基于复合电源的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收
系统
技术领域
[0001] 本
发明专利涉及一种基复合电源的自由活塞膨胀机-直线发电
机车用余热回收系统，属于节能减排领域。
背景技术
[0002]
能源是社会经济发展的动
力，能源安全是保证国家安全、国民经济可持续发展的
基础。
汽车产量和保有量的增长势必造成大量的能源消耗和严峻的环保压力，车用
内燃机排放的CO2约占全球CO2总
排放量的1/4。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，其余的能量主要通
过冷却介质和排气被排放到大气当中。因此，将车用内燃机的余
热能高效
回收利用可以有效地提高车用内燃机总能效率、降低燃油消耗量、减少CO2和污染物排放。有机
朗肯循环系统凭借效率高、结构简单及环境友好等优点，成为降低车用内燃机油耗、减少其污染物排放的有效途径之一。
[0003] 目前，已有专利提出利用
有机朗肯循环系统回收内燃机余热能，通过将余热能转化为
电能储存在
蓄电池中，用于整车供电和
驱动电机，形成车用
混合动力系统。但是以上所提的油电混合动力汽车以及利用有机朗肯循环系统形成的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，油耗较高，大约1/3的能量通过排气被排放到大气当中。
蓄电池比功率小、
循环寿命短、
温度特性差、续驶里程短，单一采用蓄电池作动力源在车辆有瞬时大功率需求时会对蓄电池造成冲击损害，特别是对于城市工况，车辆具有较频繁的起步、加减速过程，蓄电池功率输出
波动频繁且波动较大，对蓄电池造成的冲击损害更加严重。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种新型的自由活塞膨胀机-直线发电机的集成单元作为有机朗肯循环系统中的热电转换装置，可以有效的提高
发动机的燃油经济性，提高蓄电池的使用寿命，满足了车载动力电源对高能量、大功率的要求。
[0005] 该装置将两台自由活塞膨胀机
水平放置并通过
连杆与直线发电机动子耦合，通过高温高压的有机工质驱动自由活塞膨胀机，将内燃机排气余热能量转化为机械能，进而通过直线发电机将机械能转化为电能输出。并基于该装置设计了基于蓄电池和超级电容的复合电源系统，通过超级电容与蓄电池的协同工作，超级电容可对蓄电池输出功率起到“
削峰填谷”的作用，避免大
电流充放电对蓄电池造成冲击损害，保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命，降低电动汽车的使用成本。当余热回收系统处于较佳运行状态，自由活塞膨胀机-直线发电机产生的电能，可以存储在蓄电池和超级电容中。复合电源系统的使用，在很大的程度上满足了车载动力电源对高能量、大功率、小体积的技术要求。
[0006] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
[0007] 一种
基于复合电源的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收系统，该系统主要包括有机朗肯循环系统、复合电源系统、控制系统。具体包括：车用内燃机(1)、
压气机(2)、
涡轮(3)、
蒸发器(4)、自由活塞膨胀机-直线发电机(5)、
冷凝器(6)、储液罐(7)、工质
泵(8)、交/直流电转换器(9)、双向DC/DC转换器(10)、超级电容(11)、蓄电池(12)、指示器一(13)、指示器二(14)、
功率分配器(15)、DC/DC转换器(16)、驱动电机(17)、控制单元(18)、进气
门一(19)、进气门二(20)、排气门一(21)、排气门二(22)、压力
传感器一(23)、温度传感器一(24)、
电动阀一(25)、电动阀二(26)、温度传感器二(27)、
压力传感器二(28)、压力传感器三(29)、温度传感器三(30)、温度传感器四(31)、压力传感器四(32)、压力传感器五(33)、自由活塞膨胀机一(34)、自由活塞膨胀机二(35)、自由活塞一(36)、自由活塞二(37)、
活塞环一(38)、活塞环二(39)、直线发电机(40)、直线发电机动子(41)、防撞
弹簧一(42)、防撞弹簧二(43)、防撞弹簧三(44)、防撞弹簧四(45)、位移传感器(46)以及各种连接管路和
电路。
[0008] 有机朗肯循环系统主要包括：车用内燃机(1)、压气机(2)、涡轮(3)、
蒸发器(4)、自由活塞膨胀机-直线发电机(5)、冷凝器(6)、储液罐(7)、工质泵(8)。其中自由活塞膨胀机-直线发电机(5)集成单元的主要结构如下，自由活塞膨胀机一(34)的
气缸上布置有进气门一(19)、排气门一(21)、温度传感器三(30)和压力传感器四(32)，其中压力传感器二(28)布置在排气门一(21)上；气缸内自由活塞一(36)布置有活塞环一(38)。同理，自由活塞膨胀机二(35)的气缸上布置有进气门二(20)、排气门二(22)、温度传感器四(31)和压力传感器五(33)，其中压力传感器三(29)布置在排气门二(22)上；气缸内自由活塞二(37)上布置有活塞环二(39)。自由活塞膨胀机一(34)和自由活塞膨胀机二(35)采用水平对置放置，并通过连杆将自由活塞一(34)、自由活塞二(35)和直线发电机动子(41)耦合在一起形成活塞动子组件；位移传感器(46)内置布置在直线发电机动子(41)内；活塞动子组件的连杆两侧布置有防撞弹簧一(42)、防撞弹簧二(43)、防撞弹簧三(44)、防撞弹簧四(45)。
[0009] 有机朗肯循环系统各部件连接关系是：进气通路与压气机(2)相连、车用内燃机(1)与压气机(2)和涡轮(3)相连，涡轮(3)与排气通路相连，压气机(2)与涡轮(3)同轴。车用内燃机(1)的排气总管分为两个支路，一条支路经过电动阀一(25)后直接与大气相通，另一条支路经过电动阀二(26)与蒸发器(4)通过管路相连接，排气经过管路进入蒸发器(4)与有机工质进行换热，将能量传递给有机工质后排入大气中；蒸发器(4)的一端与工质泵(8)通过管路相连接，另一端通过管路分别与进气门一(19)和进气门二(20)相连接；排气门一(21)和排气门二(22)通过管路与冷凝器(6)相连接；储液罐(7)的一端与工质泵(8)相连接，另一端通过管路与冷凝器(6)相连接，以上所有连接均为管路连接，形成完整的有机朗肯循环回路。
[0010] 复合电源主要包括：直线发电机(40)、交/直流电转换器(9)、双向DC/DC转换器(10)、超级电容(11)、蓄电池(12)、功率分配器(15)、DC/DC转换器(16)、驱动电机(17)，直线发电机(40)产生的电能经过交/直流电转换器(9)变成直流后进入双向DC/DC转换器(10)中，双向DC/DC转换器(10)分别与蓄电池(12)和超级电容(11)相连接，从超级电容(11)、蓄电池(12)流出的电流首先经过功率分配器(15)后再经过DC/DC转换器(16)调压后供给驱动电机(17)。
[0011] 控制系统主要包括：指示器一(13)、指示器二(14)、控制单元(18)、进气门一(19)、进气门二(20)、排气门一(21)、排气门二(22)、压力传感器一(23)、温度传感器一(24)、电动阀一(25)、电动阀二(26)、温度传感器二(27)、压力传感器二(28)、压力传感器三(29)、温度传感器三(30)、温度传感器四(31)、压力传感器四(32)、压力传感器五(33)、位移传感器(46)。压力传感器一(23)和温度传感器一(24)布置在涡轮(3)与电动阀一(25)之间的排气总管上；温度传感器二(27)布置在蒸发器(4)之后的排气管路上。
[0012] 基于复合电源的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收系统，由在直线发电机(40)的动子组件一端安装了两种不同弹性
刚度的弹簧，另一端安装也安装了两种不同弹性刚度的弹簧，对称设计；两端两种不同弹性刚度的弹簧的弹性刚度的比值为1:2；其中防撞弹簧一(42)与防撞弹簧二(43)的弹性刚度系数相同，防撞弹簧三(44)与防撞弹簧四(45)的弹性刚度相同，防止自由活塞一(36)、自由活塞二(37)与气缸的碰撞，把能量储存在防撞弹簧一(42)、防撞弹簧二(43)、防撞弹簧三(44)、防撞弹簧四(45)中，在下一个
活塞行程中使用。
[0013] 根据指示器(13)和指示器(14)对超级电容(11)和蓄电池(12)的电荷状态进行反馈，通过控制单元(18)对超级电容(11)和蓄电池(12)的充放电进行控制，防止超级电容(11)和蓄电池(12)出现过度充/放电现象的发生；根据指示器一(13)和指示器二(14)的实时反馈，利用超级电容(11)快速充/放电的特点，当超级电容(11)电荷量达到75％时，超级电容(11)通过双向DC/DC转换器给蓄电池(10)充电；结合车辆不同的运行工况下驱动电机(17)的功率需求，通过功率分配器(15)对复合电源功率进行分配；当车辆的需求功率不大于蓄电池(12)的输出功率时，蓄电池(12)单独驱动车辆；当超级电容(11)的电荷量低于25％时，蓄电池(12)的电荷量充足且车辆的需求功率不大于蓄电池(12)的输出功率时，为了满足车辆大功率的需求，蓄电池(10)不仅要驱动车辆，而且还要为超级电容(11)充电，当超级电容(11)电荷量达到50％时，停止充电；当车辆上坡或在泥泞的道路时需要加大驱动力，功率需求大于蓄电池(12)的输出功率时，超级电容(11)和蓄电池(12)共同驱动车辆。
[0014] 与
现有技术方案相比，本发明具有以下优点：
[0015] 1、为了保证自由活塞膨胀机稳定高效的运行，对直线发电机进行工作模式的切换，主要包括(发电机模式和
电动机模式)。为了自由活塞膨胀机的效率和输出功率，通过主动控制直线发电机，使直线发电机在电动机模式下运行，防止自由活塞膨胀机过膨胀状态和欠膨胀状态现象的发生。当直线发电机在发电模式时，通过对直线发电机的主动控制，保证直线发电机在高效运行区运行。
[0016] 2、当车用内燃机在全工况范围内运行时，自由活塞直线发电机活塞的运行状态也需要随之变化，这样才能达到余热能回收利用的最佳效果。以
跟踪期望的活塞运动
位置和直线发电机的输出性能为优化目标，应用以活塞位移和缸内压力为反馈的双闭环的控制策略，使活塞不仅能够稳定运行在期望的位置、满足车用发动机全工况范围内控制变量瞬态变化时的运动波动约束，而且还能根据缸内压力的反馈实时调节自由活塞膨胀机的工作状态(防止过膨胀状态和欠膨胀状态发生)。
[0017] 3、本发明针对混合动力汽车对高能量
密度电能存储系统的需求，建立了超级电容和蓄电池复合使用的复合电源系统。复合电源系统的运用，在很大的程度上满足了车载动力电源对高能量、大功率、小体积的技术要求。结合车辆不同的运行工况通过功率分配器对复合电源功率进行分配。当车辆的需求功率不大于蓄电池的输出功率时，蓄电池单独驱动车辆；当超级电容储能不足，蓄电池的电荷量充足且车辆的需求功率不大于蓄电池的输出功率时，蓄电池不仅要驱动车辆，而且还要为超级电容充电，当超级电容电荷量达到一定值时，停止充电；当车辆上坡或在泥泞的道路时需要加大驱动力，功率需求大于蓄电池的输出功率时，超级电容和蓄电池共同驱动车辆。
[0018] 4、自由活塞由于缺少
曲柄连杆机构具有膨胀比可调节，适用于不同的运行工况；运动附件少、摩擦损失小等优点；但同时引起了一个不可避免的问题就是活塞(或动子组件)运动的控制。本发明为了避免自由活塞撞缸，在直线发电机的动子组件两端安装了两种不同弹性刚度的弹簧，这样既可防止自由活塞与气缸的碰撞与震荡现象的发生，还可以把能量储存在弹簧中，在下一个活塞行程中使用，避免了能量的浪费，提高了系统的能量转换效率，保证自由活塞膨胀机稳定、高效、高能的运动。
附图说明
[0019] 图1是基于复合电源的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收系统原理示意图
[0020] 图2是自由活塞膨胀机-直线发电机集成单元示意图
[0021] 图中：1、车用内燃机；2、压气机；3、涡轮；4、蒸发器；5、自由活塞膨胀机-直线发电机；6、冷凝器；7、储液罐；8、工质泵；9、交/直流电转换器；10、双向DC/DC转换器；11、超级电容；12、蓄电池；13、指示器一；14、指示器二；15、功率分配器；16、DC/DC转换器；17、驱动电机；18、控制单元；19、进气门一；20、进气门二；21、排气门一；22、排气门二；23、压力传感器一；24、温度传感器一；25、电动阀一；26、电动阀二；27、温度传感器二；28、压力传感器二；29、压力传感器三；30、温度传感器三；31、温度传感器四；32、压力传感器四；33、压力传感器五；34、自由活塞膨胀机一；35、自由活塞膨胀机二；36、自由活塞一；37、自由活塞二；38、活塞环一；39、活塞环二；40、直线发电机；41、直线发电机动子；42、防撞弹簧一；43、防撞弹簧二；44、防撞弹簧三；45、防撞弹簧四；46、位移传感器。
具体实施方式
[0022] 下面结合
实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0023] 实施例1：下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0024] 如图1、2所示，一种基于复合电源的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收系统，该系统主要包括有机朗肯循环系统、复合电源系统、控制系统。具体包括：1、车用内燃机；2、压气机；3、涡轮；4、蒸发器；5、自由活塞膨胀机-直线发电机；6、冷凝器；7、储液罐；8、工质泵；9、交/直流电转换器；10、双向DC/DC转换器；11、超级电容；12、蓄电池；13、指示器一；14、指示器二；15、功率分配器；16、DC/DC转换器；17、驱动电机；18、控制单元；19、进气门一；20、进气门二；21、排气门一；22、排气门二；23、压力传感器一；24、温度传感器一；25、电动阀一；26、电动阀二；27、温度传感器二；28、压力传感器二；29、压力传感器三；30、温度传感器三；31、温度传感器四；32、压力传感器四；33、压力传感器五；34、自由活塞膨胀机一；35、自由活塞膨胀机二；36、自由活塞一；37、自由活塞二；38、活塞环一；39、活塞环二；40、直线发电机；41、直线发电机动子；42、防撞弹簧一；43、防撞弹簧二；44、防撞弹簧三；45、防撞弹簧四；46、位移传感器。
[0025] 有机朗肯循环系统主要包括：车用内燃机(1)、压气机(2)、涡轮(3)、蒸发器(4)、自由活塞膨胀机-直线发电机(5)、冷凝器(6)、储液罐(7)、工质泵(8)。其中自由活塞膨胀机-直线发电机(5)集成单元的主要结构如下，自由活塞膨胀机一(34)的气缸上布置有进气门一(19)、排气门一(21)、压力传感器二(28)、温度传感器三(30)和压力传感器四(32)；气缸内自由活塞一(36)上布置有活塞环一(38)。同理，自由活塞膨胀机二(35)的气缸上布置有进气门二(20)、排气门二(22)、压力传感器三(29)、温度传感器四(31)和压力传感器五(33)；气缸内自由活塞二(37)上布置有活塞环二(39)。自由活塞膨胀机一(34)和自由活塞膨胀机二(35)采用水平对置放置，并通过连杆将自由活塞一(36)、自由活塞二(37)和直线发电机动子(41)耦合在一起形成活塞动子组件；位移传感器(46)内置布置在直线发电机动子(41)内；活塞动子组件的连杆两侧布置有防撞弹簧一(42)、防撞弹簧二(43)和防撞弹簧三(44)、防撞弹簧四(45)，这样既可以防止自由活塞与气缸相撞，还可以避免由于碰撞造成的能量的浪费；为了防止自由活塞在接近气缸时发生震荡现象，在活塞动子组件的连杆两侧布置了两种不同弹性刚度的弹簧，保证自由活塞膨胀机稳定、高效高能的运行。
[0026] 复合电源系统主要包括：直线发电机(40)、交/直流电转换器(9)、双向DC/DC转换器(10)、超级电容(11)、蓄电池(12)、功率分配器(15)、DC/DC转换器(16)。
[0027] 控制系统主要包括：指示器一(13)、指示器二(14)、控制单元(18)、压力传感器一(23)、温度传感器一(24)、电动阀一(25)、电动阀二(26)、温度传感器二(27)、压力传感器二(28)、压力传感器三(29)、温度传感器三(30)、温度传感器四(31)、压力传感器四(32)、压力传感器五(33)和位移传感器(46)。压力传感器一(23)和温度传感器一(24)布置在电动阀一(25)和涡轮(3)之间的排气总管上；温度传感器二(27)布置在蒸发器(4)之后的排气管路上。指示器一(13)、指示器二(14)和温度传感器(24，27，30，31)、压力传感器(23，28，29，32，33)以及位移传感器(46)将采集的
信号传递给控制单元(18)；进气门一(19)、进气门二(20)、排气门一(21)、排气门二(22)、电动阀一(25)、电动阀二(26)的开闭由控制单元(18)控制。
[0028] 有机朗肯循环系统各部件连接关系是：进气通路与压气机(2)相连、车用内燃机(1)与压气机(2)涡轮(3)相连，涡轮(3)与排气通路相连，压气机(2)与涡轮(3)同轴。车用内燃机(1)的排气总管分为两个支路，一条支路经过电动阀一(25)后直接与大气相通，另一条支路经过电动阀二(26)与蒸发器(4)通过管路相连接，排气经过管路进入蒸发器(4)与有机工质进行换热，将能量传递给有机工质后排入大气中；蒸发器(4)的一端与工质泵(8)通过管路相连接，另一端通过管路分别与进气门一(19)和进气门二(20)相连接；排气门一(21)和排气门二(22)通过管路与冷凝器(6)相连接；储液罐(7)的一端与工质泵(8)相连接，另一端通过管路与冷凝器(6)相连接，以上所有连接均为管路连接，形成完整的有机朗肯循环回路。
[0029] 复合电源系统各部件连接关系是：直线发电机(40)产生的电能经过交/直流电转换器(9)变成直流后进入双向DC/DC转换器(10)中，双向DC/DC转换器(10)分别与蓄电池(12)和超级电容(11)相连接，从蓄电池(12)、超级电容(11)流出的电流首先经过功率分配器(15)后再经过DC/DC转换器(16)调压后供给驱动电机(17)再与控制单元(18)通过电路相连接。
[0030] 超级电容的充放电次数可达到50000次。其中防撞弹簧一(42)与防撞弹簧二(43)的弹性刚度系数为80N/mm，弹簧为长度8mm，防撞弹簧三(44)与防撞弹簧四(45)的弹性刚度为160N/mm，弹簧的自然长度为5mm。
[0031] 以下结合附图详细说明基于DC/DC转换器的自由活塞膨胀机-直线发电机车用余热回收系统的工作原理：
[0032] 设置不同的预设温度T作为
控制信号，通过控制单元(18)控制电动阀(25，26)的开闭。
[0033] 当车用内燃机(1)工作时，当温度传感器一(24)检测到排气温度低于T时，控制单元(18)发出指令，电动阀二(26)关闭，电动阀一(25)接通，内燃机的尾气通过电动阀一(25)所在排气管路直接排入大气中。当温度传感器一(24)检测到排气温度高于T时，通过控制单元(18)发出指令，电动阀一(25)关闭，电动阀二(26)接通，内燃机尾气通过电动阀二(26)所在管路进入蒸发器(4)中与经过工质泵(5)加压的有机工质进行换热，高温尾气所携带的能量传递给液态有机工质，使其变为高温高压气态有机工质，然后高温高压气态有机工质进入自由活塞膨胀机(34，35)内，在自由活塞膨胀机(34，35)内交替膨胀做功，推动活塞动子组件往复运动，活塞动子组件往复运动过程中带动直线发电机的动子(41)做切割磁感线的运动，从而产生电能输出。做功后的低压乏汽通过管路进入冷凝器(6)，在冷凝器(6)中经过
冷却水的作用将低压乏汽冷却为液态有机工质，液态有机工质通过管路流入储液罐(7)内，将液态有机工质暂时储存。然后工质泵(8)将有机工质加压后再次送到蒸发器(4)中与高温尾气进行换热，至此，完成一个工作循环。
[0034] 直线发电机(40)产生的电能经过交/直流电转换器(9)后转换为直流电，然后进入双向DC/DC转换器(10)中转换成超级电容(12)和蓄电池(11)所需要的充电
电压，再对超级电容(11)和蓄电池(12)进行充电。当直线发电机在发电模式时，通过对电机的主动控制，保证直线发电机在高效运行区运行。根据压力传感器二(28)和压力传感器三(29)判断自由活塞膨胀机(34,35)所处的工作状态，防止过膨胀状态和欠膨胀状态现象的发生。膨胀机(34,35)若处于欠膨胀状态，会导致膨胀机(34,35)的能量效率利用率较低；若膨胀机(34,35)处于过膨胀状态，会导致膨胀机(34,35)的输出功率较低。若排气压力大于P(P大于
大气压力)时，则自由活塞膨胀机(34,35)处于欠膨胀状态，通过主动控制直线发电机(40)，让自由活塞膨胀机(34,35)继续膨胀；若排气压力小于大气压力时，则自由活塞膨胀机(34,35)处于过膨胀状态，通过主动控制直线发电机(40)，阻止自由活塞(36,37)的运动，让自由活塞膨胀机(34,35)进入下一个循环。
[0035] 根据指示器(13)和指示器(14)对超级电容(11)和蓄电池(12)的电荷状态进行反馈，通过控制单元(18)对超级电容(11)和蓄电池(12)的充放电进行控制，防止超级电容(11)和蓄电池(12)出现过度充/放电现象的发生。为了更好的提高复合电源系统的效率和满足车辆功率的需要，根据指示器一(13)和指示器二(14)的实时反馈，利用超级电容(11)快速充/放电的特点，当超级电容(11)电荷量达到75％时，超级电容(11)可以通过双向DC/DC转换器给蓄电池(10)充电。结合车辆不同的运行工况下驱动电机(17)的功率需求，通过功率分配器(15)对复合电源功率进行分配。当车辆的需求功率不大于蓄电池(12)的输出功率时，蓄电池(12)单独驱动车辆；当超级电容(11)的电荷量低于25％时，蓄电池(12)的电荷量充足且车辆的需求功率不大于蓄电池(12)的输出功率时，为了满足车辆大功率的需求，蓄电池(10)不仅要驱动车辆，而且还要为超级电容(11)充电，当超级电容(11)电荷量达到50％时，停止充电；当车辆上坡或在泥泞的道路时需要加大驱动力，功率需求大于蓄电池(12)的输出功率时，超级电容(11)和蓄电池(12)共同驱动车辆。
