劉志恩，夏婉揚(yáng)，黃博文，焦柯柯，郭彩祎，張有財(cái)，戴胡偉，朱文昌，張相超

(武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

以汽油和柴油為燃料的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的熱量?jī)H有30% ～40%被轉(zhuǎn)換成有用功輸出，剩下的60% ～70%一部分被冷卻水帶走散失掉，另一部分被排放廢氣帶走，使得排氣溫度高達(dá)700～900 ℃［1］。為了回收這部分熱量，筆者設(shè)計(jì)了一種汽車(chē)尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，能夠綜合利用汽車(chē)?yán)鋮s水和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的部分熱量加熱該系統(tǒng)工質(zhì)，產(chǎn)生較高壓力推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并最終轉(zhuǎn)化成電能，供汽車(chē)再利用。該系統(tǒng)相對(duì)于利用溫差發(fā)電材料從發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣回收熱量的方法［2］來(lái)說(shuō)，具有更高的理論轉(zhuǎn)化效率和可實(shí)現(xiàn)性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

汽車(chē)尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)主要是利用汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)中的冷卻水和尾氣的熱量加熱該系統(tǒng)液體工質(zhì)，使其變成蒸汽以推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。該系統(tǒng)主要包括熱水傳送子系統(tǒng)、渦輪轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、儲(chǔ)能子系統(tǒng)、蒸汽傳送子系統(tǒng)和換熱裝置子系統(tǒng)等，由尾氣換熱裝置、冷凝器、冷卻水換熱器、水箱、水泵、渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、泵噴嘴和壓力閥等零部件和裝置構(gòu)成。圖1 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中顯示了汽車(chē)尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)所包含的設(shè)備和布置方式，以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水路、排氣、系統(tǒng)液體與蒸汽的流動(dòng)方向。該系統(tǒng)中的液體可以是水，也可以是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液(水和乙二醇的混合液)。

尾氣換熱裝置是利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣熱量將熱液體變?yōu)檎羝难b置。其安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中，布置在催化器和波紋管之后，消聲器之前的位置，目的是在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)催化轉(zhuǎn)化效率，特別是低溫冷啟動(dòng)時(shí)的催化器轉(zhuǎn)化效率的前提下，減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)的影響，盡可能地利用尾氣熱量。

尾氣換熱裝置蒸汽出口端布置壓力閥。其一方面使產(chǎn)生的蒸汽壓力穩(wěn)定，有利于渦輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn);另一方面起到安全控制作用，防止尾氣換熱裝置內(nèi)蒸汽壓力過(guò)高而破壞設(shè)備。進(jìn)口端布置一種類(lèi)似噴油器結(jié)構(gòu)的泵噴嘴裝置［3］，以實(shí)現(xiàn)液體工質(zhì)的供給。

渦輪機(jī)是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。通過(guò)蒸汽推動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，渦輪機(jī)主軸通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，存儲(chǔ)到蓄電池中。在混合動(dòng)力汽車(chē)中，蓄電池中的電能可讓電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。

冷凝器是采用風(fēng)冷方式將經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)做功后的蒸汽冷卻成液體，使渦輪機(jī)出口端壓力下降，有利于蒸汽做功。

冷卻水換熱器一方面在冷凝器效率不夠時(shí)，繼續(xù)將蒸汽冷卻成液體，另一方面充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)中冷卻水的熱量，使冷凝后的液體溫度穩(wěn)定在一定高溫下，減少尾氣換熱裝置加熱時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水離開(kāi)缸體時(shí)的溫度可達(dá)到90 ～95 ℃，使尾氣換熱裝置中的液體被快速加熱成蒸汽。

圖1 汽車(chē)尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從冷卻水換熱器出來(lái)的熱液體進(jìn)入水箱，使殘余蒸汽和液體分離，減少液體在管道傳輸中產(chǎn)生氣阻的可能性，有利于水泵將液體壓入尾氣換熱裝置中，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)內(nèi)液體流動(dòng)的再循環(huán)。如果尾氣換熱裝置內(nèi)蒸汽壓力比較高，則可以采用泵噴嘴的方式將液體壓入尾氣換熱裝置中。

1.2 工作原理

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行一段時(shí)間后，冷卻系統(tǒng)大循環(huán)開(kāi)啟，通過(guò)冷卻水換熱器加熱系統(tǒng)中的液體;水泵將水箱中的熱液體輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上的尾氣換熱裝置中，利用尾氣熱量將熱液體變?yōu)檎羝?當(dāng)尾氣換熱裝置內(nèi)的蒸汽壓力達(dá)到壓力閥限定的開(kāi)啟壓力后，進(jìn)入渦輪機(jī)推動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能;做功后的蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻成液體后，進(jìn)入冷卻水換熱器繼續(xù)冷卻或加熱，然后流入小水箱，在水泵的作用下實(shí)現(xiàn)再循環(huán)。

1.3 系統(tǒng)的理論熱效率

基于現(xiàn)有的技術(shù)所能達(dá)到的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、換熱器換熱效率，以及蒸汽渦輪機(jī)轉(zhuǎn)化效率，可以推算出該系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)化效率。目前發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率一般為30% ～40%，有效熱效率為20% ～30%，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣帶走的熱量約占燃燒總熱量的30%;換熱器的換熱效率一般指被加熱介質(zhì)所吸收的熱量比上加熱介質(zhì)所消耗的熱量，最高值可達(dá)90%。大型蒸汽渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)化效率是指蒸汽轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的能量與加熱蒸汽熱量的比值，最高值可達(dá)40%［4］?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣熱量不可能被完全利用，以及蒸汽渦輪機(jī)在汽車(chē)實(shí)際應(yīng)用上的局限性，這里取換熱器的換熱效率為40%，蒸汽渦輪機(jī)的效率為25%，考慮到蒸汽傳輸、機(jī)械損失，以及機(jī)械能與電能能量轉(zhuǎn)化中的損耗，設(shè)效率為70%，則該系統(tǒng)的理論熱效率η 可達(dá)到：

η=40% ×25% ×70% =7.0%

即發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱量中的7.0%可被轉(zhuǎn)化成電能回收利用。如果發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生熱量所做的有效功與廢氣帶走的熱量相當(dāng)，則相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效功率提高了7.0%。其與采用渦輪增壓技術(shù)后發(fā)動(dòng)機(jī)功率提高的程度相當(dāng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型

根據(jù)所設(shè)計(jì)的汽車(chē)尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，針對(duì)一臺(tái)1.5 L 排量發(fā)動(dòng)機(jī)，完成該系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)和選型，系統(tǒng)中的液體以水為工質(zhì)。該1.5 L 發(fā)動(dòng)機(jī)為雙頂置凸輪水冷汽油機(jī)，其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 1.5 L 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

圖2 為該系統(tǒng)中最重要的兩個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)圖，即尾氣換熱裝置(圖2(a))和渦輪機(jī)(圖2(b))。其主要裝置設(shè)計(jì)及選型如下：

(1)尾氣換熱裝置。該系統(tǒng)采用圖2(a)中的裝置來(lái)收集汽車(chē)尾氣的熱量，其結(jié)構(gòu)是目前汽車(chē)渦輪增壓中冷凝器通常采用的管殼式結(jié)構(gòu)。該換熱裝置設(shè)計(jì)為可耐600 ℃溫度，可在2 MPa 壓強(qiáng)下工作，目的是使汽車(chē)尾氣溫度降至300 ℃，且將熱水加熱至沸騰狀態(tài)。蒸汽出口設(shè)置在尾氣入口端附近，熱水與尾氣逆流換熱，尾氣入口處溫度較高，可使該處蒸汽處于較大壓力下。殼體內(nèi)部裝有多根小管，小管兩端固定在管板上，小管壁為螺旋狀，可增加接觸面積，提高換熱效率。汽車(chē)尾氣從管內(nèi)通過(guò)，熱水在管外流動(dòng)。為提高管外熱水的對(duì)流傳熱系數(shù)，在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高熱水流動(dòng)速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過(guò)小管，增強(qiáng)流體湍流程度［5］。

圖2 尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化裝置中關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)圖

(2)渦輪機(jī)。渦輪機(jī)是由“汽油機(jī)廢氣渦輪增壓器”改造而成的。利用其耐高溫，耐沖擊的特性和成熟的葉片設(shè)計(jì)，保證此處可靠性與效率的最大化。改造過(guò)程中，卸掉了壓氣機(jī)的葉片，安裝了傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

對(duì)于人名翻譯不統(tǒng)一的批評(píng)和標(biāo)準(zhǔn)的呼吁見(jiàn)諸于眾多文章，但像譯音表、新華社的譯文等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并非可以解決一切問(wèn)題，不同翻譯既是現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，也是優(yōu)選的需要。而“約定俗成”需要時(shí)日，不能立即一刀切。一刀切，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的翻譯，表面是統(tǒng)一，但本質(zhì)上卻留下遺憾。漢字的本質(zhì)是表意的，即使專(zhuān)有名詞也難免，這一點(diǎn)與字母文字殊為不同。這是漢外翻譯的困難所在，也是漢語(yǔ)文化吸收積淀所必需的歷程。外文人名漢譯涉及方面眾多，但如上所說(shuō)，其實(shí)踐理?yè)?jù)應(yīng)該是兼顧語(yǔ)音和語(yǔ)義的一種語(yǔ)言創(chuàng)造。

2.2 計(jì)算與分析

在混合動(dòng)力汽車(chē)中，發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間處于相對(duì)穩(wěn)定的最佳油耗點(diǎn)工況，因此，該系統(tǒng)理論計(jì)算主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最低油耗點(diǎn)的工況進(jìn)行。表2顯示了實(shí)際測(cè)得的1.5 L 排量發(fā)動(dòng)機(jī)在最低油耗點(diǎn)工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中的液體以水為工質(zhì)進(jìn)行該系統(tǒng)的效率計(jì)算。

表2 1.5 L 發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)

設(shè)定進(jìn)入尾氣換熱裝置的廢氣溫度為600 ℃，出口溫度為300 ℃，則可以計(jì)算出傳遞給尾氣換熱裝置內(nèi)液體的熱量。假設(shè)尾氣換熱裝置蒸汽出口端，壓力閥的開(kāi)啟壓力為1 MPa，則可以計(jì)算出渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)有關(guān)理論和公式［6-7］，計(jì)算所獲得的該系統(tǒng)的相關(guān)性能參數(shù)如表3 所示。

表3 由理論計(jì)算得到的系統(tǒng)性能參數(shù)

假設(shè)綜合考慮渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的傳動(dòng)效率為70%，則該系統(tǒng)可獲得電能：

系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)化效率為：

該效率比熱電材料熱能轉(zhuǎn)換為電能的效率(5% ～7%)要高。廢氣熱量回收利用率為：

相當(dāng)于回收了排氣熱量的4.8%。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

由于整體汽車(chē)尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性，試驗(yàn)主要測(cè)試了汽車(chē)尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中兩組關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，即尾氣換熱裝置受廢氣熱所能產(chǎn)生蒸汽壓力的大小和不同排氣壓力與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

3.1 尾氣換熱裝置受熱測(cè)試

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，尾氣換熱裝置受到廢氣加熱，其內(nèi)部水開(kāi)始沸騰并產(chǎn)生蒸汽;由于蒸汽出口直徑小，起到較大的節(jié)流作用，水蒸汽壓力逐漸升高，并最終穩(wěn)定在1 MPa 左右。此時(shí)尾氣換熱裝置前端管路溫度為600 ℃。水蒸汽的壓力與出口直徑有關(guān)，直徑越大，裝置內(nèi)的蒸汽壓力越小。蒸汽出口完全關(guān)閉時(shí)，裝置內(nèi)水蒸汽壓力達(dá)到飽和，蒸汽壓力為1.8 MPa 左右。

3.2 排氣壓力與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系測(cè)試

采用空氣壓縮機(jī)來(lái)產(chǎn)生較高壓力，研究排氣壓力與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系。測(cè)試設(shè)備有W -0.9/7-D 型空氣壓縮機(jī)、HT -4200 型測(cè)速儀和JWF型永磁發(fā)電機(jī)等。試驗(yàn)裝置如圖3 所示。渦輪機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸與發(fā)電機(jī)相連，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)輸出端連接車(chē)用電瓶。分別對(duì)渦輪機(jī)空轉(zhuǎn)、渦輪機(jī)+傳動(dòng)軸和渦輪機(jī)+傳動(dòng)軸+發(fā)電機(jī)工況下的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試。圖4 為排氣壓力與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系的測(cè)試結(jié)果。

圖3 排氣壓力與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)裝置

圖4 排氣壓力與轉(zhuǎn)速關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)渦輪機(jī)加上傳動(dòng)軸和發(fā)動(dòng)機(jī)以后渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降。因此，傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率直接影響渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出。此外，綜合不同工況下的轉(zhuǎn)速氣壓關(guān)系表和試驗(yàn)時(shí)觀察的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：齒輪的配合關(guān)系、傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、氣流進(jìn)入渦輪機(jī)吹動(dòng)葉片角度，以及排氣口徑的大小都影響渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出和能量轉(zhuǎn)化效率。

試驗(yàn)中在最大渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速下采用萬(wàn)用表測(cè)得發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流。測(cè)試3 次，取平均值得到發(fā)電機(jī)輸出功率為0.155 kW，比理論計(jì)算值1.227 kW 要小得多。除排氣壓力沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值、排氣量與渦輪機(jī)匹配不合理，以及氣體流動(dòng)過(guò)程存在漏氣等現(xiàn)象外，測(cè)試裝置制造精度不高也是主要原因。

4 結(jié)論

(1)建立了汽車(chē)尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的主要框架結(jié)構(gòu)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于系統(tǒng)通過(guò)冷卻水換熱器將冷卻系統(tǒng)中的熱水引入到尾氣換熱裝置中，利用高溫廢氣將熱水快速加熱成水蒸汽推動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和尾氣的熱量，將原本散失的熱量轉(zhuǎn)化為可利用的機(jī)械能和電能，實(shí)現(xiàn)了熱能的回收。為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料利用率的提高提供了可行的方案。

(2)針對(duì)1.5 L 汽油機(jī)完成了該系統(tǒng)實(shí)物模型的研發(fā)，進(jìn)行了關(guān)鍵部件的選型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，獲得了該系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，該系統(tǒng)的能量回收效率比較可觀。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試雖然未能達(dá)到該系統(tǒng)理論效率，但證明了該系統(tǒng)實(shí)施的可能性，并指出了影響該系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率的一些因素，如傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)化效率、渦輪機(jī)與排氣壓力的匹配等。

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