热,并且回热器将这部分热量保存;
在系统的惯性作用下曲轴24继续沿顺时针转动,活塞Ⅰ21向左运动到气缸Ⅰ18的最左侧,活塞Ⅱ25向右运动到气缸Ⅱ20的中间位置,气缸Ⅰ18中的高温工质被转移到气缸Ⅱ20中,工质进入气缸Ⅱ20后向低温热源放热,这个过程中,系统中的工质被冷却并被活塞Ⅱ25压缩,工质的体积减小而压力增大。
至此,斯特林热机的一个工作循环结束。如此往复循环,使得工质在斯特林热机内部往复于气缸Ⅰ18和气缸Ⅱ20之间,并不断地从高温热源吸热膨胀做功,推动曲轴24连续旋转,使得曲轴24不断地输出轴功。实现了低品质的废气热能转化为高品质的机械能。
其中机械能向电能的转化过程:曲轴24通过传动装置11带动发电机12运转,使发电机12发电,实现了机械能向电能的转化,为能量存储过程做准备。
能量存储过程:能量转换过程把低品质的废气热能转化为高品质的电能,电能通过电压调节器13被存储在蓄电池14中,实现了能量的存储。
以上三部分即为该装置的完整工作过程,最终实现低品质的废气热能转化为高品质的电能。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,也包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置,由废气能量采集器(7)、排气总管Ⅲ(8)、热能量传导体(9)、加热端(10)、传动装置(11)、发电机(12)、电压调节器(13)、蓄电池(14)、回热器(15)、气道Ⅰ(16)、气道Ⅱ(17)、气缸Ⅰ(18)、冷却端(19)、气缸Ⅱ(20)、活塞Ⅰ(21)、连杆Ⅰ(22)、连杆Ⅱ(23)、曲轴(24)、活塞Ⅱ(25)、曲轴箱(26)组成;其中活塞Ⅰ(21)和曲轴(24)通过连杆Ⅰ(22)相连,活塞Ⅱ(25)与曲轴(24)通过连杆Ⅱ(23)相连,曲轴(24)有两个相互垂直的曲拐,且曲轴(24)被包含在曲轴箱(26)中,气缸Ⅰ(18)与气缸Ⅱ(20)相互对置,两个气缸顶端分别连接气道Ⅱ(17)和气道Ⅰ(16),气道Ⅰ(16)和气道Ⅱ(17)通过回热器(15)相连,曲轴(24)与传动装置(11)相连,传动装置(11)与发电机(12)相连,发电机(12)与电压调节器(13)相连,电压调节器(13)与蓄电池(14)相连。
2.根据权利要求1所述的基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置,其特征在于应用斯特林热机将热能转变成机械能,曲轴(24)通过传动装置(11)驱动发电机(12)发电,并通过电压调节器(13)将电能储存在蓄电池(14)中;其中斯特林热机由加热端(10)、回热器(15)、气道Ⅰ(16)、气道Ⅱ(17)、气缸Ⅰ(18)、冷却端(19)、气缸Ⅱ(20)、活塞Ⅰ(21)、连杆Ⅰ(22)、连杆Ⅱ(23)、曲轴(24)、活塞Ⅱ(25)、曲轴箱(26)构成。
3.根据权利要求1所述的基于斯特林循环的发动机废气能量转化装置,其特征在于所述废气能量采集器(7)采集废气的能量,并通过热能量传导体(9)传递给加热端(10)。
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