CN116792185A - 一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，该装置包括阶梯活塞脉管发动机，阶梯活塞脉管发动机与汽车尾气管道连接，用于与汽车尾气换热，吸收汽车尾气中的余热，并产生功。本发明可以回收汽车尾气废热，本发明提供的汽车废热回收装置仅有一个运动部件，在高温端无运动部件，无高精度配合要求，机械加工难度低，提高系统可靠性和加工制造的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车尾气余热回收利用技术领域，尤其是涉及一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置。
背景技术
目前，汽车内燃机释放的能量仅有效利用了45％，大部分能量与汽车尾气一起释放到大气中。如何利用这部分余热是节约能源、减少排放的重要途径。
然而，汽车废热品位低、空间和质量要求严格、车辆运行状况多变、成本控制严格等众多困难使得真正能够投入市场的汽车废热回收装置难以实现，导致现在的汽车余热回收装置几乎都停留在理论或实验室阶段，且存在着各自的缺点：半导体温差发电热电转换效率较低，长期运行的可靠性较差，需要经常维护；废气涡轮增压对汽车尾气排放有着巨大影响，容易导致废气过量；有机朗肯循环结构复杂，尺寸巨大且难以小型化，不适用于汽车废热回收；斯特林发动机加工精度要求高，装配困难，运动复杂，成本高昂；推移活塞脉管发动机同时存在两个运动部件，且两个运动部件之间的调整较为困难。
发明内容
基于现在的汽车余热回收装置几乎都存在着不同缺点的现状，本发明提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置。
本发明提供的基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，可以回收汽车尾气废热，并再次为汽车提供动力，实现汽车内部节能减排的正向循环，本发明提供的基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置仅有一个运动部件，在高温端无运动部件，无高精度配合要求，机械加工难度低，提高系统可靠性和加工制造的可行性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，该装置包括由阶梯活塞膨胀机、脉管发动机热头、惯性管组成的阶梯活塞脉管发动机。阶梯活塞脉管发动机的一端与汽车尾气管道连接，用于与汽车尾气换热，吸收汽车尾气的热量并产生功以供利用。
在本发明的一个实施方式中，所述的阶梯活塞脉管发动机为采用直线电机的阶梯活塞脉管发动机，阶梯活塞脉管发动机与汽车尾气管道连接，吸收汽车尾气的热量，通过直线电机产生电能。
在本发明的一个实施方式中，所述的采用直线电机的阶梯活塞脉管发动机后连接整流器及蓄电池，其中，直线电机与整流器相连，整流器与蓄电池相连，直线电机产生的电能经过整流器后储存在蓄电池中。
在本发明的一个实施方式中，所述的阶梯活塞脉管发动机为采用曲柄连杆机构的阶梯活塞脉管发动机，其中阶梯活塞脉管发动机的一端与汽车尾气管道连接，用于与汽车尾气换热，吸收汽车尾气的热量并产生膨胀功，阶梯活塞脉管发动机另一端采用曲柄连杆机构，曲柄连杆机构用于将阶梯活塞脉管发动机输出的膨胀功转化为轴功，为汽车的主发动机提供额外轴功，或带动汽车空调使用。
在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机包括阶梯气缸和阶梯活塞，阶梯活塞与阶梯气缸形成阶梯活塞膨胀机膨胀腔和阶梯活塞膨胀机压缩腔，由于阶梯活塞膨胀机膨胀腔的容积和阶梯活塞压缩机压缩腔的容积都由阶梯活塞控制，因此，在运行过程中，阶梯活塞膨胀机膨胀腔和阶梯活塞膨胀机压缩腔的容积变化同相，即容积同时增大或同时缩小。由于阶梯活塞膨胀机膨胀腔内的压力波与阶梯活塞膨胀机压缩腔内的压力波几乎反向，因此，阶梯活塞膨胀机可同时进行压缩过程和膨胀过程，阶梯活塞膨胀机膨胀腔输出的膨胀功大于阶梯活塞膨胀机压缩腔输入的压缩功，使阶梯活塞膨胀机对外做功。
在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机采用直线电机回收膨胀功，所述直线电机为动磁式直线电机、动圈式直线电机或动铁式直线电机。
可选地，所述的阶梯活塞膨胀机采用曲柄连杆机构回收膨胀功。曲柄连杆机构连接阶梯活塞，将阶梯活塞输出的膨胀功转化为轴功，为汽车的主发动机提供额外轴功，或带动汽车空调使用。
在本发明的一个实施方式中，所述直线电机采用动磁式直线电机，所述动磁式直线电机包括永磁铁、线圈、外铁芯和内铁芯，其中，外铁芯位于内铁芯外侧，永磁铁位于外铁芯和内铁芯之间，永磁铁与阶梯活塞固连，同步运动，线圈切割磁感线，产生感应电流。
在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机采用柔性弹簧支撑，同时柔性弹簧起到调节阶梯活塞运动的作用。
在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机采用双头对置结构，有两组直线电机和两组阶梯活塞，各直线电机分别连接一个阶梯活塞，两组结构共用一个阶梯气缸，形成两个相连的阶梯活塞膨胀机压缩腔和两个相连的阶梯活塞膨胀机膨胀腔。
在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机采用双头对置结构，有两组曲柄连杆机构和两组阶梯活塞，各曲柄连杆机构分别连接一个阶梯活塞，两组结构共用一个阶梯气缸，形成两个相连的阶梯活塞膨胀机压缩腔和两个相连的阶梯活塞膨胀机膨胀腔。
在本发明的一个实施方式中，所述脉管发动机热头包括顺次连接的脉管、热头高温端换热器、回热器、热头室温端换热器，热头高温端换热器与汽车尾气管道连接；其中，热头室温端换热器与阶梯活塞膨胀机压缩腔相连，脉管室温端连接惯性管、气库，气库与阶梯活塞膨胀机膨胀腔相连。
通过惯性管的惯性作用和阻力作用，使惯性管两端的压力波产生近180°的反向，这使得阶梯活塞膨胀机膨胀腔内的压力波与阶梯活塞膨胀机压缩腔内的压力波几乎反向，令阶梯活塞同时进行压缩过程和膨胀过程。
在本发明的一个实施方式中，所述气库与阶梯活塞膨胀机膨胀腔整合为同一个腔体，变为具有较大死容积的阶梯活塞膨胀机膨胀腔。利用具有大死容积膨胀腔的阶梯活塞膨胀机可以省去气库，进一步简化结构。
在本发明的一个实施方式中，所述气库与阶梯活塞膨胀机压缩腔整合为同一个腔体，变为具有较大死容积的阶梯活塞膨胀机压缩腔。
在本发明的一个实施方式中，所述热头室温端换热器、惯性管通过冷端换热系统向环境散热，采用风冷冷却，或者采用水冷套结构。惯性管在高温下性能较差，因此需要对惯性管进行冷却。风冷冷却为惯性管直接与空气对流换热。套管结构为惯性管外再套上液体管路，使惯性管与冷却液体直接接触，对流换热。
在本发明的一个实施方式中，所述基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置与汽车排气管相对位置任意。
本发明中，阶梯活塞脉管发动机是阶梯活塞脉管制冷机的一种逆循环，阶梯活塞脉管发动机完成热向功的转换：热头高温端换热器通过热端换热系统从高温的汽车尾气中吸收热量，热头室温端换热器通过冷端换热系统向室温释放热量，惯性管使阶梯活塞膨胀机同相运动的阶梯活塞膨胀机膨胀腔和阶梯活塞膨胀机压缩腔内的压力波产生近180°的反向，使阶梯活塞膨胀机同时进行压缩过程和膨胀过程，当膨胀过程输出的功大于压缩过程输入的功时阶梯活塞膨胀机对外输出功。阶梯活塞脉管发动机产生功以供汽车使用，达到回收汽车尾气余热节能减排的目的。
本发明中，仅有一个运动部件，且运动部件处在室温，利用惯性管使压力波产生一个近180°的反向变化，令阶梯活塞膨胀机同时实现压缩和膨胀过程，因此，具有可靠性高、热效率高、加工成本低的特点。将阶梯活塞脉管发动机用于汽车尾气废热回收，利用汽车尾气废热转化为功，能有效提高汽车的能源利用率，且具有较高的可行性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益技术效果：
(1)基于本发明提供的装置，可以将低品味的车辆排气废热被直接转化为电能存储在蓄电池中以供汽车使用。基于本发明提供的装置，在减少汽车热污染的同时，热能被回收，再次为汽车提供能量，实现汽车减排的正循环。
(2)区别于常用的废热回收方式，本发明采用阶梯活塞膨胀机、脉管发动机热头、惯性管气库完成热能向电能的转换，仅有一个运动部件，且在高温端无运动部件，装配精度无要求，加工难度低，提高了系统可靠性和生产可行性，降低了生产成本。
附图说明
图1为实施例1基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置的结构示意图；
图2为实施例2基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置的结构示意图；
图3为实施例3基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置的结构示意图；
图4为实施例4基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置的结构示意图；
图5为实施例5基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置的结构示意图；
图6为实施例6基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置的结构示意图；
图7为实施例7基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置的结构示意图；
图中标号所示：阶梯活塞膨胀机1、阶梯气缸11、阶梯活塞12、柔性弹簧13、直线电机14、内铁芯141、永磁铁142、线圈143、外铁芯144、阶梯活塞膨胀机压缩腔101、阶梯活塞膨胀机膨胀腔102、脉管发动机热头2、脉管21、热头高温端换热器22、回热器23、热头室温端换热器24、惯性管31、气库32、整流器4、曲柄连杆机构5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车尾气废热回收装置，如图1所示，包括阶梯活塞脉管发动机、整流器4及蓄电池，其中阶梯活塞脉管发动机的一端与汽车尾气管道连接，用于与汽车尾气换热，吸收汽车尾气的热量并产生电能，阶梯活塞脉管发动机另一端连接整流器4，整流器4与蓄电池连接，整流器4用于将阶梯活塞脉管发动机产生的电能储存在蓄电池中。
本实施例中，所述的阶梯活塞脉管发动机包括阶梯活塞膨胀机1、脉管发动机热头2、惯性管31、气库32。
阶梯活塞膨胀机1包括阶梯气缸11、阶梯活塞12，阶梯活塞12与阶梯气缸11形成阶梯活塞膨胀机膨胀腔102和阶梯活塞膨胀机压缩腔101。阶梯活塞12的位移为周期性的正弦函数。由于阶梯活塞膨胀机膨胀腔102的容积和阶梯活塞压缩机压缩腔101的容积都由阶梯活塞12控制，因此，在运行过程中，阶梯活塞膨胀机膨胀腔102和阶梯活塞膨胀机压缩腔101的容积变化同相，即容积同时增大或同时缩小。由于阶梯活塞膨胀机膨胀腔102内的压力波与阶梯活塞膨胀机压缩腔101内的压力波几乎反向，因此，阶梯活塞膨胀机1可同时进行压缩过程和膨胀过程，阶梯活塞膨胀机膨胀腔102输出的膨胀功大于阶梯活塞膨胀机压缩腔101输入的压缩功，使阶梯活塞膨胀机对外做功。
阶梯活塞膨胀机1利用直线电机14进行声-电转换，该直线电机14采用动磁式直线电机，包括永磁铁142、线圈143、外铁芯144和内铁芯141，其中，外铁芯144位于内铁芯141外侧，永磁铁142位于外铁芯144和内铁芯141之间，永磁铁142与阶梯活塞12固连，同步运动，线圈143切割磁感线，产生感应电流，线圈143与整流器4相连，将产生的电能储存在蓄电池中。
本实施例中，阶梯活塞膨胀机1利用柔性弹簧13支承阶梯活塞12，同时柔性弹簧13起到调节阶梯活塞12运动的作用。
脉管发动机热头2包括顺次连接的脉管21、热头高温端换热器22、回热器23、热头室温端换热器24，热头高温端换热器22与汽车尾气管道连接。其中，热头室温端换热器24与阶梯活塞膨胀机压缩腔101相连，脉管21室温端连接惯性管31及气库32，气库32与阶梯活塞膨胀腔102相连。回热器23内填充回热填充材料，具有换热与储能的作用。回热器23的轴向导热较低，在运行稳定时，回热器23靠近热头室温端换热器24的一侧为室温，靠近热头高温端换热器22的一侧为高温，中间存在温度梯度。室温的工质气体从热头室温端换热器24经过回热器23中被加热为高温，即“冷吹期”，而温度较高的工质气体从热头高温端换热器22经过回热器23被冷却为室温，即“热吹期”，“冷吹期”与“热吹期”交替出现在回热器中，而回热器23储存“热吹期”的能量传递给“冷吹期”，起到回热作用。
通过惯性管31的惯性作用和阻力作用，使惯性管31两端的压力波产生近180°的反向，这使得阶梯活塞膨胀机膨胀腔102内的压力波与阶梯活塞膨胀机压缩腔101内的压力波几乎反向，令阶梯活塞12同时进行压缩过程和膨胀过程。惯性管31在高温下性能较差，因此需要对惯性管进行冷却。可采用风冷冷却或套管结构冷却。风冷冷却为惯性管直接与空气对流换热。套管结构为惯性管外再套上液体管路，使惯性管与冷却液体直接接触，对流换热。
阶梯活塞脉管发动机内充注着工质气体，气体在阶梯活塞膨胀机压缩腔101中被近似绝热压缩，进入热头室温端换热器24中被冷却至室温，经过回热器23，被加热至高温，在热头高温端换热器中吸热，在脉管21中膨胀，经过惯性管31后工质气体的压力波产生近180度的反向，在阶梯活塞膨胀机膨胀腔102中膨胀令阶梯活塞膨胀机1输出功。该运行流程本质上是气体在低温压缩放热、在高温膨胀吸热的热转换为功的过程。
阶梯活塞脉管发动机回收汽车尾气余热发出的电，经过整流器4被储存在蓄电池中，供汽车使用，达到回收汽车尾气余热再利用的目的。
实施例2
本实施例提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车尾气废热回收装置，如图2所示，与实施例1的不同在于，脉管21的室温端与阶梯活塞膨胀机膨胀腔102相连，回热器23室温端连接惯性管31、气库32，气库32与阶梯活塞膨胀机压缩腔101相连。
阶梯活塞脉管发动机内的工质气体，在阶梯活塞膨胀机压缩腔101中被压缩，经过惯性管31后压力波产生近180°的反向，经过回热器23被加热至高温，在热头高温端换热器中吸热，在脉管21中膨胀，在阶梯活塞膨胀机膨胀腔102中膨胀令阶梯活塞膨胀机1输出功。
实施例3
本实施例提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车尾气废热回收装置，如图3所示，与实施例1的不同在于，气库32与阶梯活塞膨胀机膨胀腔102整合为同一个腔体，变为具有大死容积的阶梯活塞膨胀机膨胀腔102。利用具有大死容积膨胀腔102的阶梯活塞膨胀机1可以省去气库32，进一步简化结构。
实施例4
本实施例提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车尾气废热回收装置，如图4所示，与实施例2的不同在于，气库32与阶梯活塞膨胀机压缩腔101整合为同一个腔体，变为具有大死容积的阶梯活塞膨胀机压缩腔101。利用阶梯活塞膨胀机压缩腔的阶梯活塞膨胀机1可以省去气库32，进一步简化结构。
实施例5
本实施例提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车尾气废热回收装置，如图5所示，与实施例1的不同在于，阶梯活塞膨胀机1采用双头对置结构，阶梯活塞膨胀机1有两组直线电机14、两个阶梯活塞12，各直线电机14分别连接一个阶梯活塞12，两组结构共用一个阶梯气缸11，形成两个相连的阶梯活塞膨胀机压缩腔101，两个相连的阶梯活塞膨胀机膨胀腔102。双头对置结构一方面可以提高阶梯活塞膨胀机1的最大功率，另一方面可以让阶梯活塞12运动产生的振动抵消，令阶梯活塞膨胀机1的振动减小。
实施例6
本实施例提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车尾气废热回收装置，如图6所示，与实施例1的不同在于，阶梯活塞膨胀机1采用曲柄连杆机构5回收膨胀功。曲柄连杆机构5连接阶梯活塞12，将阶梯活塞12输出的膨胀功转化为轴功，为汽车的主发动机提供额外轴功，或带动汽车空调使用。
实施例7
本实施例提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车尾气废热回收装置，如图7所示，与实施例1的不同在于，脉管发动机热头2中的热头高温端换热器22置于汽车尾气管道外侧。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，该装置包括由阶梯活塞膨胀机(1)、脉管发动机热头(2)、惯性管(31)构成的阶梯活塞脉管发动机，阶梯活塞脉管发动机与汽车尾气管道相连，用于与汽车尾气换热，吸收汽车尾气的热量，并产生功以供利用。
2.根据权利要求1所述的一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，所述的阶梯活塞脉管发动机为采用直线电机(14)的阶梯活塞脉管发动机，其中阶梯活塞脉管发动机与汽车尾气管道连接，吸收汽车尾气的热量，通过直线电机(14)产生电能，以达到汽车尾气废热回收的目的。
3.根据权利要求2所述的一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，所述的采用直线电机(14)的阶梯活塞脉管发动机连接整流器(4)及蓄电池，其中，直线电机(14)与整流器(4)相连，整流器(4)与蓄电池相连，直线电机(14)产生的电能经过整流器(4)后储存在蓄电池中，以达到将汽车尾气废热转换为电能的目的。
4.根据权利要求1所述的一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，所述的阶梯活塞脉管发动机为采用曲柄连杆机构(5)的阶梯活塞脉管发动机，其中阶梯活塞脉管发动机的一端与汽车尾气管道连接，吸收汽车尾气的热量并产生膨胀功，曲柄连杆机构(5)用于将阶梯活塞脉管发动机输出的膨胀功转化为轴功，为汽车的主发动机提供额外轴功，或带动汽车空调使用。
5.根据权利要求2或4所述的一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，所述阶梯活塞膨胀机(1)包括阶梯气缸(11)和阶梯活塞(12)，阶梯活塞(12)与阶梯气缸(11)形成阶梯活塞膨胀机膨胀腔(102)和阶梯活塞膨胀机压缩腔(101)，在运行过程中，阶梯活塞膨胀机膨胀腔(102)和阶梯活塞膨胀机压缩腔(101)的容积变化同相。
6.根据权利要求2所述的一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，所述直线电机(14)为动磁式直线电机、动圈式直线电机或动铁式直线电机。
7.根据权利要求5所述的一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，所述阶梯活塞膨胀机(1)采用双头对置结构，有两组直线电机(14)和两组阶梯活塞(12)，各直线电机(14)分别连接一个阶梯活塞(12)，或两组曲柄连杆机构(5)和两组阶梯活塞(12)，各曲柄连杆机构(5)分别连接一个阶梯活塞(12)，两组结构共用一个阶梯气缸(11)，形成两个相连的阶梯活塞膨胀机压缩腔(101)和两个相连的阶梯活塞膨胀机膨胀腔。
8.根据权利要求5所述的一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，所述脉管发动机热头(2)包括顺次连接的脉管(21)、热头高温端换热器(22)、回热器(23)、热头室温端换热器(24)，热头高温端换热器(22)与汽车尾气管道连接；其中，热头室温端换热器(24)与阶梯活塞膨胀机压缩腔(101)相连，脉管(21)室温端连接惯性管(31)、气库(32)，气库(32)与阶梯活塞膨胀机膨胀腔(102)相连，或，
所述脉管(21)的室温端与阶梯活塞膨胀机膨胀腔(102)相连，热头室温端换热器(24)连接惯性管(31)、气库(32)，气库(31)与阶梯活塞膨胀机压缩腔(101)相连。
9.根据权利要求5所述的一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，所述气库(32)与阶梯活塞膨胀机膨胀腔(102)整合为同一个腔体，变为具有较大死容积的阶梯活塞膨胀机膨胀腔(102)，或，
所述气库(32)与阶梯活塞膨胀机压缩腔(101)整合为同一个腔体，变为具有较大死容积的阶梯活塞膨胀机压缩腔(101)。
10.根据权利要求5所述的一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，其特征在于，所述热头室温端换热器(24)、惯性管(31)通过冷端换热系统向环境散热，采用风冷冷却，或者采用水冷套结构。
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| CN202310649770.8A CN116792185A (zh) | 2023-06-02 | 2023-06-02 | 一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置 |
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