CN208564709U - 自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收*** - Google Patents

自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收*** Download PDF

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Abstract

基于DC/DC的自由活塞膨胀机‑直线发电机车用余热回收***，属于节能减排领域。本实用新型提出一种新型自由活塞膨胀机‑直线发电机集成单元作为热电转换装置，并基于双向DC/DC转换器设计了一套新型的车用余热回收***，该***将发动机排气能转化成高品位的电能，并通过双向DC/DC转换器直接用于整车供电和驱动电机，或将电能储存在蓄电池和超级电容中，在很大的程度上满足了车载动力电源对高能量、大功率、小体积的技术要求。该***不仅可以提高燃油经济性、降低油耗和污染物的排放，还可以降低电能的损耗，提高汽车的行驶里程。

Description

自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***
技术领域
本实用新型涉及一种基于DC/DC转换器的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***，属于节能减排领域。
背景技术
随着科技进步和经济发展，人们对能源的需求逐步提升，提高能量的利用效率成为今日能源领域不可回避的重要话题，而车用内燃机数量众多，能源消耗大，但是效率较低。从传统车用内燃机的能量平衡来看，燃料燃烧总能量的70％-80％ (汽油机)或55％-70％(柴油机)主要通过冷却介质和排气被排放到大气中。因此，将车用内燃机余热能高效回收再利用可以有效地提高车用内燃机总能效率、降低燃油消耗量。有机朗肯循环***是一种灵活高效的余热能利用方式，其可用能源品位广且适用于变工况能力较强，成为降低车用内燃机油耗、减少其污染物排放的有效途径之一。除此之外，发展和推广使用新能源汽车也是另一种节能减排的有效途径，其中，混合动力汽车凭借其优越的性能和良好的产业基础受到了广大汽车商的青睐。
目前，已有专利提出利用有机朗肯循环***回收内燃机余热能，通过***中的膨胀机将余热能转化为电能储存在蓄电池中，用于整车供电和驱动电机，形成车用混合动力***。但是以上所提的油电混合动力汽车以及利用有机朗肯循环***形成的混合动力汽车依然存在一些问题，如：当内燃机单独工作时，燃油利用率较低，油耗较高，大约1/3的能量通过排气被排放到大气当中。除此之外，随着混合动力汽车和纯电动汽车的快速发展，对动力电池寿命和续驶里程的要求更高，单一的电能储存装置无法满足整车对车载储能装置的需求。
膨胀机作为有机朗肯循环***的核心做功部件，其性能的优劣对有机朗肯循环***的输出性能有直接的影响。但是在回收车用发动机排气余热能量时，由于受到工质流量小的制约，将传统的容积膨胀机应用于车用有机朗肯循环***等小型余热回收***中存在一定困难。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决上述问题，提出一种新型自由活塞膨胀机耦合直线发电机的集成单元作为有机朗肯循环***中的热电转换装置，并以四个高速电控电动阀来代替传统的机械气门来实现膨胀机的精确配气。该装置将两台自由活塞膨胀机对置放置并通过连杆与直线发电机动子耦合，可将进入自由活塞膨胀机的高温、高压工质气体所携带的能量转化为电能。并基于该装置设计了可靠的电能利用储存控制方式，回收的电能通过双向DC/DC转换器将电压调节为车载电器设备以及驱动电机所需要的电压值，直接进行供电。当余热回收***处于较佳运行状态，自由活塞膨胀机-直线发电机产生的电能较多时，多余的电能可以存储在蓄电池和电容中。超级电容和蓄电池复合使用的复合电源***，在很大的程度上满足了车载动力电源对高能量、大功率、小体积的技术要求。这样既可以提高燃油的利用率，降低油耗和污染物的排放，还可以降低电能的损耗，提高汽车的行驶里程。
为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术解决方案：
一种基于DC/DC转换器的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***，该***主要包括有机朗肯循环***、电能利用储存***、控制***。具体包括：车用内燃机(1)、蒸发器(2)、自由活塞膨胀机-直线发电机(3)、冷凝器(4)、储液罐(5)、工质泵(6)、整流器(7)、电阻器(8)、双向DC/DC转换器(9)、蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13)、控制单元(14)、电动阀一(15)、电动阀二(16)、电动阀三(17)、电动阀四(18)、电动阀五(19)、电动阀六(20)、温度传感器一(21)、温度传感器二(22)、温度传感器三(23)、温度传感器四(24)、压力传感器一(25)、压力传感器二(26)、自由活塞膨胀机一(27)、自由活塞膨胀机二(28)、自由活塞一(29)、自由活塞二(30)、活塞环一(31)、活塞环二(32)、直线发电机(33)、直线发电机动子(34)、防撞垫一(35)、防撞垫二(36)、进气门一(37)、进气门二(38)、排气门一(39)、排气门二(40)、位移传感器(41)以及各种连接管路和电路。
有机朗肯循环***主要包括：车用内燃机(1)、蒸发器(2)、自由活塞膨胀机-直线发电机(3)、冷凝器(4)、储液罐(5)、工质泵(6)。其中自由活塞膨胀机-直线发电机(3)集成单元的主要结构如下，自由活塞膨胀机一(27)的气缸上布置有进气门一(37)、排气门一(39)、温度传感器一(21)和压力传感器一(25)；气缸内自由活塞一(29)上布置有活塞环一(31)。同理，自由活塞膨胀机二(28)的气缸上布置有进气门二(38)、排气门二(40)、温度传感器二(22) 和压力传感器二(26)；气缸内自由活塞二(30)上布置有活塞环二(32)。自由活塞膨胀机一(27)和自由活塞膨胀机二(28)采用水平对置放置，并通过连杆将自由活塞一(29)、自由活塞二(30)和直线发电机动子(34)耦合在一起形成活塞动子组件；位移传感器(41)内置布置在直线发电机动子(34)内；进一步，活塞动子组件的连杆两侧布置有防撞垫一(35)和防撞垫二(36)。进一步，电容采用超级电容器。
有机朗肯循环***各部件连接关系是：车用内燃机(1)的排气总管分为两个支路，一条支路经过电动阀五(19)后直接与大气相通，另一条支路经过电动阀六(20)与蒸发器(2)通过管路相连接，排气经过管路进入蒸发器(2)与有机工质进行换热，将能量传递给有机工质后排入大气中；蒸发器(2)的一端与工质泵(6)通过管路相连接，另一端通过管路分别与电动阀一(15)和电动阀二(16)相连接，电动阀一(15)与自由活塞膨胀机一(27)的进气门一(37) 通过管路相连接；电动阀二(16)与自由活塞膨胀机二(28)的进气门二(38) 通过管路相连接；排气门一(39)通过管路与电动阀三(17)相连接，排气门二 (40)通过管路与电动阀四(18)相连接；电动阀三(17)和电动阀四(18)通过管路与冷凝器(4)相连接；储液罐(5)的一端与工质泵(6)相连接，另一端通过管路与冷凝器(4)相连接，以上所有连接均为管路连接，形成完整的有机朗肯循环回路。
电能利用储存***主要包括：直线发电机(33)、整流器(7)、电阻器(8) 双向DC/DC转换器(9)、蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13)。直线发电机(33)产生的电能经过整流器(7)和电阻器(8)进入双向DC/DC转换器(9)中，双向DC/DC转换器(9)分别与蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13)、控制单元(14)通过电路相连接。双向DC/DC转换器(9)将直流电压调节为不同的电压值，然后分别供给蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13)和控制单元(14)，也可将蓄电池(10)和电容(12)中的电能经过调节之后供给车载电器设备(11)、驱动电机(13)和控制单元(14)。
控制***主要包括：控制单元(14)、电动阀一(15)、电动阀二(16)、电动阀三(17)、电动阀四(18)、电动阀五(19)、电动阀六(20)、温度传感器一 (21)、温度传感器二(22)、温度传感器三(23)、温度传感器四(24)、压力传感器一(25)、压力传感器二(26)、位移传感器(41)。温度传感器一(21)布置在电动阀五(19)和电动阀六(20)之前的排气总管上；温度传感器二(22) 布置在蒸发器(2)之后的排气管路上。
与现有技术方案相比，本发明具有以下优点：
1、本实用新型提出一种基于DC/DC转换器的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***，相比于传统的汽车以及混合动力汽车，该***可以提高燃油经济性、提高内燃机总能效率、降低环境污染、提高车辆行驶里程。
2、本实用新型中的自由活塞膨胀机-直线发电机集成单元与传统余热回收***中的膨胀机相比，其活塞动子组件在一条直线上往复运动，减少了活塞和气缸间的摩擦力能量损失，能量转化效率较高；自由活塞膨胀机-直线发电机没有曲柄连杆机构的约束，装置结构紧凑，机电一体化程度高，膨胀比可变，适用于不同的运行工况；且采用重新设计的配气方式，电动阀响应迅速，运行稳定，电控单元可根据位移、缸内压力、温度信号及时调整电动阀的开闭，形成闭环控制，满足自由活塞膨胀机的配气要求。
3、本实用新型针对混合动力汽车对高能量密度电能存储***的需求，建立了超级电容和蓄电池复合使用的复合电源***。车辆在不同的行驶工况下，复合电源***有不同的工作模式。超级电容和蓄电池复合使用的复合电源***，在很大的程度上满足了车载动力电源对高能量、大功率、小体积的技术要求。
4、该***采用双向DC/DC转换器来进行电能的传递，既可以为蓄电池和电容充电，又可以利用蓄电池和电容的电能给驱动电机和车载电器设备供电。通过改变电阻器阻值的大小，可以改变直线发电机电磁力的大小，从而影响活塞动子连杆组件的运动速度，进而改变了直线发电机动子切割磁感线的速度，最终改变了自由活塞膨胀机-直线发电机的输出电压/电流的大小。为了使自由活塞膨胀机 -直线发电机的运行在最佳的工作状态，通过控制单元结合汽车不同的运行工况下，选择实时适应的电阻器阻值的大小，使直线发电机的输出功率最大；通过 DC-DC转换器中PWM占空比的调节，占空比增加输出电压也增加，占空比减小输出电压减小，可以调节DC/DC转换器的输出电压以及蓄电池和超级电容的充/放电压。
附图说明
图1是基于DC/DC转换器的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***原理示意图
图2是自由活塞膨胀机-直线发电机集成单元示意图
图中：1、车用内燃机；2、蒸发器；3、自由活塞膨胀机-直线发电机；4、冷凝器；5、储液罐；6、工质泵；7、整流器；8、电阻器；9、双向DC/DC转换器；10、蓄电池；11、车载电器设备；12、电容；13、驱动电机；14、控制单元； 15、电动阀一；16、电动阀二；17、电动阀三；18、电动阀四；19、电动阀五； 20、电动阀六；21、温度传感器一；22、温度传感器二；23、温度传感器三；24、温度传感器四；25、压力传感器一；26、压力传感器二；27、自由活塞膨胀机一； 28、自由活塞膨胀机二；29、自由活塞一；30、自由活塞二；31、活塞环一；32、活塞环二；33、直线发电机；34、直线发电机动子；35、防撞垫一；36、防撞垫二；37、进气门一；38、进气门二；39、排气门一；40、排气门二；41、位移传感器。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不限于以下实施例。
实施例1：下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1、2所示，一种基于DC/DC转换器的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***，该***主要包括有机朗肯循环***、电能利用储存***、控制***。具体包括：车用内燃机(1)、蒸发器(2)、自由活塞膨胀机-直线发电机 (3)、冷凝器(4)、储液罐(5)、工质泵(6)、整流器(7)、电阻器(8)、双向 DC/DC转换器(9)、蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机 (13)、控制单元(14)、电动阀一(15)、电动阀二(16)、电动阀三(17)、电动阀四(18)、电动阀五(19)、电动阀六(20)、温度传感器一(21)、温度传感器二(22)、温度传感器三(23)、温度传感器四(24)、压力传感器一(25)、压力传感器二(26)、自由活塞膨胀机一(27)、自由活塞膨胀机二(28)、自由活塞一(29)、自由活塞二(30)、活塞环一(31)、活塞环二(32)、直线发电机(33)、直线发电机动子(34)、防撞垫一(35)、防撞垫二(36)、进气门一(37)、进气门二(38)、排气门一(39)、排气门二(40)、位移传感器(41)以及各种连接管路和电路。
有机朗肯循环***主要包括：车用内燃机(1)、蒸发器(2)、自由活塞膨胀机-直线发电机(3)、冷凝器(4)、储液罐(5)、工质泵(6)。其中自由活塞膨胀机-直线发电机(3)集成单元的主要结构如下，自由活塞膨胀机一(27)的气缸上布置有进气门一(37)、排气门一(39)、温度传感器一(21)和压力传感器一(25)；气缸内自由活塞一(29)上布置有活塞环一(31)。同理，自由活塞膨胀机二(28)的气缸上布置有进气门二(38)、排气门二(40)、温度传感器二(22) 和压力传感器二(26)；气缸内自由活塞二(30)上布置有活塞环二(32)。自由活塞膨胀机一(27)和自由活塞膨胀机二(28)采用水平对置放置，并通过连杆将自由活塞一(29)、自由活塞二(30)和直线发电机动子(34)耦合在一起形成活塞动子组件；位移传感器(41)内置布置在直线发电机动子(34)内；活塞动子组件的连杆两侧布置有防撞垫一(35)和防撞垫二(36)。
电能利用储存***主要包括：直线发电机(33)、整流器(7)、电阻器(8) 双向DC/DC转换器(9)、蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13)。
控制***主要包括：控制单元(14)、电动阀一(15)、电动阀二(16)、电动阀三(17)、电动阀四(18)、电动阀五(19)、电动阀六(20)、温度传感器一 (21)、温度传感器二(22)、温度传感器三(23)、温度传感器四(24)、压力传感器一(25)、压力传感器二(26)、位移传感器(41)。温度传感器一(21)布置在电动阀五(19)和电动阀六(20)之前的排气总管上；温度传感器二(22) 布置在蒸发器(2)之后的排气管路上。温度传感器(21，22，23，24)、压力传感器(25，26)和位移传感器(41)将采集的信号传递给控制单元(14)；电动阀一(15)、电动阀二(16)、电动阀三(17)、电动阀四(18)、电动阀五(19)、电动阀六(20)的开闭由控制单元(14)控制。
有机朗肯循环***各部件连接关系是：车用内燃机(1)的排气总管分为两个支路，一条支路经过电动阀五(19)后直接与大气相通，另一条支路经过电动阀六(20)与蒸发器(2)通过管路相连接，排气经过管路进入蒸发器(2)与有机工质进行换热，将能量传递给有机工质后排入大气中；蒸发器(2)的一端与工质泵(6)通过管路相连接，另一端通过管路分别与电动阀一(15)和电动阀二(16)相连接，电动阀一(15)与自由活塞膨胀机一(27)的进气门一(37) 通过管路相连接；电动阀二(16)与自由活塞膨胀机二(28)的进气门二(38) 通过管路相连接；排气门一(39)通过管路与电动阀三(17)相连接，排气门二 (40)通过管路与电动阀四(18)相连接；电动阀三(17)和电动阀四(18)通过管路与冷凝器(4)相连接；储液罐(5)的一端与工质泵(6)相连接，另一端通过管路与冷凝器(4)相连接，以上所有连接均为管路连接，形成完整的有机朗肯循环回路。
上述电能利用储存***各部件连接关系是：直线发电机(33)、整流器(7)、电阻器(8)、双向DC/DC转换器(9)通过电路依次首尾连接，双向DC/DC转换器(9)分别与蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13) 通过电路相连接。双向DC/DC转换器(9)将直流电压调节为不同的电压值，然后分别供给蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13)和控制单元(14)，也可将蓄电池(10)和电容(12)中的电能经过调节之后供给车载电器设备(11)、驱动电机(13)和控制单元(14)。
以下结合附图详细说明基于DC/DC转换器的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***的工作原理：
设置不同的预设温度T作为控制信号，通过控制单元(14)控制电动阀(19， 20)的开闭。
当车用内燃机(1)工作时，当温度传感器一(21)检测到排气温度低于T 时，控制单元(14)发出指令，电动阀五(19)接通，内燃机的尾气通过电动阀五(19)所在排气管路直接排入大气中。当温度传感器一(21)检测到排气温度高于T时，控制单元(14)发出指令，电动阀五(19)关闭，电动阀六(20) 接通，内燃机尾气通过电动阀六(20)所在管路进入蒸发器(2)中与经过工质泵(6)加压的有机工质进行换热，高温尾气所携带的能量传递给液态有机工质，使其变为高温高压气态有机工质，然后高温高压气态有机工质进入自由活塞膨胀机(27，28)内，在自由活塞膨胀机(27，28)内交替膨胀做功，推动活塞动子组件往复运动，活塞动子组件往复运动过程中带动直线发电机的动子(34)做切割磁感线的运动，从而产生电能输出。做功后的低压乏汽通过管路进入冷凝器(4)，在冷凝器(4)中经过冷却水的作用将低压乏汽冷却为液态有机工质，液态有机工质通过管路流入储液罐(5)内，将液态有机工质暂时储存。然后工质泵(6) 将有机工质加压后再次送到蒸发器(2)中与高温尾气进行换热，至此，完成一个工作循环。
直线发电机(33)产生的电能经过整流器(7)整流后转换为直流电流，然后经过电阻器(8)，通过控制单元(14)可以改变电阻器(8)阻值的大小，外接负载电阻的改变使直线发电机(33)的电磁力发生变化，进而影响活塞动子组件的运动速度，从而改变了直线发电机动子(34)切割磁感线的速度，最终改变了自由活塞膨胀机-直线发电机(3)的输出电压/电流的大小。通过控制电阻器 (8)阻值的大小，使直线发电机的输出功率最大。输出的电流经过电阻器(8) 后流向双向DC/DC转换器(9)。双向DC/DC转换器具有实现双象限运行、能量的双向流动、降低***造价、减小***体积等优点。当能量由高压侧流向低压侧时，双向DC/DC转换器工作在BUCK模式；能量由低压侧流向高压侧时，双向DC/DC转换器工作在BOOST工作模式。经过双向DC/DC转换器(9)的升压/降压后直接为控制单元(14)、驱动电机(13)、车载电器设备(10)(例如：空调以及其他辅助设备)供电，若直线发电机(33)输出的电能较多时，可将电能存储在蓄电池(10)和电容(12)内；若直线发电机(33)产生的电能不足以为驱动电机(11)或车载电器设备(10)提供动力时，可通过蓄电池(10)和电容(12)辅助为驱动电机(13)或车载电器设备(11)提供电能；车辆上坡或在泥泞的道路时需要加大驱动力，功率需求变大，此时需要蓄电池和电容同时工作，增大功率以满足驱动功率的需求；车辆起步和一般行驶状态下，车辆的功率需求比较小，蓄电池(10)单独放电即能满足功率需求。

Claims (3)

1.自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***，其特征在于，该***包括有机朗肯循环***、电能利用储存***和控制***；
有机朗肯循环***包括：车用内燃机(1)、蒸发器(2)、自由活塞膨胀机-直线发电机(3)、冷凝器(4)、储液罐(5)、工质泵(6)；其中自由活塞膨胀机-直线发电机(3)结构如下，自由活塞膨胀机一(27)的气缸上布置有进气门一(37)、排气门一(39)、温度传感器一(21)和压力传感器一(25)；气缸内自由活塞一(29)上布置有活塞环一(31)；自由活塞膨胀机二(28)的气缸上布置有进气门二(38)、排气门二(40)、温度传感器二(22)和压力传感器二(26)；气缸内自由活塞二(30)上布置有活塞环二(32)；自由活塞膨胀机一(27)和自由活塞膨胀机二(28)采用水平对置放置，并通过连杆将自由活塞一(29)、自由活塞二(30)和直线发电机动子(34)耦合在一起形成活塞动子组件；位移传感器(41)布置在直线发电机动子(34)内；有机朗肯循环***各部件连接关系是：车用内燃机(1)的排气总管分为两个支路，一条支路经过电动阀五(19)后直接与大气相通，另一条支路经过电动阀六(20)与蒸发器(2)通过管路相连接，排气经过管路进入蒸发器(2)与有机工质进行换热，将能量传递给有机工质后排入大气中；蒸发器(2)的一端与工质泵(6)通过管路相连接，另一端通过管路分别与电动阀一(15)和电动阀二(16)相连接，电动阀一(15)与自由活塞膨胀机一(27)的进气门一(37)通过管路相连接；电动阀二(16)与自由活塞膨胀机二(28)的进气门二(38)通过管路相连接；排气门一(39)通过管路与电动阀三(17)相连接，排气门二(40)通过管路与电动阀四(18)相连接；电动阀三(17)和电动阀四(18)通过管路与冷凝器(4)相连接；储液罐(5)的一端与工质泵(6)相连接，另一端通过管路与冷凝器(4)相连接，以上所有连接均为管路连接，形成完整的有机朗肯循环回路；
电能利用储存***包括：直线发电机(33)、整流器(7)、电阻器(8)双向DC/DC转换器(9)、蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13)；
电能利用储存***各部件连接关系是：直线发电机(33)、整流器(7)、电阻器(8)、双向DC/DC转换器(9)通过电路依次首尾连接，双向DC/DC转换器(9)分别与蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13) 通过电路相连接；双向DC/DC转换器(9)将直流电压调节为不同的电压值，然后分别供给蓄电池(10)、车载电器设备(11)、电容(12)、驱动电机(13)和控制单元(14)，或者/和将蓄电池(10)和电容(12)中的电能经过调节之后供给车载电器设备(11)、驱动电机(13)和控制单元(14)；
控制***包括：控制单元(14)、电动阀一(15)、电动阀二(16)、电动阀三(17)、电动阀四(18)、电动阀五(19)、电动阀六(20)、温度传感器一(21)、温度传感器二(22)、温度传感器三(23)、温度传感器四(24)、压力传感器一(25)、压力传感器二(26)、位移传感器(41)；温度传感器一(21)布置在电动阀五(19)和电动阀六(20)之前的排气总管上；温度传感器二(22)布置在蒸发器(2)之后的排气管路上；温度传感器、压力传感器和位移传感器(41)将采集的信号传递给控制单元(14)；电动阀一(15)、电动阀二(16)、电动阀三(17)、电动阀四(18)、电动阀五(19)、电动阀六(20)的开闭由控制单元(14)控制。
2.根据权利要求1所述的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***，其特征在于，电阻器(8)采用滑动变阻器。
3.根据权利要求1所述的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收***，其特征在于，
活塞动子组件的连杆两侧分别布置有防撞垫一(35)和防撞垫二(36)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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