CN109057926B - 发动机余热回收设备和发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发动机余热回收设备和发动机，发动机余热回收设备，包括排气管；多个热量转换筒，其具有热量转换腔；多个安装轴，热量转换筒与安装轴中的一者固定不动，另一者形成可旋转的主动件；一一对应地设置在热量转换腔内并能够热胀冷缩的多个涡旋弹簧；依次向各个热量转换腔内通入尾气的尾气分流装置；动力输出装置；用于将涡旋弹簧伸长一端的动力传递给动力输出装置的传动装置。本发明利用涡旋弹簧吸收热量后膨胀伸长，转化为动力输出，实现将废气余热转换为动力输出，其由简单的机械零部件构成，简化了结构，降低了成本；同时涡旋弹簧不受热后能够较快地收缩回初始位置，减小了热惯性，能够适用于频繁的启停与废气能量的瞬态变化。

Description

发动机余热回收设备和发动机
本申请要求于2018年06月29日提交中国专利局，申请号为201810695148.X、发明名称为“发动机余热回收设备和发动机”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及发动机废气能量回收技术领域，更具体地说，涉及一种发动机余热回收设备，本发明还涉及一种发动机。
背景技术
近年来，能源紧缺问题成为了制约社会发展的焦点问题。而我国作为能源消费大国，能源利用率远低于世界先进水平。内燃机作为一种重要的能量转换装置，其转换效率较低，大部分能量以热量的形式散失掉，其中尾气携带了大量能量，具有回收价值。
目前，主要采用诸如有机朗肯循环、动力涡轮等常用的余热回收装置，但是，上述结构复杂程度较高、成本较高。而且系统的热惯性过大使其在工况变化剧烈的车用余热利用方面受到限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种发动机余热回收设备，以简化结构，降低成本，同时减小热惯性，适用于频繁的启停与废气能量的瞬态变化。
本发明的另一目的在于提供一种包括上述发动机余热回收设备的发动机。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种发动机余热回收设备，包括：
具有尾气进口的排气管；
设置在所述排气管内的多个热量转换筒，所述热量转换筒具有热量转换腔；
多个安装轴，所述安装轴一一对应地设置在所述热量转换腔内，所述热量转换筒与所述安装轴中的一者固定不动，另一者形成可旋转的主动件；
一一对应地设置在所述热量转换腔内并能够热胀冷缩的多个涡旋弹簧，所述涡旋弹簧的外端固定在所述热量转换筒的内壁上，内端固定在所述安装轴上，受热后所述涡旋弹簧与所述主动件固定的一端伸长；
能够沿所述涡旋弹簧可伸长的一端的动力叠加的方向，依次向各个热量转换腔内通入尾气的尾气分流装置；
用于将余热转换的动力输出的动力输出装置；
用于将所述涡旋弹簧伸长一端的动力传递给所述动力输出装置的传动装置，当受热后所述涡旋弹簧的一端伸长时，所述传动装置传动；当所述涡旋弹簧伸长的一端回缩时，所述传动装置停止传动。
优选的，上述发动机余热回收设备中，所述热量转换筒固定在所述排气管内，所述安装轴可旋转地设置在所述热量转换腔内，所述涡旋弹簧的内端可伸缩。
优选的，上述发动机余热回收设备中，所述热量转换筒与所述排气管为一体式结构。
优选的，上述发动机余热回收设备中，所述传动装置包括：
一一对应地与所述安装轴固定连接的多个主动齿轮；
能够与多个所述主动齿轮分别啮合的一个从动齿轮，所述主动齿轮沿所述从动齿轮的圆周方向均匀分布；
其中，沿着所述主动齿轮驱动所述从动齿轮的旋转方向，当其中一个所述主动齿轮继续旋转不再与所述从动齿轮啮合，则所述从动齿轮与下一个所述主动齿轮啮合，以实现动力的叠加输出；上一个所述主动齿轮不再有高温废气流过对应的所述涡旋弹簧，所述涡旋弹簧的内端收缩恢复其初始位置，为下一次热量转化做准备。
优选的，上述发动机余热回收设备中，所述动力输出装置包括：
动力输出轴，所述从动齿轮固定设置在所述动力输出轴上，所述动力输出轴的输出端穿过所述排气管并与外部耗功装置相连。
优选的，上述发动机余热回收设备中，所述尾气分流装置包括：
与所述动力输出轴固定连接的尾气分流盘；
设置在所述尾气分流盘上的一个尾气分流通道，随着所述动力输出轴的旋转，所述尾气分流盘带动所述尾气分流通道依次向所述热量转换腔内通入尾气。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的发动机余热回收设备包括排气管、多个热量转换筒、多个安装轴、多个涡旋弹簧、尾气分流装置、动力输出装置和传动装置，其中，排气管具有尾气进口；热量转换筒设置在排气管内，具有热量转换腔；安装轴一一对应地设置在热量转换腔内，热量转换筒与安装轴中的一者固定不动，另一者形成可旋转的主动件；涡旋弹簧一一对应地设置在热量转换腔内并能够热胀冷缩，涡旋弹簧的外端固定在热量转换筒的内壁上，内端固定在安装轴上，受热后涡旋弹簧与主动件固定的一端伸长；尾气分流装置能够沿涡旋弹簧可伸长的一端的动力叠加的方向，依次向各个热量转换腔内通入尾气；动力输出装置用于将余热转换的动力输出；传动装置用于将涡旋弹簧伸长一端的动力传递给动力输出装置，当受热后涡旋弹簧的一端伸长时，传动装置传动；当涡旋弹簧伸长的一端回缩时，传动装置停止传动。
应用时，从尾气进口向排气管内通入高温废气，高温废气在尾气分流装置的作用下，沿涡旋弹簧可伸长一端的动力叠加的方向，依次导入各个热量转换腔内；导入高温废气的热量转换筒内的涡旋弹簧与主动件固定的一端，吸收热量后膨胀伸长，带动热量转换筒与安装轴中的主动件旋转；接着通过传动装置将用于将该主动件的旋转动力传递给动力输出装置，传动装置能够依次将各个热量转换腔内余热转换的旋转动力叠加，最后由动力输出装置传递出去。当热量转换腔不再有高温废气导入时，其对应的涡旋弹簧伸长的一端收缩恢复其初始位置，为下一次做功做准备。
综上所述，本发明的发动机余热回收设备利用涡旋弹簧吸收热量后膨胀伸长，转化为动力输出，实现将废气余热转换为动力输出，其由简单的机械零部件构成，简化了结构，降低了成本；同时涡旋弹簧不受热后能够较快地收缩回初始位置，减小了热惯性，能够适用于频繁的启停与废气能量的瞬态变化，而且对发动机性能与排气背压的影响较小。
再者，本发明可高效地回收废气的部分能量并转化成动力输出进行利用，有效地降低发动机油耗，节能环保，大大提高发动机产品的竞争力。该装置改造简便，可与传统能量回收装置串联使用，成本低易于推广。
本发明还提供了一种发动机，包括发动机本体，还包括与所述发动机本体的尾气排出口连接的发动机余热回收设备，所述发动机余热回收设备为上述任一种发动机余热回收设备，由于上述发动机余热回收设备具有上述效果，具有上述发动机余热回收设备的发动机具有同样的效果，故本文不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的发动机余热回收设备的结构示意图；
图2是图1中的A向视图；
图3是沿图1中B-B线的剖视图；
图4是图1中的C向视图。
上图1-4中：
1-动力输出轴、2-排气管、3-主动齿轮、4-从动齿轮、5-涡旋弹簧、6-安装轴、7-尾气分流盘、8-尾气分流通道、9-热量转换筒。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种发动机余热回收设备，简化了结构，降低了成本，同时减小了热惯性，适用于频繁的启停与废气能量的瞬态变化。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考附图1-4，本发明实施例提供的发动机余热回收设备包括排气管2、多个热量转换筒9、多个安装轴6、多个涡旋弹簧5、尾气分流装置、动力输出装置和传动装置，其中，排气管2具有尾气进口；热量转换筒9设置在排气管2内，具有热量转换腔；安装轴6一一对应地设置在热量转换腔内，热量转换筒9与安装轴6中的一者固定不动，另一者形成可旋转的主动件；涡旋弹簧5一一对应地设置在热量转换腔内并能够热胀冷缩，涡旋弹簧5的外端固定在热量转换筒9的内壁上，内端固定在安装轴6上(即涡旋弹簧5的内圈与安装轴6相连，涡旋弹簧5的外圈固定在热量转换筒9内侧)，受热后涡旋弹簧5与主动件固定的一端伸长；尾气分流装置能够沿涡旋弹簧5可伸长的一端的动力叠加的方向，依次向各个热量转换腔内通入尾气；动力输出装置用于将余热转换的动力输出；传动装置用于将涡旋弹簧5伸长一端的动力传递给动力输出装置，当受热后涡旋弹簧5的一端伸长时，传动装置传动；当涡旋弹簧5伸长的一端回缩时，传动装置停止传动。
应用时，从尾气进口向排气管2内通入高温废气，高温废气在尾气分流装置的作用下，沿涡旋弹簧5可伸长一端的动力叠加的方向，依次导入各个热量转换腔内；导入高温废气的热量转换筒9内的涡旋弹簧5与主动件固定的一端，吸收热量后膨胀伸长，带动热量转换筒9与安装轴6中的主动件旋转；接着通过传动装置将用于将该主动件的旋转动力传递给动力输出装置，传动装置能够依次将各个热量转换腔内余热转换的旋转动力叠加，最后由动力输出装置传递出去。当热量转换腔不再有高温废气导入时，其对应的涡旋弹簧5伸长的一端收缩恢复其初始位置，为下一次做功做准备。
综上所述，本发明的发动机余热回收设备利用涡旋弹簧5吸收热量后膨胀伸长，转化为动力输出，实现将废气余热转换为动力输出，其由简单的机械零部件构成，简化了结构，降低了成本；同时涡旋弹簧5不受热后能够较快地收缩回初始位置，减小了热惯性，能够适用于频繁的启停与废气能量的瞬态变化，而且对发动机性能与排气背压的影响较小。
再者，本发明可高效地回收废气的部分能量并转化成动力输出进行利用，有效地降低发动机油耗，节能环保，大大提高发动机产品的竞争力。该装置改造简便，可与传统能量回收装置串联使用，成本低易于推广。
优选的，热量转换筒9固定在排气管2内，安装轴6可旋转地设置在热量转换腔内，涡旋弹簧5的内端可伸缩。本实施例中，热量转换筒9固定不动，安装轴6形成可旋转的主动件；当涡旋弹簧5受热膨胀后，由于外端固定不动，内端发生伸长，带动安装轴6旋转，从而形成动力输出。本发明通过安装轴6形成动力输出，便于与传动装置连接，结构比较简单。
本发明也可以使安装轴6固定不动，热量转换筒9形成可旋转的主动件，当涡旋弹簧5受热膨胀后，由于内端固定不动，外端发生伸长，带动热量转换筒9旋转，以实现同样的形成动力输出的效果，本发明在此不做具体限定。
为了进一步简化结构，热量转换筒9与排气管2为一体式结构。本发明可以使热量转换筒9与排气管2一体成型，两者的固定强度较好。当然，热量转换筒9与排气管2还可以为分体式结构，通过螺纹件或者焊接将热量转换筒9固定在排气管2内。
如图2所示，传动装置包括一一对应地与安装轴6固定连接的多个主动齿轮3；能够与多个主动齿轮3分别啮合的一个从动齿轮4，主动齿轮3沿从动齿轮4的圆周方向均匀分布；其中，沿着主动齿轮3驱动从动齿轮4的旋转方向，当其中一个主动齿轮3继续旋转不再与从动齿轮4啮合，则从动齿轮4与下一个主动齿轮3啮合，以实现动力的叠加输出；上一个主动齿轮3不再有高温废气流过对应的涡旋弹簧5，涡旋弹簧5的内端收缩恢复其初始位置，为下一次热量转化做准备。
本实施例中，安装轴6形成主动齿轮轴，与主动齿轮3固连，多个主动齿轮3与从动齿轮4相啮合，利用涡旋弹簧5吸收热量后膨胀伸长，带动齿轮轴旋转输出动力。当其中一个主动齿轮3继续旋转不再与从动齿轮4啮合，则从动齿轮4与下一个主动齿轮3啮合并输出功率，上一个主动齿轮3不再有高温废气流过对应的涡旋弹簧5、从而得以收缩恢复其初始位置，为下一次做准备。
各主动齿轮3之间通过尾气分流装置的废气导入相应的涡旋弹簧5中实现相互配合，实现了从动齿轮4连续旋转，每完成一个圆周方向的高温废气导入，形成一个圆周方向的连续旋转，能够实现连续的圆周运动；保证了功率的连续输出，功能灵活、实现简单。
本发明利用多个主动齿轮3和一个从动齿轮4构成传动装置，结构简单，传动可靠性较高。可以理解的是，上述传动装置还可以为其他结构，如蜗轮蜗杆机构等，以达到同样的将涡旋弹簧5伸长一端的动力传递给动力输出装置的效果，本发明不再一一赘述。
为了简化结构，动力输出装置包括动力输出轴1，从动齿轮4固定设置在动力输出轴1上，动力输出轴1的输出端(具体为远离排气管2的尾气进口的一端)穿过排气管2并与外部耗功装置相连。如图1所示，动力输出轴1的中部与从动齿轮4固连，本发明通过动力输出轴1将从动齿轮4的旋转动力输出。当然，本发明还可以通过蜗轮蜗杆机构，实现直线动力的输出。
具体的实施方式中，尾气分流装置包括与动力输出轴1固定连接的尾气分流盘7；设置在尾气分流盘7上的一个尾气分流通道8，随着动力输出轴1的旋转，尾气分流盘7带动尾气分流通道8依次向热量转换腔内通入尾气。
如图1和图4所示，动力输出轴1的端部与尾气分流盘7固连，高温废气通过尾气分流盘7导入相应的热量转换筒9中，涡旋弹簧5吸收热量后膨胀伸长，最终涡旋弹簧5带动主动齿轮3旋转。主动齿轮3带动从动齿轮4旋转，将动力通过输出轴传递出去。
由于动力输出轴1与尾气分流盘7的联动性，通过尾气分流通道8可以很准确地将废气导入到相应的涡旋弹簧5内，利用弹簧的伸长来驱动对应的主动齿轮3旋转。
上述尾气分流装置进一步简化了结构，可以理解的是，上述尾气分流装置还可以为其他结构，如包括与热量转换腔一一对应设置的多个分流通道，并在分流通道内设置控制阀，通过控制各个控制阀依次打开各个涡旋弹簧5腔，以实现同样的沿涡旋弹簧5可伸长的一端的动力叠加的方向，依次向各个热量转换腔内通入尾气的效果，本发明不再一一赘述。
本发明实施例提供的发动机余热回收设备的工作过程如下：
发动机在排气管2流过的高温废气，通过尾气分流盘7上的尾气分流通道8被导入相应的热量转换筒9中，涡旋弹簧5吸收热量后膨胀伸长，由于涡旋弹簧5的外圈固连于热量转换筒9并且不可移动，最终伸长的涡旋弹簧5将带动主动齿轮轴(即安装轴6)旋转，进而带动主动齿轮3旋转；主动齿轮3旋转到适当位置时将带动从动齿轮4旋转并由动力输出轴1将功量传递出去，从动齿轮4依次与各主动齿轮3啮合，进而保证了动力的连续输出。当主动齿轮3继续旋转将不再与从动齿轮4啮合，从动齿轮4将与下一个主动齿轮3啮合并输出动力，上一个主动齿轮3由于不再有高温废气流过，其对应的涡旋弹簧5而得以收缩恢复其初始位置，为下一次做功做准备。
本发明实施例还提供了一种发动机，包括发动机本体，还包括与发动机本体的尾气排出口连接的发动机余热回收设备，该发动机余热回收设备为上述任一项实施例提供的发动机余热回收设备，简化了结构，降低了成本，同时减小了热惯性，适用于频繁的启停与废气能量的瞬态变化，其优点是由发动机余热回收设备带来的，具体的请参考上述实施例中相关的部分，在此就不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种发动机余热回收设备，其特征在于，包括：
具有尾气进口的排气管(2)；
设置在所述排气管(2)内的多个热量转换筒(9)，所述热量转换筒(9)具有热量转换腔；
多个安装轴(6)，所述安装轴(6)一一对应地设置在所述热量转换腔内，所述热量转换筒(9)与所述安装轴(6)中的一者固定不动，另一者形成可旋转的主动件；
一一对应地设置在所述热量转换腔内并能够热胀冷缩的多个涡旋弹簧(5)，所述涡旋弹簧(5)的外端固定在所述热量转换筒(9)的内壁上，内端固定在所述安装轴(6)上，受热后所述涡旋弹簧(5)与所述主动件固定的一端伸长；
能够沿所述涡旋弹簧(5)可伸长的一端的动力叠加的方向，依次向各个热量转换腔内通入尾气的尾气分流装置；
用于将余热转换的动力输出的动力输出装置；
用于将所述涡旋弹簧(5)伸长一端的动力传递给所述动力输出装置的传动装置，当受热后所述涡旋弹簧(5)的一端伸长时，所述传动装置传动；当所述涡旋弹簧(5)伸长的一端回缩时，所述传动装置停止传动。
2.根据权利要求1所述的发动机余热回收设备，其特征在于，所述热量转换筒(9)固定在所述排气管(2)内，所述安装轴(6)可旋转地设置在所述热量转换腔内，所述涡旋弹簧(5)的内端可伸缩。
3.根据权利要求2所述的发动机余热回收设备，其特征在于，所述热量转换筒(9)与所述排气管(2)为一体式结构。
4.根据权利要求2所述的发动机余热回收设备，其特征在于，所述传动装置包括：
一一对应地与所述安装轴(6)固定连接的多个主动齿轮(3)；
能够与多个所述主动齿轮(3)分别啮合的一个从动齿轮(4)，所述主动齿轮(3)沿所述从动齿轮(4)的圆周方向均匀分布；
其中，沿着所述主动齿轮(3)驱动所述从动齿轮(4)的旋转方向，当其中一个所述主动齿轮(3)继续旋转不再与所述从动齿轮(4)啮合，则所述从动齿轮(4)与下一个所述主动齿轮(3)啮合，以实现动力的叠加输出；上一个所述主动齿轮(3)不再有高温废气流过对应的所述涡旋弹簧(5)，所述涡旋弹簧(5)的内端收缩恢复其初始位置，为下一次热量转化做准备。
5.根据权利要求4所述的发动机余热回收设备，其特征在于，所述动力输出装置包括：
动力输出轴(1)，所述从动齿轮(4)固定设置在所述动力输出轴(1)上，所述动力输出轴(1)的输出端穿过所述排气管(2)并与外部耗功装置相连。
6.根据权利要求5所述的发动机余热回收设备，其特征在于，所述尾气分流装置包括：
与所述动力输出轴(1)固定连接的尾气分流盘(7)；
设置在所述尾气分流盘(7)上的一个尾气分流通道(8)，随着所述动力输出轴(1)的旋转，所述尾气分流盘(7)带动所述尾气分流通道(8)依次向所述热量转换腔内通入尾气。
7.一种发动机，包括发动机本体，其特征在于，还包括与所述发动机本体的尾气排出口连接的发动机余热回收设备，所述发动机余热回收设备为如权利要求1-6任一项所述的发动机余热回收设备。
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