郭宏偉（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,杭州311112）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭宏偉
（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,杭州311112）

節(jié)能減排以及提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率是當(dāng)前汽車技術(shù)研究的重點(diǎn)。文中簡(jiǎn)要介紹了利用發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓尾氣中的溫度和壓力，設(shè)計(jì)了采用渦輪和汽輪共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程。

發(fā)動(dòng)機(jī)；尾氣；復(fù)合發(fā)電

0　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)能源需求的與日俱增，能源問(wèn)題日見(jiàn)突出，節(jié)能減排以及提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率是當(dāng)前汽車技術(shù)研究的重點(diǎn)。目前，汽車燃料產(chǎn)生的能量?jī)H三分之一左右得到有效利用，也就是說(shuō)汽車燃料中有近三分之的能量被浪費(fèi)掉。這些能量絕大一部分都是以余熱的形式散發(fā)到了空氣中，不僅浪費(fèi)了大量能源，還造成了非常嚴(yán)重的空氣污染[1-3]。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

調(diào)查顯示汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣帶走的熱量占燃料燃燒產(chǎn)生能量的近40%，利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢能是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)約能源、降低排放的一個(gè)重要研究方向。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的特點(diǎn)有：能量高，約占燃料產(chǎn)生能量的40%；壓力大，達(dá)到0.4MPa左右；溫度高，達(dá)到900K以上。利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放中的壓力與余熱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，給汽車用電設(shè)備供電或儲(chǔ)存到蓄電池中，這對(duì)于汽車的節(jié)能減排具有非常重要的意義，不僅能夠降低車輛能源消耗，減少空氣污染，并且能夠有效提高汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等問(wèn)題[2,4,5]。

2　汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓尾氣中的溫度和壓力，采用渦輪和汽輪共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，給汽車用電設(shè)備供電或?qū)㈦娔軆?chǔ)存到蓄電池中。

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

（1）利用發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓尾氣中的溫度和壓力，使用渦輪和汽輪共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)給全車供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣壓力和余熱的充分利用。

（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管上安裝一個(gè)渦輪，發(fā)電機(jī)跟渦輪同軸。從發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排出的高壓尾氣，沖擊渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

（3）在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管和排氣總管部分安裝蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器上安裝噴管，噴管后方安裝汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)同軸。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排出的高溫尾氣，將余熱傳遞給蒸發(fā)器中的工質(zhì)，工質(zhì)蒸發(fā)從噴管噴出，作用在汽輪機(jī)上，汽輪機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電[6-8]。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱和壓力復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的主要零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管（包括三元催化轉(zhuǎn)化器和排氣消聲器等）、渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、蒸發(fā)器（包括蒸發(fā)工質(zhì)）、噴管、汽輪機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液罐、工質(zhì)泵、蓄電池等，系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）葉輪發(fā)電系統(tǒng)。如圖1所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管和排氣總管上設(shè)計(jì)安裝殼管式蒸發(fā)器，以吸收尾氣中的熱量。蒸發(fā)器連接噴管，噴管后端連接汽輪機(jī)，汽輪機(jī)固定在機(jī)架上，汽輪機(jī)后連接冷凝器，汽輪機(jī)和冷凝器通過(guò)液體傳輸管連接，中間設(shè)有單向閥，工質(zhì)對(duì)汽輪做功后，進(jìn)入冷凝器進(jìn)行液化；冷凝器與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系冷卻水管相連接，通過(guò)冷卻水對(duì)工質(zhì)進(jìn)行冷卻液化；冷凝器和儲(chǔ)液罐也通過(guò)液體傳輸管連接，中間設(shè)有單向閥，液化后的工質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)液罐儲(chǔ)存。工質(zhì)泵一端用液體傳輸管連接儲(chǔ)液罐，另一端用液體傳輸管連接到蒸發(fā)器，將液態(tài)工質(zhì)從儲(chǔ)液罐中泵出，送往蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的高壓過(guò)熱蒸汽從噴管高速流入汽輪機(jī)，噴管是漸縮噴管，把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能的結(jié)構(gòu)原件。工質(zhì)對(duì)汽輪機(jī)做功后經(jīng)過(guò)冷凝器液化后進(jìn)入儲(chǔ)液罐儲(chǔ)存。系統(tǒng)的管路和零部件必須具備良好的密封性能[6]。

蒸發(fā)器采用30～40根殼管式蒸發(fā)器，材料采用導(dǎo)熱性好的紫銅管，紫銅管殼管與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管和排氣總管緊密接觸。

噴管是漸縮噴管，在蒸發(fā)器中產(chǎn)生的高壓過(guò)熱蒸汽從噴管流入汽輪機(jī)，隨著噴管截面的逐步縮小，流速逐漸加大，直至最小截面管口處流速最高。

冷凝器為臥式殼管式冷凝器，主要由外殼，水箱，換熱銅管，管板組成。冷凝器殼體采用不銹鋼鋼板卷制而成，無(wú)縫黃銅管通過(guò)過(guò)盈連接的方式脹接在冷凝器內(nèi)水箱的管板上。水箱通過(guò)分隔板分成第一水箱、第二水箱和第三水箱，第一水箱和第三水箱可以拆卸。

冷卻工質(zhì)采用綜合性能良好、使用最最廣泛的中低溫環(huán)保制冷劑R134a（1，1，1，2-四氟乙烷）。

（2）渦輪發(fā)電系統(tǒng)。如圖1所示，渦輪機(jī)進(jìn)氣管道和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管相連，固定于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架上。渦輪機(jī)固定于傳動(dòng)軸一端，并與汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)配合對(duì)接，傳動(dòng)軸通過(guò)滑動(dòng)軸承支撐固定，為渦輪機(jī)、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)共同轉(zhuǎn)動(dòng)軸。渦輪機(jī)出口連接發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管。

（3）電氣設(shè)備。發(fā)電機(jī)與電壓調(diào)節(jié)器構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)，與電氣設(shè)備用導(dǎo)線連接起來(lái)，發(fā)電機(jī)是一個(gè)將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，利用傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，維持發(fā)電機(jī)的電壓為給定水平，電氣設(shè)備包括汽車用電設(shè)備和蓄電池。

2.4系統(tǒng)工作過(guò)程

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣由排氣歧管排出，具有一定壓力、溫度的尾氣經(jīng)過(guò)排氣管。

（1）安裝在排氣管上的蒸發(fā)器中的液態(tài)工質(zhì)R134a吸收尾氣的熱量，蒸發(fā)膨脹，產(chǎn)生的高壓蒸汽從漸縮噴管高速流入汽輪機(jī)，且流速隨著噴管截面的逐步縮小而逐漸加大，直至最小截面管口處流速達(dá)到最大值，高速氣流沖擊汽輪機(jī)的葉輪，汽輪機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。氣態(tài)R134a對(duì)汽輪機(jī)做功后，進(jìn)入冷凝器，冷凝器與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系冷卻水管連接，其外殼由不銹鋼板卷制，經(jīng)過(guò)冷凝器液化的工質(zhì)R134a進(jìn)入儲(chǔ)液罐儲(chǔ)存，冷凝器與儲(chǔ)液罐中間設(shè)有單向閥，防止液態(tài)工質(zhì)回流。工質(zhì)泵將儲(chǔ)液罐中的液態(tài)R134a泵入蒸發(fā)器中，下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始。

（2）高壓尾氣通過(guò)排氣總管進(jìn)入渦輪機(jī)進(jìn)氣管道。由于進(jìn)入渦輪機(jī)時(shí)尾氣壓力和溫度迅速下降，流速提高。高速氣流按氣流流勢(shì)進(jìn)入渦輪機(jī)進(jìn)氣管，沖擊渦輪葉片，使渦輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)渦輪機(jī)的尾氣通過(guò)排氣管排出，最終排入大氣。渦輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與其固定安裝在一起的傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。

（3）傳動(dòng)軸為渦輪機(jī)、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)共同轉(zhuǎn)動(dòng)軸。傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)尾氣廢能的有效利用，以達(dá)到本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。

3　結(jié)語(yǔ)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)在綜合分析汽車廢熱能量回收利用技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出充分利用尾氣中的壓力和余熱，采用渦輪和汽輪共同作用驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，取代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)給全車供電，從而提升汽車燃料利用效率，改善汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等性能。系統(tǒng)在不對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)做過(guò)多改變的情況下，不僅可以提高燃料利用率，改善汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)有效降低尾氣中二氧化碳等有害物質(zhì)的排放，既節(jié)約能源，又綠色環(huán)保，將帶來(lái)良好的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

[1]夏凱.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱熱電轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué),2011(05).

[2]袁曉紅，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱溫差發(fā)電裝置熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué),2012(06).

[3]薛子旺.發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣發(fā)電研究[D].河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2010(06).

[4]趙剛，趙春彥，朱建良.汽車尾氣余熱發(fā)電裝置的電路設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2005(09).

[5]安占飛，于繼翔.汽車尾氣發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)[J].公路與汽運(yùn)，2012(08).

[6]楊智博.基于有機(jī)朗肯循環(huán)的柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)研究[D].哈爾濱理工大學(xué),2006.

[7]張明利，全書海，黃亮等.汽車尾氣余熱發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化,2011,1(05):74-78.