CN111963333B - 一种利用发动机尾气余热的蓄能器及节能系统 - Google Patents

Abstract

一种利用发动机尾气余热的蓄能器及节能系统，缸筒内部有阶梯腔，并在两端固接有上、下端盖；阶梯腔由小径段和大径段组成；活塞组件装配于大径段中，并将阶梯腔分隔为储气腔和储油腔；散热组件由第二管道、第三管道和第一管道组成，且内径依次减小，并由外到内依次同轴心的设置，第二和第一管道的上端均与上端盖固接；第三管道的下端通过固定板与活塞组件上端固接，其上端外侧套装有密封环；下端盖上开设有油口；上端盖在对应第一管道的部分开设有进气口，在对应第二和第一管道之间的部分开设有排气口，在对应第二管道外围的部分开设有充气口。蓄能器本体通过换向阀、单向阀与排气管路连接。该蓄能器能提高的工作效率，该系统节能环保效果好。

Description

一种利用发动机尾气余热的蓄能器及节能系统

技术领域

本发明属于液压储能技术领域，具体涉及一种利用发动机尾气余热的蓄能器及节能系统。

背景技术

蓄能器是液压系统中的一种能量储蓄装置。蓄能器在适当的时机将系统中的能量转变为压力能或势能储存起来；当系统需要时，蓄能器又可将压力能或势能转变为液压能释放出来，重新补供给系统。蓄能器根据具体利用能量形式的不同，可以分为重力式、弹簧式和充气式等多种。其中，充气式蓄能器是最常用的一种。

图1给出了常规充气式蓄能器工作过程的示意图。假定蓄能器在储能前工作在图1中的点1。蓄能器在储能过程对应图1中的点1至点2。油液流入蓄能器腔内，压缩气体的体积，同时压力升高，还伴随着气体的温度升高。该过程的时间较短时，蓄能器内气体的热量不能迅速散失，故其温度会显著高于外部的环境温度。在储能过程完成后，蓄能器进入了保压状态。而因为蓄能器内气体的温度高于环境温度，而蓄能器的壳体不能做到绝热，故部分热量将散失到外部的环境中，进而会造成气体压力的下降，该过程对应图1中的点2至点3。当蓄能器释放能量时，参照图1中的点3至点4的过程。此过程中，蓄能器内的油液流出，气体体积变大，压力降低，同时还伴随着吸热过程。当此过程的时间较短时，蓄能器内的气体不能迅速从环境中获得热量而致其温度出现显著下降。考虑到前述保压过程中部分热量的散失，故蓄能器内气体温度会低于环境温度。因此，当蓄能器将储能过程吸收的油液全部放出后，其气体压力将低于初始压力。随后，环境热量将会经壳体传递到蓄能器内的气体，气体的压力将回升。从以上的工作过程可知，蓄能器在储能过程中，其气体温度必然会升高。而蓄能器的壳体又不能绝热，所以热量损失是不可避免的。总之，蓄能器的热损失是必然存在的，这就造成了蓄能器在工作过程中效率的降低。现有技术中，并没有有效的技术手段能够解决这一问题，因此，蓄能器的工作效率无法得到有效的保证。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种利用发动机尾气余热的蓄能器及节能系统，该蓄能器能解决热损失导致蓄能器工作效率降低的问题，同时，该系统可以有效降低尾气排入对环境的影响，并能提高蓄能器的工作效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种利用发动机尾气余热的蓄能器，包括蓄能器本体；蓄能器本体包括缸筒、活塞组件和散热组件；

所述缸筒的内部有轴向延伸的阶梯腔，并在阶梯腔的两端分别固定连接有上端盖和下端盖；所述阶梯腔由位于上部的小径段和位于下部的大径段组成；

所述活塞组件的尺寸与大径段的尺寸相适配，并滑动密封的装配于大径段中；活塞组件将阶梯腔分隔为位于上部的储气腔和位于下部的储油腔；

所述散热组件由第二管道、第三管道和第一管道组成，并设置在阶梯腔的内部；第二管道、第三管道和第一管道的长度均小于小径段的高度，且内径依次减小，并由外到内依次同轴心的设置，第二管道和第一管道的上端均与上端盖的下端面固定连接，其下端均止于靠近大径段上端的位置；所述第三管道的下端通过固定板与活塞组件上端面的中心固定连接，其上端外侧固定套装有密封环，所述密封环的外圆面与第二管道的内腔滑动密封配合；

所述下端盖上开设有与储油腔连通的油口；所述上端盖在对应第一管道内腔的部分开设有贯穿厚度方向的进气口，在对应第二管道和第一管道之间环形空腔的部分开设有贯穿厚度方向的排气口，在对应第二管道外围的部分开设有贯穿厚度方向的充气口。

本方案中，使散热组件中第二和第一管道的上端均与上端盖固定连接，第三管道的下端与活塞组件固定连接，同时，使第三管道的上端通过密封环与第二管道的内侧壁滑动密封配合，这样，在活塞组件沿轴向移动进行储油和放油的过程中，散热组件的长度均可以作出适应性的改变，从而使散热通道可以一直存在，便可以始终利用外部的热源与蓄能器内的气体进行热交换。通过与第一管道内腔连通的进气口的设置，能便于将外部的热源，如汽车尾气，充入到散热组件中的散热通道中，通过与第一管道和第二管道之间连通的排气口的设置，能便于将进入到散热通道中的热源排出，从而可以确保热交换过程的顺利的进行。使第一和第二管道的下端均止于靠近大径段上端的位置，可以使外部的热源先沿第一管道的长度方向到达第一管道的末端，再由第一管道的末端向上到达第三航管道的首端，再由排气口排出，这种走气方式不仅能有效的延长热交换时间，而且能使热源充分作用于整个储气腔，从而可以有效的保证热交换的效率和效果。本蓄能器通过散热组件的设置能充分利用外部的热源与蓄能器内气体进行热交换，从而可以有效减少蓄能器的热损失，进而可以有效的提高蓄能器的工作效率。

进一步，为了提高密封效果，所述密封环的外圆面上开设有环形凹槽，并于环形凹槽中装配于密封圈。

进一步，为了避免热交换对储油腔内油液温度的影响，所述固定板与活塞组件之间设置有由隔热材料制成的隔热垫。

进一步，为了降低热量的散失，所述缸筒的外表面套装有由隔热材料制成的隔热套。

进一步，为了便于充气，所述上端盖上于充气口处固定连接有充气阀组件。

本发明提供了一种利用发动机尾气余热的节能系统，包括蓄能器本体、排气管道、单向阀和换向阀，所述排气管道为与发动机连接的排气管道；所述单向阀串接在排气管道上，并将排气管道隔离为上游段和下游段，单向阀的进气口和出气口分别靠近上游段和下游段的设置；所述换向阀的P口通过管路与排气管道的上游段连接，换向阀的A口通过管路与蓄能器本体的进气口连接，所述蓄能器本体的排气口通过管路与排气管道的下游段连接。

作为一种优选，所述换向阀为两位两通电磁换向阀，其得电时工作在上位，失电时工作在下位；当工作在上位时，其P口和A口连通，当工作在下位时，其P口和A口断开。

本系统通过将发动机尾气余热传递到蓄能器内的气体中，弥补了蓄能器的热量损失，使蓄能器在能量释放过程中可以放出更多的能量，有效提高了蓄能器的工作效率。同时，避免了发动机尾气余热直接散失到大气中，实现了对发动机尾气余热的回收利用，降低了发动机尾气排放对环境的影响。

附图说明

图1是现有技术中蓄能器工作循环的示意图；

图2是本发明中蓄能器本体的结构示意图；

图3是本发明中蓄能器的图形符号；

图4是本发明中的节能系统的液压原理图。

图中：1、蓄能器本体，101、缸筒，102、充气孔，103、油口，104、进气口、105、排气口，106、储油腔，107、储气腔，110、上端盖，120、下端盖，2、活塞组件，3、第一管道，4、第二管道，5、第三管道，501、密封环，502，固定板，504、密封圈，6、阶梯腔，7、单向阀，8、换向阀，9、排气管道，10、大径段，11、小径段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，一种利用发动机尾气余热的蓄能器，包括蓄能器本体1；蓄能器本体1包括缸筒101、活塞组件2和散热组件；

所述缸筒101的内部有轴向延伸的阶梯腔6，并在阶梯腔6的两端分别固定连接有上端盖110和下端盖120；所述阶梯腔6由位于上部的小径段11和位于下部的大径段10组成，且阶梯腔6的内壁光滑。

所述活塞组件2为圆盘状组件，其尺寸与大径段10的尺寸相适配，并滑动密封的装配于大径段10中，活塞组件2可以沿阶梯腔6的轴向进行滑动；活塞组件2通过下端盖120和小径段11的下端进行行程的限位；活塞组件2将阶梯腔6分隔为位于上部的储气腔107和位于下部的储油腔106；

所述散热组件由第二管道4、第三管道5和第一管道3组成，并设置在阶梯腔6的内部；第二管道4、第三管道5和第一管道3均采用散热性能好且具有一定强度的材料制成；第二管道4、第三管道5和第一管道3的长度均小于小径段11的高度，且内径依次减小，并由外到内依次同轴心的设置，第二管道4和第一管道3的上端均与上端盖110的下端面固定连接，其下端均止于靠近大径段10上端的位置；所述第三管道5的下端通过固定板502与活塞组件2上端面的中心固定连接，其上端外侧固定套装有密封环501，所述密封环501的外圆面与第二管道4的内腔滑动密封配合，第三管道5的内侧壁与第一管道3的外侧壁之间留有环形的出气通道；在活塞组件2运动到大径段10的底部时，密封环501位于第二管道4下端的上方；在活塞组件2运动到大径段10的顶部时，密封环501与上端盖110的下端面之间留有间隙；固定板502可以通过螺钉与活塞组件2固定连接；

此散热组件在图2中只画出了一组且置于所述蓄能器的轴线处，可以避免所述活塞组件2运动过程中的旋转造成故障。当然，此散热组件可以设置有多组。

所述下端盖120上开设有与储油腔106连通的油口103；所述上端盖110在对应第一管道3内腔的部分开设有贯穿厚度方向的进气口104，在对应第二管道4和第一管道3之间环形空腔的部分开设有贯穿厚度方向的排气口105，在对应第二管道4外围的部分开设有贯穿厚度方向的充气口102。

为了提高密封效果，所述密封环501的外圆面上开设有环形凹槽，并于环形凹槽中装配于密封圈504。

为了避免热交换对储油腔内油液温度的影响，所述固定板502与活塞组件2之间设置有由隔热材料制成的隔热垫。

为了降低热量的散失，所述缸筒101的外表面套装有由隔热材料制成的隔热套。

为了便于充气，所述上端盖110上于充气口102处固定连接有充气阀组件。

如图3和图4所示，本发明提供了一种利用发动机尾气余热的节能系统，包括蓄能器本体1、排气管道9、单向阀7和换向阀8，所述排气管道9为与发动机连接的排气管道，发动机典型的可以为柴油机，其是工程机械设备广泛使用的动力源，发动机的尾气具有较高的温度；所述单向阀7串接在排气管道9上，并将排气管道9隔离为上游段和下游段，单向阀7的进气口和出气口分别靠近上游段和下游段的设置；所述换向阀8的P口通过管路与排气管道9的上游段连接，换向阀8的A口通过管路与蓄能器本体1的进气口104连接，所述蓄能器本体1的排气口105通过管路与排气管道9的下游段连接。

作为一种优选，所述换向阀8为两位两通电磁换向阀，其得电时工作在上位，失电时工作在下位；当工作在上位时，其P口和A口连通，当工作在下位时，其P口和A口断开。

图3给出了所述蓄能器的图形符号。与常规的蓄能器类似，P口表示油口，用于油液的进出。在储气腔107内，增加了与外部连接的散热管路，A口和B口分别是前述的进气口104和排气口105。从原理上讲，这两个口在工作中可以互换。

作为一种改进，可以在所述储气腔107内增设用于检测温度信号的温度检测装置，温度检测装置与外部的控制器连接，同时，在进气口104上连接有进气管路，进气管路上设置有电磁开关阀。温度检测装置实时将检测到的温度信号发送给控制器，控制器根据接收到的温度信号来获得温度值，当储气腔107的温度达到一定值后，控制器控制电磁开关阀关闭，从而停止加热储气腔107的高压气体，可以进一步便于蓄能器本体的实际使用过程。

蓄能器的工作原理：

当蓄能器内的热量散失时，向蓄能器的进气口104通入发动机的尾气。尾气经第一管道3的内孔，流入第三管道5内，然后流入第二管道4内，最后经排气口105流出。因为发动机尾气的温度高于所述蓄能器的储气腔107内气体的温度，尾气循环过程中将有部分热量传递给储气腔107内的气体，使其温度升高。合理控制通入尾气的流量，就可以控制储气腔107内气体的温度。

在实际使用过程中，如果没有高温废气供利用，所述的第一管道3、第二管道4和第三管道5组成的散热组件中也可以通入热水或其他流体。这样也可以产生类似的效果。

节能系统的工作原理：

使用时，按照图4的原理，将本技术方案的蓄能器的进气口104和排气口105接入发动机的排气系统，油口103与液压系统的工作油路连接。

当蓄能器储能过程结束时，可以获得储气腔107内气体的温度。打开换向阀8，发动机的尾气从其排气管道9经换向阀8的P口至A口，蓄能器的A口至B口流出，再次汇入发动机的排气管道9内。合理控制通入蓄能器内的尾气流量，即可控制蓄能器的储气腔107内的气体维持理想的温度。当蓄能器放出油液时，结合图1，放油曲线3-4就会和储油曲线1-2更为接近，甚至可以重合，也就是1-2-3-4围成的区域面积更小甚至为零。而1-2-3-4围成的区域面积，代表了能量的损失。此区域面积更小，说明本技术方案中的蓄能器可以释放出常规蓄能器更多的能量，提高了蓄能器的工作效率。而这部分能量的来源是发动机的尾气，本来是要浪费掉的。本节能系统对发动机尾气余热实现了一定的回收利用，降低了发动机尾气排放对环境的影响。

Claims (7)

1.一种利用发动机尾气余热的蓄能器，包括蓄能器本体（1）；蓄能器本体（1）包括缸筒（101），其特征在于，蓄能器本体（1）还包括活塞组件（2）和散热组件；

所述缸筒（101）的内部有轴向延伸的阶梯腔（6），并在阶梯腔（6）的两端分别固定连接有上端盖（110）和下端盖（120）；所述阶梯腔（6）由位于上部的小径段（11）和位于下部的大径段（10）组成；

所述活塞组件（2）的尺寸与大径段（10）的尺寸相适配，并滑动密封的装配于大径段（10）中；活塞组件（2）将阶梯腔（6）分隔为位于上部的储气腔（107）和位于下部的储油腔（106）；

所述散热组件由第二管道（4）、第三管道（5）和第一管道（3）组成，并设置在阶梯腔（6）的内部；第二管道（4）、第三管道（5）和第一管道（3）的长度均小于小径段（11）的高度，且内径依次减小，并由外到内依次同轴心的设置，第二管道（4）和第一管道（3）的上端均与上端盖（110）的下端面固定连接，其下端均止于靠近大径段（10）上端的位置；所述第三管道（5）的下端通过固定板（502）与活塞组件（2）上端面的中心固定连接，其上端外侧固定套装有密封环（501），所述密封环（501）的外圆面与第二管道（4）的内腔滑动密封配合；

所述下端盖（120）上开设有与储油腔（106）连通的油口（103）；所述上端盖（110）在对应第一管道（3）内腔的部分开设有贯穿厚度方向的进气口（104），在对应第二管道（4）和第一管道（3）之间环形空腔的部分开设有贯穿厚度方向的排气口（105），在对应第二管道（4）外围的部分开设有贯穿厚度方向的充气口（102）；

进气口（104）通入发动机的尾气，发动机的尾气经第一管道（3）的内孔，流入第三管道（5）内，然后流入第二管道（4）内，最后经排气口（105）流出。

2.根据权利要求1所述的一种利用发动机尾气余热的蓄能器，其特征在于，所述密封环（501）的外圆面上开设有环形凹槽，并于环形凹槽中装配于密封圈（504）。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用发动机尾气余热的蓄能器，其特征在于，所述固定板（502）与活塞组件（2）之间设置有由隔热材料制成的隔热垫。

4.根据权利要求3所述的一种利用发动机尾气余热的蓄能器，其特征在于，所述缸筒（101）的外表面套装有由隔热材料制成的隔热套。

5.根据权利要求1或2所述的一种利用发动机尾气余热的蓄能器，其特征在于，所述上端盖（110）上于充气口（102）处固定连接有充气阀组件。

6.一种利用发动机尾气余热的节能系统，包括蓄能器本体（1），其特征在于，还包括排气管道（9）、单向阀（7）和换向阀（8），所述排气管道（9）为与发动机连接的排气管道；所述单向阀（7）串接在排气管道（9）上，并将排气管道（9）隔离为上游段和下游段，单向阀（7）的进气口和出气口分别靠近上游段和下游段的设置；所述换向阀（8）的P口通过管路与排气管道（9）的上游段连接，换向阀（8）的A口通过管路与蓄能器本体（1）的进气口（104）连接，所述蓄能器本体（1）的排气口（105）通过管路与排气管道（9）的下游段连接；进气口（104）通入发动机的尾气，发动机的尾气经第一管道（3）的内孔，流入第三管道（5）内，然后流入第二管道（4）内，最后经排气口（105）流出。

7.根据权利要求6所述的一种利用发动机尾气余热的节能系统，其特征在于，所述换向阀（8）为两位两通电磁换向阀，其得电时工作在上位，失电时工作在下位；当工作在上位时，其P口和A口连通，当工作在下位时，其P口和A口断开。

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