CN117869103A - 一种热气机及内燃机废气余热回收系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种热气机及内燃机废气余热回收系统，其中，热气机包括转轮、第一活塞气缸装置、第二活塞气缸装置、转动轴、散热风扇、抽气泵、蓄热器、换热器和废气连接管。本申请的热气机以近似等容回热的形式吸收内燃机排出的高温废气的热量，以绝热膨胀的形式通过第一气缸的第一活塞对外输出功。输出功后，进行等容回热降温后使工质进入第二气缸，并以等温压缩形式对外散热且回到初始状态，完成一个动力循环。动力循环重复进行，便可一直输出功。动力循环输出的功一部分用于驱动散热风扇，其他部分用于驱动抽气泵运转，降低高温废气的排出压力，从而使内燃机可以在较低的背压下运行，内燃机在排气过程中的耗功降低，输出的净功增加。

Description

一种热气机及内燃机废气余热回收系统

技术领域

本申请涉及内燃机废气处理的技术领域，具体而言，涉及一种热气机及内燃机废气余热回收系统。

背景技术

驱动船舶或车辆运行的内燃机在燃烧后，会存在大量的高温废气，通常这部分废气会被直接排放至外界环境或用于加热热水。

燃油、天然气或其他燃料燃烧产生的大量余热资源被废气带走而未被充分利用，使燃料的能量利用效率难以有效提高。高温废气用于加热热水的方式可部分解决余热的利用，但却不能给内燃机自身的动力输出或能量转化效率带来实际的提升。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种热气机及内燃机废气余热回收系统，其中，热气机可以将内燃机内燃料燃烧后排出的高温废气的热能加以利用，并转化为动力装置对外输出的机械能，输出的机械能转化为抽气泵的压差势能，从而使输送内燃机高温废气管道的压力降低，内燃机出口的背压可以低于大气压，内燃机活塞在排出废气的过程中无需消耗能量，从而使内燃机可输出的净功增加。

第一方面，提供了一种热气机，包括转轮、第一活塞气缸装置、第二活塞气缸装置、转动轴、散热风扇、抽气泵、蓄热器、换热器和废气连接管。

其中，第一活塞气缸装置包括沿第一方向延伸的第一气缸，还包括第一活塞和第一连杆，第一活塞可滑动地设置在第一气缸内，第一连杆的一端与转轮的第一偏心位置铰接，第一连杆的另一端与第一活塞朝向转轮的一端铰接；

第二活塞气缸装置包括沿第二方向延伸的第二气缸，还包括第二活塞和第二连杆，第二活塞可滑动地设置在第二气缸内，第二连杆的一端与转轮的第二偏心位置铰接，第二连杆的另一端与第二活塞朝向转轮的一端铰接；

转动轴与转轮连接，转轮驱动转动轴转动；

散热风扇安装在转动轴上，并随转动轴转动，且散热风扇的吹风方向朝向第二气缸；

抽气泵安装在转动轴上，并由转动轴驱动；

换热器包括内部管路和包裹内部管路的外腔体；蓄热器第一端与第二气缸连通，蓄热器的第二端与内部管路第一端及第一气缸连通，内部管路的第二端与第一气缸连通；在蓄热器与内部管路连通的管路上设置第一单向阀，第一单向阀由蓄热器至内部管路单向导通；在蓄热器与第一气缸连通的管路上设置第二单向阀，第二单向阀由第一气缸至蓄热器单向导通；

废气连接管一端与换热器的外腔体的出口连接，另一端与抽气泵的出口连接；

其中，工作时，内燃气排出的高温废气进入换热器的外腔体；第一气缸及第二气缸内填充工质。

在一种可实施的方案中，第一方向与第二方向垂直；

第一连杆与转轮铰接的第一偏心位置与第二连杆与转轮铰接的第二偏心位置相同。

在一种可实施的方案中，第二气缸的外壁表面设置若干散热肋片。

在一种可实施的方案中，第二气缸内设置多个沿第二方向延伸的第一换热肋片，第二活塞朝向第二气缸内部一侧设置多个沿第二方向延伸的第二换热肋片；第一换热肋片与第二换热肋片交错分布；在第二活塞压缩第二气缸时，第二换热肋片插入第一换热肋片的间隔中。

在一种可实施的方案中，转动轴包括第一转轴和第二转轴；第一转轴的一端与转轮连接，转轮驱动转动轴转动；第一转轴的另一端通过一变速器与第二转轴连接；抽气泵安装在第二转轴上，并由第二转轴驱动。

在一种可实施的方案中，第一气缸朝向转轮一侧固定连接一第一延伸杆，第一延伸杆与第一连杆铰接；第一延伸杆的中心线穿过转轮圆心并与转轮的旋转轴线垂直；

第二气缸朝向转轮一侧固定连接一第二延伸杆，第二延伸杆与第二连杆铰接；第二延伸杆的中心线穿过转轮圆心并与转轮的旋转轴线垂直。

在一种可实施的方案中，还包括驱动装置，驱动装置设置在转轮处；在工作刚开始时，驱动装置用于给于转轮初始的旋转作用力。

在一种可实施的方案中，转轮的整个圆周按照顺时针或逆时针顺次划分为第一旋转角、第二旋转角、第三旋转角和第四旋转角；工作时，转轮依次转过第一旋转角、第二旋转角、第三旋转角和第四旋转角；

在转轮转过第一旋转角时，第一活塞在第一气缸内处于远离转轮一侧，且第二活塞在第二气缸内由靠近转轮向远离转轮的方向移动；

在转轮转过第二旋转角时，第一活塞在第一气缸内由远离转轮向靠近转轮的方向移动，且第二活塞在第二气缸内继续向远离转轮的方向移动；

在转轮转过第三旋转角时，第一活塞在第一气缸内继续向靠近转轮的方向移动，且第二活塞在第二气缸内处于远离转轮一侧；

在转轮转过第四旋转角时，第一活塞在第一气缸内由靠近转轮向远离转轮的方向移动，且第二活塞在第二气缸内由远离转轮向靠近转轮的方向移动。

根据本申请的第二方面，还提供了一种内燃机废气余热回收系统，包括前述的热气机；其中，内燃气的排气口与热气机的换热器的外腔体的入口连通。

与现有技术相比，本申请的有益效果至少包括：

本申请提供的一种热气机，以近似等容回热的形式最大限度吸收内燃机排出的高温废气的热量，以绝热膨胀的形式通过第一气缸的第一活塞对外输出功。输出功后，进行等容回热降温后使工质进入第二气缸，并以等温压缩的形式对外散热且回到初始状态，完成一个动力循环。动力循环重复进行，便可以一直输出功。动力循环输出的功一部分用于驱动散热风扇，其他部分用于驱动抽气泵运转，降低高温废气的排出压力，从而使内燃机可以在较低的背压下运行，内燃机在排气过程中的耗功降低，输出的净功增加。

换言之，本申请的热气机可以将内燃机内燃料燃烧后排出的高温废气的热能加以利用，并转化为动力装置对外输出的机械能，输出的机械能转化为抽气泵的压差势能，从而使输送内燃机高温废气管道的压力降低，内燃机出口的背压可以低于大气压，内燃机活塞在排出废气的过程中无需消耗能量，从而使内燃机可输出的净功增加。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种热气机的结构简图；

图2为根据本申请实施例示出的一种热气机的转轮结构简图。

图中：1、转轮；2、第一活塞气缸装置；21、第一气缸；211、第一延伸杆；22、第一活塞；23、第一连杆；3、第二活塞气缸装置；31、第二气缸；311、散热肋片；301、第一换热肋片；302、第二换热肋片；312、第二延伸杆；32、第二活塞；33、第二连杆；4、转动轴；41、第一转轴；42、第二转轴；5、散热风扇；6、抽气泵；7、蓄热器；8、换热器；81、内部管路；82、外腔体；9、第一单向阀；10、第二单向阀；11、废气连接管；12、变速器；L1、第一方向；L2、第二方向。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本实施例首先提供一种热气机，包括转轮1、第一活塞气缸装置2、第二活塞气缸装置3、转动轴4、散热风扇5、抽气泵6、蓄热器7、换热器8和废气连接管11。转轮1绕一轴线旋转。

第一活塞气缸装置2包括沿第一方向L1延伸的第一气缸21，还包括第一活塞22和第一连杆23，第一活塞22可滑动地设置在第一气缸21内，第一连杆23的一端与转轮1的第一偏心位置铰接，第一连杆23的另一端与第一活塞22朝向转轮1的一端铰接。

第二活塞气缸装置3，包括沿第二方向L2延伸的第二气缸31，还包括第二活塞32和第二连杆33，第二活塞32可滑动地设置在第二气缸31内，第二连杆33的一端与转轮1的第二偏心位置铰接，第二连杆33的另一端与第二活塞32朝向转轮1的一端铰接。

转动轴4与转轮1连接，转轮1驱动转动轴4转动。散热风扇5安装在转动轴4上，并随转动轴4转动，且散热风扇5的吹风方向朝向第二气缸31。抽气泵6安装在转动轴4上，并由转动轴4驱动。

换热器8包括内部管路81和包裹内部管路81的外腔体82；蓄热器7第一端与第二气缸31连通，蓄热器7的第二端与内部管路81第一端及第一气缸21连通，内部管路81的第二端与第一气缸21连通；在蓄热器7与内部管路81连通的管路上设置第一单向阀9，第一单向阀9由蓄热器7至内部管路81单向导通；在蓄热器7与第一气缸21连通的管路上设置第二单向阀10，第二单向阀10由第一气缸21至蓄热器7单向导通。废气连接管11一端与换热器8的外腔体82的出口连接，另一端与抽气泵6的出口连接。

其中，工作时，内燃气排出的高温废气进入换热器8的外腔体82；第一气缸21及第二气缸31内填充工质。工质一般为气体，通常可采用氮气、氢气或氮气等。

在本实施例中，如图1所示，第一方向L1可以与第二方向L2垂直，且第一连杆23与转轮1铰接的第一偏心位置可以与第二连杆33与转轮1铰接的第二偏心位置相同。

在本实施例中，如图1和图2所示，转轮1的整个圆周可以按照顺时针或逆时针顺次划分为第一旋转角、第二旋转角、第三旋转角和第四旋转角；工作时，转轮1依次转过第一旋转角、第二旋转角、第三旋转角和第四旋转角。例如，第一旋转角即为图2中弧AB位置对应的圆心角，可以为-60°至30°的圆心角范围；第二旋转角即为图2中弧BC位置对应的圆心角，可以为30°至60°的圆心角范围；第三旋转角即为图2中弧CD位置对应的圆心角，可以为60°至150°的圆心角范围；第四旋转角即为图2中弧DA位置对应的圆心角，可以为150°至300°(即-60°)的圆心角范围。

在工作时，高温废气进入换热器8的外腔体82，并将热量传递给换热器8的内部管路81中的工质，废气温度降低。

如图1所示，给转轮1一个初速度后(图中为逆时针旋转)，在转轮1转过第一旋转角时，第一活塞22在第一气缸21内处于远离转轮1一侧，第一活塞22在第一气缸21内的位置变化较小，第一气缸21内工质体积近似不变。而第二活塞32在第二气缸31内由靠近转轮1向远离转轮1的方向移动，因此主要由第二活塞32对第二气缸31内工质进行近似等温压缩的过程，压力升高。第二活塞32压缩第二气缸31的过程中，第二气缸31内工质同时将热量传递至第二气缸31，并在散热风扇5的驱动下与外部空气换热并散热，从而使第二气缸31的温度维持在预定区间温度中，例如维持的预定区间温度为40-70℃。

在转轮1转过第二旋转角时，第一活塞22在第一气缸21内由远离转轮1向靠近转轮1的方向移动，且第二活塞32在第二气缸31内继续向远离转轮1的方向移动，则第一气缸21内工质体积增大，第二气缸31内工质体积减小。此时，第二气缸31内工质先经过蓄热器7初步吸热，然后，工质经加热第一单向阀9进入换热器8的内部管路81中进一步吸收高温废气的热量。在这一过程中，第一气缸21及第二气缸31中两气缸的总容积不变，工质近似进行等容吸热，压力进一步升高。

在转轮1转过第三旋转角时，第一活塞22在第一气缸21内继续向靠近转轮1的方向移动，第一气缸21内工质体积增大。且第二活塞32在第二气缸31内处于远离转轮1一侧，位置变化较小，第二气缸31内工质体积近似不变。工质近似在第一气缸21内进行绝热膨胀过程。膨胀过程中，第一活塞22对外输出功，进一步推动转轮1转动，系统内工质温度降低，压力降低。

在转轮1转过第四旋转角时，第一活塞22在第一气缸21内由靠近转轮1向远离转轮1的方向移动，且第二活塞32在第二气缸31内由远离转轮1向靠近转轮1的方向移动，此时，第一气缸21内工质体积减小，第二气缸31内工质体积增大。第一气缸21内工质经过第二单向阀10进入蓄热器7，并使第一气缸21内的工质在蓄热器7内进一步回热降温，工质的压力降低。

完成上述四个过程后，转轮1带动连杆回到初始状态，热气机完成一个动力循环。以上的动力循环重复进行，便可以使第一活塞22源源不断的对外输出功，从而推动转轮1高速转动。

热气机的第一活塞22对外输出的动力驱动转轮1转动，并通过转动轴4传递给散热风扇5和抽气泵6，散热风扇5转动用于实现第二气缸31的散热，抽气泵6在转动轴4的带动下高速旋转，将废气连接管11内的废气抽至出口，从而使内燃机燃烧后排放的高温废气在经过换热器8的外腔体82和抽气泵6后，背压降低，实现降低内燃机排气背压的目的，进而提高内燃气的效率。

综上可知，本实施例提供的一种热气机，以近似等容回热的形式最大限度吸收内燃机排出的高温废气的热量，以绝热膨胀的形式通过第一气缸21的第一活塞22对外输出功。输出功后，进行等容回热降温后使工质进入第二气缸31，并以等温压缩的形式对外散热且回到初始状态，完成一个动力循环。动力循环重复进行，便可以一直输出功。动力循环输出的功一部分用于驱动散热风扇5，其他部分用于驱动抽气泵6运转，降低高温废气的排出压力，从而使内燃机可以在较低的背压下运行，内燃机在排气过程中的耗功降低，输出的净功增加。

换言之，本实施例的热气机可以将内燃机内燃料燃烧后排出的高温废气的热能加以利用，并转化为动力装置对外输出的机械能，输出的机械能转化为抽气泵6的压差势能，从而使输送内燃机高温废气管道的压力降低，内燃机出口的背压可以低于大气压，内燃机活塞在排出废气的过程中无需消耗能量，从而使内燃机可输出的净功增加。

在本实施例中，如图1所示，第二气缸31的外壁表面可以设置若干散热肋片311，有助于提高散热效果。

在本实施例中，如图1所示，第二气缸31内可以设置多个沿第二方向L2延伸的第一换热肋片301，第二活塞32朝向第二气缸31内部一侧可以设置多个沿第二方向L2延伸的第二换热肋片302；第一换热肋片301与第二换热肋片302交错分布；在第二活塞32压缩第二气缸31时，第二换热肋片302插入第一换热肋片301的间隔中。第一换热肋片301和第二换热肋片302有助于提高换热效率。

其中，第二气缸31内工质将热量传递至第一换热肋片301和第二换热肋片302，然后进一步将热量传递至外部的散热肋片311，散热肋片311在散热风扇5的驱动下与外部空气加快换热并散热，从而使第二气缸31内的工质温度维持在预定温度区间中。

在本实施例中，如图1所示，热气机的转动轴4可以包括第一转轴41和第二转轴42；第一转轴41的一端与转轮1连接，转轮1驱动转动轴4转动；第一转轴41的另一端通过一变速器12与第二转轴42连接；抽气泵6安装在第二转轴42上，并由第二转轴42驱动。通过变速器12来改变转速，从而使抽气泵6的转速能够具有产生所需的压差，更好的抽吸废气。

在本实施例中，如图1所示，换热器8的内部管路81呈螺旋状或波浪状，以提高换热效果。

在本实施例中，如图1所示，第一气缸21朝向转轮1一侧固定连接一第一延伸杆211，第一延伸杆211与第一连杆23铰接；第一延伸杆211的中心线穿过转轮1圆心并与转轮1的旋转轴线垂直。第二气缸31朝向转轮1一侧固定连接一第二延伸杆312，第二延伸杆312与第二连杆33铰接；第二延伸杆312的中心线穿过转轮1圆心并与转轮1的旋转轴线垂直。

在本实施例中，热气机还可以包括驱动装置(图中未示出)，驱动装置设置在转轮1处；在工作刚开始时，驱动装置用于给于转轮1初始的旋转作用力(即给于转轮1一定的初速度)。

本实施例还提供一种内燃机废气余热回收系统，包括前述方案中的热气机；其中，内燃气的排气口与热气机的换热器8的外腔体82的入口连通。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热气机，其特征在于，包括：

转轮(1)；

第一活塞气缸装置(2)，包括沿第一方向延伸的第一气缸(21)，还包括第一活塞(22)和第一连杆(23)，所述第一活塞(22)可滑动地设置在所述第一气缸(21)内，所述第一连杆(23)的一端与所述转轮(1)的第一偏心位置铰接，所述第一连杆(23)的另一端与所述第一活塞(22)朝向所述转轮(1)的一端铰接；

第二活塞气缸装置(3)，包括沿第二方向延伸的第二气缸(31)，还包括第二活塞(32)和第二连杆(33)，所述第二活塞(32)可滑动地设置在所述第二气缸(31)内，所述第二连杆(33)的一端与所述转轮(1)的第二偏心位置铰接，所述第二连杆(33)的另一端与所述第二活塞(32)朝向所述转轮(1)的一端铰接；

转动轴(4)，与所述转轮(1)连接，所述转轮(1)驱动所述转动轴(4)转动；

散热风扇(5)，安装在所述转动轴(4)上，并随所述转动轴(4)转动，且所述散热风扇(5)的吹风方向朝向所述第二气缸(31)；

抽气泵(6)，安装在所述转动轴(4)上，并由所述转动轴(4)驱动；

蓄热器(7)和换热器(8)，所述换热器(8)包括内部管路(81)和包裹所述内部管路(81)的外腔体(82)；所述蓄热器(7)第一端与所述第二气缸(31)连通，所述蓄热器(7)的第二端与所述内部管路(81)第一端及所述第一气缸(21)连通，所述内部管路(81)的第二端与所述第一气缸(21)连通；在所述蓄热器(7)与所述内部管路(81)连通的管路上设置第一单向阀(9)，所述第一单向阀(9)由所述蓄热器(7)至所述内部管路(81)单向导通；在所述蓄热器(7)与所述第一气缸(21)连通的管路上设置第二单向阀(10)，所述第二单向阀(10)由所述第一气缸(21)至所述蓄热器(7)单向导通；

废气连接管(11)，一端与所述换热器(8)的所述外腔体(82)的出口连接，另一端与所述抽气泵(6)的出口连接；

其中，工作时，内燃气排出的高温废气进入所述换热器(8)的所述外腔体(82)；所述第一气缸(21)及所述第二气缸(31)内填充工质。

2.根据权利要求1所述的热气机，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向垂直；

所述第一连杆(23)与所述转轮(1)铰接的所述第一偏心位置与所述第二连杆(33)与所述转轮(1)铰接的第二偏心位置相同。

3.根据权利要求1所述的热气机，其特征在于，所述第二气缸(31)的外壁表面设置若干散热肋片(311)。

4.根据权利要求3所述的热气机，其特征在于，所述第二气缸(31)内设置多个沿第二方向延伸的第一换热肋片(301)，所述第二活塞(32)朝向所述第二气缸(31)内部一侧设置多个沿第二方向延伸的第二换热肋片(302)；所述第一换热肋片(301)与所述第二换热肋片(302)交错分布；在所述第二活塞(32)压缩所述第二气缸(31)时，所述第二换热肋片(302)插入所述第一换热肋片(301)的间隔中。

5.根据权利要求1所述的热气机，其特征在于，所述转动轴(4)包括第一转轴(41)和第二转轴(42)；所述第一转轴(41)的一端与所述转轮(1)连接，所述转轮(1)驱动所述转动轴(4)转动；所述第一转轴(41)的另一端通过一变速器(12)与所述第二转轴(42)连接；所述抽气泵(6)安装在所述第二转轴(42)上，并由所述第二转轴(42)驱动。

6.根据权利要求1所述的热气机，其特征在于，所述第一气缸(21)朝向所述转轮(1)一侧固定连接一第一延伸杆(211)，所述第一延伸杆(211)与所述第一连杆(23)铰接；所述第一延伸杆(211)的中心线穿过所述转轮(1)圆心并与所述转轮(1)的旋转轴线垂直；

所述第二气缸(31)朝向所述转轮(1)一侧固定连接一第二延伸杆(312)，所述第二延伸杆(312)与所述第二连杆(33)铰接；所述第二延伸杆(312)的中心线穿过所述转轮(1)圆心并与所述转轮(1)的旋转轴线垂直。

7.根据权利要求1-6任一项所述的热气机，其特征在于，还包括驱动装置，所述驱动装置设置在所述转轮(1)处；在工作刚开始时，所述驱动装置用于给于所述转轮(1)初始的旋转作用力。

8.根据权利要求1-6任一项所述的热气机，其特征在于，所述转轮(1)的整个圆周按照顺时针或逆时针顺次划分为第一旋转角、第二旋转角、第三旋转角和第四旋转角；工作时，所述转轮(1)依次转过第一旋转角、第二旋转角、第三旋转角和第四旋转角；

在所述转轮(1)转过所述第一旋转角时，所述第一活塞(22)在所述第一气缸(21)内处于远离所述转轮(1)一侧，且所述第二活塞(32)在所述第二气缸(31)内由靠近所述转轮(1)向远离所述转轮(1)的方向移动；

在所述转轮(1)转过所述第二旋转角时，所述第一活塞(22)在所述第一气缸(21)内由远离所述转轮(1)向靠近所述转轮(1)的方向移动，且所述第二活塞(32)在所述第二气缸(31)内继续向远离所述转轮(1)的方向移动；

在所述转轮(1)转过所述第三旋转角时，所述第一活塞(22)在所述第一气缸(21)内继续向靠近所述转轮(1)的方向移动，且所述第二活塞(32)在所述第二气缸(31)内处于远离所述转轮(1)一侧；

在所述转轮(1)转过所述第四旋转角时，所述第一活塞(22)在所述第一气缸(21)内由靠近所述转轮(1)向远离所述转轮(1)的方向移动，且所述第二活塞(32)在所述第二气缸(31)内由远离所述转轮(1)向靠近所述转轮(1)的方向移动。

9.一种内燃机废气余热回收系统，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的热气机；其中，内燃气的排气口与所述热气机的换热器(8)的外腔体(82)的入口连通。