一种可用于油电混合动力汽车的余热回收装置的制作方法

本发明涉及一种可用于油电混合动力汽车的余热回收装置，具体涉及内燃机节能减排领域，可将油电混合动力汽车的内燃机排气余热能高效回收，再次转化为电能用于动力输出。

背景技术：

汽车尾气对大气环境造成的污染日益严重，成为大气环境污染中最为棘手和亟待解决的问题之一。发展和推广使用新能源汽车是实现我国能源战略安全和保持汽车工业可持续发展的必然趋势，混合动力汽车凭借其优越的性能和良好的产业基础收到了广大汽车商的青睐。但是油电混合动力汽车依然存在一些问题，如：当内燃机单独工作时，燃油利用率较低,从车用内燃机的能量平衡来看，只有30％-45％(柴油机)或20％-30％(汽油机)的燃料燃烧总热量用于动力输出，摩擦损失和机械损失大约为燃料燃烧总热量的10％，其余的能量主要通过冷却介质和高温尾气被排放到大气当中，造成严重的能源浪费；当动力来源是大功率电池，行驶里程较长时，需要预先给蓄电池长时间充电，造成高昂的充电费用等。因此将混合动力汽车内燃机排气余热能高效回收，用于给蓄电池充电，可以有效地提高内燃机总能效率、降低燃油消耗量，同时降低环境污染，解决高昂充电费用等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种可用于油电混合动力汽车的节能减排装置。该装置包括动力输出系统、有机朗肯循环余热回收系统、蓄电池充电系统以及采集控制系统。当混合动力汽车内燃机工作时，高温尾气经排气管路进入有机朗肯循环余热回收系统中的蒸发器，在蒸发器内将高温尾气所携带的热量传递给液态有机工质，使其变为高温高压气态有机工质，进入自由活塞膨胀机。高温高压气态有机工质在自由活塞膨胀机内膨胀做功，推动活塞往复运动，带动直线发电机的动子做往复切割磁感线的运动，从而将高温高压气态有机工质所携带的能量转化为电能，给混合动力汽车蓄电池充电，再次用于动力输出。本发明不仅可以高效回收内燃机排气余热，大大提高能源利用率；也可以有效降低混合动力汽车充电费用。

为了实现上述目标，本发明采用的技术解决方案是一种可用于油电混合动力汽车的余热回收装置，其特征在于：该装置主要包括内燃机排气余热回收系统、蓄能充电系统、动力输出系统、采集控制系统。

上述的内燃机排气余热回收系统，包括内燃机(2)、蒸发器(32)、分流器(21)、第一三通阀(33)、第二三通阀(38)、自由活塞膨胀机(42)、冷凝器(20)、储液罐(15)、第一电动阀(14)、工质过滤器(13)、工质泵(12)以及连接的管路；

上述蓄能充电系统，包括自由活塞膨胀机(42)、永磁式圆筒直线发电机(41)、整流器(24)、开关继电器(23)、充电器(6)、蓄电池(10)以及连接电路；

上述动力输出系统，包括驱动桥(5)、第一变速箱(3)、第二变速箱(7)、内燃机(2)、油箱(1)、变压器(9)、蓄电池(10)以及相应的传动轴；

上述采集控制系统，包括第一温度传感器(11)、第二温度传感器(17)、第三温度传感器(18)、第四温度传感器(31)、第五温度传感器(36)、第六温度传感器(40)、第一压力传感器(16)、第二压力传感器(30)、第三压力传感器(35)、第四压力传感器(37)、采集模块(25)、电子控制单元(22)、电池管理器(43)、内燃机转速传感器(44)、第一电动阀(14)、第二电动阀(19)、第一电磁阀(26)、第二电磁阀(27)、第三电磁阀(28)、第四电磁阀(29)、开关继电器(23)以及相应的连接线路。

内燃机(2)高温尾气经过排气管路进入蒸发器(32)，在蒸发器(32)内高温尾气将热量传递给有机工质，使液态有机工质变为高温高压气态有机工质；蒸发器(32)、分流器(21)、自由活塞膨胀机(42)、冷凝器(20)、第一电动阀(14)、工质过滤器(13)、工质泵(12)依次相连，上述连接为管路连接；同时储液罐(15)依次经过第一电动阀(14)、工质过滤器(13)、工质泵(12)、蒸发器(32)、分流器(21)、自由活塞膨胀机(42)、冷凝器(20)相连接，冷凝器(20)再与储液罐(15)连接形成一循环管路；其中分流器(21)、自由活塞膨胀机(42)、冷凝器(20)的连接如下：管路经分流器(21)后分为两个分支管路，分流器(21)的两分支管路分别与第二电磁阀(27)、第三电磁阀(28)连接，第二电磁阀(27)经由第二三通阀(38)、第二工质质量流量计(39)与自由活塞膨胀机(42)b气口连接；同时第二三通阀(38)还经由第一电磁阀(26)与冷凝器(20)连接；第三电磁阀(28)经由第一三通阀(33)、第一工质质量流量计(34)与自由活塞膨胀机(42)b气口连接；同时第一三通阀(33)还经由第四电磁阀(29)与冷凝器(20)连接；

蓄能充电系统各部件的连接关系是：永磁式圆筒直线发电机(41)的动子通过连杆与自由活塞膨胀机(42)中的活塞杆固定连接，永磁式圆筒直线发电机(41)定子经整流器(24)、开关继电器(23)充电器(6)与蓄电池(10)连接，上述连接为电路连接；

动力输出系统各部件的连接关系：蓄电池(10)、变压器(9)、电动机(8)、第二变速箱(7)、驱动桥(5)、车轮(4)依次相连，为一条电能动力输出路线；油箱(1)、内燃机(2)、第一变速箱(3)、驱动桥(5)、车轮(4)依次相连，为另一条燃油动力输出路线；

采集控制系统各部件的连接关系：第一温度温度传感器(11)一端设置在内燃机(2)与蒸发器(32)连接的排气管路上，另一端与采集模块(25)相连；第二温度温度传感器(17)一端设置在冷凝器(20)与储液罐(15)连接的工质管路上，另一端与采集模块(25)相连；第三温度温度传感器(18)一端设置在冷凝器(20)进口处，另一端与采集模块(25)相连；第四温度温度传感器(31)一端设置在蒸发器(32)换热出口处，另一端与采集模块(25)相连；第五温度温度传感器(36)一端设置在自由活塞膨胀机(42)a气口处，另一端与采集模块(25)相连；第六温度温度传感器(40)一端设置在自由活塞膨胀机(42)b气口处，另一端与采集模块(25)相连；第一压力传感器(16)一端设置在冷凝器(20)与储液罐(15)连接的工质管路上，另一端与采集模块(25)相连；第二压力传感器(30)一端设置在工质泵(12)与蒸发器(32)连接的工质管路上，另一端与采集模块(25)相连；第三压力传感器(35)一端设置在自由活塞膨胀机(42)a气口处，另一端与采集模块(25)相连；第四压力传感器(37)一端设置在自由活塞膨胀机(42)b气口处，另一端与采集模块(25)相连；采集模块(25)与电子控制单元(22)连接；电池管理器(43)一端与蓄电池(10)相连，另一端与电子控制单元(22)连接；第一电动阀(14)设置在储液罐(15)和工质过滤器(13)之间的工质管路上，同时还与电子控制单元(22)相连；第二电动阀(19)设置在冷凝器(20)进口处与冷却水源相连，同时还与电子控制单元(22)相连；第一电磁阀(26)设置在冷凝器(20)和第二三通阀(38)之间的工质管路上，同时还与电子控制单元(22)连接；第二电磁阀(27)设置在分流器(21)和第二三通阀(38)之间的工质管路上，同时还与电子控制单元(22)连接；第三电磁阀(28)设置在分流器(21)和第一三通阀(33)之间的工质管路上，同时还与电子控制单元(22)连接；第四电磁阀(29)设置在冷凝器(20)和第一三通阀(33)之间的工质管路上，同时还与电子控制单元(22)连接；开关继电器(23)设置在整流桥(24)和充电器(6)之间的电路上，同时还与电子控制单元(22)连接；内燃机转速传感器(44)与内燃机(2)转轴连接，同时还与采集模块(25)相连。

自由活塞膨胀机(42)与永磁式圆筒直线发电机(41)采取水平布置方式，即自由活塞膨胀机(42)与磁式圆筒直线发电机(41)之间的v型夹角为180度，且通过连杆连接，连杆两端通过柔性转接头分别与自由活塞膨胀机(42)和永磁式圆筒直线发电机(41)动子同轴连接。永磁式圆筒直线发电机(41)动子上装有位移传感器，将动子的位移信息传递给采集模块(25)。

本发明的自由活塞膨胀机(42)为双向功能的自由活塞膨胀机。

当内燃机(2)在不同工况下运行时，控制系统可依据自由活塞膨胀机(42)进口压力温度传感器信号，通过电子控制单元(22)对第一、第二、第三、第四电磁阀(26、27、28、29)的开闭控制，改变自由活塞膨胀机(42)的膨胀比、活塞行程，做到充分膨胀，从而实现对有机工质所携带能量的高效利用。

高温高压气态有机工质进入自由活塞膨胀机(42)，推动活塞往复运动过程中，通过连接杆带动圆筒式直线发电机动子(41)运动，动子连续运动时，通过线圈的磁通方向将翻转变化，产生电能，输出的交流电通过整流器(24)转化为直流电，电子控制单元(22)发出指令，闭合开关继电器(23)，电流通过充电器(6)所在电路，给蓄电池(10)进行充电，再次通过动力输出系统转化为车轮(4)的动能，完成对内燃机(2)尾气的余热利用。

当油电混合动力汽车的内燃机(2)处于停机状态时，采集控制系统根据发动机转速传感器(44)信号，发出指令，第一电动阀(14)打开，储液罐(15)和工质过滤器(13)之间管路处于断开状态，整个有机朗肯循环余热回收系统停止工作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.有机朗肯循环余热回收系统采用新型双作用自由活塞直线膨胀机装置，该装置摒弃了曲柄连杆机构，活塞运动过程中无侧向力产生，摩擦阻力小，能量损失少，结构简单，易于控制，且装置结构紧凑，占用体积小。

2.当内燃机在不同工况下运行时，采集控制系统可依据自由活塞膨胀机进口压力温度传感器信号，通过电子控制单元对电磁阀的开闭控制，改变自由活塞膨胀机的膨胀比、活塞行程，做到充分膨胀，从而实现对有机工质所携带能量的高效利用。

3.本装置将混合动力汽车自带内燃机排气能量再次利用，用于给蓄电池充电，可以有效减少充电费用，大大提高车辆行驶里程。

附图说明

图1是油电混合动力汽车余热回收系统装置的示意图

图1中：1、油箱；2、内燃机；3、第一变速箱；4、车轮；5、驱动桥；6、充电器；7、第二变速箱；8、电动机；9、变压器；10、蓄电池；11、第一温度传感器；12、工质泵；13、工质过滤器；14、第一电动阀；15、储液罐；16、第一压力传感器；17、第二温度传感器；18、第三温度传感器；19、第二电动阀；20、冷凝器；21、工质分流器；22、电子控制单元；23、开关继电器；24、整流器；25、采集模块；26、第一电磁阀；27、第二电磁阀；28、第三电磁阀；29、第四电磁阀；30、第二压力传感器；31、第四温度传感器；32、蒸发器；33、第一三通阀；34、第一工质质量流量计；35、第三压力传感器；36、第五温度传感器；37、第四压力传感器；38、第二三通阀；39、第二工质质量流量计；40、第六温度传感器；41、永磁式圆筒直线发电机；42、自由活塞膨胀机；43、电池管理器；44、内燃机转速传感器；

图2为自由活塞膨胀机结构示意图。

1’活塞杆；2’活塞杆密封圈；3’气口b；4’单向缓冲阀b；5’气缸筒；6’第二缓冲套；7’活塞；8’活塞密封圈；9’耐磨环；10’单向缓冲阀a；11’气口a；12’无杆侧端盖；13’第二缓冲套；14’o型密封圈；15’有杆侧端盖；16’导向套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

图1是油电混合动力汽车余热回收系统装置的示意图，该装置主要包括内燃机排气余热回收系统、蓄能充电系统、动力输出系统、采集控制系统。上述的内燃机排气余热回收系统，包括内燃机2、排气通路、蒸发器32、分流器21、第一三通阀33、第二三通阀38、自由活塞膨胀机42、冷凝器20、储液罐15、第一电动阀14、工质过滤器13、工质泵12以及连接的工质管路；上述蓄能充电系统，包括自由活塞膨胀机42、永磁式圆筒直线发电机41、整流器24、开关继电器23、充电器6、蓄电池10以及连接电路；上述动力输出系统，包括驱动桥5、第一变速箱3、第二变速箱7、内燃机2、油箱1、变压器9、蓄电池10以及相应的传动轴；上述采集控制系统，包括第一温度传感器11、第二温度传感器17、第三温度传感器18第四温度传感器31、第五温度传感器36、第六温度传感器40、第一压力传感器16、第二压力传感器30、第三压力传感器35、第四压力传感器37、采集模块25、电子控制单元22、电池管理器43、第一电动阀14、第二电动阀19、第一电磁阀26、第二电磁阀27、第三电磁阀28、第四电磁阀29、内燃机转速传感器44、开关继电器23以及相应的连接线路。

内燃机排气余热回收系统各部件的连接关系是：内燃机2排气经过排气管路进入蒸发器32，在蒸发器32内将尾气热量传递给有机工质，使液态有机工质变为高温高压气态有机工质，蒸发器32、分流器21、自由活塞膨胀机42、冷凝器20、储液罐15、第一电动阀14、工质过滤器13、工质泵12依次相连，上述连接为管路连接；

蓄能充电系统各部件的连接关系是：自由活塞膨胀机42、永磁式圆筒直线发电机41、永磁式圆筒直线发电机41的动子通过连杆与自由活塞膨胀机42中的活塞杆固定连接，永磁式圆筒直线发电机41定子经整流器24、开关继电器23与蓄电池10连接，上述连接为电路连接；

动力输出系统各部件的连接关系是蓄电池10、变压器9、电动机8、第二变速箱7、驱动桥5、车轮4依次相连，为一条电能动力输出路线；油箱1、内燃机2、第一变速箱3、驱动桥5、车轮4依次相连，为另一条燃油动力输出路线，上述连接为驱动轴连接；

采集控制系统各部件的连接关系是：第一温度温度传感器11一端设置在内燃机2与蒸发器32连接的排气通路上，另一端与采集模块25相连；第二温度温度传感器17一端设置在冷凝器20与储液罐15连接的工质管路上，另一端与采集模块25相连；第三温度温度传感器18一端设置在冷凝器20进口处，另一端与采集模块25相连；第四温度温度传感器31一端设置在蒸发器32换热出口处，另一端与采集模块25相连；第五温度温度传感器36一端设置在自由活塞膨胀机42a气口处，另一端与采集模块25相连；第六温度温度传感器40一端设置在自由活塞膨胀机42b气口处，另一端与采集模块25相连；第一压力传感器16一端设置在冷凝器20与储液罐15连接的工质管路上，另一端与采集模块25相连；第二压力传感器30一端设置在工质泵12与蒸发器32连接的工质管路上，另一端与采集模块25相连；第三压力传感器35一端设置在自由活塞膨胀机42a气口处，另一端与采集模块25相连；第四压力传感器37一端设置在自由活塞膨胀机42b气口处，另一端与采集模块25相连；采集模块25与电子控制单元22连接；电池管理器43一端与蓄电池10相连，另一端与电子控制单元22连接；第一电动阀14一端设置在储液罐15和工质过滤器13之间的工质管路上，另一端与电子控制单元22相连；第二电动阀19一端设置在冷凝器20进口处与冷却水源相连，另一端与电子控制单元22相连；第一电磁阀26一端设置在冷凝器20和第二三通阀38之间的工质管路上，另一端与电子控制单元22连接；第二电磁阀27一端设置在分流器21和第二三通阀38之间的工质管路上，另一端与电子控制单元22连接；第三电磁阀28一端设置在分流器21和第一三通阀33之间的工质管路上，另一端与电子控制单元22连接；第四电磁阀29一端设置在冷凝器20和第一三通阀33之间的工质管路上，另一端与电子控制单元22连接；开关继电器23一端设置在整流桥24和充电器6之间的电路上，另一端与电子控制单元22连接；内燃机转速传感器44一端与内燃机2转轴连接，另一端与采集模块25相连。

自由活塞膨胀机42与永磁式圆筒直线发电机41采取水平布置方式，即自由活塞膨胀机42与磁式圆筒直线发电机41之间的v型夹角为180度，且通过连杆连接，连杆两端通过柔性转接头分别与自由活塞膨胀机42和永磁式圆筒直线发电机41动子同轴连接。永磁式圆筒直线发电机41动子上装有位移传感器，将动子的位移信息传递给采集模块25。

自由活塞膨胀机42为双向功能的自由活塞膨胀机。其具体结构可参见如图2。自由活塞膨胀机42结构如下，气缸筒5’两端加工有安装槽，该安装槽分别与无杆侧端盖12’和有杆侧端盖15’连接，且两端连接部位均安有o型密封圈14’；有杆侧端盖15’中心部位设有用于活塞杆1’穿过的中心孔，在中心孔的内表面布置有导向套16’，导向套16’内表面为活塞杆密封圈2’，有杆侧端盖15’的侧面径向设有通孔作为气口b3’，活塞杆1’穿过活塞杆密封圈2’、导向套16’与位于气缸筒5’内的活塞7’紧固连接；活塞7’外侧圆周上加工有环槽分别用于安装活塞密封圈8’和耐磨环9’；在活塞7’有杆侧端盖15’的这一侧，与活塞7’连接的活塞杆1’上设有第一缓冲套6’；在活塞7’无杆侧端盖12’的这一侧，与活塞7’连接的活塞杆1’上设有第二缓冲套13’，紧凑布置于活塞7’两侧；单向缓冲阀b4’布置在有杆侧端盖15’上，单向缓冲阀a10’布置在无杆侧端盖12’上，无杆侧端盖12’的侧面径向设有通孔作为气口a11’，在无杆侧端盖12’侧的活塞杆1’轴向顶端设有空腔与气口a11’连接。

自由活塞膨胀机42内部具有气体缓冲功能，当自由活塞膨胀机42工作时，活塞7’运行到接近无杆侧端盖12’位置时，缓冲套13’将会堵住自由活塞膨胀机气口a11’，此时，乏气只能通过单向缓冲阀a10’排出自由活塞膨胀机42，实现活塞内部气体缓冲，防止活塞7’对无杆侧缸盖12’进行撞击，且可以通过调节缓冲阀10’的开度，实现对缓冲力大小的调整。当活塞7’向有杆侧端盖15’方向运行时，同理。

以下结合附图详细说明油电混合动力汽车余热回收系统装置工作原理：

本发明油电混合动力汽车余热回收系统装置动力来自内燃机尾气余热，高温尾气排出内燃机后，经排气管路进入蒸发器，在蒸发器内将热量传递给液态有机工质，使其变为高温高压气态有机工质。通过电子控制单元对电磁阀的控制，高温高压气态有机工质流入自由活塞膨胀机，膨胀做功，推动活塞往复运动。高温高压气态有机工质在自由活塞膨胀机内做功后变为低温低压的有机工质排出自由活塞膨胀机，流经冷凝器，冷凝为液态有机工质，流回储液罐。自由活塞膨胀机中的活塞往复运动过程中，带动永磁式圆筒直线发电机动子做切割磁感线运动产生电能，用于给油电混合动力汽车蓄电池充电，再次用于动力输出。

当油电混合动力汽车的内燃机2处于工作状态时，高温尾气排出内燃机2后，经排气管路进入蒸发器32，在蒸发器32内与被工质泵12加压后的液态有机工质充分换热，使高压液态有机工质变为高温高压气态有机工质。此时，电子控制单元22控制第三电磁阀28打开，第一电磁阀26打开，第二电磁阀27闭合，第四电磁阀29闭合，高温高压气态有机工质通过第三电磁阀28所在工质管路，流经第一工质质量流量计34，从自由活塞膨胀机42气口a流入自由活塞膨胀机42，推动活塞由气口a向气口b运动，低温低压的气态有机工质从自由活塞膨胀机42气口b流出，通过第一电磁阀26所在工质管路排出。通入一定时间t后，第三电磁阀28闭合，第一电磁阀26、第二电磁阀27、第四电磁阀29状态不变，高温高压气态有机工质在自由活塞膨胀机42内自由膨胀，继续推动活塞运动。当活塞运动到自由活塞膨胀机气口b端设定的位移报警点x2时，采集控制系统发出指令，第二电磁阀27打开，第四电磁阀29打开，第一电磁阀26闭合，第三电磁阀28闭合，从蒸发器32流出的高温高压气态有机工质通过第二电磁阀27所在工质管路，流经第二工质质量流量计39，从自由活塞膨胀机42气口b进入自由活塞膨胀机42，推动活塞由气口b向气口a运动，有机工质乏汽从自由活塞膨胀机42气口a流出，通过第四电磁阀29所在工质管路排出；通入一定时间t后，第二电磁阀27闭合，第一电磁阀26、第三电磁阀28、第四电磁阀29状态保持不变，高温高压气态有机工质在自由活塞膨胀机42内自由膨胀，继续推动活塞运动。同理，当活塞运动到自由活塞膨胀机42气口a端设定位移报警点x1时，采集控制系统发出指令，第三电磁阀28打开，第二电磁阀27、第四电磁阀29闭合，第一电磁阀26打开，自由活塞膨胀机42开始下一个工作循环；自由活塞膨胀机42通过调节设定位移报警点x1、x2，可以调整自由活塞膨胀机42中活塞的行程，以适应在内燃机2不同运行工况下工作，从而获得更好的能量转化效率。同时，通过采集控制系统调整第二电磁阀27、第三电磁阀28打开的持续时间，可以调整膨胀行程时间长短，从而保证在不同运行工况下，高温高压的气态有机工质可以完全膨胀，以提高能量利用率，减少能量损失。

从自由活塞膨胀机42流出的有机工质乏汽，进入冷凝器20，电子控制单元22发出指令，打开第二电动阀19，冷却水流入冷凝器20，有机工质与冷却水充分换热，变成低温低压液态有机工质，储存在储液罐15中。装置开始工作时，电子控制单元22发出指令，第一电动阀14打开，存储在储液罐15内的低温低压液态有机工质流经工质过滤器13进入工质泵12，进行加压处理，变为高压液态有机工质，流入蒸发器32，与高温内燃机尾气进行换热过程，变为高温高压气态有机工质，再次进入自由活塞膨胀机42内膨胀做功。

自由活塞膨胀机42中活塞往复运动过程中，通过连接杆带动圆筒式直线发电机动子41运动，动子连续运动时，通过线圈的磁通方向将翻转变化，产生电能，输出的交流电通过整流器24转化为直流电，电子控制单元22发出指令，闭合开关继电器23，电流通过充电器6所在电路，给蓄电池10进行充电，再次通过动力输出系统转化为车轮4的动能，完成对内燃机2尾气的余热利用。

当油电混合动力汽车的内燃机2处于停机状态时，采集控制系统根据内燃机转速传感器44信号，电子控制单元22发出指令，第一电动阀14闭合，储液罐15和工质过滤器13之间管路处于断开状态，整个有机朗肯循环余热回收系统停止工作。

本发明将混合动力汽车内燃机排气余热能高效回收用于给蓄电池充电，可以有效降低环境污染，解决高昂充电费用问题。