汽車發動機尾氣復合發電系統設計

郭宏偉（浙江交通職業技術學院,杭州311112）

汽車發動機尾氣復合發電系統設計

郭宏偉
（浙江交通職業技術學院,杭州311112）

節能減排以及提高發動機熱效率是當前汽車技術研究的重點。文中簡要介紹了利用發動機高溫高壓尾氣中的溫度和壓力，設計了采用渦輪和汽輪共同驅動發電機發電的系統，介紹了系統的結構及工作過程。

發動機；尾氣；復合發電

0　引言

隨著社會經濟的發展，人們對能源需求的與日俱增，能源問題日見突出，節能減排以及提高發動機熱效率是當前汽車技術研究的重點。目前，汽車燃料產生的能量僅三分之一左右得到有效利用，也就是說汽車燃料中有近三分之的能量被浪費掉。這些能量絕大一部分都是以余熱的形式散發到了空氣中，不僅浪費了大量能源，還造成了非常嚴重的空氣污染[1-3]。

1　系統設計依據

調查顯示汽車發動機尾氣帶走的熱量占燃料燃燒產生能量的近40%，利用汽車發動機排放的廢能是實現汽車節約能源、降低排放的一個重要研究方向。汽車發動機尾氣的特點有：能量高，約占燃料產生能量的40%；壓力大，達到0.4MPa左右；溫度高，達到900K以上。利用發動機尾氣排放中的壓力與余熱驅動發電機發電，給汽車用電設備供電或儲存到蓄電池中，這對于汽車的節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濟性、動力性等問題[2,4,5]。

2　汽車發動機尾氣復合發電系統設計

汽車發動機尾氣復合發電系統利用發動機高溫高壓尾氣中的溫度和壓力，采用渦輪和汽輪共同驅動發電機發電，給汽車用電設備供電或將電能儲存到蓄電池中。

2.1系統設計思路

（1）利用發動機高溫高壓尾氣中的溫度和壓力，使用渦輪和汽輪共同驅動發電機發電，取代傳統發電機給全車供電，實現對發動機尾氣壓力和余熱的充分利用。

（2）在發動機排氣總管上安裝一個渦輪，發電機跟渦輪同軸。從發動機氣缸排出的高壓尾氣，沖擊渦輪轉動，渦輪帶動發電機發電。

（3）在發動機排氣歧管和排氣總管部分安裝蒸發器，在蒸發器上安裝噴管，噴管后方安裝汽輪機，發電機與汽輪機同軸。發動機氣缸排出的高溫尾氣，將余熱傳遞給蒸發器中的工質，工質蒸發從噴管噴出，作用在汽輪機上，汽輪機高速轉動，同時帶動發電機一起轉動發電[6-8]。

2.2系統設計方案

汽車發動機尾氣余熱和壓力復合發電系統的主要零部件有發動機、排氣管（包括三元催化轉化器和排氣消聲器等）、渦輪機、發電機、蒸發器（包括蒸發工質）、噴管、汽輪機、冷凝器、儲液罐、工質泵、蓄電池等，系統機構示意圖如圖1所示。

2.3系統結構特點

（1）葉輪發電系統。如圖1所示，在發動機的排氣歧管和排氣總管上設計安裝殼管式蒸發器，以吸收尾氣中的熱量。蒸發器連接噴管，噴管后端連接汽輪機，汽輪機固定在機架上，汽輪機后連接冷凝器，汽輪機和冷凝器通過液體傳輸管連接，中間設有單向閥，工質對汽輪做功后，進入冷凝器進行液化；冷凝器與發動機冷卻系冷卻水管相連接，通過冷卻水對工質進行冷卻液化；冷凝器和儲液罐也通過液體傳輸管連接，中間設有單向閥，液化后的工質進入儲液罐儲存。工質泵一端用液體傳輸管連接儲液罐，另一端用液體傳輸管連接到蒸發器，將液態工質從儲液罐中泵出，送往蒸發器，在蒸發器中產生的高壓過熱蒸汽從噴管高速流入汽輪機，噴管是漸縮噴管，把蒸汽的熱能轉變成動能的結構原件。工質對汽輪機做功后經過冷凝器液化后進入儲液罐儲存。系統的管路和零部件必須具備良好的密封性能[6]。

蒸發器采用30～40根殼管式蒸發器，材料采用導熱性好的紫銅管，紫銅管殼管與發動機排氣歧管和排氣總管緊密接觸。

噴管是漸縮噴管，在蒸發器中產生的高壓過熱蒸汽從噴管流入汽輪機，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，無縫黃銅管通過過盈連接的方式脹接在冷凝器內水箱的管板上。水箱通過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。

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

（2）渦輪發電系統。如圖1所示，渦輪機進氣管道和發動機排氣總管相連，固定于發動機機架上。渦輪機固定于傳動軸一端，并與汽輪機和發電機配合對接，傳動軸通過滑動軸承支撐固定，為渦輪機、汽輪機和發電機共同轉動軸。渦輪機出口連接發動機排氣管。

（3）電氣設備。發電機與電壓調節器構成發電系統，與電氣設備用導線連接起來，發電機是一個將動能轉變為電能的裝置，利用傳動軸驅動。電壓調節器實現對發電機輸出電壓的自動調節，維持發電機的電壓為給定水平，電氣設備包括汽車用電設備和蓄電池。

2.4系統工作過程

汽車發動機運行時，發動機尾氣由排氣歧管排出，具有一定壓力、溫度的尾氣經過排氣管。

（1）安裝在排氣管上的蒸發器中的液態工質R134a吸收尾氣的熱量，蒸發膨脹，產生的高壓蒸汽從漸縮噴管高速流入汽輪機，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到最大值，高速氣流沖擊汽輪機的葉輪，汽輪機高速轉動，驅動傳動軸轉動。氣態R134a對汽輪機做功后，進入冷凝器，冷凝器與發動機冷卻系冷卻水管連接，其外殼由不銹鋼板卷制，經過冷凝器液化的工質R134a進入儲液罐儲存，冷凝器與儲液罐中間設有單向閥，防止液態工質回流。工質泵將儲液罐中的液態R134a泵入蒸發器中，下一個循環開始。

（2）高壓尾氣通過排氣總管進入渦輪機進氣管道。由于進入渦輪機時尾氣壓力和溫度迅速下降，流速提高。高速氣流按氣流流勢進入渦輪機進氣管，沖擊渦輪葉片，使渦輪機高速旋轉，通過渦輪機的尾氣通過排氣管排出，最終排入大氣。渦輪機高速旋轉驅動與其固定安裝在一起的傳動軸旋轉。

（3）傳動軸為渦輪機、汽輪機和發電機共同轉動軸。傳動軸的旋轉帶動發電機工作，實現機械能向電能的轉變，從而實現尾氣廢能的有效利用，以達到本系統的設計目的。

3　結語

汽車發動機尾氣復合發電系統在綜合分析汽車廢熱能量回收利用技術的基礎上，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動發電機發電，取代傳統發電機給全車供電，從而提升汽車燃料利用效率，改善汽車的動力性、經濟性和排放性等性能。系統在不對汽車發動機做過多改變的情況下，不僅可以提高燃料利用率，改善汽車動力性和經濟性，同時有效降低尾氣中二氧化碳等有害物質的排放，既節約能源，又綠色環保，將帶來良好的社會效益和巨大的經濟效益[3]。

[1]夏凱.汽車發動機廢氣余熱熱電轉換裝置結構優化設計[D].武漢理工大學,2011(05).

[2]袁曉紅，汽車發動機尾氣余熱溫差發電裝置熱電轉換技術研究[D].武漢理工大學,2012(06).

[3]薛子旺.發動機廢氣發電研究[D].河南農業大學,2010(06).

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

[5]安占飛，于繼翔.汽車尾氣發電裝置的設計[J].公路與汽運，2012(08).

[6]楊智博.基于有機朗肯循環的柴油機廢氣余熱發電系統研究[D].哈爾濱理工大學,2006.

[7]張明利，全書海，黃亮等.汽車尾氣余熱發電控制系統的設計[J].新型工業化,2011,1(05):74-78.