內燃機廢氣能量回收利用裝置的製作方法

2023-05-27 20:05:31 1

專利名稱：內燃機廢氣能量回收利用裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種將損失掉的能量回收利用裝置，具體地說是一種將內燃機排放廢氣中含有的氣體壓力能和熱能回收利用的裝置。
內燃機工作循環中膨脹過程接近終了時，由於汽缸系統結構與工作條件的限定，氣體的膨脹功已很難再進一步轉化為有效功，內燃機轉入排氣過程工作。排氣門打開時，氣體壓力約在0.4Mpa，氣體溫度約在1000K，排出的廢氣中含有幾乎和內燃機所作有效功相等的能量。傳統上對廢氣中的能量有兩種處理方法，一是利用消聲器消耗廢氣中的能量，以免廢氣直接排入大氣產生強烈的排氣噪聲；二是利用廢氣渦輪增壓技術和裝置，藉助廢氣中的部分能量來提高內燃機的進氣壓力增加充氣量，以改善內燃機的動力性和經濟性。消聲器一般由進氣管、排氣管、擴散管、中間管、隔版、外殼等部件構成，消耗廢氣中的能量一般通過以下幾個途徑①多次變動氣流方向；②重複地使氣流通過收縮、擴大的端面；③將氣流分割為很多小的支流並沿著不平滑的平面流動；④將氣流冷卻。這種處理方法完全浪費掉了廢氣中的能量，並且為了消耗這種巨大的能量，還要帶來匹配的消聲器結構複雜、笨重等問題。廢氣渦輪增壓裝置一般由進氣管、排氣管、噴嘴環、渦輪、渦輪殼、轉子軸、擴壓器、壓氣機葉輪、壓氣機殼及軸承等部件構成。內燃機排除的具有一定壓力的高溫廢氣經渦輪殼進入噴嘴環，由於噴嘴環的通道面積由入口到出口逐漸變小，因而經過噴嘴環的廢氣壓力和溫度迅速下降而速度卻迅速提高。這個高速的廢氣氣流按一定的方向由噴嘴環噴出，衝擊渦輪，使渦輪高速旋轉，廢氣的壓力、溫度和速度越高，渦輪轉速也越快。通過渦輪的廢氣最後排入大氣。同時與渦輪固裝在同一轉子軸上的壓氣機葉輪也以相同的轉速旋轉，將經濾清器濾清過的空氣吸入壓氣機殼，進入壓氣機葉輪中部。高速旋轉的壓氣機葉輪將空氣甩向葉輪外緣，使其速度和壓力增加，並進入通道面積由入口到出口逐漸變大的擴壓器，因而經過擴壓器的空氣速度迅速下降而壓力卻迅速升高，再經過通道面積由入口到出口逐漸變大的環形壓氣機殼，空氣壓力繼續升高，高壓空氣流經內燃機進氣管進入汽缸，以增加充氣量，改善內燃機的動力性和經濟性。這種處理方法的目的是藉助廢氣中的部分能量來提高內燃機的進氣壓力增加充氣量，而不是回收再利用廢氣中的能量；另外，由於內燃機與渦輪增壓裝置聯合工作時能量傳遞的特點，使增壓內燃機的加速性能和扭矩特性變差，給增壓內燃機的使用增加了一些強制附加條件，造成使用不便；還有，這種技術和裝置在汽油機與小型柴油機上使用時效果不明顯，目前僅在大型柴油機上使用，使用面向與範圍受到一定限制。
本實用新型的發明目的在於克服現有技術和裝置存在的能量浪費、使用面向窄等突出缺點，尋求設計一種將內燃機燃燒產生的廢氣中的壓力能與熱能直接變換成電能及機械能的裝置。本實用新型應用領域非常廣泛，可應用到所有內燃機，其提供的動力源可以完全或部分地驅動內燃機沒有定時要求的附件，如電動機、蓄電池、水泵、動力轉向油泵、真空泵等。
為了實現上述發明目的，本實用新型在由動力渦輪、發電機及機械取力器等部件所組成的裝置中實現，動力渦輪、發電機及機械取力器有機結合，通過動力渦輪實現廢氣壓力能與熱能的回收和向機械能的轉換，通過發電機實現由機械能向電能的轉換和電能的引出，通過機械取力器實現機械能的引出，而完成廢氣能量回收，並分兩路向內燃機配件提供電能和機械能的目的。
裝置的主機由渦輪進氣管、噴嘴環、動力渦輪、渦輪殼、渦輪排氣管、轉子軸、機械取力器、發電機系統、負載及蓄電池等部件構成，動力渦輪裝置於渦輪殼內，當渦輪進氣管中的廢氣通過噴嘴環時，衝擊動力渦輪轉動。動力渦輪固定制裝於轉子軸一端，轉子軸中部固定制裝機械取力器，另一端與電機系統配合對接，轉子軸為動力渦輪、機械取力器、發電機系統共同轉動軸；發電機系統主要有定子繞組、定子鐵芯、磁極、電刷等常規部件經常規工藝裝配而成，當轉子軸轉動時，實現發電功效，經整流後的電能作為蓄電池或其他負載的電源。將本裝置經不同的管路配件與內燃發動機的廢氣管對接可以組成不同性能的廢氣能量回收利用裝置。
與現有技術相比，本實用新型提供了一種簡單、高效、方便的將內燃機燃燒產生的廢氣中的壓力能與熱能直接回收並變換成電能及機械能的裝置。具有能量轉換效率高，工作原理簡便，實施過程靈活，涉及的裝置結構簡單，體積小，節約能源，減少汙染環節等優點。


圖1為本實用新型的結構原理示意圖；圖2為本實用新型實施例1的結構原理示意圖；圖3為本實用新型實施例2的結構原理示意圖。
本發明裝置的部件組成主要有渦輪進氣管1、噴嘴環2、動力渦輪3、渦輪殼4、轉子軸5、機械取力器6、軸承7、定子繞組8、定子鐵芯9、磁極10、磁極繞組11、二極體12、電刷13、調節器14、蓄電池15、滑環16、負載17、廢氣旁通閥18、渦輪排氣管19等。轉子軸5和動力渦輪3、機械取力器6及磁極10配套安裝構置成整機主體，三相定子繞組8按一定規律分布在定子槽中，彼此相間120°電角度，噴嘴環2、定子繞組8、定子鐵芯9、磁極10、磁極繞組11、二極體12、電刷13、調節器14、蓄電池15、滑環16、負載17、廢氣旁通閥18、渦輪排氣管19等配合工作，實現廢氣壓力能與熱能回收並直接向電能及機械能轉換。其工作過程如下內燃機排出的具有一定壓力的高溫廢氣經渦輪進氣管1、渦輪殼4進入噴嘴環2，由於噴嘴環2的通道面積由入口到出口逐漸變小，因而經過噴嘴環2的廢氣壓力和溫度迅速下降而速度卻迅速提高。這個高速的廢氣氣流按一定的方向由噴嘴環2噴出，衝擊動力渦輪3，使動力渦輪3高速旋轉，廢氣的壓力、溫度和速度越高，動力渦輪3轉速也越快。通過動力渦輪3的廢氣通過渦輪排氣管19最後排入大氣。同時，當磁場繞組接通直流電時即被勵磁，使一塊爪極形成N極，另一塊爪極形成S極。磁力線由轉子軸3上的N極發出，穿過轉子與定子間很小的空氣間隙進入定子鐵芯9，最後又經過空氣間隙回到相鄰的S極，並通過磁軛構成磁迴路。渦輪3旋轉帶動與其固裝在一起的轉子軸5旋轉，轉子軸5旋轉一方面帶動與其固裝在一起的機械取力器6對外輸出作功，另一方面，由於定子繞組8切割磁力線，所以在三相定子繞組8中產生頻率相同、幅值相等、相位相差120°電角度的正弦交流電動勢，經矽二極體12組成的整流電路整流後變成直流電能輸出。
另外，定子繞組8及機械取力器6對外輸出功率與轉子軸5的轉速成正比，而轉子軸5轉速與內燃機速度和負載即排出的廢氣能量有關，廢氣能量越大，導致的渦輪即轉子軸轉速越高，從而定子繞組8及機械取力器6對外輸出功率越大，為避免該裝置在不需要時過大的對外功率輸出，該裝置設有廢氣旁通閥18，即在不需要過多的功率輸出時，廢氣旁通閥18打開，放掉一部分廢氣。
動力渦輪3可為徑流式也可為軸流式，由於徑流式渦輪效率高、體積小、結構簡單，故推薦優先選用徑流式動力渦輪。
本裝置電能和機械能可同時輸出，亦可以一種能量形式獨立輸出，獨立輸出時，把對應的負載或部件摘掉即可，如只用作電能輸出時，把機械負載摘掉或把機械取力器6摘掉即可。
實施例1內燃機恆壓式廢氣能量回收利用電源與附件動力供給系統將內燃機各汽缸排氣歧管21首先接入一根容積較大的排氣總管22，將廢氣匯流穩壓，然後由排氣總管22接入本實用新型裝置20上的渦輪進氣管1即構成恆壓式廢氣能量回收利用電源與附件動力供給系統。由於排氣總管22起到穩壓箱的作用，所以，進入動力渦輪3之前，廢氣壓力脈動較小，具有比較穩定的壓力。這種系統只能利用廢氣在動力渦輪中的膨脹功，而不能將廢氣能量全部利用。
實施例2內燃機脈衝式廢氣能量回收利用電源與附件動力供給系統將內燃機各汽缸排氣歧管2 1作成分支型式，各分支排氣管23分別接入本裝置20上的渦輪進氣管1即構成脈衝式廢氣能量回收利用電源與附件動力供給系統。該系統動力渦輪3具有多個廢氣進氣口。
為簡化結構，相關各缸可接入同一排氣管，然後與渦輪進氣管1連通。對於四衝程內燃機，排氣門開啟至關閉約延續240°曲軸轉角，在排氣終了階段存在氣門重疊問題，為更好地利用廢氣能量，必須使排氣歧管內保持完整的排氣脈衝波，因此在組織排氣管分支時，必須使點火間隔相差240°曲軸轉角以上的各缸排氣管連通在一起，但一根排氣管不能與三缸以上的汽缸相連通，否則該系統與本實用新型實施例1的恆壓系統無太大區別。當內燃機汽缸數為3的倍數時，四衝程內燃機把發火間隔角為240°曲軸轉角的三個汽缸連成一個排氣支路可組成一個理想的脈衝式系統(如圖3)，但對於汽缸數不為三的倍數時(如4、5、8、10缸)，為使汽缸之間排氣不發生幹擾，只能將發火間隔角大於240°曲軸轉角的各缸連成一個排氣支路，但是，由於在支路中排氣間隔大於排氣延續時間，便產生了對動力渦輪3的不連續供氣或間歇供氣問題，間歇供氣增加廢氣流動損失，減少可用能量，降低動力渦輪的轉換效率。為克服這些問題，可在汽缸數為非三倍數的內燃機上安裝脈衝轉換器24。脈衝轉換器24進口與分支排氣管23相連通，管道面積收縮成噴嘴狀，使氣體加速，出口處形成混合段，從分支排氣管23排出的廢氣進入脈衝轉換器24，混合後進入渦輪進氣管1，這樣就可以保證向動力渦輪的連續供氣。
權利要求1.一種內燃機廢氣能量回收利用裝置，由渦輪進氣管、噴嘴環、動力渦輪、渦輪殼、渦輪排氣管、轉子軸、機械取力器、發電機系統、負載及蓄電池等部件構成，其特徵在於動力渦輪裝置於渦輪殼內，渦輪進氣管中的廢氣通過噴嘴環衝擊動力渦輪轉動，動力渦輪固定制裝於轉子軸一端，轉子軸中部固定制裝機械取力器，另一端與發電機系統配合對接，轉子軸為動力渦輪、機械取力器、發電機系統共同轉動軸。
2.根據權利要求1所述的內燃機廢氣能量回收利用裝置，其特徵在於在汽缸數為非三倍數的內燃機上安裝脈衝轉換器，脈衝轉換器進口與分支排氣管連通，管道面積收縮成噴嘴狀。
專利摘要本實用新型涉及一種將內燃機廢氣能量回收利用裝置,主要由渦輪進氣管、噴嘴環、動力渦輪、渦輪殼、轉子軸、機械取力器、發電機等部件構成;動力渦輪裝置於渦輪殼內轉子軸一端,轉子軸中部固定制裝機械取力器,另一端與發電機系統配合對接。本裝置經不同管路配件與內燃機廢氣管對接可組成不同性能的廢氣能量回收利用裝置,對外輸出機械能或電能,具有結構簡便,原理可靠,節約能源,減少汙染環節等優點,可用於各種內燃發動機。
文檔編號F01N5/04GK2498345SQ0124333
公開日2002年7月3日 申請日期2001年6月4日 優先權日2001年6月4日
發明者張鐵柱, 張洪信, 郝健 申請人:青島大學