一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置

本发明涉及汽车尾气余热回收利用，尤其是涉及一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置。

背景技术：

1、目前，汽车内燃机释放的能量仅有效利用了45％，大部分能量与汽车尾气一起释放到大气中。如何利用这部分余热是节约能源、减少排放的重要途径。

2、然而，汽车废热品位低、空间和质量要求严格、车辆运行状况多变、成本控制严格等众多困难使得真正能够投入市场的汽车废热回收装置难以实现，导致现在的汽车余热回收装置几乎都停留在理论或实验室阶段，且存在着各自的缺点：半导体温差发电热电转换效率较低，长期运行的可靠性较差，需要经常维护；废气涡轮增压对汽车尾气排放有着巨大影响，容易导致废气过量；有机朗肯循环结构复杂，尺寸巨大且难以小型化，不适用于汽车废热回收；斯特林发动机加工精度要求高，装配困难，运动复杂，成本高昂；推移活塞脉管发动机同时存在两个运动部件，且两个运动部件之间的调整较为困难。

技术实现思路

1、基于现在的汽车余热回收装置几乎都存在着不同缺点的现状，本发明提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置。

2、本发明提供的基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，可以回收汽车尾气废热，并再次为汽车提供动力，实现汽车内部节能减排的正向循环，本发明提供的基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置仅有一个运动部件，在高温端无运动部件，无高精度配合要求，机械加工难度低，提高系统可靠性和加工制造的可行性。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

4、本发明提供一种基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置，该装置包括由阶梯活塞膨胀机、脉管发动机热头、惯性管组成的阶梯活塞脉管发动机。阶梯活塞脉管发动机的一端与汽车尾气管道连接，用于与汽车尾气换热，吸收汽车尾气的热量并产生功以供利用。

5、在本发明的一个实施方式中，所述的阶梯活塞脉管发动机为采用直线电机的阶梯活塞脉管发动机，阶梯活塞脉管发动机与汽车尾气管道连接，吸收汽车尾气的热量，通过直线电机产生电能。

6、在本发明的一个实施方式中，所述的采用直线电机的阶梯活塞脉管发动机后连接整流器及蓄电池，其中，直线电机与整流器相连，整流器与蓄电池相连，直线电机产生的电能经过整流器后储存在蓄电池中。

7、在本发明的一个实施方式中，所述的阶梯活塞脉管发动机为采用曲柄连杆机构的阶梯活塞脉管发动机，其中阶梯活塞脉管发动机的一端与汽车尾气管道连接，用于与汽车尾气换热，吸收汽车尾气的热量并产生膨胀功，阶梯活塞脉管发动机另一端采用曲柄连杆机构，曲柄连杆机构用于将阶梯活塞脉管发动机输出的膨胀功转化为轴功，为汽车的主发动机提供额外轴功，或带动汽车空调使用。

8、在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机包括阶梯气缸和阶梯活塞，阶梯活塞与阶梯气缸形成阶梯活塞膨胀机膨胀腔和阶梯活塞膨胀机压缩腔，由于阶梯活塞膨胀机膨胀腔的容积和阶梯活塞压缩机压缩腔的容积都由阶梯活塞控制，因此，在运行过程中，阶梯活塞膨胀机膨胀腔和阶梯活塞膨胀机压缩腔的容积变化同相，即容积同时增大或同时缩小。由于阶梯活塞膨胀机膨胀腔内的压力波与阶梯活塞膨胀机压缩腔内的压力波几乎反向，因此，阶梯活塞膨胀机可同时进行压缩过程和膨胀过程，阶梯活塞膨胀机膨胀腔输出的膨胀功大于阶梯活塞膨胀机压缩腔输入的压缩功，使阶梯活塞膨胀机对外做功。

9、在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机采用直线电机回收膨胀功，所述直线电机为动磁式直线电机、动圈式直线电机或动铁式直线电机。

10、可选地，所述的阶梯活塞膨胀机采用曲柄连杆机构回收膨胀功。曲柄连杆机构连接阶梯活塞，将阶梯活塞输出的膨胀功转化为轴功，为汽车的主发动机提供额外轴功，或带动汽车空调使用。

11、在本发明的一个实施方式中，所述直线电机采用动磁式直线电机，所述动磁式直线电机包括永磁铁、线圈、外铁芯和内铁芯，其中，外铁芯位于内铁芯外侧，永磁铁位于外铁芯和内铁芯之间，永磁铁与阶梯活塞固连，同步运动，线圈切割磁感线，产生感应电流。

12、在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机采用柔性弹簧支撑，同时柔性弹簧起到调节阶梯活塞运动的作用。

13、在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机采用双头对置结构，有两组直线电机和两组阶梯活塞，各直线电机分别连接一个阶梯活塞，两组结构共用一个阶梯气缸，形成两个相连的阶梯活塞膨胀机压缩腔和两个相连的阶梯活塞膨胀机膨胀腔。

14、在本发明的一个实施方式中，所述阶梯活塞膨胀机采用双头对置结构，有两组曲柄连杆机构和两组阶梯活塞，各曲柄连杆机构分别连接一个阶梯活塞，两组结构共用一个阶梯气缸，形成两个相连的阶梯活塞膨胀机压缩腔和两个相连的阶梯活塞膨胀机膨胀腔。

15、在本发明的一个实施方式中，所述脉管发动机热头包括顺次连接的脉管、热头高温端换热器、回热器、热头室温端换热器，热头高温端换热器与汽车尾气管道连接；其中，热头室温端换热器与阶梯活塞膨胀机压缩腔相连，脉管室温端连接惯性管、气库，气库与阶梯活塞膨胀机膨胀腔相连。

16、通过惯性管的惯性作用和阻力作用，使惯性管两端的压力波产生近180°的反向，这使得阶梯活塞膨胀机膨胀腔内的压力波与阶梯活塞膨胀机压缩腔内的压力波几乎反向，令阶梯活塞同时进行压缩过程和膨胀过程。

17、在本发明的一个实施方式中，所述气库与阶梯活塞膨胀机膨胀腔整合为同一个腔体，变为具有较大死容积的阶梯活塞膨胀机膨胀腔。利用具有大死容积膨胀腔的阶梯活塞膨胀机可以省去气库，进一步简化结构。

18、在本发明的一个实施方式中，所述气库与阶梯活塞膨胀机压缩腔整合为同一个腔体，变为具有较大死容积的阶梯活塞膨胀机压缩腔。

19、在本发明的一个实施方式中，所述热头室温端换热器、惯性管通过冷端换热系统向环境散热，采用风冷冷却，或者采用水冷套结构。惯性管在高温下性能较差，因此需要对惯性管进行冷却。风冷冷却为惯性管直接与空气对流换热。套管结构为惯性管外再套上液体管路，使惯性管与冷却液体直接接触，对流换热。

20、在本发明的一个实施方式中，所述基于阶梯活塞脉管发动机的汽车废热回收装置与汽车排气管相对位置任意。

21、本发明中，阶梯活塞脉管发动机是阶梯活塞脉管制冷机的一种逆循环，阶梯活塞脉管发动机完成热向功的转换：热头高温端换热器通过热端换热系统从高温的汽车尾气中吸收热量，热头室温端换热器通过冷端换热系统向室温释放热量，惯性管使阶梯活塞膨胀机同相运动的阶梯活塞膨胀机膨胀腔和阶梯活塞膨胀机压缩腔内的压力波产生近180°的反向，使阶梯活塞膨胀机同时进行压缩过程和膨胀过程，当膨胀过程输出的功大于压缩过程输入的功时阶梯活塞膨胀机对外输出功。阶梯活塞脉管发动机产生功以供汽车使用，达到回收汽车尾气余热节能减排的目的。

22、本发明中，仅有一个运动部件，且运动部件处在室温，利用惯性管使压力波产生一个近180°的反向变化，令阶梯活塞膨胀机同时实现压缩和膨胀过程，因此，具有可靠性高、热效率高、加工成本低的特点。将阶梯活塞脉管发动机用于汽车尾气废热回收，利用汽车尾气废热转化为功，能有效提高汽车的能源利用率，且具有较高的可行性。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益技术效果：

24、(1)基于本发明提供的装置，可以将低品味的车辆排气废热被直接转化为电能存储在蓄电池中以供汽车使用。基于本发明提供的装置，在减少汽车热污染的同时，热能被回收，再次为汽车提供能量，实现汽车减排的正循环。

25、(2)区别于常用的废热回收方式，本发明采用阶梯活塞膨胀机、脉管发动机热头、惯性管气库完成热能向电能的转换，仅有一个运动部件，且在高温端无运动部件，装配精度无要求，加工难度低，提高了系统可靠性和生产可行性，降低了生产成本。