劉勇 李建 王澤堃 方存光

摘 要 本文設(shè)計(jì)了一套汽車(chē)尾氣能量回收系統(tǒng)，在說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上論述了汽車(chē)尾氣能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與方案，這套裝置可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的壓力以及氣流使得裝置通過(guò)渦輪機(jī)來(lái)進(jìn)行發(fā)電。通過(guò)該裝置上的顯示屏以及一系列電器元件進(jìn)行監(jiān)控電流的穩(wěn)定和大小并保證電流的輸出以及所用電的安全。

關(guān)鍵詞 能量回收 汽車(chē)尾氣 渦輪發(fā)電

0引言

目前汽車(chē)的燃料主要為化石類(lèi)燃料，如石油、天然氣等不可再生資源等，資源的有限性及環(huán)保問(wèn)題使得節(jié)能降耗、綠色出行技術(shù)成為汽車(chē)行業(yè)的研究熱點(diǎn)。本文利用氣缸與外部大氣的壓力所形成的壓力差使排出的廢氣具有一定的氣體流速?gòu)亩鴰?dòng)渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并對(duì)所發(fā)出的電進(jìn)行儲(chǔ)存和合理利用。

1 汽車(chē)尾氣能量特點(diǎn)

汽車(chē)尾氣能量，不同于工業(yè)生產(chǎn)廢熱以及垃圾焚燒廢熱，屬于“移動(dòng)中的熱源”。汽車(chē)尾氣能量伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)的做功排氣過(guò)程而產(chǎn)生，具有能量品位低、非穩(wěn)態(tài)性和梯度分布的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)都將直接影響汽車(chē)尾氣能量的回收以及熱電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)及車(chē)載集成。針對(duì)汽車(chē)尾氣能量的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和歸納，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣能量的最大程度高效回收利用，改善現(xiàn)有的車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)低效熱能利用現(xiàn)狀，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能與減排戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)。

汽車(chē)尾氣能量具有沿發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路梯級(jí)分布的特征，比如一輛1.6L轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，2200r/min穩(wěn)態(tài)工況下，其發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及排氣歧管附近，最高溫度超過(guò)500℃;在排氣歧管之后，一級(jí)消聲器之前的大部分區(qū)域，排氣管路的壁面溫度在250℃以上。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定且溫度維持在90℃，能產(chǎn)生160℃的溫差。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)排氣管路溫度梯度分布的特點(diǎn)，充分發(fā)揮低、中、高溫?zé)犭娖骷诟鳒囟榷蔚男阅軆?yōu)勢(shì)，完成對(duì)排氣管路尾氣能量的回收?？紤]到熱電器件的材料ZT值、耐溫情況及排氣系統(tǒng)的兼容性，低溫?zé)犭娖骷牟贾梦恢每梢赃x在三元催化劑之后，一級(jí)消聲器之前。

2汽車(chē)尾氣回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1工作原理

1821 年，德國(guó)物理學(xué)家賽貝克在進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在由兩種不同材料導(dǎo)線組成的閉合回路里，當(dāng)加熱導(dǎo)線的連接部位時(shí)，這個(gè)閉合回路里面產(chǎn)生了電流。后期研究表明，當(dāng)溫差存在于兩種不同的導(dǎo)電金屬或者半導(dǎo)體材料之間時(shí)，兩種材料之間會(huì)形成電壓差，其數(shù)值大小與冷熱端溫差大小成正比。這種由溫差作用于不同材質(zhì)導(dǎo)體而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)后來(lái)被命名為“賽貝克效應(yīng)”。汽車(chē)尾氣回收裝置原理正是以熱電發(fā)電材料的賽貝克效應(yīng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)從低品質(zhì)熱能到高品質(zhì)電能的直接轉(zhuǎn)換。

熱電發(fā)電材料在處于高低溫端溫差的環(huán)境下，在材料的高低溫端會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)整個(gè)電路接入負(fù)載形成電路回路時(shí)，完成電能的輸出，輸出電動(dòng)勢(shì)與材料的相對(duì)塞貝克系數(shù)、溫度差成正比。

2.2汽車(chē)尾氣能量回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車(chē)尾氣能量回收裝置包括：收集、檢測(cè)、能量轉(zhuǎn)換、尾氣排放。首先，從汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)出氣口處排放出的尾氣，經(jīng)過(guò)第一級(jí)儲(chǔ)氣裝置，在該裝置中可以設(shè)置三個(gè)單向閥，分別通向尾氣氣壓檢測(cè)環(huán)節(jié)、尾氣利用環(huán)節(jié)、尾氣排放環(huán)節(jié)。首先由氣壓檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)出出氣裝置內(nèi)的氣壓，我們可以設(shè)置一個(gè)單向閥的開(kāi)啟氣壓達(dá)到我們的理想值，當(dāng)儲(chǔ)氣筒內(nèi)的氣壓達(dá)到要求時(shí)，該單向閥打開(kāi)，氣壓檢測(cè)裝置開(kāi)始檢測(cè)氣壓，當(dāng)氣壓達(dá)到臨界值時(shí)則出氣單向閥打開(kāi)，尾氣一部分繼續(xù)流向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口被再燃燒，一部分則在處理后被排放，當(dāng)氣壓恢復(fù)安全值時(shí)則該單向閥關(guān)閉，同時(shí)在汽車(chē)使用的過(guò)程中，如果需要緩車(chē)制動(dòng)，則第三個(gè)單向閥打開(kāi)，尾氣流向氣馬達(dá)，氣壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能被利用。這個(gè)裝置主要就是在最大程度上將內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的廢氣力轉(zhuǎn)化為能量，進(jìn)而將這些能量用于發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等等。

系統(tǒng)對(duì)排氣歧管進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，依靠尾氣中產(chǎn)生的動(dòng)能和內(nèi)能，促使整個(gè)渦輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，再由凸輪軸將交變力施加于壓電振子上，以此產(chǎn)生電壓。經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換，原本輸出的機(jī)械能最終將全部轉(zhuǎn)化為電能，并將其輸出至蓄電設(shè)備內(nèi)部。 汽車(chē)尾氣能量回收系統(tǒng)通過(guò)纏繞在排氣歧管上的水管，吸收尾氣熱量，氣化管內(nèi)液態(tài)水，產(chǎn)生高溫高壓水蒸汽，吹動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪發(fā)電，達(dá)到尾氣熱量回收目的。

3 結(jié)語(yǔ)

該汽車(chē)尾氣能量回收系統(tǒng)采用汽車(chē)尾氣作為加熱源，不需消耗其他燃料即可對(duì)車(chē)廂進(jìn)行供暖，從而提高了能源的利用率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的，同時(shí)，該裝置將尾氣與被加熱過(guò)的新鮮空氣有效隔開(kāi)，并將熱空氣引入車(chē)廂，不會(huì)發(fā)生尾氣進(jìn)入車(chē)廂而導(dǎo)致的中毒等事故，裝置是全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳王威，廖健君.對(duì)汽車(chē)尾氣回收再利用的究[J].電子制作，2013（05）：204-204.

[2] 李鑫，杜紅顯.汽車(chē)尾氣熱電回收系統(tǒng)的熱交換器研究綜述[J].創(chuàng)新科技，2014（16）：67-69.

[3] 樊文淵.基于汽車(chē)尾氣熱量的溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)與研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2018.

[4] 徐立珍，李彥，楊知，etal.汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電的實(shí)驗(yàn)研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（02）：287-289.

[5] 李利平，張志鵬.集熱管式汽車(chē)尾氣能量回收裝置[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，2016，35（10）：28-29.

[6] 杜巍，劉福水，李志杰，et al.增壓柴油機(jī)排氣壓力變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)中文版）機(jī)械工程，2009（01）：18-22.