王偉 任吳越 陳挑挑

摘 要：內(nèi)燃機余熱回收對于提高汽車的燃油經(jīng)濟性具有良好的應(yīng)用前景。斯特林發(fā)動機利用溫差驅(qū)動，把低品位的熱能轉(zhuǎn)換為能夠被利用機械能。本文根據(jù)汽車廢熱排放量隨內(nèi)燃機工況不同而變化的特點，設(shè)計了以內(nèi)燃機廢氣余熱為熱源的斯特林熱機，并與直線發(fā)電機相結(jié)合組成發(fā)電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機;余熱;斯特林熱機;發(fā)電

1 引言

隨著汽車保有量的逐年增加，環(huán)境污染和不可再生能源的過度消耗問題尤為嚴重，已經(jīng)成為了人們的格外重視。以內(nèi)燃機為主的汽車發(fā)動機工作時的部分熱量不得不以水冷、油冷和風冷的形式被耗散掉，這樣浪費了燃油燃燒的很大一部分能量。

分析內(nèi)燃機的熱平衡情況可以得出，汽油機和柴油機的余熱分別占燃油燃燒總熱量的40%和35%左右[1]，然而真正用于驅(qū)動汽車行走做功的能量僅占25%[2]左右。顯然，汽車內(nèi)燃機廢熱具有很大的利用空間，因此，利用廢熱發(fā)電對于汽車節(jié)能有著很重要的意義。

目前，半導(dǎo)體溫差發(fā)電、氟龍透平發(fā)電和廢氣渦輪發(fā)電這三種基本方法是主要的三種發(fā)動機廢氣能量發(fā)電技術(shù)，都處于研發(fā)階段，還未正式投入商業(yè)運作。斯特林熱機是能夠通過外部加熱、閉式循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，可以利用內(nèi)燃機的廢氣熱量進行發(fā)電，但此方面的研究很少。本文根據(jù)汽車廢熱排放量隨內(nèi)燃機工況不同而變化的特點[1，3，4，5]，設(shè)計了斯特林熱機，并與直線發(fā)電機相結(jié)合組成發(fā)電系統(tǒng)。

2 斯特林熱機的優(yōu)勢及其應(yīng)用

斯特林熱機是一種從外部加熱，利用閉式回熱循環(huán)方式將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。由于斯特林熱機采用外部供熱，對各種燃料有很大的包容性，所以能夠使用低品位燃料，例如濕熱、木材、地熱能、太陽能、生物質(zhì)能、廢熱和其他低品位燃料。而且，斯特林熱機僅使用一種工質(zhì)，運行過程中沒有物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化，這有利于減少腐蝕與沖擊等相關(guān)問題[6]，其工質(zhì)被封裝在氣缸內(nèi)部，而且燃料在缸外充分燃燒，有害尾氣排放很少，因此對環(huán)境造成的污染很小。此外，斯特林熱機結(jié)構(gòu)簡單，維護工作更加便捷，運行狀況更加安全、壽命長、噪音小，因為斯特林熱機不需要安裝進排氣門等相關(guān)機械，相比內(nèi)燃機減少了近40%的零部件。

由于斯特林熱機具有無可比擬的優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍也比較廣泛。目前，斯特林熱機在太陽能發(fā)電、工業(yè)廢熱回收利用、家庭微型熱電冷三聯(lián)供、熱泵空調(diào)設(shè)備、車用混合推進動力、水下動力裝備、核能應(yīng)用以及航空航天飛行器的電量供給等多個范圍內(nèi)充當著十分特殊的角色[7-9]。

3 系統(tǒng)介紹

本文設(shè)計的以內(nèi)燃機余熱為熱源的斯特林熱機發(fā)電系統(tǒng)包括斯特林熱機和直線發(fā)電機兩大部分，其結(jié)構(gòu)圖和模型圖分別如圖1和圖2所示。

直線發(fā)電機核心部分由線圈和磁鐵組成。斯特林熱機為主動式自由活塞斯特林熱機，主要包括傳動機構(gòu)、冷卻器、配氣活塞、加熱器、動力活塞、熱缸、冷缸和回熱器等零部件。在熱缸內(nèi)的上下來回運動是由配氣活塞連接傳動機構(gòu)完成的。磁鐵與動力活塞桿固定連接，動力活塞在冷缸內(nèi)做上下往復(fù)運動，與彈簧、磁鐵組成一維動態(tài)系統(tǒng)，當動力活塞往下或往上運動時，分別壓縮和拉伸彈簧。位于熱缸和冷缸之間的回熱器起著交替地從工質(zhì)吸收熱和向工質(zhì)釋放熱的作用。當工質(zhì)從熱端流向冷端，經(jīng)過回熱器時，工質(zhì)的部分熱量被吸收并儲存在回熱器內(nèi);當工質(zhì)從冷端運動到熱端，流經(jīng)回熱器時，與工質(zhì)從熱端流向冷端相反，回熱器將儲存的熱量返還給工質(zhì)?？梢哉f，回熱器就像一個吸收和釋放熱量的熱力海綿[10，11]。傳動機構(gòu)由兩個對稱的偏心曲柄連桿機構(gòu)和一對轉(zhuǎn)向相反的齒輪組成，水平方向上的分力大小相等方向相反，互相抵消，只有垂直方向上驅(qū)動活塞做上下往復(fù)運動的力，所以活塞環(huán)對氣缸壁沒有側(cè)壓力。

動力活塞在冷缸內(nèi)工作，由于它不與任何傳動機構(gòu)連接，屬于自由活塞，僅依靠彈簧來維持上下往復(fù)運動。動力活塞的運動行程可變，與缸壓、轉(zhuǎn)速、冷熱端溫度等多個因素有關(guān)。

4 工作原理

汽車內(nèi)燃機的尾氣流經(jīng)加熱器，從而給熱缸內(nèi)的工質(zhì)氣體加熱。冷卻器中充滿循環(huán)冷卻水，從而吸收冷缸內(nèi)工質(zhì)的熱量。直流電機通過傳動機構(gòu)驅(qū)動配氣活塞在熱缸內(nèi)做往復(fù)運動，引起冷缸內(nèi)工質(zhì)壓力的變化，變化的壓力作用在動力活塞上，使動力活塞、彈簧和磁鐵組成的一維動態(tài)系統(tǒng)發(fā)生振動。如果發(fā)生共振現(xiàn)象，即一維動態(tài)系統(tǒng)的振動頻率與其本身的共振頻率相同，。發(fā)動機在共振狀態(tài)時，功率最大，并且具備最佳性能。動力活塞具備與配氣活塞相同的振動頻率，所以直流電機的轉(zhuǎn)速決定了發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，只要用控制器調(diào)節(jié)直流電機的PWM率即可實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，具有較快的響應(yīng)特性。

參考文獻：

[1]張勇斌. 汽車廢熱利用的途徑和現(xiàn)狀分析[J]. 小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)， 2016， 45（1）：62-64.

[2]Jihui Yang. Opportunities & Challenges of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry [C]. 2005 Diesel Engine Emissions Reduction Conference， Chicago， 2005.

[3]Gupta A K， Lilley D G. Energy recovery opportunities from wastes[J]. Journal of Propulsion & Power， 2015， 15（2）：175-180.

[4]鄒政耀， 陳茹雯， 吳曉東. 一種新型的發(fā)動機排氣余熱利用裝置[J]. 商用汽車， 2002， （8）：60-61.

[5]李維， 顧平道， 石文卿. 內(nèi)燃機車高溫冷卻水余熱空調(diào)系統(tǒng)的可行性研究[J]. 能源研究與利用， 1996（1）：21-23.

[6]董悅. 斯特林發(fā)動機活塞環(huán)密封材料壽命相關(guān)問題研究[D]. 蘭州： 蘭州理工大學(xué)， 2014.

[7]霍英杰， 董亮， 王麗紅， 等. 空間斯特林發(fā)電技術(shù)的發(fā)展[C]. 中國宇航學(xué)會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第九屆學(xué)術(shù)年會論文集（下冊）， 北京， 2012.

[8]姜昱祥， 張營， 馮允茹. 斯特林熱機的可行性分析與展望[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2013， （15）： 226-227.

[9]王淼. 汽車尾氣余熱驅(qū)動斯特林發(fā)動機的可行性研究[D]. 天津： 天津商業(yè)大學(xué)， 2014.

[10]Feng W， Chen L， Wu C， et al. Optimum performance of irreversible Stirling engine with imperfect regeneration [J]. Energy Conversion & Management， 1998， 39（8）： 727-732.

[11]Blank D A， Davis G W， Wu C. Power optimization of an endoreversible Stirling cycle with regeneration [J]. Energy， 1994， 19（1）： 125-133.

作者簡介：

王偉，男，生于1996年6月，漢族，甘肅會寧人，江蘇大學(xué)，能源與動力工程（動力機械工程及自動化）.

任吳越，男，生于1998年2月，漢族，寧夏石嘴山人，江蘇大學(xué)，能源與動力工程（動力機械工程及自動化）.

陳挑挑，男，生于1992年1月，漢族，安徽宿州人，江蘇大學(xué)，動力工程及熱物理.