CN104612816B - 一种发动机能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机能量回收系统，包括涡轮增压器，还包括与所述涡轮增压器连接且用于对涡轮增压器提供驱动力的辅助增压装置，辅助增压装置具有蓄能器。本发明的发动机能量回收系统，通过设置辅助增压装置，充分利用了发动机的热量这一发动机最大的能量，并将之重新用于发动机的动力回收利用中，因此在很大程度上不仅可以提高发动机的热效率，还可以提高发动机的燃油经济性。

Description

一种发动机能量回收系统

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体地说，本发明涉及一种发动机能量回收系统。

背景技术

内燃机作为汽车领域的核心技术，其技术创新和改革依然是具有意义的，随着现在化石燃料的日益紧缺，对内燃机的热效率和燃料利用率的要求越来越高，在现如今，由于电动汽车汽车技术还没有完全成熟，以内燃机为动力的汽车依然是汽车领域内的主流动力源。如何使内燃机的热效率能达到最大效果，也是当前的一大问题。现有的发动机主要分为自然吸气型的和涡轮增压型的。虽然相比之前的内燃机，其热效率已经有了很大的进步，尤其是涡轮增压型的发动机，其在不改变发动机排量的前提下能增大发动机的功率和提高燃油经济性。但是发动机的热效率依然处于30％～40％。大部分能量以热能的形式散发到大气中去。没有充分利用。如果能将热量利用上，将可以使发动机的热效率更上一层楼，且燃油经济性也能得到提高。

内燃机普遍的热效率都不高，不能充分利用燃料的热量，且由于汽车尾气的排放而造成的大气污染也越来越严重，环境问题也越来越受到重视。加之能源越来越紧缺，能源问题也日益成为焦点。

发明内容

本发明提供一种发动机能量回收系统，目的是提高发动机的热效率和燃油经济性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种发动机能量回收系统，包括涡轮增压器，还包括与所述涡轮增压器连接且用于对涡轮增压器提供驱动力的辅助增压装置，辅助增压装置具有蓄能器。

所述涡轮增压器包括压气机蜗壳、压气机叶轮、涡轮蜗壳和涡轮叶轮，涡轮叶轮与压气机叶轮通过连接轴连接，涡轮蜗壳的进气口与发动机排气管连接。

所述涡轮增压器还包括设在第一蒸汽泵壳体和设在第一蒸汽泵壳体内的蒸汽驱动轮，蒸汽驱动轮与所述连接轴连接，且两者同轴。

所述蒸汽驱动轮位于所述涡轮叶轮和所述压气机叶轮之间。

所述辅助增压装置包括液压油箱、液压泵和对液压泵提供动力的液压产生装置，液压泵与液压油箱和所述蓄能器连接且位于两者之间。

所述液压产生装置包括第二蒸汽泵、冷却水箱和水热转换器，水热转换器设在发动机排气管上，冷却水箱通过水管与水热转换器的进水口连接，水热转换器的出水口通过水管与所述第一蒸汽泵壳体的进水口连接，第一蒸汽泵壳体的出水口与第二蒸汽泵连接，第二蒸汽泵的动力输出轴与所述液压泵的主轴连接。

所述辅助增压装置还包括与所述涡轮增压器连接的液压驱动泵，液压驱动泵通过油管与所述蓄能器连接，且在液压驱动泵与蓄能器之间设有控制油路通断的开关阀。

所述液压驱动泵包括驱动泵壳体和设在驱动泵壳体内的液压驱动涡轮，液压驱动涡轮与所述连接轴连接且两者同轴。

所述液压驱动涡轮位于所述压气机叶轮的外侧。

所述蓄能器与所述液压泵之间设有单向阀。

本发明的发动机能量回收系统，通过设置辅助增压装置，充分利用了发动机的热量这一发动机最大的能量，并将之重新用于发动机的动力回收利用中，因此在很大程度上不仅可以提高发动机的热效率，还可以提高发动机的燃油经济性。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明发动机能量回收系统的结构示意图；

图2是涡轮增压器的结构示意图；

图3是第二蒸汽泵的结构示意图；

图4是蓄能器的结构示意图；

图5是水热转换器的结构示意图；

图6是环状球阀的结构示意图；

图7是环状球阀的分解图；

图8是球阀支撑体内部容纳腔处的结构示意图；

图中标记为：

1、飞轮；2、单向阀；3、曲轴；4、蓄能器；41、蓄能壳体；42、蓄能弹簧；43、内压板；5、涡轮增压器；51、压气机蜗壳；52、压气机叶轮；53、涡轮蜗壳；54、涡轮叶轮；55、连接轴；56、第一蒸汽泵壳体；57、蒸汽驱动轮；6、水热转换器；61、转换器壳体；62、排气螺旋管；63、转换器进水管；64、转换器出水管；7、第二蒸汽泵；71、第二蒸汽泵壳体；72、蒸汽泵轮；8、液压驱动泵；81、驱动泵壳体；82、液压驱动涡轮；9、环状球阀；91、球阀壳体；92、从动齿轮；93、球阀支撑体；94、球阀弹簧；95、阀芯；96、球阀出油管；97、小径孔；98、球阀进油管；99、大径孔；10、液压泵；11、液压油箱；12、冷却水箱；13、溢流阀；14、第一进油管；15、第二进油管；16、第三进油管；17、第一回油管；18、第二回油管；19、第一水管；20、第二水管；21、第三水管；22、第四水管；23、排气管；24、进气管。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图5所示，本发明提供了一种发动机能量回收系统，包括涡轮增压器5，还包括与涡轮增压器5连接且用于对涡轮增压器5提供驱动力的辅助增压装置，辅助增压装置具有蓄能器4。

具体地说，涡轮增压器5是以发动机排气管23排出的废气作为动力，对进入发动机的空气进行增压，如图1和图2所示，涡轮增压器5包括压气机蜗壳51、压气机叶轮52、涡轮蜗壳53和涡轮叶轮54，压气机叶轮52设在压气机蜗壳51内部，涡轮叶轮54设在涡轮蜗壳53内部，涡轮蜗壳53与压气机蜗壳51固定连接，涡轮叶轮54与压气机叶轮52通过连接轴55固定连接，连接轴55并与涡轮叶轮54和压气机叶轮52同轴。涡轮蜗壳53具有一个进气口和一个出气口，涡轮蜗壳53的进气口与发动机的排气管23连接，排气管23排出的废气驱动涡轮叶轮54旋转，涡轮叶轮54通过连接轴55带动压气机叶轮52同步旋转。压气机蜗壳51具有一个进气口和一个出气口，压气机蜗壳51的出气口与发动机的进气管24连接，压气机叶轮52旋转，使从压气机蜗壳51进入的外界空气进入排气管23内。

如图1和图2所示，涡轮增压器5还包括第一蒸汽泵壳体56和设在第一蒸汽泵壳体56内的蒸汽驱动轮57，蒸汽驱动轮57与连接轴55固定连接，且两者同轴。第一蒸汽泵壳体56并位于涡轮蜗壳53和压气机蜗壳51之间，相应的，蒸汽驱动轮57位于涡轮叶轮54和压气机叶轮52之间，在涡轮叶轮54旋转时，能够通过连接轴55带动压气机叶轮52和蒸汽驱动轮57同步旋转。

如图1所示，辅助增压装置包括液压油箱11、液压泵10和对液压泵10提供动力的液压产生装置。液压泵10进油口通过油管与液压油箱11连接，液压泵10出油口通过第一进油管14与蓄能器4的进油口连接。液压产生装置产生动力时，驱动液压泵10运转，从而液压泵10将液压油箱11内的液压油输送至蓄能器4内。蓄能器4具有蓄能的作用，能够使进入其内部的液压油具有一定的压力。为了避免蓄能器4内部的液压油倒流回液压油箱11内，在第一进油管14上还设有单向阀2。

如图1所示，辅助增压装置还包括与涡轮增压器5连接的液压驱动泵8，该液压驱动泵8通过油管与蓄能器4连接，且在液压驱动泵8与蓄能器4之间设有控制油路通断的开关阀。如图2所示，液压驱动泵8包括驱动泵壳体81和设在驱动泵壳体81内的液压驱动涡轮82，液压驱动涡轮82与连接轴55固定连接且两者同轴。液压驱动泵8是以进入内部的液压油作为动力，液压驱动涡轮82作为动力输出构件，高压油驱动液压驱动涡轮82旋转，液压驱动涡轮82通过连接轴55带动压气机叶轮52等同步旋转，从而可以对涡轮增压器5进行能力补充，克服发动机低速性能不好的缺点。

如图1所示，液压驱动泵8的驱动泵壳体81具有一个进油口和一个出油口，进油口通过第三进油管16与开关阀连接，出油口通过第一回油管17与液压油箱11连接，构成液压回路，使液压油能够回流至液压油箱11。作为优选的，如图2所示，驱动泵壳体81位于涡轮增压器5的壳体外侧，相应的，液压驱动涡轮82位于压气机叶轮52的外侧。驱动泵壳体81可以设置成与涡轮增压器5的壳体固定连接，也可以通过其它结构固定。

蓄能器4的结构具有多种形式，作为优选的，如图4所示，该蓄能器4包括蓄能壳体41、蓄能弹簧42和内压板43，蓄能壳体41内部具有储液腔，蓄能弹簧42和内压板43位于储液腔中，蓄能壳体41底部具有与蓄能腔连通的进油口和出油口，进油口与第一进油管14连接，出油口经第二进油管15与开关阀连接。内压板43位于进油口和出油口的上方，蓄能弹簧42位于内压板43的上方，蓄能弹簧42用于压缩储能，可以对内压板43施加朝向出油口处移动的作用力。当液压泵10向蓄能器4储液腔内泵送液压油时，液压油经内压板43挤压蓄能弹簧42，进行蓄能。在需要蓄能器4释放能量时，开关阀开启，蓄能弹簧42推动内压板43移动，内压板43将蓄能壳体41内的液压油挤出，高压油流至液压驱动泵8，驱动液压驱动泵8运转，产生动力。

如图1所示，液压产生装置包括第二蒸汽泵7、冷却水箱12和水热转换器6。由于在发动机运转时，排气管23的温度较高，为了充分利用发动机产生的热能，将水热转换器6设在发动机的排气管23上，冷却水箱12通过第一水管19与水热转换器6的进水口连接，水热转换器6的出水口通过水第二管与第一蒸汽泵壳体56的进水口连接，第一蒸汽泵壳体56的出水口通过第三水管21与第二蒸汽泵7连接。第二蒸汽泵7是以进入内部的高压蒸汽作为动力，水热转换器6为用于产生蒸汽的构件，在涡轮增压器5运转时，蒸汽驱动轮57旋转，并将蒸汽泵送至第二蒸汽泵7，使第二蒸汽泵7运转产生动力，第二蒸汽泵7的动力输出轴与液压泵10的主轴连接，从而使液压泵10能够运转，产生液压力。

水热转换器6的结构具有多种形式，作为优选的，如图5所示，该水热转换器6包括转换器壳体61、设在转换器壳体61内的排气螺旋管62、转换器进水管63和转换器出水管64，转换器壳体61为内部中空的结构，具有进水口和出水口，进水口处设置转换器进水管63，出水口处设置转换器出水管64，分别与第一水管19和第二水管20连接。排气螺旋管62与发动机的排气管23连通，高温废气从排气螺旋管62内经过，可以使位于转换器壳体61内的水发生热交换，使水汽化，从而产生蒸汽，蒸汽最后经转换器出水管64排出。排气螺旋管62为螺旋形的结构，以增大与冷却水的接触面积，使冷却水能够迅速变成高温的水蒸气。

如图3所示，作为优选的，第二蒸汽泵7包括第二蒸汽泵壳体71和设在第二蒸汽泵壳体71内的蒸汽泵轮72，蒸汽泵轮72作为第二蒸汽泵7的动力输出构件，进入第二蒸汽泵壳体71内的高压蒸汽驱动蒸汽泵轮72旋转，蒸汽泵轮72带动驱动液压泵10运转，从而可以对蓄能器4进行储能。

如图1和图3所示，第二蒸汽泵壳体71具有一个进水口和一个出水口，进水口通过第三水管21与第一蒸汽泵壳体56的出水口连接，第二蒸汽泵壳体71的出水口通过第四水管22与冷却水箱12连接，构成循环水路。

在液压驱动泵8与蓄能器4之间设置用于控制油路通断的开关阀为如同专业人员所公知的那样，为了便于控制，优选采用电磁阀，在发动机转速高时，开关阀关闭，液压驱动泵8不产生动力；在发动机转速低时，开关阀开启，液压驱动泵8产生动力，对涡轮增压器5进行能量补充。

作为变形实施方案，如图1、图6、图7和图8所示，开关阀可以采用图示结构的环状球阀9，该环状球阀9包括与飞轮1齿圈常啮合的从动齿轮92、球阀壳体91、设在球阀壳体91内的球阀支撑体93、设在球阀支撑体93内的球阀弹簧94和与球阀弹簧94连接的阀芯95，球阀壳体91为内部中空的结构，球阀壳体91固定在飞轮1的一侧，从动齿轮92所在的齿轮轴插入球阀壳体91内与球阀支撑体93固定连接。优选的，球阀壳体91为圆盘形的中空结构，球阀支撑体93为圆盘形的结构，从动齿轮92与球阀壳体91和球阀支撑体93三者同轴，从动齿轮92由飞轮1驱动进行转动，从动齿轮92带动球阀支撑体93在球阀壳体91内同时转动。球阀支撑体93内部设有沿径向延伸形成的容纳腔，容纳腔为从球阀支撑体93的中心处延伸至球阀支撑体93的外圆周面上，容纳腔是用于让蓄能器4流入的高压油流向球阀壳体91中。容纳腔优选为由一大径孔99和一小径孔97构成的，大径孔99为从球阀支撑体93的中心处开始延伸，小径孔97远离球阀支撑体93的中心，阀芯95为球形结构，球阀弹簧94和阀芯95位于容纳腔的大径孔99中，阀芯95的直径并大于小径孔97的直径，阀芯95的直径且小于大径孔99的直径，当阀芯95移动至小径孔97的孔口处时，可以使容纳腔封闭，进而使环状球阀9关闭，使油路中断。

如图6、图7和图8所示，作为优选的，球阀支撑体93内的容纳腔沿周向均布有多个，各个容纳腔中分别设置一个球阀弹簧94和一个阀芯95。球阀弹簧94为拉簧，球阀弹簧94一端与球阀支撑体93连接，另一端与阀芯95连接，球阀弹簧94对阀芯95施加沿径向的拉力。在球阀支撑体93转速高时，阀芯95在离心力作用下能够抵抗球阀弹簧94产生的拉力，阀芯95在容纳腔内并能够朝向小径孔97处移动，当阀芯95与小径孔97的孔口接触时，容纳腔内的液体流动被中断，从而使环状球阀9关闭；在球阀支撑体93转速低时，阀芯95在离心力作用下不能够抵抗球阀弹簧94产生的拉力，球阀弹簧94使阀芯95保持在容纳腔的大径孔99中，容纳腔内的液体可以流动，环状球阀9开启。

如图6和图7所示，在本实施例中，球阀支撑体93内均布有六个容纳腔，相应球阀弹簧94和阀芯95也设有六个。球阀壳体91的侧壁设有与内腔连通的出油口，球阀壳体91的出油口处设有与第三进油管16连接的球阀出油管96，球阀支撑体93的中心具有与所有容纳腔连通的进油口，球阀支撑体93的进油口处设有与第二进油管15连接的球阀进油管98。

发动机采用上述结构的能量回收系统，当发动机运转时，废气经由排气管23进入涡轮增压器5，驱动涡轮叶轮54旋转，冷却水由冷却水箱12进入水热转换器6产生蒸汽，以驱动蒸汽驱动轮57，经蒸汽驱动轮57加压后驱动蒸汽泵轮72，工作后的蒸汽冷却成水经冷却管回流入冷却水箱12，蒸汽泵轮72带动液压泵10工作，液压泵10工作对蓄能器4进行储能。同时由于涡轮增压器5的作用，对进入发动机的空气进行加压。

发动机低速运转时，此时飞轮1转速不高，与飞轮1啮合的从动齿轮92转速也不高，从而在低速状态下，整个环状球阀9是打开的，此时由于蓄能器4中储存的高压液压油作用于液压驱动涡轮82，液压驱动涡轮82运转，从而对涡轮增压器5进行能量补充，克服发动机低速性能不好的缺点。

发动机高速运转时，此时飞轮1转速较高，与飞轮1啮合的从动齿轮92转速也很高，从而在高速状态下，整个环状球阀9在离心力的作用下是关闭着的，此时经由液压泵10泵的液压油，在单向阀2的作用下，只能向蓄能器4蓄能，当液压泵10泵油压力超过蓄能器4中蓄能弹簧42的弹力时，通过设置的溢流阀13的压力来控制泵油压力，防止压力超标。如图1所示，溢流阀13通过第二回油管18与液压油箱11和第一进油管14连接。

上述结构的发动机能量回收系统具有以下几个创新点：

第一：在排气尾管处加以水热转换器6，这样通入冷水即可迅速转化为高温高压的水蒸气，用以驱动蒸汽驱动轮57，可以利用发动机废气热能。第二：得益于新型涡轮增压器5，可以利用液压驱动涡轮82带动液压泵10，这样在发动机低速状态时就可以利用蓄能器4对涡轮增压器5进行动能补充，这样就可以改善涡轮增压器5的低速滞后效应，从而使发动机的低速性能不会因为涡轮增压器5而有所欠佳。在发动机高速运转时，由于环状球阀9在离心力的作用下会将出油口堵住，液压油不进入液压油工作出油管，此时液压泵10工作对蓄能器4蓄能，以对发动机低速运转进行能量补充。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种发动机能量回收系统，包括涡轮增压器，其特征在于：还包括与所述涡轮增压器连接且用于对涡轮增压器提供驱动力的辅助增压装置，辅助增压装置具有蓄能器；

所述涡轮增压器包括第一蒸汽泵壳体和设在第一蒸汽泵壳体内的蒸汽驱动轮，所述辅助增压装置包括液压油箱、液压泵和对液压泵提供动力的液压产生装置，液压泵与液压油箱和所述蓄能器连接，所述液压产生装置包括第二蒸汽泵、冷却水箱和水热转换器，水热转换器设在发动机排气管上，冷却水箱通过水管与水热转换器的进水口连接，水热转换器的出水口通过水管与所述第一蒸汽泵壳体的进水口连接，第一蒸汽泵壳体的出水口与第二蒸汽泵连接，第二蒸汽泵的动力输出轴与所述液压泵的主轴连接。

2.根据权利要求1所述的发动机能量回收系统，其特征在于：所述涡轮增压器包括压气机蜗壳、压气机叶轮、涡轮蜗壳和涡轮叶轮，涡轮叶轮与压气机叶轮通过连接轴连接，涡轮蜗壳的进气口与发动机排气管连接。

3.根据权利要求2所述的发动机能量回收系统，其特征在于：所述蒸汽驱动轮与所述连接轴连接，且两者同轴。

4.根据权利要求3所述的发动机能量回收系统，其特征在于：所述蒸汽驱动轮位于所述涡轮叶轮和所述压气机叶轮之间。

5.根据权利要求2所述的发动机能量回收系统，其特征在于：所述液压泵位于液压油箱与所述蓄能器之间。

6.根据权利要求5所述的发动机能量回收系统，其特征在于：所述辅助增压装置还包括与所述涡轮增压器连接的液压驱动泵，液压驱动泵通过油管与所述蓄能器连接，且在液压驱动泵与蓄能器之间设有控制油路通断的开关阀。

7.根据权利要求6所述的发动机能量回收系统，其特征在于：所述液压驱动泵包括驱动泵壳体和设在驱动泵壳体内的液压驱动涡轮，液压驱动涡轮与所述连接轴连接且两者同轴。

8.根据权利要求7所述的发动机能量回收系统，其特征在于：所述液压驱动涡轮位于所述压气机叶轮的外侧。

9.根据权利要求5至8任一所述的发动机能量回收系统，其特征在于：所述蓄能器与所述液压泵之间设有单向阀。