一种可用于车用发动机尾气余热回收的热-电转化装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种可用于车用发动机尾气余热回收的热?电转化装置，该装置为一种自由活塞膨胀机耦合直线电机的集成单元作为能量转化装置，并为装置中的原动机(即自由活塞膨胀机)设计了可靠的配气控制方式。该装置将两台自由活塞膨胀机对置布置并与一台直线电机直接耦合，可将流入自由活塞膨胀机的高温、高压工质气体所携带的能量直接转换为电能并输出。该装置可应用于汽车气动发动机动力系统、车用发动机尾气余热利用系统等对紧凑安装空间、高功率密度等要求严格的场合，具有结构紧凑简单、机电一体化程度高、机械损失小的优点。
【专利说明】
一种可用于车用发动机尾气余热回收的热-电转化装置
技术领域
[0001]本实用新型属于有机朗肯循环利用技术领域，具体涉及一种可用于车用发动机尾气余热能回收的新型热-电转化集成装置，可将低品味的尾气余热能转化为高品质的电能进行输出利用，并提高余热回收系统的能量转化效率，达到节能减排的目的。
【背景技术】
[0002]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系统的功率输出有直接影响。但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，将传统的容积型膨胀机应用于车用有机朗肯循环系统等小型余热回收系统中存在一定困难。
[0003]以螺杆式膨胀机为例，虽然其运用较为普遍，但由于存在缝隙的泄露等原因，当高温高压工质气体周期性地高速通过吸排气孔时，会使膨胀机产生很大的噪声，需要采取专门的消音减震措施。同时，其螺旋式转子的空间曲面加工精度和难度较高，需要采用多轴联动技术及专用设备、刀具来加工，成本很高，而且由于间隙密封和转子刚度等的限制，螺杆式膨胀机还不能像往复式膨胀机那样达到较高的终了压力。相比之下，活塞式膨胀机却更适合于小流量、小功率的情况。目前，我国关于活塞式膨胀机的研究主要集中在制冷领域，仅天津大学的冯黎明等相关学者对利用往复活塞式膨胀机回收发动机余热能进行过研究，然而由于其结构仍然是借鉴传统的单缸发动机，结构较为复杂，体积及重量较大，制约了其商业化应用。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是为了克服上述膨胀机的不足，提出一种新型自由活塞膨胀机耦合直线电机的集成单元作为能量转化装置，并为装置中的原动机(即自由活塞膨胀机)设计了可靠的配气控制方式。该装置将两台自由活塞膨胀机对置布置并与一台直线电机直接耦合，可将流入自由活塞膨胀机的高温、高压工质气体所携带的能量直接转换为电能并输出。该装置主要应用于汽车气动发动机动力系统、车用发动机尾气余热利用系统等对紧凑安装空间、高功率密度等要求严格的场合。
[0005]为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术解决方案:
[0006]本实用新型所提出的热-电转化装置是一种将车用发动机尾气余热能转化为电能输出的设备，该装置主要由自由活塞膨胀机1(23)、自由活塞膨胀机11(32)、直线电机及传动装置组成；自由活塞膨胀机1(23)和自由活塞膨胀机11(32)对称布置在直线电机(28)两侦L自由活塞膨胀机1(23)和自由活塞膨胀机11(32)的连杆(I)分别与直线电机(28)的动子通过柔性转接头连接；自由活塞膨胀机1(23)的凸轮轴(20)输出端与皮带轮1(24)通过平键相连;主动皮带轮(33)与伺服电机(27)输出轴通过平键连接并布置在整个装置的中间，伺服电机的接线与控制模块(37)相连;皮带轮1(24)与主动皮带轮(33)通过传动皮带(26)连接;传动皮带(26)的中间布置有张紧机构(25);另一侧的自由活塞膨胀机11(32)的传动布置方式与自由活塞膨胀机1(23)相同。
[0007]两侧自由活塞膨胀机的气缸筒(4)上布置有缸内温度传感器(34)、缸内压力传感器(35)，缸内温度传感器(34)、缸内压力传感器(35)的接线端与控制模块(37)相连；自由活塞膨胀机的连杆(I)上布置有位移传感器(36)，位移传感器(36)的接线端与控制模块(37)相连。
[0008]自由活塞膨胀机结构如下，气缸筒(4)两端加工有安装槽，该安装槽分别与气缸盖
(3)、气缸头(9)连接，两端连接部位处均安装有O型密封圈(7);气缸盖(3)与气缸头(9)外围周向通过螺栓紧固连接;气缸盖(3)上布置有导向套1(2)，连杆(I)穿过导向套1(2)与活塞
(5)并通过紧固螺母(8)连接，连杆(1)、活塞(5)布置在气缸筒(4)中，连杆(I)左端与直线电机(28)的动子连接;活塞(5)上加工有环槽用于安装活塞环(6);气缸头(9)内的端部位置处布置有进排气的气门座(10)、气门套(15);气门套(15)的一端布置有导向套11( 12)，气门(I I)从气缸头(9) 一端穿过气门座(1)的中心孔并伸入气门套(I 5)中；挡盘I (13)从气门套(15)最右端穿过气门杆身，其位置受到气门套(15)的限制;挡盘11(16)布置在远离气门头部的另一端，通过穿过气门杆身的锁紧螺母(17)限定其位置;两挡盘之间布置有机械弹簧(14);气门杆身的末端穿过挡油盘(16)后与凸轮轴(20)相接触；另一侧气门的连接方式与上述相同；气缸头(9)与端盖(21)通过紧固螺栓连接形成密闭空腔，两者之间的凸轮轴安装位置处均布置有轴瓦(19);端盖上加工有注油孔，封板(22)通过紧固螺栓将其封闭；
[0009]所述密闭腔中填充有五分之一至五分之四容积的润滑油。
[0010]本实用新型采用自由活塞膨胀机作为该热-电转化装置中的膨胀动力机，主要包括活塞杆、导向套1、气缸盖、气缸筒、活塞、活塞环、O型密封圈、紧固螺母、气缸头、气门座、气门、导向套I1、挡盘1、机械弹簧、气门套、挡盘I1、锁紧螺母、挡油盘、轴瓦、凸轮轴、端盖、封板。气缸头与端盖连接形成空腔，通过端盖上注油孔可加入润滑油，以减小其中有相对运动的零部件之间的磨损。气缸盖上留有4个相同尺寸的透气孔，避免在工作过程中活塞、气缸盖、气缸筒之间形成的压缩室中压力过高，影响装置的正常工作。
[0011 ]本实用新型采用皮带传动装置控制配气机构工作，主要包括皮带轮1、皮带张紧机构1、皮带1、伺服电机、皮带I1、皮带张紧机构I1、皮带轮I1、主动皮带轮。伺服电机驱动主动皮带轮转动，带动与之通过带连接的皮带轮1、II控制配气机构正常工作。
[0012]与现有的技术方案相比，本实用新型具有如下优点:
[0013]1、该装置中的原动机(自由活塞膨胀机)无传统的旋转曲柄连杆机构，结构紧凑简单、体积小、运行平稳。同时原动机与直线电机直接親合，无多余的传动连接部件，机械损失小、机电一体化程度高，为采用该热-电转化装置的小型车用余热回收系统的产业化应用提供了可能。
[0014]2、该项技术的最大优点是其原动机(自由活塞膨胀机)的所有啮合副的润滑都采用自润滑，取消了现有容积式膨胀机中必不可少的润滑油系统，这样进一步扩大了分布式余热余压发电系统的利用范围，使该装置也可以应用于工质为不能受到污染的带压带温流体，如天然气、各种烷烃以及其他液压化工产品的降压发电系统。
[0015]3、原动机(自由活塞膨胀机)采用重新设计的配气控制方式，其响应迅速、运行可靠、成本较低，可灵活调节该装置的工作频率，完全能满足自由活塞膨胀机配气工作要求。
【附图说明】
[0016]图1是自由活塞膨胀机的结构剖面图；
[0017]图2是自由活塞膨胀机-直线电机的结构示意图；
[0018]图1中:1、活塞杆;2、导向套I;3、气缸盖;4、气缸筒；5、活塞;6、活塞环;7、0型密封圈；8、紧固螺母;9、气缸头；10、气门座；11、气门；12、导向套II; 13、挡盘I; 14、机械弹簧；15、气门套;16、挡盘II; 17、锁紧螺母;18、挡油盘;19、轴瓦;20、凸轮轴;21、端盖;22、封板。
[0019]图2中:23、自由活塞膨胀机1;24、皮带轮1;25、皮带张紧机构1;26、皮带1;27、伺服电机;28、直线电机;29、皮带II ;30、皮带张紧机构II ;31、皮带轮II ;32、自由活塞膨胀机II;33、主动皮带轮;34、缸内温度传感器;35、缸内压力传感器;36、位移传感器;37、控制模块。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
[0021]图1是自由活塞膨胀机的结构剖面图，其连接关系如图1所示。气缸筒(4)两端加工有安装槽，该安装槽分别与气缸盖(3)、气缸头(9)连接，两端连接部位处均安装有O型密封圈(7);气缸盖(3)与气缸头(9)外围周向通过螺栓紧固连接;气缸盖(3)上布置有导向套I
(2)，连杆(I)穿过导向套1(2)与活塞(5)并通过紧固螺母(8)连接，连杆(1)、活塞(5)布置在气缸筒(4)中，连杆(I)左端与直线电机(28)的动子连接;活塞(5)上加工有环槽用于安装活塞环(6);气缸头(9)内的端部位置处布置有进排气的气门座(10)、气门套(15);气门套(15)的一端布置有导向套II(12)，气门(11)从气缸头(9)一端穿过气门座(10)的中心孔并伸入气门套(15)中；挡盘1(13)从气门套(15)最右端穿过气门杆身，其位置受到气门套(15)的限制;挡盘11(16)布置在远离气门头部的另一端，通过穿过气门杆身的锁紧螺母(17)限定其位置;两挡盘之间布置有机械弹簧(14);气门杆身的末端穿过挡油盘(18)后与凸轮轴(20)相接触;另一侧气门的连接方式与上述相同；气缸头(9)与端盖(21)通过紧固螺栓连接形成密闭空腔，两者之间的凸轮轴安装位置处均布置有轴瓦(19);端盖上加工有注油孔，封板
[22]通过紧固螺栓将其封闭；装置运行前，在上述密闭腔中填充有五分之一至五分之四容积的润滑油，随着凸轮轴的运动起到润滑并防止飞溅的作用。
[0022]图2是自由活塞膨胀机-直线电机的结构示意图，其连接关系如图2所示。该装置主要由自由活塞膨胀机1、自由活塞膨胀机I1、直线电机及传动装置组成；自由活塞膨胀机I
(23)和自由活塞膨胀机II(32)对称布置在直线电机(28)两侧；自由活塞膨胀机I(23)、自由活塞膨胀机11(32)的连杆(I)分别与直线电机(28)的动子通过柔性转接头连接；自由活塞膨胀机1(23)的凸轮轴(20)输出端与皮带轮1(24)通过平键相连;主动皮带轮(33)与伺服电机(27)输出轴通过平键连接并布置在整个装置的中间，伺服电机的接线与控制模块(37)相连;皮带轮1(24)与主动皮带轮(33)通过传动皮带(26)连接;为防止在工作过程中出现皮带打滑现象而影响装置正常工作，在传动皮带的中间布置有张紧机构(25)，可根据实际运行情况合理调整传动皮带松紧；另一侧的自由活塞膨胀机的传动布置方式与上述过程相同；两侧的气缸筒上布置有缸内温度传感器(34)、缸内压力传感器(35)，传感器接线端与控制模块(37)相连；自由活塞膨胀机的连杆(I)上布置有位移传感器(36)，位移传感器(36)的接线端与控制模块(37)相连。
[0023]以下结合附图详细说明自由活塞膨胀机-直线电机的工作原理:
[0024]装置工作时，伺服电机(27)带动与之连接的主动皮带轮(33)转动，通过皮带传动带动两侧与之连接的皮带轮1(24)和皮带轮11(31)同时转动，配气机构开始工作。在凸轮轴(20)旋转的过程中，当其凸轮凸起部分与气门(11)杆身末端接触时，推动气门(11)、锁紧螺母(17)、挡盘11(16)同时沿轴向向气缸筒(4)内方向运动，进一步压缩机械弹簧(14)，气门头部推离气门座(10)使气缸内部与外界相通。当凸轮凸起部分的顶点转过气门杆身末端后，其对气门(11)的推力逐渐减小，气门(11)在机械弹簧(14)回复力的作用下，开度逐渐减小，直至关闭。
[0025]根据自由活塞膨胀机-直线电机的工作规律，安装两侧凸轮轴(20)时设置有180°的相位差。当自由活塞膨胀机1(23)的进气门开启(排气门关闭)的同时，自由活塞膨胀机II
(32)的排气门开启(进气门关闭)，高温高压工质蒸汽流入自由活塞膨胀机1(23)的气缸中推动活塞-动子组向右移动。当自由活塞膨胀机11(32)的活塞到达实际上止点位置时，其进气门打开(排气门关闭)，工质蒸汽流入自由活塞膨胀机11(32)，与此同时自由活塞膨胀机I
(23)的进气门关闭，排气门打开，活塞-动子组在压差的作用下向左运动，直至自由活塞膨胀机1(23)的活塞到达实际上止点，完成一个工作循环。在此过程中，通过电机控制器将直线电机(28)调整为发电机模式，电机动子与自由活塞膨胀机活塞在两侧压差的作用下一起做往复直线运动，切割磁感线圈产生电能并通过储能装置收集起来，实现热-电转化。在装置工作过程中，缸内温度传感器(34)、缸内压力传感器(35)及位移传感器(36)及时将检测到的信号反馈给控制模块(37)，通过调节伺服电机(27)的转速可以控制自由活塞膨胀机-直线电机的工作频率，以保证装置正常运行。
【主权项】
1.一种可用于车用发动机尾气余热回收的热-电转化装置，其特征在于:该装置主要由自由活塞膨胀机1(23)、自由活塞膨胀机11(32 )、直线电机及传动装置组成；自由活塞膨胀机I(23)和自由活塞膨胀机II(32)对称布置在直线电机(28)两侧；自由活塞膨胀机I(23)和自由活塞膨胀机11(32)的连杆(I)分别与直线电机(28)的动子通过柔性转接头连接；自由活塞膨胀机1(23)的凸轮轴(20)输出端与皮带轮1(24)通过平键相连;主动皮带轮(33)与伺服电机(27)输出轴通过平键连接并布置在整个装置的中间，伺服电机的接线与控制模块(37)相连;皮带轮I (24)与主动皮带轮(33)通过传动皮带(26)连接;传动皮带(26)的中间布置有张紧机构(25);另一侧的自由活塞膨胀机11(32)的传动布置方式与自由活塞膨胀机I(23)相同。2.根据权利要求1所述的一种可用于车用发动机尾气余热回收的热-电转化装置，其特征在于:两侧自由活塞膨胀机的气缸筒(4)上布置有缸内温度传感器(34)、缸内压力传感器(35)，缸内温度传感器(34)、缸内压力传感器(35)的接线端与控制模块(37)相连；自由活塞膨胀机的连杆(I)上布置有位移传感器(36)，位移传感器(36)的接线端与控制模块(37)相连。3.根据权利要求1所述的一种可用于车用发动机尾气余热回收的热-电转化装置，其特征在于:自由活塞膨胀机结构如下，气缸筒(4)两端加工有安装槽，该安装槽分别与气缸盖(3)、气缸头(9)连接，两端连接部位处均安装有O型密封圈(7);气缸盖(3)与气缸头(9)外围周向通过螺栓紧固连接;气缸盖(3)上布置有导向套1(2)，连杆(I)穿过导向套1(2)与活塞(5)并通过紧固螺母(8)连接，连杆(1)、活塞(5)布置在气缸筒(4)中，连杆(I)左端与直线电机(28)的动子连接;活塞(5)上加工有环槽用于安装活塞环(6);气缸头(9)内的端部位置处布置有进排气的气门座(10)、气门套(15);气门套(15)的一端布置有导向套11( 12)，气门(I I)从气缸头(9) 一端穿过气门座(1)的中心孔并伸入气门套(I 5)中；挡盘I (13)从气门套(15)最右端穿过气门杆身，其位置受到气门套(15)的限制;挡盘11(16)布置在远离气门头部的另一端，通过穿过气门杆身的锁紧螺母(17)限定其位置;两挡盘之间布置有机械弹簧(14);气门杆身的末端穿过挡油盘(18)后与凸轮轴(20)相接触；另一侧气门的连接方式与上述相同；气缸头(9)与端盖(21)通过紧固螺栓连接形成密闭空腔，两者之间的凸轮轴安装位置处均布置有轴瓦(19);端盖上加工有注油孔，封板(22)通过紧固螺栓将其封闭。4.根据权利要求3所述的一种可用于车用发动机尾气余热回收的热-电转化装置，其特征在于:所述密闭腔中填充有五分之一至五分之四容积的润滑油。
【文档编号】F01B25/08GK205422978SQ201521031944
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年12月13日
【发明人】李高胜, 张红光, 杨富斌, 宋松松, 常莹, 于飞
【申请人】北京工业大学