一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统.pdf

一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统，涉及可再生能源领域，尤其涉及发动机余热回收与利用领域。该系统包括发动机及一套基于活塞膨胀机的余热回收装置。本系统可以回收发动机排气与冷却水中的废热，经由有机朗肯循环将其转化为机械能。与现有余热回收系统相比，本发明的特点在于将活塞膨胀机与活塞发动机进行集成，余热回收系统回收的能量可直接用于发动机在排气过程和压缩过程上能量的消耗，由于无额外的发电机和其他能量转化装置，系统内能量传递损失小，且具有结构紧凑、增加额外组件少等优点，有较为广泛的应用前景。

权利要求书
1.  一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统，其特征在于：该系统包括蒸发器(1)、冷凝器(2)、工质罐(3)、工质泵(4)、冷却液泵(5)、膨胀缸(6)、燃烧缸(7)、回热器(8)、曲柄连杆机构(9)；气体流分别流经两个燃烧缸(7)，之后再流入蒸发器(1)；工质流依次流经工质泵(4)、回热器(8)、蒸发器(1)、膨胀缸(6)、冷凝器(2)、工质罐(3)，工质罐(3)内的工质再经由工质泵(4)泵出，变为高压工质的流经回路；冷却液流依次流经冷却液泵(5)、燃烧缸(7)四周的冷却液通道、回热器(8)、冷凝器(2)，冷凝器(2)中的冷却液再流入冷却液泵(5)，由冷却液泵(5)泵出构成冷却液回路；系统中燃料为汽油，工质为乙醇，冷却液为发动机防冻液；所述的膨胀缸(6)与燃烧缸(7)的活塞连杆均集成到曲柄连杆机构(9)，膨胀缸(6)与燃烧缸(7)的活塞连杆大头在曲轴上的连接相位呈180°夹角；工质泵(4)与冷却液泵(5)均集成到曲柄连杆机构(9)中曲轴的一端。

2.  根据权利1要求所述的一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统，其特征在于：在膨胀缸(6)与蒸发器(1)之间，膨胀缸(6)与冷凝器(2)之间分别连接有常开电磁阀a(10)与常开电磁阀b(11)，常开电磁阀a(10)与常开电磁阀b(11)所在的管路通过常闭电磁阀(12)连通，且常闭电磁阀(12)靠近蒸发器(1)和冷凝器(2)的出入口。

3.  根据权利1要求所述的一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统，其特征在于：工质流与冷却液流均使用同一风冷式冷凝器(2)进行冷却。

4.  根据权利1或2要求所述的一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统，其特征在于：当燃烧缸(7)中的活塞处于下止点时，膨胀缸(6)中的活塞处于上止点；当燃烧缸(7)中的活塞处于上止点时，膨胀缸(6)中 的活塞处于下止点。

5.  根据权利1或2或3要求所述的一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统，其特征在于：当两个燃烧缸(7)分别处于进气过程和做功过程时，两个膨胀缸(6)均处于排气过程；当两个燃烧缸(7)分别处于压缩过程和排气过程时，两个膨胀缸(6)均处于膨胀过程。

说明书一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统
技术领域
本发明涉及一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统，涉及可再生能源领域，尤其涉及发动机余热回收与利用领域。
背景技术
随着我国汽车保有量的快速增长，汽车内燃机在消耗大量汽油、柴油的同时，排放到大气中的燃烧产物也对环境造成了很大的影响。从目前内燃机的热平衡看，用于有效动力输出的能量仅占燃料燃烧总热量的20％-40％，以废热形式排出车外的能量可占到燃烧总能量的60％-70％，主要包括内燃机冷却液带走的热量和排气带走的热量，其中排气带走的热量约占燃料燃烧总热量的40％-45％，内燃机排气余热回收是内燃机提高热效率、节约能源、降低有害排放物总量的关键技术之一。但是，由于车内布置空间小，余热回收系统部件多等原因，尚无成型的产品问世，故该领域市场正处于空白阶段，具有较为广阔的市场前景与投资空间。因此开发一套适用于发动机余热回收的系统迫在眉睫。
为解决上述问题，本发明提出一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统。本系统通过回收发动机排气和冷却液中的热能，将其转化为作用在发动机曲轴上的机械能，用于发动机压缩过程和排气过程上的能量的消耗，进而提升发动机的效率。同时，通过将活塞膨胀机与活塞发动机进行集成，有效减少整个余热回收系统的体积，便于布置。
发明内容
本发明目的在于设计一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统。本系统通过回收发动机排气与冷却液中废热，经由有机朗肯循环将热能转化为机械能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于活塞发动机与活塞膨 胀机集成装置的余热回收系统。
一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统，其特征在于：该系统包括蒸发器1、冷凝器2、工质罐3、工质泵4、冷却液泵5、膨胀缸6、燃烧缸7、回热器8、曲柄连杆机构9；气体流分别流经两个燃烧缸7，之后再流入蒸发器1；工质流依次流经工质泵4、回热器8、蒸发器1、膨胀缸6、冷凝器2、工质罐3，工质罐3内的工质再经由工质泵4泵出，变为高压工质的流经回路；冷却液流依次流经冷却液泵5、燃烧缸7四周的冷却液通道、回热器8、冷凝器2，冷凝器2中的冷却液再流入冷却液泵5，由冷却液泵5泵出构成冷却液回路；所述的膨胀缸6与燃烧缸7的活塞连杆均集成到曲柄连杆机构9，膨胀缸6与燃烧缸7的活塞连杆大头在曲轴上的连接相位呈180°夹角；工质泵4与冷却液泵5均集成到曲柄连杆机构9中曲轴的一端。
在膨胀缸6与蒸发器1之间，膨胀缸6与冷凝器2之间分别连接有常开电磁阀a10与常开电磁阀b11，常开电磁阀a10与常开电磁阀b11所在的管路通过常闭电磁阀12连通，且常闭电磁阀12靠近蒸发器1和冷凝器2的出入口。
工质流与冷却液流均使用同一风冷式冷凝器2进行冷却。 
当燃烧缸7中的活塞处于下止点时，膨胀缸6中的活塞处于上止点；当燃烧缸7中的活塞处于上止点时，膨胀缸6中的活塞处于下止点。
当两个燃烧缸7分别处于进气过程和做功过程时，两个膨胀缸6均处于排气过程；当两个燃烧缸7分别处于压缩过程和排气过程时，两个膨胀缸6均处于膨胀过程。
系统中发动机使用的燃料为汽油，使用的冷却液为发动机防冻液，余热回收系统使用的工质为乙醇。运行过程中，汽油与空气的混合气体流入燃烧缸7， 燃烧后转变为高温的废气排出燃烧缸7，流入蒸发器1，成为余热回收系统的主要热源；冷却液在冷却液泵5的作用下，流经燃烧缸7四周的冷却液通道，冷却发动机缸体并回收部分热量，随后流入回热器8，成为余热回收系统的次要热源；工质乙醇在工质泵4的作用下，依次流经回热器8、蒸发器1、膨胀缸6、冷凝器2、工质罐3，基于有机朗肯循环的工作原理，完成对发动机余热的回收与利用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、将活塞膨胀机与活塞发动机进行集成，可直接将回收的能量作用在发动机的耗功过程(包括进气过程、压缩过程、排气过程)上，减少能量的传递损失，且结构紧凑。
2、将工质泵集成在曲轴上，可减小工质泵体积，且工质泵由曲轴驱动，无需增加额外的驱动装置。
3、采用乙醇作为工质，可有效地解决活塞膨胀机中活塞与壁面之间易泄露的问题，泄露的乙醇气体可通过曲轴箱通风系统通入进气道，作为可燃气体在燃烧缸内进行利用。
附图说明
附图1为一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统的结构示意图。
附图2为活塞发动机与活塞膨胀机集成装置在某一工况下的运行示意图。
附图3为活塞发动机与活塞膨胀机集成装置进、排气门升程示意图。
图1中：1、蒸发器；2、冷凝器；3、工质罐；4、工质泵；5、冷却液泵；6、膨胀缸；7、燃烧缸；8、回热器；9、曲柄连杆机构；10、常开电磁阀a；11、常开电磁阀b；12常闭电磁阀。
图2中：A，C、燃烧缸分别对外做功；B，D、膨胀缸对外做功。
图3中：实线、进气门升程线；虚线、排气门升程线。
具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行进一步说明。
该系统包括蒸发器1、冷凝器2、工质罐3、工质泵4、冷却液泵5、膨胀缸6、燃烧缸7、回热器8、曲柄连杆机构9；其中虚线连接代表系统中的气体流，气体流依次流经燃烧缸7、蒸发器1；实线连接代表系统中的工质流，工质流依次流经工质泵4、回热器8、蒸发器1、膨胀缸6、冷凝器2、工质罐3；点划线连接代表系统中的冷却液流，冷却液流依次流经冷却液泵5、燃烧缸7四周的冷却液通道、回热器8、冷凝器2；系统中燃料为汽油，工质为乙醇，冷却液为发动机防冻液。膨胀缸6与燃烧缸7均集成到曲柄连杆机构9上；工质泵4与冷却液泵5均集成到曲柄连杆机构9中曲轴的一端；工质流与冷却液流均使用同一风冷式冷凝器2进行冷却。
本发明提出一种基于活塞膨胀机的发动机余热回收系统。本系统通过回收发动机排气和冷却液中的热能，将其转化为作用在发动机曲轴上的机械能，用于填补发动机在压缩过程和排气过程中所需的能量，提升发动机的效率。系统运行过程中，液态乙醇在工质泵4的作用下转变为高压液态乙醇，依次流经余热回收系统中的回热器8、蒸发器1、膨胀缸6、冷凝器2、工质罐3。在流经回热器8时，高压液态乙醇不仅可以从冷却液中回收部分热量，同时还可以降低冷却液温度，缓解冷凝器2中冷却液端的散热压力。在流经蒸发器1时，高压液态乙醇通过吸收发动机排气中的热量转变高压气态乙醇。在流经膨胀缸6时，高压气态乙醇膨胀做功后，转变为低压气态乙醇，并通过曲柄连杆机构9将回收的热能转换为作用在发动机曲轴上的机械能，推动发动机燃烧缸7内的活塞进行压缩过程和排气过程。在流经冷凝器2时，低压气态乙醇经过风机冷却转变为低压液态乙醇，重新流入工质罐3中，完成整个有机朗肯循环过程。同时， 冷却液在冷却液泵5的作用下依次流经燃烧缸7四周的冷却液通道、回热器8、冷凝器2。通过这一过程，冷却液不仅完成冷却燃烧缸7，维持发动机稳定运行的基本工作，还为回热器8中的液态乙醇进行预加热，达到发动机余热多次回收的目的。在发动机启动初期，由于排气温度无法达到可使高压液态乙醇转变为气态的温度，因此需要将膨胀缸6断开，此时常开电磁阀a10与常开电磁阀b11关闭，常闭电磁阀12打开，液态乙醇在无膨胀缸6的循环中流动；当通过布置在蒸发器1工质出口的温度传感器和压力传感器检测的数值判定此时工质为气态时，常开电磁阀a10与常开电磁阀b11打开，常闭电磁阀12关闭，整个有机朗肯循环开始正常运行。
本系统的特点在于将膨胀缸6与燃烧缸7进行集成，通过曲柄连杆机构9将回收的热能转换为作用在发动机曲轴上的机械能，推动发动机燃烧缸内的活塞进行压缩过程和排气过程。通常情况下，燃烧缸7内需经历四个过程：进气过程、压缩过程、做功过程、排气过程；膨胀缸6内需经历两个过程：进气-膨胀过程(简称膨胀过程)、排气过程。膨胀缸6与燃烧缸7内的活塞连接到曲轴上的位置相差180°，当一个燃烧缸7处于进气过程时，另一个燃烧缸7处于做功过程，膨胀缸6均处于排气过程，此时，除飞轮盘积蓄的动能外，处于做功过程的燃烧缸7在对外输出功率的同时，也提供维持其他缸内活塞运动的能量；当一个燃烧缸7处于压缩过程时，另一个燃烧缸7处于排气过程，两个膨胀缸6均处于膨胀过程，此时，除飞轮盘积蓄的动能外，处于膨胀过程的两个膨胀缸6同时提供维持燃烧缸7内活塞运动的能量。
为了达到上述的工作过程，需要对活塞发动机与活塞膨胀机集成装置重新匹配适合的凸轮轴。图3中实线代表进气门升程，虚线代表排气门升程。活塞 每运行一个行程，曲轴则转动180°。当一个燃烧缸7进气门打开，排气门关闭，另一个燃烧缸7进、排气门均关闭时，两个膨胀缸6进气门均关闭，排气门均打开；当一个燃烧缸7进、排气门均关闭，另一个燃烧缸7进气门关闭，排气门打开时，两个膨胀缸6进气门先打开，后关闭，排气门均关闭。
系统中的新型耦合发动机可利用现有四缸四行程汽车发动机进行改造，根据所设计的气门正时，加工凸轮轴，工质泵4可根据布置要求，连接在曲轴一端或正时皮带(正时链条)上。本发明基于一种活塞膨胀机和活塞发动机的集成装置，将余热系统回收的能量直接用于发动机燃烧缸内的排气过程和压缩过程上，可以有效地解决现有车用发动机缺少足够空间布置余热回收系统组件的问题，同时系统中能量传递损失小，且具有结构紧凑、增加额外组件少等优点，有较为广泛的应用前景。