CN102400746B - 基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用*** - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，包括双循环特殊蓄能器、恒压蓄能器；双循环特殊储能器分别连接增压器的涡轮和压气机，在双循环特殊储能器与涡轮之间安装排气阀，在双循环特殊储能器与压气机之间安装进气阀，发动机的排气管穿过双循环特殊储能器；双循环特殊储能器连接恒压储能器，恒压储能器连接汽车抱闸制动功能单元，液压油箱分别连接发动机、双循环特殊储能器、恒压储能器，液压马达安装在发动机、恒压储能器、液压油箱之间。本发明将热能直接转化为利用具有能量密度和功率密度较大等优点的液压油储存的液压能，使汽车尾气余热的回收与利用方式更加多元化。

Description

基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***

技术领域

本发明涉及的是一种汽车发动机节能技术领域的***。

背景技术

当下，石油能源供需矛盾日益突出，汽车作为当今社会最为普遍的能源消耗源之一，由于受到内燃机效率的制约，能量的利用率很低，仅为百分之三十到四十左右，燃油燃烧的能量大部分以余热的形式白白散发出去，同时由于开发新能源汽车需要大量的技术和经济投入，因此通过各种方式直接或间接地来提高燃油能量的利用率是应对当今社会能源危机最为直接有效的途径。

液压传动作为一种效率高、较为节能的传动方式，具有传动平稳、承载能力大、液压马达易实现无级调速和过载保护等优点。在汽车领域中，蓄能器普遍应用于液压与气动***中。

针对汽车发动机尾气余热回收利用的研究在国内刚开展不久，国内目前回收汽车尾气余热的技术集中在余热取暖、制冷和发电等方面，而在汽车上利用皮囊式蓄能器的热膨胀性来回收汽车尾气余热能，将其转化为液压能用于汽车启动与制动的余热能回收方式，经对现有文献和技术文件检索，目前国内还没有相关的技术和专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供解决汽车发动机燃油利用率低和现有汽车尾气余热回收与利用方式的单一化和局限性等问题的基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，包括发动机、发动机排气管、增压器、汽车抱闸制动功能单元、液压油箱、进气阀、排气阀，其特征是：还包括双循环特殊蓄能器、恒压蓄能器；增压器、进气阀、双循环特殊储能器、排气阀、发动机排气管组成气动循环，双循环特殊储能器分别连接增压器的涡轮和压气机，在双循环特殊储能器与涡轮之间安装排气阀，在双循环特殊储能器与压气机之间安装进气阀，发动机的排气管穿过双循环特殊储能器；液压油箱、双循环特殊储能器、恒压储能器、发动机、汽车抱闸制动功能单元、液压马达组成液压循环，双循环特殊储能器连接恒压储能器，恒压储能器连接汽车抱闸制动功能单元，液压油箱分别连接发动机、双循环特殊储能器、恒压储能器，液压马达安装在发动机、恒压储能器、液压油箱之间。

本发明还可以包括：

1、所述的双循环特殊储能器包括双循环特殊蓄能器耐压外壳、双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊、温包排气阀、温包进气阀，双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊安装在双循环特殊蓄能器耐压外壳里，双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊与双循环特殊蓄能器耐压外壳构成双循环特蓄能器油腔，双循环特殊蓄能器耐压外壳上开有双循环特殊蓄能器进油口、双循环特殊蓄能器出油口，双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊分别与增压器压气机、涡轮相连并在相连的管路上分别安装温包进气阀和温包排气阀，双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊、温包进气阀、温包排气阀构成温包。

2、所述的恒压蓄能器包括恒压蓄能器壳外弹性皮囊、恒压蓄能器壳内弹性皮囊、恒压蓄能器耐压外壳，恒压蓄能器壳外弹性皮囊安装在恒压蓄能器耐压外壳外，恒压蓄能器壳内弹性皮囊安装在恒压蓄能器耐压外壳里，恒压蓄能器壳外弹性皮囊和恒压蓄能器壳内弹性皮囊相连，恒压蓄能器耐压外壳与恒压蓄能器壳内弹性皮囊构成恒压蓄能器的储油腔，恒压蓄能器耐压外壳上开有恒压蓄能器出油口、恒压蓄能器进油口，恒压蓄能器进油口连接双循环特殊蓄能器出油口，恒压蓄能器出油口连接汽车抱闸制动功能单元。

3、还包括两位三通电磁阀、单向阀、三通阀，发动机和汽车抱闸制动功能单元之间安装两位三通电磁阀；双循环特殊储能器与恒压储能器之间安装单向阀；恒压储能器、发动机、液压马达之间安装三通阀。

4、所述的双循环特殊蓄能器与恒压蓄能器之间的液压油管路、恒压蓄能器和三通阀之间的液压油管路、三通阀与汽车抱闸制动功能单元之间的液压油管路上分别旁接一个安装有安全阀的流回油箱的液压油路。

本发明的优势在于：本发明针对现有汽车尾气余热回收方式的局限性和单一性，提出了一种全新的能量回收与利用方式，将热能直接转化为利用具有能量密度和功率密度较大等优点的液压油储存的液压能，更适合于汽车尾气余热的回收与利用，很好地实现了低品位能源的二次利用，使汽车尾气余热的回收与利用方式更加多元化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的双循环特殊蓄能器结构图；

图3为本发明的恒压蓄能器结构图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，图1中长划线“_ _ _ _”代表气动循环管路组件4；实线“_____代表液压循环管路组件10；方点线

表示动力关联。图中1空气增压器、2进气阀、3排气阀、5双循环特殊蓄能器、6单向阀、7恒压蓄能器、8三通阀、9液压阀门、11汽车启动功能单元、12两位三通电磁阀、13汽车抱闸制动功能单元、14安全阀、15液压马达、16油箱、17热力涡轮、18双循环特殊蓄能器出油口、19双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊、20双循环特蓄能器油腔、21汽车尾气排气管、22双循环特殊蓄能器进油口、23温包排气阀、24温饱进气阀、25双循环特殊蓄能器耐压外壳、26恒压蓄能器壳外弹性皮囊、27恒压蓄能器壳内弹性皮囊、28恒压蓄能器储油腔、29恒压蓄能器耐压外壳、30恒压蓄能器出油口、31恒压蓄能器进油口。

如图1所示，本实施例包括气动循环和液压循环，气动回为***的能量回收与转化回路，液压回路为转化后能量的储存与利用回路；其中，气动循环和液压循环以双循环特殊蓄能器5来进行两回路的耦合联接，以实现热能到液压能的转化；液压回路中的恒压蓄能器7用来储存回收转化的液压能。

如图2所示，双循环特殊蓄能器5分为温包和油腔20。温包是由双循环特殊蓄能器5壳内的弹性皮囊19和进气阀2、排气阀3构成的密闭容积，温包内可充入高压空气；弹性皮囊19与双循环特殊蓄能器耐压外壳25构成双循环特殊蓄能器的油腔20。

如图3所示，恒压蓄能器包括壳外弹性皮囊26、壳内弹性皮囊27、耐压外壳29以及出油口30和进油口31，其中，壳外弹性皮囊26和壳内弹性皮囊27之间用气动管路组件4连通；耐压外壳29与壳内弹性皮囊27之间的容积为恒压蓄能器的储油腔28。

恒压蓄能器7的壳外弹性皮囊26和壳内弹性皮囊27中是根据汽车自身液压油路稳定工作时的压力值充入相同压力值的高压空气。

如图1和2所示，气动循环包括空气增压器1、进气阀2、双循环特殊蓄能器5、排气阀3、热力涡轮17以及气动管路组件4；横穿温包的汽车尾气排气管21为温包的热源；温包内的高温高压气体通过温包排气管路组件4对热力涡轮17做功，热力涡轮17再带动空气增压器1对大气空气增压后充入温包，以提高气体的做功能力。

空气增压器1可根据汽车自身液压油路压力的需要设定空气增压器的增压比。

如图1、2和3所示，液压循环包括油箱16、双循环特殊蓄能器5、单向阀6、恒压蓄能器7、三通阀8、液压阀门9、汽车启动功能单元11、两位三通电磁阀12、汽车抱闸制动功能单元13、安全阀14、液压马达15以及液压油管路组件10；在***工作时，温包膨胀对双循环特殊蓄能器液压油腔20中的液压油做功，使其压力升高，当液压油压力到达一定值时，双循环特殊蓄能器5与恒压蓄能器7之间液压油路上的单向阀6开启，液压油通过双循环特殊蓄能器的出油口18、液压管路组件10与恒压蓄能器的进油口31进入恒压蓄能器的储油腔28，从而实现液压的储存；在***工作时，双循环特殊蓄能器的温包膨胀到最大值时，温包排气阀23打开，温包内的高温高压空气排入热力涡轮17对其做功，同时温包内的压力值急剧下降，温包弹性皮囊19收缩，致使双循环特殊蓄能器的油腔20中形成负压，则油箱16中的液压油在大气压力下通过液压油管路组件10和双循环特殊蓄能器的进油口22进入双循环特殊蓄能器的油腔20进行补油；当汽车需要启动时，汽车启动功能单元工作，此时恒压蓄能器储油腔28中的液压油通过液压油管路组件10、三通阀8和液压阀对液压马达15稳定做功，带动液压马达工作，实现汽车的启动，同时通过液压马达15的低压液压油回流回油箱16；汽车需要制动时，恒压蓄能器储油腔28中液压油通过液压油管路组件10、三通阀8、液压阀门9和两位三通阀12让汽车抱闸制动功能单元13工作，实现汽车制动。

如图1所示，汽车抱闸制动功能单元需实现制动时，两位三通阀12处于右位通，汽车抱闸制动功能单元需实现放闸时，两位三通阀12处于左位通，抱闸制动功能单元的液压油回流回油箱16。

如图1所示，安全阀14的功能是当液压油路中的液压油压力出现大幅波动升高时，液压油直接通过它回流回油箱16，实现液压油路元件的保护。安全阀14的安全值阈可根据实际情况进行设定。

本发明的工作原理如下：

***工作原理分为工作和闲时两个阶段。

(一)工作阶段

工作阶段可分为能量回收转化与储存和能量再利用两个过程。

1.能量回收转化与储存

汽车启动后，尾气排气管壁温度逐渐升高，对温包内的高压空气加热，到达一定压力时，温包膨胀对外做功，使充满在温包与耐压外壳之间的液压油压力升高，当液压油压力增大到满足单向阀开启值时，液压油通过回收能量油路流向恒压蓄能器，实现能量回收转化与储存。而后，温包排气阀打开，温包内高温气体膨胀对热气涡轮做功，热气涡轮带动空气压缩机工作，进气阀打开，常温空气经空压机等温增压后进入温包，为下一个气动工作循环做准备。这样温包、高温排气管(热源)、空压机、热气涡轮共同构成一个余热回收与转化的子***，连续不间断的工作，进行能量回收与转化。

温包内的压力在气体经排气阀排出对热气涡轮做功时突然降低，双循环特殊蓄能器中的液压油压力也随着突然下降形成负压，此时油箱中的液压油则进入双循环特殊蓄能器中进行液压油的补充，为液压回路的下一个循环做准备。

2.能量再利用

***中的能量储存采用恒压蓄能器，用它蓄积液压能具有恒压蓄能、输出压力平稳的特点[5]。当某工作单元需要工作时，恒压蓄能器中的高压液压油通过设计的对应液压传动回路平稳地对其输出高压油，向其做功，实现能量的再利用。***中能量的再利用有两个去处：一是汽车启动，二是汽车制动。

(二)闲时阶段

***闲时即车辆停车时，没有能量的回收。在能量消耗方面，此时车辆制动***不需要工作，因此只有当车辆启动时，才有能量消耗，这部分能量来源于恒压蓄能器中储存的能量。

本发明针对现有汽车尾气余热回收方式的局限性和单一性，提出了一种全新的能量回收与利用方式，将热能直接转化为利用具有能量密度和功率密度较大等优点的液压油储存的液压能，更适合于汽车尾气余热的回收与利用，很好地实现了低品位能源的二次利用，使汽车尾气余热的回收与利用方式更加多元化。

本发明针对作为陆路交通主力军的汽车发动机尾气余热白白浪费和现有汽车尾气余热回收与利用方式存在单一化和局限性的现象，研究开发一套基于蓄能器原理的汽车发动机尾气余热回收存储与利用***。利用设计的双循环特殊蓄能器对汽车运行过程中尾气排放管道壁产生的热量进行回收，将其转化为液压能储存在恒压蓄能器中，并设计一套与之相配的液压传动回路，利用回收的液压能作为车辆启动和制动的动力源，解决了汽车发动机燃油利用率低和现有汽车尾气余热回收与利用方式的单一化和局限性等问题，提高了汽车发动机的经济性，实现了其节能的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：气动回路、液压回路和两回路的耦合部件双循环特殊蓄能器。

所述的气动回路包括：空气压缩机、双循环特殊蓄能器(温包)、热气涡轮、温包进气阀门、温包排气阀以及连接气动回路各部件的气动管路。空气压缩机出气口通过温包进气阀用管路与双循环特殊蓄能器内的弹性皮囊内容积(温包)相连通，空气压缩机进气口直接与大气相通；热气涡轮进气口通过温包出气阀用管路与双循环特殊蓄能器内的弹性皮囊内容积(温包)相连通，热气涡轮出气口直接与大气相通。这样，空气压缩机、温包进气阀、双循环特殊蓄能器(温包)、温包排气阀、热气涡轮与整个大气构成气动回路循环。

所述的液压回路包括：油箱、单向阀、双循环特殊蓄能器(油腔)、安全阀、恒压蓄能器、三通阀、液压马达、汽车启动单元、汽车制动单元以连接液压回路各部件的液压管路。双循环特殊蓄能器(油腔)进油口通过单向阀与油箱相通，油箱只能单向向双循环特殊蓄能器油腔补油；双循环特殊蓄能器(油腔)出油口通过单向阀与恒压蓄能器进油口相连通，双循环特殊蓄能器油腔只能单向向恒压蓄能器蓄积高压液压油；恒压蓄能器通过三通阀一路与液压马达(驱动汽车启动单元)相连，另一路与汽车制动单元相连，各油路上安装有液压阀，以控制该油路的通断。

所述的双循环特殊蓄能器为联结两回路的耦合部件，在工作时起到将气动回路回收的汽车尾气余热转化为液压能，包括：弹性皮囊、耐压外壳。弹性皮囊在工作时是包裹在汽车发动机尾气排管道壁外面的，弹性皮囊与排气管道壁连接处采用耐高温高压的垫圈密封，这样弹性皮囊与尾气排气管道壁形成密闭空间，称之为温包，同时弹性皮囊上开有进气孔和排气孔，称之为温包进排气孔；耐压外壳包裹着弹性皮囊，其上开有两对孔，一对为温包进排气孔(也即是弹性皮囊上的进排气孔)，另一对为液压油进出孔；弹性皮囊与耐压外壳之间形成的空间称之为油腔。在工作时，尾气排气管穿过双循环特殊蓄能器的弹性皮囊和耐压外壳，其中，穿过处均用密封垫圈密封。

所述的温包在工作时靠其内高压空气受热膨胀对外做功。

所述的油腔在工作时靠温包膨胀而使油腔空间体积减小从而充满其内的液压油压力随着增高，当油腔内液压油压力增大到一定值时，连接双循环特殊蓄能器与恒压蓄能器之间的单向阀开启，液压油通过液压油路流向恒压蓄能器。

所述的恒压蓄能器具有恒压蓄能的功能，包括：耐压外壳、壳内弹性皮囊、壳外弹性皮囊以及储油腔；其中，壳内弹性皮囊位于耐压外壳内，壳外弹性皮囊位于耐压外壳外，壳内弹性皮囊与壳外弹性皮囊之间用管路连通，形成密闭容积空间，储油腔用于回收液压油的储存。

本发明利用气体的热力性质来回收汽车尾气排气管道壁的高温热量。本能量回收***可根据情况汽车尾气排气管道***的空间大小，按需要可以在尾气管道壁外多布置几个，可以更利于尾气余热的回收。

本发明一种基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，其特征在于，包括气动循环和液压循环两个循环回路，其中：气动循环回路与液压循环回路靠双循环特殊蓄能器来耦合联接。所述的双循环特殊蓄能器包括耐压外壳、壳内皮囊、横向贯穿耐压外壳和壳内弹性皮囊的汽车尾气排气管、进气口、排气口、进油口以及出油口，其中，壳内弹性皮囊与耐压外壳之间形成双循环特殊蓄能器的油腔，进排气口和进出油口都开在耐压外壳上。所述的气动循环回路包括：空气增压器、进气阀、双循环特殊蓄能器、排气阀、热力涡轮以及气动管路组件，其中：空气增压器排气口与双循环特殊蓄能器的进气口通过气动管路连接，进气阀安装于该气动管路上空气增压器的进气口直接与大气相通；双循环特殊蓄能器的排气口通过气动管路与热力涡轮的进气口相连，排气阀安装于该气动管路上，热力涡轮的排气口直接与大气相通，热力涡轮的输出功用于直接驱动空气增压器。所述的液压循环回路包括：油箱、双循环特殊蓄能器、单向阀、恒压蓄能器、三通阀、液压阀门、汽车启动功能单元、两位三通电磁阀、汽车抱闸制动功能单元、安全阀、液压马达以及液压油管路组件，其中：双循环特殊蓄能器进油口与油箱通过液压油管路连接，该油路上安装有单向阀，双循环特殊蓄能器的出油口通过液压管路与恒压蓄能器的进油口相连接，该油路上也安装有单向阀；三通阀的进油口通过液压管路与恒压蓄能器的出油口相连接，三通阀的两个出油口，一个出油口通过液压油管路与液压马达进油口相连接，该液压管路上安装有控制开闭的液压阀门，另一个出油口通过液压管路与汽车的抱闸制动功能单元相连接，该液压油管路上安装有一个控制油路开闭的液压阀门和一个两位三通电磁阀。所述的两位三通阀在右位通时为汽车抱闸制动功能单元的制动的功能，左位通时，为汽车抱闸制动***功能单元的放闸功能。所述的双循环特殊蓄能器与恒压蓄能器之间的液压油管路、恒压蓄能器和三通阀之间的液压油管路、三通阀与汽车抱闸制动功能单元之间的液压油管路上均旁接了一个安装有安全阀的流回油箱的液压油路。所述的恒压蓄能器包括：壳外弹性皮囊、壳内弹性皮囊、耐压外壳以及出油口和进油口，其中，在耐压壳外的弹性皮囊与耐压壳内的皮囊之间用气动管路连通，形成一个密闭容积，耐压壳内的弹性皮囊与耐压壳之间的容积为恒压蓄能器储油腔。所述的气动管路的连接均采用高温密封方式连接。所述的液压管路的连接采用组合密封的方式连接。

Claims (9)

1.基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，包括发动机、发动机排气管、增压器、汽车抱闸制动功能单元、液压油箱、进气阀、排气阀，其特征是：还包括双循环特殊蓄能器、恒压蓄能器；增压器、进气阀、双循环特殊储能器、排气阀、发动机排气管组成气动循环，双循环特殊储能器分别连接增压器的涡轮和压气机，在双循环特殊储能器与涡轮之间安装排气阀，在双循环特殊储能器与压气机之间安装进气阀，发动机的排气管穿过双循环特殊储能器；液压油箱、双循环特殊储能器、恒压储能器、发动机、汽车抱闸制动功能单元、液压马达组成液压循环，双循环特殊储能器连接恒压储能器，恒压储能器连接汽车抱闸制动功能单元，液压油箱分别连接发动机、双循环特殊储能器、恒压储能器，液压马达分别连接发动机、恒压储能器、液压油箱。

2.根据权利要求1所述的基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，其特征是：双循环特殊储能器包括双循环特殊蓄能器耐压外壳、双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊、温包排气阀、温包进气阀，双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊安装在双循环特殊蓄能器耐压外壳里，双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊与双循环特殊蓄能器耐压外壳构成双循环特蓄能器油腔，双循环特殊蓄能器耐压外壳上开有双循环特殊蓄能器进油口、双循环特殊蓄能器出油口，双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊分别与增压器压气机、涡轮相连并在相连的管路上分别安装温包进气阀和温包排气阀，双循环特殊蓄能器壳内弹性皮囊、温包进气阀、温包排气阀构成温包。

3.根据权利要求1或2所述的基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，其特征是：恒压蓄能器包括恒压蓄能器壳外弹性皮囊、恒压蓄能器壳内弹性皮囊、恒压蓄能器耐压外壳，恒压蓄能器壳外弹性皮囊安装在恒压蓄能器耐压外壳外，恒压蓄能器壳内弹性皮囊安装在恒压蓄能器耐压外壳里，恒压蓄能器壳外弹性皮囊和恒压蓄能器壳内弹性皮囊相连，恒压蓄能器耐压外壳与恒压蓄能器壳内弹性皮囊构成恒压蓄能器的储油腔，恒压蓄能器耐压外壳上开有恒压蓄能器出油口、恒压蓄能器进油口，恒压蓄能器进油口连接双循环特殊蓄能器出油口，恒压蓄能器出油口连接汽车抱闸制动功能单元。

4.根据权利要求1或2所述的基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，其特征是：还包括两位三通电磁阀、单向阀、三通阀，发动机和汽车抱闸制动功能单元之间安装两位三通电磁阀；双循环特殊储能器与恒压储能器之间安装单向阀；恒压储能器、发动机、液压马达之间安装三通阀。

5.根据权利要求3所述的基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，其特征是：还包括两位三通电磁阀、单向阀、三通阀，发动机和汽车抱闸制动功能单元之间安装两位三通电磁阀；双循环特殊储能器与恒压储能器之间安装单向阀；恒压储能器、发动机、液压马达之间安装三通阀。

6.根据权利要求1或2所述的基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，其特征是：双循环特殊蓄能器与恒压蓄能器之间的液压油管路、恒压蓄能器和三通阀之间的液压油管路、三通阀与汽车抱闸制动功能单元之间的液压油管路上分别旁接一个安装有安全阀的流回油箱的液压油路。

7.根据权利要求3所述的基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，其特征是：双循环特殊蓄能器与恒压蓄能器之间的液压油管路、恒压蓄能器和三通阀之间的液压油管路、三通阀与汽车抱闸制动功能单元之间的液压油管路上分别旁接一个安装有安全阀的流回油箱的液压油路。

8.根据权利要求4所述的基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，其特征是：双循环特殊蓄能器与恒压蓄能器之间的液压油管路、恒压蓄能器和三通阀之间的液压油管路、三通阀与汽车抱闸制动功能单元之间的液压油管路上分别旁接一个安装有安全阀的流回油箱的液压油路。

9.根据权利要求5所述的基于蓄能器原理的汽车尾气余热利用***，其特征是：双循环特殊蓄能器与恒压蓄能器之间的液压油管路、恒压蓄能器和三通阀之间的液压油管路、三通阀与汽车抱闸制动功能单元之间的液压油管路上分别旁接一个安装有安全阀的流回油箱的液压油路。

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