专利名称：发动机排气余热利用装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种发动机排气余热利用装置，可用于汽车，大型柴油发电机，柴油动力机械的设计和改造，还可用于军工方面，如军舰的柴油动力机械，柴油发电机；坦克柴油发动机；特别是潜艇柴油发动机的静音方面和动力有较大的提高。
背景技术：
现今全世界约5. 5亿辆以上的汽车在公路上行驶，以及各种大排量发动机在工作，随着汽车的普及，石油资源的枯竭，环境污染及地球大气的温室效应等，危及人类生存的问题日益严重。在能源消耗急剧增长的今天，人类不断提高对石油的需求越来越大，已成为人类生活中不可缺少的必须能源消耗品。节约能源将成为人类社会可持续发展的一个重要方面。节能并不意味着不消费，是在同等的能源消耗下，达到更大的功效。[0003] 直列型发动机在排气行程期间，气缸中的废气经排气门进入排气歧管，再由排气歧管进入排气管、催化转换器和消声器，最后由排气尾管排到大气中。这种排气系统称作单排气系统。V型发动机有两个排气歧管，在大多数装配V型发动机的汽车上仍采用单排气系统，即通过一个叉形管将两个排气歧管连接到一个排气管上。来自两个排气歧管的废气经同一个排气管、同一个消声器和同一个排气尾管排出。有些V型发动机采用两个单排气系统，即每个排气歧管各自都连接到一个排气管、催化转换器、消声器和排气尾管。这种布置形式称作双排气系统。 双排气系统降低了排气系统内的压力，使发动机排气更为顺畅，气缸中残余的废气较少，因而可以充入更多的空气、燃油混合气或洁净的空气，发动机的功率和转矩都相应地有所提高。(缺点是增加重量，材料成本和生产成本也提高，高档车辆用的较多。)[0005] 发动机是将热能转变为机械能的机器，然而，发动机只应用于热能的三分之一，其余热量的大部分被排气所带走，乘余的则被发动机零部件所吸收。众所周知，在可燃混合气的燃烧过程中，气缸内气体温度高达2073——2375K。 在风冷和水冷发动机中利用空气压力和/或风扇使冷却空气流过缸壁外的散热片和水散热器。根据负荷或温度的变化需要调节冷却空气的流量和风扇转速。功率消耗占发动机总输出功率的3% 4%。 由此可见，发动机排放出的气体是高温、高压，还有很大的热能。汽油机、柴油机在排气行程时施放出50%左右的能量被气缸体和水吸收。50%左右的能量被排放出发动机。[0008] 目前发动机排气系统没有余热利用措施，造成大量能量的浪费；另外由于排气管温度很高，需要在近车体部分要加隔热罩，致使排气管非常容易生锈和断裂。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种发动机排气余热利用装置，以解决现有技术存在的发动机排气系统没有余热利用措施，造成大量能量的浪费；由于排气管温度很高，需要在近车体部分要加隔热罩，致使排气管非常容易生锈和断裂的问题。[0010] 本实用新型的技术方案是在发动机的排气歧管、前排气管和后排气管的外侧分 别依次设置歧管套、前套管和后套管，在该歧管套、前套管和后套管与排气歧管、前排气管 和后排气管之间留有夹层，各夹层之间的相邻端连接组成加温回路；在该歧管套上设有出 气口，在该后套管的尾端设有回水口 ；该出气口与汽轮机的入汽口连接，该回水口与一单向 阀的出口连接，该汽轮机的出汽口通过管路与所述的单向阀的入口连接，该汽轮机、管路和 单向阀组成做功冷却回路，在该加温回路和做功冷却回路内充满水；所述的汽轮机的动力 输出轴与负载连接。 在所述的单向阀的入口的管路上串联连接一水泵。 在所述的前套管与后套管的夹层相对的一端之间通过连接管连接，该连接管紧贴 在位于所述的前排气管和后排气管之间的催化转换器的外侧。 所述的负载为增压风扇、发电机和所述的发动机的一种或多于一种，该增压风扇 的出风口与所述的发动机的空气入口连接；该发电机的电力输出端与汽车电平或用电器连 接。 所述的汽轮机的动力输出轴与所述的增压风扇、发电机和发动机通过联轴器连接
或通过传动机构连接，在不同负载之间装有电磁离合器。 在所述的回水口连接有补水箱。 在所述的后套管的夹层内设有换热管，该换热管的两端从后套管引出，并与汽车 水箱的入口的冷却回路串联。本实用新型的优点是利用加温回路和做功冷却回路构成一 个类似蒸气机系统，水在歧管套、前套管和后套管内依次被逐渐加热，有效降低了汽车排气 的温度，使排出的尾气温度从500 70(TC降低到约6(TC，水在歧管套内成为高温水蒸气， 并推动汽轮机转动输出机械转动能量，汽轮机删除的能量可以驱动负载入发电机或/和增 压风扇或/和发动机；发电机发出的电力可以储存在车载电平备用，增压风扇可以为发动 机的空气入口 (空气滤清器的前后)增压，以增加发动机的功率。整个装置结构简单，实用 价值高，成本低，使用寿命长，体积较小，不产生新的污染物，具有足够的机械强度，耐热性 好，容易维修，较少改变原发动机和有关设施的结构，可靠性高。 发动机今后不管用什么燃料(氢，二甲醚)，只要排放出的气体温度在400°C以上 就可开发利用。另外，由于降低了排气的温度，汽车底盘也不用再加隔热罩，汽车底盘可减 少向内凹的部分，增加车内空间，降低生产成本，减轻车的重量。
图1是本实用新型一个实施例的总体结构示意图； 图2是本实用新型的汽轮机和负载的一个实施例的结构示意图； 图3是本实用新型的汽轮机和负载的另一个实施例的结构示意图； 图4是本实用新型一个实施例的局部结构示意图； 图5是图4的A-A剖视图。
具体实施方式参见图1 图5，本实用新型在发动机的排气歧管8、前排气管10和后排气管14的 外侧分别依次设置歧管套6、前套管4和后套管2，在该歧管套6、前套管4和后套管2与排
4气歧管8、前排气管10和后排气管14之间留有夹层13。 一般在前排气管10与后排气管14 之间设有催化转换器3，由于催化转换器3在工作时需要一定的工作温度(大约在30(TC左 右)，所以在催化转换器3外面没有设外套。前套管4和后套管2的夹层13之间的相邻端 通过连接管11连接，前套管4和歧管套6的夹层之间通过法兰盘内的连接孔9连接组成加 温回路。在该歧管套6上设有出气口 7，在该后套管2的尾端设有回水口 1 ;该出气口 7与 汽轮机15的入汽口连接，该汽轮机15的出汽口通过管路17与单向阀38的入口连接，该单 向阀38的出口与回水口 1连接。该汽轮机15、管路17和单向阀38组成做功冷却回路，在 该加温回路和做功冷却回路内充满水。所述的汽轮机15的动力输出轴16与一负载连接。 为了增加保温效果，可在歧管套6、前套管4、后套管2和连接管11外射保温层(未图示)。 在所述的单向阀38的入口的管路上串联连接一水泵18，也作为做功冷却回路的 组成部分。水泵18加快循环，可以提高预热的回收效率。在所述的水泵18的前面连接有 补水箱32。 在所述的前排气管10与后排气管14之间通过法兰盘12连接有催化转换器3，所 述的连接管11紧贴在该催化转换器3的外侧。利用催化转换器3散发的热量对连接管11 加热。 参见图2，所述的负载为连接在汽轮机15的主轴两端的两个风扇20、22和发电机 23，风扇和发电机可同时设置或只设置一个。还可通过皮带轮25与其他负载传动连接。在 主轴与负载的轴之间通过联轴器16同轴连接。在主轴与负载或负载与负载之间的轴上还 可安装电磁离合器24。该发电机23发出的电力为汽车电平充电备用或直接为汽车的用电 器供电。汽轮机15的主轴还可用于直接或通过传动机构驱动发动机，作为发动机的动力补 充。 参见图3，汽轮机15的主轴27与两个增压风扇26、28连接，分别用于为发动机空 气滤清器30两端的空气入口和出口增压，从而达到为发动机的空气入口 29增压的目的。 参见图4和图5，还可在所述的后套管2的夹层13内设有换热管，换热管有两端的 环形水管34、36和连接在该环形水管34、36之间的多根轴向管35构成，该换热管的两端33 和37分别从环形水管34、36上引出到后套管2外面，使用时与汽车水箱的入口的冷却回路 串联。换热管用于将发动机冷却水的热量对后套管2的夹层13内的水进行加热，进一步利 用发动机散发的热量。换热管可以靠近夹层13的外侧，夹层13内靠近外侧的水温较低。 下面对本实用新型的技术方案和技术效果进一步详细说明。 发动机废气预热再利用，主要是利用排气行程的废气。根据1.传热过程；2.传 热方程式；3.传热系数原理，热量由排气管的璧面一侧流体通过璧面传给夹层内流体的过 程。传热系数与热、冷流体的温度，传热面积有关。废气排放时的高温和高压，通过水四次 吸收排放出的热量。第一次吸收热量在后套管2内进行，加热水大于IO(TC，产生"饱和水"。 第二次加热始"饱和水"在催化转换器(温度在30(TC左右)外受热过度到"湿饱和蒸汽"; 第三次加热在前套管4内进行，把"湿饱和蒸汽"加热成"干饱和蒸汽"；第四次加热在歧管 套6内进行把"干饱和蒸汽"完全气化，生成"过热蒸汽"，把"干饱和蒸汽"生成温度大于 380度的干蒸汽，生成"过热蒸汽"，产生高压，蒸汽压力3 6MPa，对汽轮机15做功，汽轮机 直接连发电机23发电。 在催化转换器3的连接处，后排气管14外加钢管外壳(后排气管是不锈钢就加不锈钢外壳)长度60cm 80cm， 2. OL左右的汽车，排气管直径50mm，外加70 80mm外壳，中 间加水，用于第一次加热水，产生"饱和水"，再用铜管连接到前排气管(铜管直经8-10mm)， 用于第二次加热始"饱和水"在催化转换器(温度在30(TC左右)外受热过度到"湿饱和蒸 汽";在(2)前排气管外加(钢、不锈钢)外壳，用于第三次加热"湿饱和蒸汽"，生成"干饱和 蒸汽";在(2)前排气管与(1)排气歧管二节中间用通孔连接，在(1)排气歧管外加(钢、不 锈钢)外壳，用于第四次加热把"湿饱和蒸汽"完全气化，生成"过热蒸汽"，对汽轮机做功。 过热蒸汽对汽轮机15做功后，散出了大部分热能，汽轮机可以驱动冷却降温风 扇，作完功汽体用铜管连接到后排气管14，第一次加热后套管2的夹层13内的水)。 目前的排气管主要是散热和消声，同时在近车体部分要加隔热罩，排气管外非常 容易生锈和断裂。实用新型新设计是要利用排气行程的废气的热能，利用废气热能的同时， 把发动机的排气压力降为0. 3MPa以下，温度小于450°C。排气尾管的温度小于60°C，同时 延长消声器使用寿命。 再在外加钢管外壳加隔热罩(用纤维夹层，石棉陶瓷纤维，主要起隔热作用)，保 证在较低的温度下，发动机在最短时间内正常工作；同时在常温下汽轮机也可提早工作。同 时减少热能排放，降低全球的温室效应。 汽车底盘也不用在加隔热罩。汽车底盘可减少向内凹的部分，增加车内空间，降低 生产成本，减轻车的重量。 由于排气管外有水和水蒸汽四次吸收热量，降低排气行程中温度，提高温差，对排 出气体有吸气作用，降低气缸内剩余压力和空气，不使各缸排气相互干扰及不出现排气倒 流现象，并尽可能地利用惯性排气。气体在遇热时膨胀、增加压力，向反是冷縮、减压(热胀 冷縮)。采用钢管(不锈钢)排气歧管、前排气管、后排气管质量轻，耐久性好，内壁光滑，排 气阻力小。同时在钢管和钢管外壳(不锈钢排气管加不锈钢外壳)，也有力于焊接，水和水 蒸汽在管壁中间不会产生新的污物与气体。 采用钢管(不锈钢)造的排气管，排气管部份以分段式处理，也可连体式处理(排 气歧管与前排气管)；每个气缸所排出的气流非常流畅，有效率地保持发动机的扭力发挥 和高转速时的马力释放。钢管(不锈钢)与'法兰'(接头)的焊接点内里一定要光滑。 排气管外加(钢管、不锈钢管)外壳，中间加入的水、水蒸汽，能很好的吸收频谱复 杂的低、中、高噪声及频震(脉动)。排气歧管外的温度会降低，提高排气管和发动机动始用 寿命和安全性。最终排放出气体的温度大于常温，小于6(TC。排气管用什么材料，主要是成 本的问题。 本实用新型的新设计可以取消副消声器。前排气管10的长度縮短1/3左右，排气 歧管8、前排气管10，原有二个90度湾，减少一个90度湾，尽量以弧线、直线设计(不同的 汽车增加前排气管S设计，衰减排气压力的脉动)。催化转换器3前移之发动机侧下方，优 点是有力于底盘建造，通过催化转换器的气体的温度不会太低，排气歧管，前排气管吸收了 发动机排放出的大部分能量，能量被吸收后排出的气体的体积会縮小，同时温度下降，温度 设计在30(TC左右；不会在受极高的排气温度和强烈的高速气体脉动。催化转换器通过后 排气管，连接主消声器，简化主消声器(用A吸收式B后消声器，吸收频谱复杂的中、低噪 声)，中间只有一个R度湾。在降低排气噪声同时，尽可能始发动机排出的气体直接排放到 大气中，降低排放时候的阻力。
6[0040] 汽车发电机的设计用电，是达不到汽车最大用电量(峰值)的60%左右。在城市、 冬天、雨天、夜晚和交通高峰期间行驶时，用电量达到最大(所占比例是以地区和纬度，家 庭用车，商用汽车有所不同)。 车辆所有消耗燃油中的一小部分用来驱动交流发电机和运载起动机、蓄电池和交 流发电机的综合重量，在中型轿车中约占5% 。 本实用新型的发电机23与汽轮机15可在在同一轴线。同时新设计也考虑对发动 机的实用性和各种原有因素。 采用一台发电机23的前轴加长35 40mm，用于加冷却风扇和汽轮机连接。后轴 加长30mm，用于连接皮带轮，中间用电磁离合器，皮带轮用皮带连接发动机。 采用一台小型汽轮机，前轴外长35mm，用于连接发电机，中间用电磁离合器连接 (或连接套连接)；后轴外加长35mm，用于冷却风扇，把冷却的热能送入发动机空气滤清器 加温、增压(温度在50 12(TC，用于南北纬度40以上地区，或者是年平均气温较低的地 区)。热带地区就不用加温。 排气歧管8、前排气管10里都留小部分水(热胀蒸汽冷縮)，用在发动机起时1
2分钟内生成蒸汽，最短的时间内产生蒸汽压力，能让汽轮机在最短的时间内工作。 在启动发动机发及最初2 5分钟，或最初行始的1 3公里，是发动机的预热期，
季节的不同和纬度的不同是有差异的。 发电机与汽轮机也可不同轴线连接，发电机与汽轮机在上下同轴线，主要是不改 变汽车原有的设计，增加的汽轮机用皮带轮连接，发电机的后轴加长60mm，增加皮带轮连接 汽轮机。 本实用新型的设计，就是利用排气行程高温热能，用水、汽转换热能，推动汽轮机 做功，带动发电机；降低排气温度(前排气管的长度比以前短1/3左右)，始排出气体的 温度和高速气体脉动，不会对氧化催化器和微粒捕集器烧溶和冲击，排气温度也可设定在 250 320°C。减少冷启动最初几分钟内的有害物质的排放量，增加电预热、电加热。控制 排放气体温度，能有效设定催化器的温度，就能更好的达到车用发动机的排放物控制法规 强制性限制。 发动机起动用皮带轮带动发电机发电。发动机起动后产生热量，始水生成"过热蒸 汽"，推动汽轮机，带动发电机发电时，这时皮带轮与发动机、发电机分离(用电磁离合器)。 用于柴油发动机和中等以上排量的汽油发动机。 所述的电平是加大的蓄电池，或用二组电池，用在启动发动机发及最初2 5分钟 (最初行始的1 3公里)，用在汽轮机做功前的汽车用电，不再用皮带轮带动发电机。 发动机用皮带轮与发电机连接不变，发电机与汽轮机连接在同轴上或不同轴上， 当汽轮机工作时，汽轮机的动力直接传递发电机与发动机。冷却降温风扇把热空气送入空 气滤清器(参见图3)。 用汽轮机带动发电机发电时，所用热能来自发动机排放出废气的热能，可以减少 消耗燃油这方面的问题，只要发动机工作，就会排放热量，在加速时能排放更多热量，用水、 蒸汽吸收热量，在释放热量时会有延时，所以发电机能释放更多的电量；发电机所发的电多 时，用于蓄电池充电。可以提高发动机动力与扭力可达4% 10%。 对于排量较大的发动机的应用商用汽车排量较大的汽油发动机和柴油发动机，排放出能量多，推动较大的汽轮机，带动比原有汽车设计的发电机大。降温风扇、空调机直 接用电动机带动，不再用皮带轮、皮带，降低成本，降低噪声，增大了空间。又可以提高发动 机动力与扭力可达3% 10%。 排量较大的汽油发动机和柴油发动机(商用汽车)，排放出能量多，设计增加* 二 台的发电机，用涡轮增压器带动* 一台发电机，涡轮增压器不再连接进气管增压；用在发动 机起时3 5分钟的用电，当汽轮机开始工作后，第二台*发电机，把多于的电力，充于蓄电 池；同时加大蓄电池组，始蓄电池有更大的电能，就可增加一台电动机，电油二用车。中等排 量汽车(2L 3L)在起步、加速时，油耗在20 40升(100公里/小时)，降低起步、加速时 的油耗是非常重要的。 汽轮机带动发电机发电时，这时皮带轮与发动机连接，汽车在起步、加速时电油同
时用，蓄电池电量充足时，电动机驱动后轴(发动机驱动前轴)；提高发动机在低转速动力
和扭矩；可降低油耗，起步、加速更快。电油可转换始用，达到节省油耗。 原汽车的设计不变，一台发电机用于汽车正常用电，增加汽轮机，带动发电机发
电；增加新的蓄电池组，把多于的电力，充于蓄电池组，始蓄电池有更大的电能，蓄电池电量
充足时，可用蓄电池带动电动机，推动车辆前进，发动机处于低转速状太，一台发电机用于
蓄电池充电，延长蓄电池的始用时间，当电量不足时，转用发动机带动车辆，汽车在起步、加
速时，这时电油同时用，电动机驱动后轴(发动机驱动前轴)；提高发动机在低转速动力和
扭矩。可降低油耗，起步、加速更快。同样的车辆可降低发动机的排量，电油可转换始用，达
到节省油耗。 这样，可节省更多的燃油消耗可达15% 25%。
权利要求一种发动机排气余热利用装置，其特征在于在发动机的排气歧管、前排气管和后排气管的外侧分别依次设置歧管套、前套管和后套管，在该歧管套、前套管和后套管与排气歧管、前排气管和后排气管之间留有夹层，各夹层之间的相邻端连接组成加温回路；在该歧管套上设有出气口，在该后套管的尾端设有回水口；该出气口与汽轮机的入汽口连接，该回水口与一单向阀的出口连接，该汽轮机的出汽口通过管路与所述的单向阀的入口连接，该汽轮机、管路和单向阀组成做功冷却回路，在该加温回路和做功冷却回路内充满水；所述的汽轮机的动力输出轴与负载连接。
2. 根据权利要求1所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于在所述的单向阀的 入口的管路上串联连接一水泵。
3. 根据权利要求1所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于在所述的前套管与 后套管的夹层相对的一端之间通过连接管连接，该连接管紧贴在位于所述的前排气管和后 排气管之间的催化转换器的外侧。
4. 根据权利要求1所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于所述的负载为增压 风扇、发电机和所述的发动机的一种或多于一种，该增压风扇的出风口与所述的发动机的 空气入口连接；该发电机的电力输出端与汽车电平或用电器连接。
5. 根据权利要求4所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于所述的汽轮机的动 力输出轴与所述的增压风扇、发电机和发动机通过联轴器连接或通过传动机构连接，在不 同负载之间装有电磁离合器。
6. 根据权利要求4所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于在所述的回水口连接有补水箱。
7. 根据权利要求1所述的发动机排气余热利用装置，其特征在于在所述的后套管的 夹层内设有换热管，该换热管的两端从后套管引出，并与汽车水箱的入口的冷却回路串联。
专利摘要一种汽车发动机排气余热利用装置，在汽车发动机的排气歧管、前排气管和后排气管的外侧分别依次设置歧管套、前套管和后套管，并设有水夹层，各水夹层之间的相邻端连接组成加温回路；在该歧管套上设有出气口，在该后套管的尾端设有回水口；该出气口与回水口之间通过管路连接有汽轮机和单向阀，该汽轮机、管路和单向阀组成做功冷却回路，在该加温回路和做功冷却回路内充满水；所述的汽轮机的动力输出轴与一负载连接。结构简单，实用价值高，成本低，使用寿命长，体积较小，不产生新的污染物，具有足够的机械强度，耐热性好，容易维修，较少改变原发动机和有关设施的结构，可靠性高。
文档编号F02G5/02GK201496168SQ20092030436
公开日2010年6月2日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者陈骐峰 申请人:陈骐峰;陈锡贤