一种汽车废气能量三级回收系统技术领域
本发明属于汽车废气能量回收系统，具体的说是一种汽车废气能量三级回收系
统。
背景技术
近几年，随着汽车工业的发展和人民生活水平的不断提高，我国汽车的保有量也
大幅度增加。汽车在为人们带来便捷的同时也消耗着巨大的能源，汽车节能的问题也受到
越来越多的关注。目前，汽车发动机的能源利用效率普遍不高，仅有40％左右，其余的能量
被通过各种形式散发掉了，汽车尾气耗散掉了其中很大一部分的能量。
现阶段针对汽车废气能量回收领域，相关人士有一定的研究。例如专利号
CN103114898A,专利名称为《汽车尾气能量回收装置》，该发明通过将废气中的热能转化为
电能，用以电解水来制备氢气以改善发动机的性能。因为该发明需要电解水来制得氢气。需
要格外的储氢容器，氢气密度极小，需要加压储存，为达到改善发动机性能的目的，储氢容
器不会太小，而且还要储存水的容器，这无疑将大大增加车重，而且氢气极易泄露，有发生
爆炸的危险。还例如专利CN205190015U，专利名称为《一种汽车尾气能量收集装置》，该发明
仅利用了汽车尾气的动能进行发电，没有利用尾气中的其他形式能量，没有使得尾气中的
能量被充分利用。
由上可知，现今社会上还没有一种能同时回收汽车的动能、热能和振动能量的回
收系统。
发明内容
本发明提供了一种结构简单紧凑，能够分级回收利用汽车废气中的动能、热能以
及振动的能量的汽车废气能量三级回收系统，解决了现有汽车尾气中的能量不能充分利用
的问题。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种汽车废气能量三级回收系统，该回收系统包括动能回收装置、振动能量回收
装置和热能回收装置、整流电路和DC/DC转换器；所述的动能回收装置固定在排气支管和进
气支管的出气口处；所述的振动能量回收装置固定在尾段排气管上；所述的热能回收装置
固定在中段消声器和尾段消声器之间的靠近尾段消声器的排气管；所述的能回收装置、振
动能量回收装置和热能回收装置均通过导线与整流电路连接；所述的整流电路与DC/DC转
换器连接。
所述的动能回收装置包括传动操纵机构、主动涡轮机构、从动涡轮机构、发电装
置、运动变换单元；所述的传动操纵机构通过操纵运动变换单元中的换位拨叉1带动运动变
换单元中的运动变换单元主动齿轮2在与主动涡轮机构中的主动涡轮4连接的主动涡轮轴
上滑动；所述的运动变换单元主动齿轮2与设置在其一侧的从动涡轮机构中的从动涡轮齿
轮9啮合或与设置在其另一侧的发电装置中的发电机齿轮7啮合。
所述的主动涡轮机构还包括主动涡轮进气口19、主动涡轮出气口18和主动涡轮壳
体20；所述的主动涡轮壳体20设置在主动涡轮4的外侧，其上开有主动涡轮出气口18和主动
涡轮进气口19；所述的主动涡轮进气口19通过排气管与排气支管相连；所述的主动涡轮出
气口18与通过排气管与催化转化器相连；所述的与主动涡轮4连接的主动涡轮轴上设置有
花键3，所述的运动变换单元主动齿轮2在花键3上滑动。
所述的从动涡轮机构还包括从动涡轮8、从动涡轮进气口10、从动涡轮出气口11和
从动涡轮壳体12；所述的从动涡轮8和从动涡轮齿轮9通过从动涡轮轴连接；所述的从动涡
轮壳体12布置在空气滤清器和进气支管之间；所述的从动涡轮壳体12设置在从动涡轮8的
外侧，其上开有从动涡轮进气口10、从动涡轮出气口11；所述的从动涡轮进气口10通过进气
管与空气滤清器相连；所述的从动涡轮出气口11通过进气管与进气支管相连。
所述的运动变换单元还包括拨叉槽5和运动变换单元壳体15；所述的运动变换单
元壳体15设置在运动变换单元主动齿轮2的外侧并且两端分别通过螺纹与从动涡轮壳体12
和主动涡轮壳体20相连；所述的运动变换单元主动齿轮2的外缘带有拨叉槽5，所述的换位
拨叉1卡在拨叉槽5内带动运动变换单元主动齿轮2滑动。
所述的操纵机构包括电机和传动杆；所述的电机和传动杆通过齿轮和齿条的形式
传动。
所述的发电装置包括通过电磁发电机轴连接的电磁发电机6和发电机齿轮7，所述
的电磁发电机6固定在从动涡轮壳体12的一侧；所述的电磁发电机6与整流电路电连；所述
的整流电路与DC/DC转换器电连。
所述的振动能量回收装置有三个，串联固定在柔性固定带22上；所述的柔性固定
带22的一端开有椭圆形的振动能量回收装置固定环孔23，另一端上设置有振动能量回收装
置第一固定螺柱24和振动能量回收装置第二固定螺柱25；所述的振动能量回收装置第一固
定螺柱24和振动能量回收装置第二固定螺柱25上设置有配套的振动能量回收装置第一固
定螺母26和振动能量回收装置第二固定螺母27；所述的柔性固定带22环绕在尾段排气管
上，振动能量回收装置第一固定螺柱24和振动能量回收装置第二固定螺柱25穿过振动能量
回收装置固定环孔23将柔性固定带22固定；所述的振动能量回收装置包括发电线圈28、弹
性振动薄片29、永磁体30和壳体31；所述的壳体31是一种上面为曲面的长方体；所述的壳体
31内部的上边缘焊接有弹性振动薄片29，弹性振动薄片29下面粘接有永磁体30；所述的壳
体31内部的四周缠绕有发电线圈28；所述的发电线圈28两端分别与两个振动能量回收装置
接线柱32相连；所述的振动能量回收装置接线柱32通过导线和整流电路和DC/DC转换器相
连。
所述的弹性振动薄片29和柔性固定带22采用型号为30W4Cr2VA的弹簧钢制成；所
述的振动能量回收装置第一固定螺柱24、振动能量回收装置第二固定螺柱25、振动能量回
收装置第一固定螺母26和振动能量回收装置第二固定螺母27采用0Cr15Ni25Ti2MoAlVB合
金钢制成。
所述的热能回收装置为中空的圆柱形结构，其内部为环状金属柱，环状金属柱的
外部均匀分布有散热片33，环状金属柱的内部粘接有多个并联的半导体温差发电材料41；
所述的环状金属柱上设置有热能回收装置第一固定带34和热能回收装置第二固定带35；所
述的环状金属柱上还设置有配套的热能回收装置第一固定螺柱36、热能回收装置第一固定
螺母37和热能回收装置第二固定螺柱38、热能回收装置第二固定螺母39；所述的半导体温
差发电材料41与两个热能回收装置接线柱40连接；所述的热能回收装置接线柱40通过导线
和整流电路和DC/DC转换器相连。
本发明的有益效果为：
1、本发明可以回收汽车废气中的动能、热能和振动的能量，可以有效地减少能源
浪费；
2、本发明的动能回收装置设有运动变换单元，可以对发动机进行分时增压；
3、本发明可以通过进气压力传感器判断进气压力，经过ECU的处理，通过传动操纵
机构自动的对运动变换单元进行操纵；
4、本发明的动能回收装置的运动变换单元操纵方便，可靠性高，传动平稳,传动效
率高；
5、当需要对发动机增压时，动能回收装置的运动变换单元可以使废气涡轮输出的
能量传递到从动涡轮机构上，从而对发动机进行增压；
6、当不需要对发动机增压时，动能回收装置的运动变换单元可以使废气涡轮输出
的能量传递到发电装置上，从而进行废气发电；
7、本发明的热能回收装置采用半导体材料，利用塞贝克效应让热能转变为电能，
实现热能的回收；
8、本发明的热能回收装置为圆环状，可以紧实固定在排气管上，有利于将尾气的
热能传递到半导体材料中；
9、本发明的热能回收装置的散热片采用铝合金材料并且紧密的排列在热能回收
装置的外端，能够为装置的外侧进行有效的散热；
10、本发明的热能回收装置布置在中段消声器和尾段消声器之间的靠近尾段消声
器的排气管处，该段处的尾气温度在150至180摄氏度左右，而通过散热片可以将热能回收
装置的外侧温度降至50摄氏度以下，外侧与内侧的温度差在100摄氏度以上，热能回收装置
在100摄氏度的温差可以产生约为5v的开路电压和约为1A的电流；
11、本发明的振动能量回收装置动铁式电磁发电原理，通过弹性薄片将振动专递
到永磁体上，使得其在线圈内做往复运动，从而将振动能量转化为电能回收利用；
12、本发明的振动能量回收装置尺寸为45mm*45mm*25mm，体积小巧便于安装固定；
13、振动能量回收装置弹性薄片采用弧形，易于紧贴排气管，便于传递振动；
14、本发明的振动能量回收装置三个串联为一组，通过柔性固定带固定在排气管
上，能够高效进行的能量转换；
15、本发明设有整流电路，可以将三种能量转换装置产生的不同频率的交流电转
变为直流电；
16、本发明设有DC/DC转换器，可以将三种能量转换装置产生的不同电压的电能转
变成相同电压，便于车载蓄电池的存储。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图；
图2为本发明中动能回收装置中的主动涡轮装置的部分结构示意图；
图3为本发明中动能回收装置中的发电装置的结构示意图；
图4为本发明中动能回收装置中的从动涡轮的部分结构示意图；
图5为本发明中动能回收装置中的部分结构示意图；
图6为本发明中动能回收装置中的壳体示意图；
图7为本发明中1个振动能量回收装置的部分结构示意图；
图8为本发明中3个振动能量回收装置的串联装配图；
图9为本发明中热能回收装置的结构示意图；
图10为图9中A—A处剖示示意图。
图中：1、1、换位拨叉；2、运动变换单元主动齿轮；3、花键；4、主动涡轮；5、拨叉槽；
6、电磁发电机；7、发电机齿轮；8、从动涡轮；9、从动涡轮齿轮；10、从动涡轮进气口；11、从动
涡轮出气口；12、从动涡轮壳体；13、第一滚珠轴承；14、第一密封垫圈；15、运动变换单元壳
体；16、第二滚珠轴承；17、第二密封垫圈；18、主动涡轮出气口；19、主动涡轮进气口；20、废
气涡轮壳体；21、第三滚珠轴承；22、柔性固定带；23、振动能量回收装置固定环孔；24、振动
能量回收装置第一固定螺柱；25、振动能量回收装置第二固定螺柱；26、振动能量回收装置
第一固定螺母；27、振动能量回收装置第二固定螺母；28、发电线圈；29、弹性振动薄片；30、
永磁体；31、壳体；32、振动能量回收装置接线柱；33、散热片；34、热能回收装置第一固定带；
35、热能回收装置第二固定带；36、热能回收装置第一固定螺柱；37、热能回收装置第一固定
螺母；38、热能回收装置第二固定螺柱；39、热能回收装置第二固定螺母；40、热能回收装置
接线柱；41、半导体温差发电材料。
具体实施方式
参阅图1，一种汽车废气能量三级回收系统，该回收系统包括动能回收装置、振动
能量回收装置和热能回收装置、整流电路和DC/DC转换器；所述的动能回收装置固定在排气
支管和进气支管的出气口处；所述的振动能量回收装置固定在尾段排气管上；所述的热能
回收装置固定在中段消声器和尾段消声器之间的靠近尾段消声器的排气管；所述的能回收
装置、振动能量回收装置和热能回收装置均通过导线与整流电路连接；所述的整流电路与
DC/DC转换器连接。
参阅图2—图6，动能回收装置包括传动操纵机构、主动涡轮机构、从动涡轮机构、
发电装置、运动变换单元；所述的传动操纵机构通过操纵运动变换单元中的换位拨叉1带动
运动变换单元中的运动变换单元主动齿轮2在与主动涡轮机构中的主动涡轮4连接的轴上
滑动；所述的运动变换单元主动齿轮2与设置在其一侧的从动涡轮机构中的从动涡轮齿轮9
啮合或与设置在其另一侧的发电装置中的发电机齿轮7啮合；所述的发电装置与整流电路
电连；所述的整流电路与DC/DC转换器电连。
参阅图2、图5、图6，所述的主动涡轮机构包括主动涡轮4、第二滚珠轴承16、第二密
封垫圈17、主动涡轮进气口19、主动涡轮出气口18和主动涡轮壳体20；所述的主动涡轮壳体
20设置在主动涡轮4的外侧，用来固定支撑主动涡轮4，其上开有主动涡轮出气口18和主动
涡轮进气口19；所述的主动涡轮4和主动涡轮壳体20布置在排气支管和催化转换器之间；所
述的主动涡轮进气口19通过排气管与排气支管相连，所述的主动涡轮出气口18与通过排气
管与催化转化器相连，汽车废气从主动涡轮进气口19进入，经过主动涡轮4，带动其转动，最
后从主动涡轮出气口18出去，经过排气管进入到催化转换器中。所述的与主动涡轮4连接的
主动涡轮轴轴上设置有花键3，所述的运动变换单元主动齿轮2在花键3上滑动；所述的第二
滚珠轴承16和第二密封垫圈17安装在主动涡轮轴上，第二滚珠轴承16用于支撑主动涡轮
轴，第二密封垫圈17用于密封主动涡轮壳体20。
参阅图4、图5、图6，所述的从动涡轮机构包括从动涡轮8、从动涡轮进气口10、从动
涡轮出气口11和从动涡轮壳体12；所述的从动涡轮8和从动涡轮齿轮9通过从动涡轮轴连
接；所述的从动涡轮壳体12布置在空气滤清器和进气支管之间；所述的从动涡轮壳体12设
置在从动涡轮8的外侧，用于固定支撑从动涡轮8，其上开有从动涡轮进气口10、从动涡轮出
气口11；所述的从动涡轮进气口10通过进气管与空气滤清器相连，所述的从动涡轮出气口
11通过进气管与进气支管相连，从动涡轮8的转动使得洁净的空气通过从动涡轮进气口10
进入到从动涡轮壳体12内，洁净的空气被从动涡轮8压缩后由从动涡轮出气口11出去，经过
进气管进入到进气支管中。
参阅图2、图5、图6，所述的运动变换单元包括换位拨叉1、运动变换单元主动齿轮
2、拨叉槽5、第一滚珠轴承13、第一密封垫圈14和运动变换单元壳体15；所述的运动变换单
元壳体15设置在运动变换单元主动齿轮2的外侧并且两端分别通过螺纹与从动涡轮壳体12
和主动涡轮壳体20相连，从而固定支撑运动变换单元；所述的运动变换单元主动齿轮2的外
缘带有拨叉槽5，所述的换位拨叉1卡在拨叉槽5内带动运动变换单元主动齿轮2滑动。所述
的第一滚珠轴承13和第一密封垫圈14安装在从动涡轮轴上，第一滚珠轴承13用于支撑从动
涡轮轴，第一密封垫圈14用于密封运动变换单元壳体15。
所述的操纵机构包括电机和传动杆；所述的电机和传动杆通过齿轮和齿条的形式
传动，将电机的旋转运动转化为传动杆的直线运动，从而使传动杆能够推动换位拨叉1运
动。
参阅图3、图5、图6，所述的发电装置包括通过电磁发电机轴连接的电磁发电机6、
发电机齿轮7和第三滚珠轴承21，所述的电磁发电机6被电磁发电机轴和第三滚珠轴承21固
定在从动涡轮壳体12的一侧；所述的第三滚珠轴承21安装在电磁发电机轴上，用于支撑电
磁发电机轴；所述的电磁发电机6与整流电路电连；所述的整流电路与DC/DC转换器电连。
动能回收装置的工作原理如下：
当布置在进气支管的进气压力传感器检测到进气压力大于某一值(例如0.1兆帕)
时，ECU通过电机带动传动杆来操纵换位拨叉1使得换位拨叉1带动运动变换单元主动齿轮2
在花键3上滑动，使得运动变换单元主动齿轮2与发电机齿轮7啮合。废气由主动涡轮进气口
19进入到主动涡轮壳体20内带动主动涡轮4转动，使其通过主动涡轮轴带动运动变换单元
主动齿轮2转动，通过齿轮啮合带动发电机齿轮7转动，使得电磁发电机6发电，再通过整流
电路和DC/DC变换器将电能输送给蓄电池进行存储。
当布置在进气支管的进气压力传感器检测到进气压力小于某一值(例如0.1兆帕)
时，ECU通过电机带动传动杆来操纵换位拨叉1使得换位拨叉1带动运动变换单元主动齿轮2
在花键3上滑动，使得运动变换单元主动齿轮2与从动涡轮齿轮9啮合。废气由主动涡轮进气
口19进入到主动涡轮壳体20内带动主动涡轮4转动，使其通过主动涡轮轴带动运动变换单
元主动齿轮2转动，通过齿轮啮合带动从动涡轮齿轮9齿轮转动，从而使得从动涡轮8转动，
实现将空气压缩，达到发动机增压的目的。
参阅图7、图8，所述的振动能量回收装置有三个，串联固定在柔性固定带22上；所
述的柔性固定带22的一端开有椭圆形的振动能量回收装置固定环孔23，另一端上设置有振
动能量回收装置第一固定螺柱24和振动能量回收装置第二固定螺柱25；所述的振动能量回
收装置第一固定螺柱24和振动能量回收装置第二固定螺柱25上设置有配套的振动能量回
收装置第一固定螺母26和振动能量回收装置第二固定螺母27；所述的柔性固定带22环绕在
尾段排气管上，振动能量回收装置第一固定螺柱24和振动能量回收装置第二固定螺柱25穿
过振动能量回收装置固定环孔23将柔性固定带22固定；所述的振动能量回收装置包括发电
线圈28、弹性振动薄片29、永磁体30和壳体31；所述的壳体31是一种上面为曲面的长方体；
所述的壳体31内部的上边缘焊接有弹性振动薄片29，弹性振动薄片29下面粘接有永磁体
30；所述的壳体31内部的四周缠绕有发电线圈28；所述的发电线圈28两端分别与两个振动
能量回收装置接线柱32相连；所述的振动能量回收装置接线柱32通过导线和整流电路和
DC/DC转换器相连。
汽车尾段排气管温度在150℃—180℃之间，所述的弹性振动薄片29和柔性固定带
22采用型号为30W4Cr2VA的弹簧钢制成，该材料的最高使用温度在500摄氏度左右。
所述的振动能量回收装置第一固定螺柱24、振动能量回收装置第二固定螺柱25、
振动能量回收装置第一固定螺母26和振动能量回收装置第二固定螺母27采用
0Cr15Ni25Ti2MoAlVB合金钢制成，该材料的最高使用温度在650摄氏度左右。这使得振动能
量回收装置可以有效地承受尾端的排气温度，充分发挥作用。当汽车尾气经过该段排气管
时产生的振动通过弹性振动薄片29传递到永磁体30上，使得永磁体30在发电线圈28内往复
运动，从而使振动的能量转变为电能，所产生的电能通过振动能量回收装置接线柱32和导
线传递到整流电路和DC/DC转换器将电能输送给蓄电池进行存储。
参阅图9、图10，所述的热能回收装置为中空的圆柱形结构，其内部为环状金属柱，
环状金属柱的外部均匀分布有散热片33，环状金属柱的内部通过耐高温金属粘接剂粘接有
多个并联的半导体温差发电材料41；所述的环状金属柱上设置有热能回收装置第一固定带
34和热能回收装置第二固定带35；所述的环状金属柱上还设置有配套的热能回收装置第一
固定螺柱36、热能回收装置第一固定螺母37和热能回收装置第二固定螺柱38、热能回收装
置第二固定螺母39，将热能回收装置套在排气管上并通过热能回收装置第一固定螺柱36、
热能回收装置第一固定螺母37和热能回收装置第二固定螺柱38、热能回收装置第二固定螺
母39将其固定；所述的半导体温差发电材料41与两个热能回收装置接线柱40连接；所述的
热能回收装置接线柱40通过导线和整流电路和DC/DC转换器相连。所述的金属柱与排气管
接触的一侧内涂有导热硅脂，保证内侧均匀的传热。当废气通过该段时，尾气将其热能传递
到该装置的内部，使其温度达到150至180摄氏度左右，而外侧紧密布置的散热片33可以将
该装置的外侧温度降到50摄氏度左右，可以使得半导体温差发电材料41冷端和热端的温度
差在100摄氏度以上，以产生约为5v的开路电压和约为1A的电流，电能通过热能回收装置接
线柱40和导线传递到整流电路和DC/DC转换器，进而将电能输送给蓄电池进行存储。
所述的动能回收装置、热能回收装置以及振动能量回收装置分别固定在各自的位
置，第一级为动能回收装置，第二级为热能回收装置，第三级为振动能量回收装置。汽车废
气由发动机排气支管排出，先经过动能回收装置所在位置，使得废气中的动能的已回收利
用，再经过热能回收装置，使其中的热能得以回收利用，最后经过振动能量回收装置，使其
中的振动能量得以回收利用。三个装置在汽车运行过程中同时将动能、振动能和热能转化
为电能，电能又通过同一整流电路变为直流电，再经过一个DC/DC转换器将该电能转变为
12V直流电为车载电池供电，从而实现汽车废气能量三级回收，以减少能源浪费的目的。