专利名称：内燃机耗散热能回收利用装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及内燃机工作中耗散能源的回收利用，特别是涉及活塞式内 燃机经排气系统流失热能的回收利用。
技术背景-
活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，获得了广泛的应用，世界 上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的 地位，虽然经过不断改进和发展，内燃机在设计、制造、工艺、性能等方 面很大的提高，但内燃机燃油的利川率柴油机只有30%、()％，汽油机更低，仅 有25% 30%。由于目前内燃机使用的燃料基本上来自不可再生的石油资源， 提高燃料的有效利用率意义重大。
内燃机的基本原理就是将内燃机作为一个能量转换机构，如汽油机就 是将空气与汽油以一定的比例混合成混合气，在进气行程被吸入汽缸，混 合气经压縮点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动 活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。在这个 过程中，燃料燃烧而产生的热能只有少部分转换为机械能，大部分通过发 动机排气门排出，经排气管系统将热能浪费掉。
发明内容
本实用新型用于内燃机在工作时通过排气系统排出浪费掉的这部分热能 的收集和利用，是一种对内燃机浪费热能的收集和利用装置。
该装置是一个以有机工质为循环载体的密闭循环涡轮发电系统，主要由蒸 汽发生器、涡轮发电机、冷凝器等部分组成，通过将内燃机排气系统排放热能 导入蒸汽发生器，对密闭循环涡轮发电系统的液态有机工质进行传导加热，有 机工质经加热后蒸发并导入涡轮，涡轮转动带动同轴发电机产生电能，实现内 燃机工作中浪费热能的回收和利用，提高燃油有效利用率。
密闭循环涡轮发电系统工作原理如下蒸汽发生器中的液态有机工质经加
热后蒸发，经气体管道导入涡轮，涡轮转动带动同轴发电机产生交流电，有机 工质继而进入冷凝器中冷却，变成液态，最终回到蒸汽发生器，完成一个完整 的循环。只要给蒸汽发生器不断加热，就会持续产生电流。为实现利用内燃机 排放热量对液态有机工质进行加热的目的，本实用新型对密闭循环涡轮发电系 统的蒸汽发生器部分进行特别的设计，在蒸汽发生器腔体内穿入金属管道，管 道出人口两端外壁与蒸汽发生器壳体无缝焊接，使该金属管道内壁和外壁相互 隔绝，其中管道外壁与蒸汽发生器内的液态有机工质相接触，与管道中空部分相隔绝。管道的两端分别是法兰接口， 一端用于连接内燃机排气门，另一端用 于连接消音器等排气系统尾段管道。当两端分别与内燃机排气歧管和排气系统 尾段管道连接后，内燃机工作时排气门排出的高温气体的行程就是通过排气歧 管到穿越密闭循环涡轮发电系统蒸汽发生器的管道再到消音器，最后排入大 气。在这个过程中，高温气体通过贯穿蒸汽发生器的管道时通过金属管壁将热 能向有机工质传导，这段管道起到蒸汽发生器中液态有机工质加热器的作用， 液态有机工质得到加热后，蒸发并导入涡轮膨胀做功，涡轮转动带动同轴发电 机产生交流电，密闭循环涡轮发电系统开始运转，而高温气体流经该段后因热 量损失而温度下降，气体失去的热能转变成驱动涡轮发电机的动能。系统中，
有机工质采用戊烷或物理性质相似化工产品，其沸点为36. rc，蒸汽密
度是空气的2.48倍，采用较小尺寸涡轮和较低的转速就能够为同轴发电机 提供足够的动能，戊烷的临界温度为196.4°C，采用较小体积的冷凝器就 可以利用空气流动实现冷凝，而其凝固点为零下73"C，因此在寒冷气候下仍 可进行散热，不需要增加冷凝器防冻设施，也不影响发电机的电量输出。
为最大限度收集热能、提高密闭循环涡轮发电系统的效率、保证系统与内 燃机协调运转，本实用新型还可以在以下环节进行特别设计 一是对贯穿蒸汽 发生器的管道作螺旋型设计，管道为螺旋形而非直管，以增加对液态有机工质 加热、进行热交换的表面积，螺旋管设计还可以对高温气体起阻尼作用，也方 便在对管道内积碳进行清理时在管道内穿越"清洗条"。为使贯穿蒸汽发生器 的管道可以更换，也可以将蒸汽发生器设计为可以分离的上下两个部分，夹住 管道的进出口端，分离时可以取下管道更换或清理，两部分对接沿口采用法兰 连接，保证对接后蒸汽发生器整体的密封性，特殊情况下，还可以采用多管组 合，用若干根独立金属管并行穿越，在进出口端合并。贯穿蒸汽发生器管道的 设计原则是在不影响内燃机工作中正常排气需要的前提下尽可能收集内燃机 排气系统热能；二是对于多气缸的内燃机，由于排气歧管的表面积大，为了对 歧管管体丧失热能加以收集利用，对歧管进行改型，在歧管表面设计一个平整 面，该平整面可紧贴于蒸汽发生器外壳底部，对蒸汽发生器进行外部加热；三 是在密闭循环涡轮发电系统设计上，蒸汽发生器蒸汽可以用若干支管分别导 出，各支管设独立的涡轮发电组，避免用单个涡轮发电组单体体积大和用单个 同轴发电机可能出现的技术指标、生产技术和加工成本的限制，运用在汽车等
交通工具上，还可以根据安置空间将密闭循环涡轮发电系统进行合理布局；四
是对有机工质经冷凝器冷却为液态后的液体管路设计，将液态有机工质分成2
条支流再回流至蒸汽发生器，其中一条支流流经内燃机缸体冷却水套，代替原来的水冷却对内燃机进行冷却，同时也起到内燃机浪费热能收集作用，这条支 流设电泵，通过缸体温度传感器控制流量，使内燃机保持最佳工作状况，另一 条支流流经同轴发电机所在独立空间，对发动机和轴承进行降温。为使蒸汽发 生器中液体有机工质液面保持在正常高度，液体管末端设电泵，根据蒸汽发生 器中液面高度检测装置的信号控制流量。通过这些设计，使内燃机工作产生的 热能得到最大限度的收集利用，保证系统正常运转。本实用新型各部分可以单 独加工，最后装配。冷凝器、液流等管道形状、长度可以根据使用环境的需要 进行调整，管道之间可用接头连接。
本实用新型可运用在所有采用内燃机的动力机械上。在内燃机列车使 用，获得的电力可直接用于照明等电器设备，在内燃机小型飞机、船舶、 车辆上使用，获得的电力既可以单独驱动电机作为辅助动力，也可以采用 混合形式补充或加强原有动力。由于气态有机工质在冷凝器冷凝过程中会吸 收热量，通过对冷凝管合理布局，可以直接供冷气空调和冷冻、冷藏装置利用 使用。如运用在油电混合汽车上，在发动机工作时通过本实用新型对发动机浪 费热能进行收集并转化为电能成为动力，发动机在原来的工作状态下可以产生 更多的电能供电动机使用，动力得到提高，如果维持原来的动力水平，发动机 可以减少输出功率，意味着用更少的燃油消耗就可以维持原来的汽车动力水平 了，通过本实用新型可使原来浪费的热能得到了回收利用，从而实现节能的目 的。
本实用新型运用于内燃机，不但不会对内燃机的本身热能转化为机械能 的能量转换产生负面的影响，而且还会对内燃机特别是排气门端起到降温 的作用，对内燃机的本身的正常运转起到正面的效果，高温气体经过贯穿蒸 汽发生器的管道后能量得到释放，爆音会降低，内燃机工作的噪音指标会下降， 本实用新型吸收了原本对大气排放的热量，也在保护环境方面起到有益的效 果。
图l:本实用新型装置原理示意图。
图2:实例中油电混合汽车原理示意图，图中虚线箭头为电力传输方向， 实线箭头为动力传输方向。
图1中1蒸汽发生器2穿越蒸汽发生器金属管进接口，用于连接内燃机 排气门3穿越蒸汽发生器金属管出接口，用于连接内燃机排气系统尾段管和 消音器4金属管道在蒸汽发生器的穿越部分，管道为螺旋结构，内壁和外壁相 互隔绝，其中管道外壁与蒸汽发生器内液态有机工质相接触，内燃机排气门排出高温气体从管中通过5液态有机工质6蒸汽室7蒸汽管道8涡轮9轴承 IO同轴发电机ll有机工质气体出口，气体经此出口流向冷凝器12冷凝器13 发电机电力输出接头；图2中14发动机15本实用新型装置16发动机排气 门17经蒸汽发生器后排气尾端18发电机19超级电容器组20整流器本实 用新型产生交流电经其整流后到超级电容器组21逆变器22电动机23驱动 轮。
具体实施方式
以下是利用本实用新型的一个油电混合汽车的具体方案。见图2，这个 方案将本实用新型运用在串联式油电混合汽车上。参考国内某纯电动汽车指 标，采用48V/4KW电动机，整车重量850KG，最快时速可达65公里。满足这一 指标，汽车配置最高功率4kw的汽油发电机，搭载本实用新型二蒸汽支路每支 路500w发电机的密闭循环涡轮发电系统，共同为电动机提供动力。储电器使 用超级电容组，与蓄电池相比，超级电容可以瞬间释放的功率比普通电池高近 十倍，而且不会损坏，充电迅速，速度比普通电池快几十倍，充放电循环寿命 在十万次以上，无污染，免维护。虽然储电量比体积相当的蓄电池小，但本方 案中超级电容组主要起到电量均衡器作用，在发动机和本实用新型产生电能与 电动机消耗电能之间进行均衡，产生的电能大于消耗的电能时储电、产生的电 能小于消耗的电能时放电，通过对超级电容组储电量和电动机工作电流进行监 测，反馈指令控制发动机的输出功率，当超级电容组储电量不足和电动机工作 电流大时，加大发动机的输出功率，反之减少发动机的输出功率，超级电容组 作为储电器，只要能单独维持发动机工作几分钟用于车辆启动和加速就可以 了。本实例中采用72F/60V的超级电容组，容量约为3AH，该超级电容组充满 电下放电至60%，可单独供电动机以最大功率运转1分钟左右。由于密闭循环 涡轮发电和超级电容组系统可以长期免于维护，车辆使用中只要加汽油就可 以，不需要充电，最高功率4kw汽油发电机每小时正常耗油在2升以下。
权利要求1、一种内燃机耗散热能的回收利用装置，其特征在于它是一个以有机工质为循环载体的密闭循环涡轮发电系统，主要由蒸汽发生器、涡轮同轴发电机、冷凝器等部分组成。
2、 根据权利要求l所述的内燃机耗散热能的回收利用装置，其特征在于蒸汽 发生器腔体内穿入金属管道，该金属管道内壁和外壁相互隔绝，管道的两端分 别设置法兰接口。
专利摘要一种内燃机工作中耗散热能的回收利用装置。经对内燃机排气管道系统耗散的热能和内燃机缸体热能进行收集，供以有机工质为循环载体的密闭循环涡轮发电系统利用，作为加热有机工质的热源，使有机工质在密闭循环涡轮发电系统的蒸汽发生器中蒸发并导入涡轮做功，涡轮转动带动同轴发电机产生交流电，从而使得内燃机原本浪费的热能变成可以直接利用的电能。本实用新型可广泛运用于采用内燃机的汽车、列车、船舶、小型飞机等动力机械上。
文档编号F01D15/10GK201391373SQ20092014960
公开日2010年1月27日 申请日期2009年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者请求不公开姓名 申请人:徐丽敏