CN108952997B - 基于仿生均热板和脉动热管技术的发动机余热利用系统 - Google Patents

Abstract

基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，在冷却系统中加装一个基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的脉动热管相变蓄热器，该装置采用仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术并将内部空间进行分区，在水冷却区、气冷却区和相变蓄热区可以将冷却水和废气中的余热进行吸收和储存，在气预热区可以对冷空气进行预热，利于发动机在寒冷环境在起动；该装置中仿生均热板、脉动热管和加碳纳米管的石蜡相变蓄热材料具有强化传热的效果，极大地提高散热效率，并且使传热均匀，避免局部过热。本发明实现了发动机余热的综合利用，提高能源利用率，达到节约资源，保护环境的目的。

Description

基于仿生均热板和脉动热管技术的发动机余热利用系统

技术领域

本发明属于动力机械领域，具体涉及一种基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统。

背景技术

以现有的内燃机指标评估，燃油中60%左右的能量没有得到有效利用，绝大部分以余热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。汽车的余热主要通过两种方式进行排放：第一种为冷却系统水循环散热，第二种为排气系统通过汽车尾气散热，大量的高温余热被直接排放到大气环境中，造成热量的损失和环境的污染。如果能将这两部分热量储存起来加以利用同时改进冷却系统和排气系统的散热方式，将会大大提高能源的利用效率，节约资源，提高整个发动机系统的效率，达到节约能源、保护环境的目的。

在寒冷的冬天，由于外部环境温度较低，造成发动机难以起动，起动过程中会加剧发动机磨损，缩短发动机寿命；外装的发动机预热装置又需要消耗额外的能源，此时，需要一种能够利用余热的发动机系统，将散热系统排出的能量用于发动机预热，就能既解决冷却系统和排气系统热量损失的问题，提高能源利用效率，又实现发动机预热，使汽车更容易在低温环境进行起动。

仿生均热板和脉动热管都是由传统的传热设备改进而得到的新型传热结构。仿生均热板是在均热板基础上采用仿生结构的吸液芯，植物经过进化，形成最优的物质运输体系和最短的运输路径，通过模仿植物叶脉的物质传输方式，可以加快均热板的传热速度，提高均热板效率；脉动热管相较传统热管，是将管内抽成真空后充注部分工作介质，靠气塞与液塞交替运行来实现工质流动和热量传递，无需吸液芯，制造简单，成本较低，但又比传统热管传热效率高。

发明内容

本发明的目的在于针对汽车余热利用现有技术中存在的缺陷，提供基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统。本发明在原有冷却系统中加装一个基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的脉动热管相变蓄热器，并且改变冷却系统和进排气系统工质运输路线和换热方式，将冷却水和发动机废气中的热量收集起来；且利用加装的装置，能在寒冷环境中实现对进气系统中冷空气进行预热，方便发动机在低温环境中起动，实现能源利用最大化，达到节约资源，保护环境的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，其特征在于由发动机、冷却系统、进气系统和排气系统组成；冷却系统由发动机缸体冷却水套、温度传感器、水泵、风扇、散热器、脉动热管相变蓄热器组成，进气系统由空气滤清器、空气流量计、进气歧管、进气阀和气缸组成；排气系统由排气歧管、排气软管、催化转化器组成。

在寒冷环境中，发动机运行过程中的热水从缸体冷却水套流出，温度传感器监控水温，冷却系统三通阀打开b、c通路，热水从脉动热管相变蓄热器水冷却区进水口进入脉动热管相变蓄热器水冷却箱，水冷却箱内的脉动热管及水冷却箱壁和热水进行热量交换，水冷却箱内的脉动热管以及水冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层将水中的热量传入到脉动热管相变蓄热器中部的相变蓄热区，相变蓄热箱内的相变蓄热材料融化吸热将热量储存起来，冷却后的水从水冷却区出水口流出，再经过水泵增压后，重新进入发动机缸体冷却水套中，水冷却循环完成。同时，排气系统三通阀打开g、h通路，发动机运行产生的废气从排气歧管排出后从脉动热管相变蓄热器气冷却区进气口通入到脉动热管相变蓄热器气冷却箱中，气冷却箱内的脉动热管及气冷却箱壁和废气进行热量交换，气冷却箱内的脉动热管以及气冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层将热量同样传入到相变蓄热区储存后，废气从气冷却区出气口经催化转化器在尾管排出。脉动热管相变蓄热器在运行的同时风扇对脉动热管相变蓄热器外壳进行降温，脉动热管相变蓄热器外壳与外界换热，而当温度传感器检测到冷却系统过热时，冷却系统三通阀打开a、b、c通路，热水在散热器和脉动热管相变蓄热器中并联进行散热，将循环中没被相变蓄热区吸收的余热及时排出，避免发动机过热影响正常工作。

发动机在寒冷环境起动前，进气系统三通阀打开d、e通路，冷空气经空气滤清器、空气流量计后，从脉动热管相变蓄热器气预热区的进气口通入，气预热箱内的脉动热管以及相变蓄热箱与气预热箱之间的隔层将相变蓄热区中相变蓄热材料凝固放出的热量传递到冷空气中对冷空气进行预热，预热后的空气从脉动热管相变蓄热器气预热区出气口经由进气道进入进气歧管，与喷油嘴喷出的汽油混合后形成适当比例的油气，由进气门送入气缸内点火燃烧，产生动力，预热后的空气使发动机在寒冷环境中仍能顺利起动。

在其他季节，发动机起动前不需要进行预热，冷却系统三通阀打开a、b通路，热水流经散热器进行散热，由水泵增压后进入发动机缸体冷却水套中完成冷却循环。同时，进气系统三通阀打开f、e通路，排气系统三通阀打开h、i通路，完成进排气过程。

进一步地，所述脉动热管相变蓄热器基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热的技术，该脉动热管相变蓄热器主要由脉动热管相变蓄热器外壳、水冷却区、气冷却区、相变蓄热区、脉动热管和气预热区组成；水冷却区由水冷却箱和脉动热管在水冷却箱内的弯管及直管部分组成，气冷却区由气冷却箱和脉动热管在气冷却箱内的弯管及直管部分组成，相变蓄热区由相变蓄热箱和脉动热管在相变蓄热箱内的直管部分组成，气预热区由气预热箱和脉动热管在气预热箱内的弯管及直管部分组成；水冷却区、气冷却区、相变蓄热区和气预热区彼此隔离，通过脉动热管贯穿连接；为了提高散热效率，加快散热速度，该装置水冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层、气冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层和相变蓄热箱与气预热箱之间的隔层均采用仿树叶叶脉的仿生均热板结构，而脉动热管相变蓄热器外壳以及水冷却箱与气冷却箱之间的隔层采用普通不锈钢板；脉动热管中工质为水；为了提高相变蓄热储能的效率，相变蓄热区采用加碳纳米管的石蜡材料作为相变蓄热材料。

本发明的积极效果是：本发明采用加装一个基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的脉动热管相变蓄热器，同时改变冷却系统和进排气系统的工质流动路线和换热方式，使冷却系统和排气系统余热能被储存和利用，节约能源，保护环境；寒冷环境下发动机经过预热再起动不仅能节约燃料、加快起动速度，还能减少发动机磨损、延长发动机寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明

图1是本发明所述发动机余热综合利用系统示意图

图2是本发明所述基于仿生均热板和脉动热管的相变蓄热器结构示意图

图3是本发明所述仿生均热板示意图

图4是本发明所述均热板仿生吸液芯剖视图

图1~图4中，1是发动机，2是排气歧管，3是进气歧管，4是催化转化器，5是排气系统三通阀，6是进气阀，7是脉动热管相变蓄热器，8是冷却系统三通阀，9是散热器，10是风扇Ⅰ，11是风扇Ⅱ，12是进气系统三通阀，13是空气流量计，14是空气滤清器，15是水泵，16是发动机缸体冷却水套，17是温度传感器，7-1是脉动热管相变蓄热器气冷却区进气口，7-2是脉动热管相变蓄热器气冷却箱，7-3是脉动热管相变蓄热器脉动热管，7-4是脉动热管相变蓄热器气冷却区出气口，7-5是脉动热管相变蓄热器水冷却箱与气冷却箱之间隔层，7-6是脉动热管相变蓄热器水冷却区出水口，7-7是脉动热管相变蓄热器水冷却箱，7-8是脉动热管相变蓄热器外壳，7-9是脉动热管相变蓄热器水冷却区进水口，7-10是脉动热管相变蓄热器相变蓄热箱与气预热箱之间隔层， 7-11是脉动热管相变蓄热器气预热箱，7-12是脉动热管相变蓄热器气预热区进气口，7-13是脉动热管相变蓄热器脉动热管抽液口，7-14是脉动热管相变蓄热器脉动热管注液口，7-15是脉动热管相变蓄热器气预热区出气口，7-16是相变蓄热箱，7-17是脉动热管相变蓄热器水冷却箱、气冷却箱和相变蓄热箱之间隔层，7-10-1是仿生均热板吸液芯冷凝区，7-10-2是仿生均热板吸液芯主运输通道，7-10-3是仿生均热板吸液芯微运输通道，7-10-4是仿生均热板吸液芯支撑柱，7-10-5是仿生均热板外壳。

具体实施方式

如图1所示，基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，其特征在于由发动机1、冷却系统、进气系统和排气系统组成；冷却系统由发动机缸体冷却水套16、温度传感器17、水泵15、风扇Ⅰ10、风扇Ⅱ11、散热器9、脉动热管相变蓄热器7、冷却系统三通阀8组成，进气系统由空气滤清器14、空气流量计13、进气歧管3、进气系统三通阀12、进气阀6和气缸组成；排气系统由排气歧管2、排气软管、催化转化器4和排气系统三通阀5组成。

在寒冷环境中，发动机1运行过程中的热水从缸体冷却水套16流出，温度传感器17监控水温，冷却系统三通阀8打开b、c通路，热水从脉动热管相变蓄热器水冷却区进水口7-9进入脉动热管相变蓄热器水冷却箱7-7，水冷却箱内的脉动热管7-3及水冷却箱壁和热水进行热量交换，水冷却箱内的脉动热管7-3以及水冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层7-17将水中的热量传入到脉动热管相变蓄热器7中部的相变蓄热区，相变蓄热箱7-16内的相变蓄热材料融化吸热将热量储存起来，冷却后的水从水冷却区出水口7-6流出，再经过水泵15增压后，重新进入发动机缸体冷却水套16中，水冷却循环完成。同时，排气系统三通阀5打开g、h通路，发动机1运行产生的废气从排气歧管2排出后从脉动热管相变蓄热器气冷却区进气口7-1通入到脉动热管相变蓄热器气冷却箱7-2中，气冷却箱7-2内的脉动热管7-3及气冷却箱壁和废气进行热量交换，气冷却箱内的脉动热管7-3以及气冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层7-17将热量同样传入到相变蓄热区储存后，废气从气冷却区出气口7-4经催化转化器4在尾管排出。脉动热管相变蓄热器7运行同时风扇Ⅱ11对脉动热管相变蓄热器外壳7-8进行降温，脉动热管相变蓄热器外壳7-8与外界换热，而当温度传感器17检测到冷却系统过热时，冷却系统三通阀8打开a、b、c通路，热水在散热器9和脉动热管相变蓄热器7中并联进行散热，将循环中没被相变蓄热区吸收的余热及时排出，避免发动机过热影响正常工作。

发动机1在寒冷环境起动前，进气系统三通阀12打开d、e通路，冷空气经空气滤清器14、空气流量计13后，从脉动热管相变蓄热器气预热区进气口7-12通入，气预热箱内的脉动热管7-3以及相变蓄热箱与气预热箱之间的隔层7-10将相变蓄热区中相变蓄热材料凝固放出的热量传递到冷空气中对冷空气进行预热，预热后的空气从脉动热管相变蓄热器气预热区出气口7-15经由进气道进入进气歧管3，与喷油嘴喷出的汽油混合后形成适当比例的油气，由进气门送入气缸内点火燃烧，产生动力，预热后的空气使发动机在寒冷环境中仍能顺利起动。

在其他季节，发动机1起动前不需要进行预热，冷却系统三通阀8打开a、b通路，热水流经散热器9进行散热，由水泵15增压后进入发动机缸体冷却水套16中完成冷却循环。同时，进气系统三通阀12打开f、e通路，排气系统三通阀5打开h、i通路，完成进排气过程。

如图2所示，所述脉动热管相变蓄热器7基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热的技术，该装置主要由脉动热管相变蓄热器外壳7-8、水冷却区、气冷却区、相变蓄热区、脉动热管和气预热区组成；水冷却区由水冷却箱7-7和脉动热管7-3在水冷却箱7-7内的弯管及直管部分组成，气冷却区由气冷却箱7-2和脉动热管7-3在气冷却箱7-2内的弯管及直管部分组成，相变蓄热区由相变蓄热箱7-16和脉动热管7-3在相变蓄热箱7-16内的直管部分组成，气预热区由气预热箱7-11和脉动热管7-3在气预热箱内的弯管及直管部分组成；水冷却区、气冷却区、相变蓄热区和气预热区彼此隔离，通过脉动热管7-3贯穿连接；为了提高散热效率，加快散热速度，并使热量更均匀的传导，避免局部过热，该装置水冷却箱、气冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层7-17和相变蓄热箱与气预热箱之间的隔层7-10均采用仿树叶叶脉的仿生均热板结构；脉动热管相变蓄热器外壳7-8以及水冷却箱与气冷却箱之间的隔层7-5采用普通不锈钢板。

如图3、图4所示，所述仿生均热板的吸液芯采用仿树叶叶脉的发散结构，冷凝区7-10-1中有纯水为工作介质，冷凝区7-10-1受热后，水迅速吸热沸腾气化，水蒸气由主运输通道7-10-2和微运输通道7-10-3迅速扩散到整个均热板腔体中，水蒸气接触到温度较低的区域时会凝结放热液化，又经主运输通道7-10-2和微运输通道7-10-3流回冷凝区7-10-1，完成循环。仿树叶叶脉的发散结构具有较短的运输路径，能较快地将工作介质运输到整个均热板内腔，使热量快速均匀分布，提高传热效率。由此，当待冷却热水和待预热冷空气开始接触仿生均热板隔层时，热量并不是均匀分布，仿生均热板结构能加快热量均匀扩散的速度，提高散热效率，避免局部过热。

所述脉动热管7-3中工质为水。

所述相变蓄热箱7-16采用加碳纳米管的石蜡材料作为相变蓄热材料，显著提高相变蓄热储能的效率。

结合图1-图4，基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统整车装配后，车内将安装一个储热开关和预热开关，储热开关控制冷却系统三通阀8和排气系统三通阀5，预热开关控制进气系统三通阀12。寒冷季节，司机在驾驶时将储热开关打开，冷却系统三通阀8将打开b、c通路，排气系统三通阀5将打开g、h通路，热水和废气通过脉动热管相变蓄热器7，余热传入相变蓄热区储存起来；司机在下次驾驶前将预热开关打开，进气系统三通阀12打开d、e通路，冷空气经空气滤清器14、空气流量计13后，进入脉动热管相变蓄热器气预热区进行预热，预热后的空气从脉动热管相变蓄热器气预热区出气口7-15经由进气道进入进气歧管3，由进气门送入气缸内点火燃烧。

在其他季节，司机将储热开关和预热开关关闭，冷却系统三通阀8打开a、b通路，热水流经散热器9进行散热，由水泵15增压后进入发动机缸体冷却水套16中完成冷却循环。同时，进气系统三通阀12打开f、e通路，排气系统三通阀5打开h、i通路，完成进排气过程。

Claims (7)

1.基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，其特征在于：由发动机（1）、冷却系统、进气系统和排气系统组成；冷却系统由发动机缸体冷却水套（16）、温度传感器（17）、水泵（15）、风扇Ⅰ（10）、风扇Ⅱ（11）、散热器（9）、脉动热管相变蓄热器（7）、冷却系统三通阀（8）组成，所述脉动热管相变蓄热器基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术；进气系统由空气滤清器（14）、空气流量计（13）、进气歧管（3）、进气系统三通阀（12）、进气阀（6）和气缸组成；排气系统由排气歧管（2）、排气软管、催化转化器（4）和排气系统三通阀（5）组成；在寒冷环境中，发动机（1）运行过程中的热水从缸体冷却水套（16）流出，温度传感器（17）监控水温，冷却系统三通阀（8）打开b、c通路，热水从脉动热管相变蓄热器水冷却区进水口（7-9）进入脉动热管相变蓄热器水冷却箱（7-7），水冷却箱内的脉动热管（7-3）及水冷却箱壁和热水进行热量交换，水冷却箱内的脉动热管（7-3）以及水冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层（7-17）将水中的热量传入到脉动热管相变蓄热器（7）中部的相变蓄热区，相变蓄热箱（7-16）内的相变蓄热材料融化吸热将热量储存起来，冷却后的水从水冷却区出水口（7-6）流出，再经过水泵（15）增压后，重新进入发动机缸体冷却水套（16）中，水冷却循环完成；同时，排气系统三通阀（5）打开g、h通路，发动机（1）运行产生的废气从排气歧管（2）排出后从脉动热管相变蓄热器气冷却区进气口（7-1）通入到脉动热管相变蓄热器气冷却箱（7-2）中，气冷却箱（7-2）内的脉动热管（7-3）及气冷却箱壁和废气进行热量交换，气冷却箱内的脉动热管（7-3）以及气冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层（7-17）将热量同样传入到相变蓄热区储存后，废气从气冷却区出气口（7-4）经催化转化器（4）在尾管排出；脉动热管相变蓄热器（7）运行同时风扇Ⅱ（11）对脉动热管相变蓄热器外壳（7-8）进行降温，脉动热管相变蓄热器外壳（7-8）与外界换热，将循环中没被相变蓄热区吸收的余热及时排出，避免发动机过热影响正常工作；发动机（1）在寒冷环境起动前，进气系统三通阀（12）打开d、e通路，冷空气经空气滤清器（14）、空气流量计（13）后，从脉动热管相变蓄热器气预热区进气口（7-12）通入，气预热箱内的脉动热管（7-3）以及相变蓄热箱与气预热箱之间的隔层（7-10）将相变蓄热区中相变蓄热材料凝固放出的热量传递到冷空气中对冷空气进行预热，预热后的空气从脉动热管相变蓄热器气预热区出气口（7-15）经由进气道进入进气歧管（3），与喷油嘴喷出的汽油混合后形成适当比例的油气，由进气门送入气缸内点火燃烧，产生动力，预热后的空气使发动机在寒冷环境中仍能顺利起动；在其他季节，发动机（1）起动前不需要进行预热，冷却系统三通阀（8）打开a、b通路，热水流经散热器（9）进行散热，由水泵（15）增压后进入发动机缸体冷却水套（16）中完成冷却循环。

2.根据权利要求1所述的基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，其特征在于脉动热管相变蓄热器由脉动热管相变蓄热器外壳（7-8）、水冷却区、气冷却区、相变蓄热区、脉动热管和气预热区组成；水冷却区由水冷却箱（7-7）和脉动热管（7-3）在水冷却箱（7-7）内的弯管及直管部分组成，气冷却区由气冷却箱（7-2）和脉动热管（7-3）在气冷却箱（7-2）内的弯管及直管部分组成，相变蓄热区由相变蓄热箱（7-16）和脉动热管（7-3）在相变蓄热箱（7-16）内的直管部分组成，气预热区由气预热箱（7-11）和脉动热管（7-3）在气预热箱内的弯管及直管部分组成。

3.根据权利要求2所述的基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，其特征在于水冷却箱、气冷却箱与相变蓄热箱之间的隔层（7-17）和相变蓄热箱与气预热箱之间的隔层（7-10）均采用仿生均热板，而脉动热管相变蓄热器外壳（7-8）以及水冷却箱与气冷却箱之间的隔层（7-5）采用普通不锈钢板。

4.根据权利要求2所述的基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，其特征在于脉动热管抽真空充液，工质为水，且脉动热管设置有注液口和抽液口，方便对脉动热管中的工质进行填充和更换。

5.根据权利要求2所述的基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，其特征在于相变蓄热箱采用加碳纳米管的石蜡材料作为相变蓄热材料，显著提高脉动热管相变蓄热器相变蓄热储能的效率。

6.根据权利要求2所述的基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，其特征在于水冷却区、气冷却区、相变蓄热区和气预热区之间相互分隔，水冷却区、相变蓄热区和气预热区通过脉动热管贯穿连接，气冷却区、相变蓄热区和气预热区通过脉动热管贯穿连接。

7.根据权利要求3所述的基于仿生均热板和脉动热管相变蓄热技术的发动机余热利用系统，其特征在于仿生均热板内吸液芯采用仿树叶叶脉的发散结构，冷凝区（7-10-1）中有纯水为工作介质，冷凝区（7-10-1）受热后，水迅速吸热沸腾气化，水蒸气由主运输通道（7-10-2）和微运输通道（7-10-3）迅速扩散到整个均热板腔体中，水蒸气接触到温度较低的区域时会凝结放热液化，又经主运输通道（7-10-2）和微运输通道（7-10-3）流回冷凝区（7-10-1），完成循环；仿树叶叶脉的发散结构具有较短的运输路径，能较快地将工作介质运输到整个均热板内腔，使热量快速均匀分布，提高传热效率；当待冷却热水和待预热冷空气开始接触仿生均热板隔层时，热量并不是均匀分布，仿生均热板能加快热量均匀的速度，提高散热效率，避免局部过热；仿生均热板外壳采用无氧铜材料，仿生均热板的工作介质为纯水。

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