汽車廢氣渦輪發電技術的研究

張勇斌（鄭州鐵路技師學院河南鄭州450041）

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汽車廢氣渦輪發電技術的研究

張勇斌
（鄭州鐵路技師學院河南鄭州450041）

汽車廢氣渦輪發電是利用汽車尾氣能量推動渦輪轉動并帶動發電機發電的一項技術。基于汽車節能的思想，以東風EQ6100型內燃機為例設計了汽車廢氣回收利用裝置，并從內燃機進氣流量入手配合實際循環狀態和排氣狀況，對熱量的回收效益和渦輪機功率進行了計算，并對渦輪機結構進行了初步設計，發電機進行了選型匹配。計算得出了汽車廢氣渦輪發電渦輪機的功率和排氣能量大小，證實了利用汽車廢氣驅動渦輪發電的可行性。

汽車廢氣渦輪發電進氣流量回收效益功率計算設計

Preliminary design

引言

隨著社會經濟的發展和汽車保有量的急劇增加，使得石油能源危機日益突出，汽車節能問題受到各個國家的重視。為解決能源問題一方面是新能源或替代能源的開發，像電動汽車，燃料電池汽車或混合動力汽車，以及用醇類燃料或生物燃料等；另一方面是對汽車的結構進行一些改造或改良，用于節省燃料的消耗或者把排放的消耗的能量回收利用，像渦輪增壓，回收制動能，以及發動機排氣余熱的利用等［1］。

由于內燃機廢氣帶走的能量是相當巨大的，汽油機廢氣帶走熱量占燃料燃燒能量的40%～45%，柴油機占30%～40%。各國學者和研究人員目前對于汽車廢氣能利用方面的研究主要的途徑有利用廢氣能量發電、利用廢熱制冷和驅動空調以及利用發動機廢熱來取暖等。汽車廢氣驅動渦輪轉動并帶動發電機發電的方式不需要對汽車結構進行大的改動，易于實現產業化，而且通過能量轉換來的電能使用方式很靈活。但也有些問題需要解決：一是能量的轉換裝置會對發動機的工作性能有影響；二是到底能量的轉換效率有多大應該通過試驗來證明，三是廢氣渦輪發電裝置的大致結構尺寸的確定也需要深入的研究。下文是目前汽車廢氣渦輪發電技術的研究現狀和亟需解決的幾點問題。

1　汽車廢氣渦輪發電技術的思路

汽車廢氣渦輪發電技術的可行性的研究思路首先是確定一種常用的發動機，確定廢氣渦輪發電的原理和裝置，然后根據理論計算大致確定渦輪機的功率，接著是渦輪機結構的確定，最后是發電機型號的選用。在從理論上確定了汽車廢氣渦輪發電裝置的結構后，進行生產零部件反復的試驗后最終確定并可以投入實際使用并在使用的過程中不斷改進和優化。

2　研究對象

研究對象是我國國產的常用發動機東風EQ6100型發動機，發動機的部分參數如表1所示。

表1　發動機主要參數

圖1　廢氣驅動渦輪發電結構原理圖

3　廢氣渦輪發電的原理及裝置［2］

廢氣渦輪發電的裝置如圖1所示。將汽車的排氣管與渦輪機對接，利用內燃機的尾氣能量推動渦輪葉片轉動帶動渦輪軸旋轉，由于渦輪機軸和發電機轉子軸是同軸的，便將內燃機的尾氣能轉換成渦輪機的機械能進而轉化為電能，電能被汽車上的用電設備來使用，避免了傳統汽車把汽車尾氣直接排放到大氣中而造成大氣污染和能量的浪費。

對于廢氣能量的利用裝置一種是先將各個氣缸的尾氣匯集一個總管穩壓后來利用，這種廢氣回收裝置叫恒壓式廢氣回收發電機構，如圖2所示。這種裝置效率低但對原來發動機的工作無影響，比較穩定。另一種是利用不同的發動機工況和發動機各個氣缸的工作先后順序將各排氣支管分別與渦輪管對接，形成脈沖式廢氣回收發電機構，如圖3所示。這種機構能量回收利用的效率較高，但排氣不穩定，對發動機的工作有干涉作用。

圖2　　恒壓式廢氣回收發電機構圖

圖3　脈沖式廢氣回收發電機構圖

4　渦輪機功率的確定［3，4］

根據上述汽車廢氣渦輪發電裝置以恒壓式為研究對象，要計算渦輪機的功率需要計算得出內燃機的空氣消耗量和進氣密度。內燃機空氣消耗量的確定需要知道燃油流量、燃燒的理論空氣量和過量空氣系數等。空氣流量與內燃機的功率（指示功率）的比值稱空氣消耗率，燃燒過量空氣系數與指示燃油消耗量之間有經驗公式可查。理論空氣量柴油機為14～14.3，汽油機為14.8，內燃機的機械效率一般在0.75～0.85之間。這些數據可以求得EQ6100型內燃機在額定轉速3 000 r/min時空氣流量為72.649 5 kg/h。對于進氣密度量的確定依據是輸入氣缸的熱量與燃油消耗量和燃油低熱值的關系，而燃油消耗量可用空氣量和過量空氣系數和理論燃燒空氣量來代替從而有如下公式：

代入各個量可以求出汽油機的進氣密度大約在1.137kg/m3，柴油機大約在2.4 kg/m3左右。內燃機的進氣量有兩個部分，一是吸入的新鮮空氣量，另一部分是掃氣空氣量。新鮮空氣量可用公式

計算得到為2.734 kg/min。掃氣空氣量根據內燃機的實際工作狀態和公式

求出為0.009 1 kg/s。這樣可以得到一缸進氣質量流量大約為0.054 1 kg/s。全負荷時內燃機的廢氣流量大約為內燃機進氣量的1.03倍，這樣就能求出渦輪機的質量流量為0.167 kg/s。

對于空氣消耗量的計算一個可以根據燃油流量、理論燃燒空氣量和過量空氣系數的乘積算得，也可以把空氣消耗量分為內燃機吸入的空氣量和掃氣空氣量兩部分分別計算得到。結合內燃機的實際循環狀態可以得出渦輪機的質量流量在0.167kg/s左右，內燃機的理論排氣功可用公式

代入量求得的理論排氣功為124 564 J/kg，渦輪機的效率在0.65～0.8之間，以定壓渦輪為例渦輪的效率取70%或80%，則利用公式

計算出的渦輪機功率分別為8.5 kW和9.7 kW。因此由數據可知渦輪機的功率在8～9 kW左右。

5　渦輪機結構的匹配［5］

渦輪機結構的確定比較困難，由于空氣流速不定，所以渦輪機轉速不定，從理論上計算渦輪機的結構尺寸，可以在現有的渦輪機的型號中進行選取，然后用試驗的方法來選定。渦輪機以徑流式渦輪機為例經過計算得出了渦輪機的等效流通面積和渦輪機級的平均直徑。

已知渦輪機的葉片數、葉片高度、葉片通道的出口平均寬度和截面收縮系數，則根據公式

可以計算出渦輪機的等效流通面積，以EQ6100型發動機和以上渦輪機功率等數據可以求得渦輪機的等效流通面積為41.5，對于渦輪機級的平均直徑假定沖動級為最佳速度比三級，利用公式

在理論上已經計算出了渦輪機級的情況，一般在10 kW以下的渦輪機按通常轉速3 000 r/min左右來計算渦輪機級的平均直徑大致在0.244 5 m左右。

6　發電機的匹配

一般情況下，發電機有兩對磁極，轉速為1 500 r/min或3 000 r/min，交流電頻率為50 Hz，一般采用有刷交流同步發電機。已經計算出渦輪機的功率，又知道渦輪機和發電機是共軸的，即發電機的轉速和渦輪機的轉速相同。根據設計渦輪機時確定的渦輪機額定轉速為3 000 r/min，為了能充分發揮渦輪機的效率，最好應使渦輪機和發電機的功率相等但實際中由于各種損失的存在不可能使功率相等。為保險起見選擇現有的功率轉子發電機為宜，已經知道了渦輪機功率便知道了發電機的輸入功率或總功率，在現有的三相同步發電機的技術參數上選取，如下表2和表3所示。

交流同步發電機分為有刷交流同步發電機和無刷交流發電機。同步交流發電機是指它的轉速n與所產生的電流的頻率f及發電機本身的磁極對數p之間保持著恒定的關系，即：

表2　渦輪機轉速為3 000 r/min時選定發電機的參數

發電機需要配合合適的變壓電路和設備，輸出的電能才可以被使用。

表3　渦輪機轉速為1 500 r/min時選定發電機的參數

7　結論及展望

經過對汽車廢氣渦輪發電的研究，發現尾氣發電量高，對于廢氣能量利用率高，不需要對現有汽車結構進行大方面的改造，易于短期內實現產業化，投入低，收益大，是現有汽車節能方法中很有潛力的研究方向［6-11］。

目前在渦輪機功率方面已經取得了一定的成果，大致確定了渦輪機功率的數據，對于渦輪機和發電機的匹配方面，只做了淺易的分析，不夠詳細。此外，計算都是基于發動機額定轉速下的定量計算，沒有考慮轉速、負荷的變化而引起排氣流量變化，進而影響渦輪機功率以及發電機電壓電流的浮動等情況；另外，整流器的設計，排氣管上的旁通孔控制；渦輪機入口管徑與排氣管管徑的配合和面積比；排氣管的布置以及管道內各種阻力和散熱量計算等等都沒有涉及。

脈沖問題沒有考慮，對于渦輪機結構只提供了一些思路，沒有具體到葉片，管徑等基本數據，發電機的選型僅做了定性的分析等。

以后研究的重點一個是渦輪的選型和匹配，另一個是發電機的配套選用，具體需要進行若干的試驗研究，得出更有力的數據，爭取短期內實現汽車廢氣渦輪發電的實用性和產業化。所以，有很多方面還需要進一步的研究。

1朱智富.汽車廢熱利用的有效途徑［J］.黑龍江工程學院學報（自然科學版），2005，19（2）：51-53，59

2張鐵柱，張洪信，郝健.內燃機廢氣能量回收利用裝置：中國，012433330［P］.2002-07-03

3張勇斌.EQ6100型內燃機空氣消耗量的計算［J］.汽車實用技術，2014（12）：21-24

4張勇斌.汽車廢氣渦輪發電之渦輪機功率的確定［J］.汽車維修，2014（10）：4-7

5張勇斌.汽車廢氣渦輪發電之渦輪機的匹配［J］.汽車實用技術，2015（1）：110-113

6周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，2000

7張鐵柱，張洪信.汽車安全，節能與環保［M］.北京：國防工業出版社，2004

8黃慶宏.汽輪機與燃氣輪機原理與應用［M］.南京：東南大學出版社，2005

9顧宏中.MIXPC渦輪增壓系統研究與優化設計［M］.上海：上海交通大學出版社，2006

10蔣德明.內燃機燃燒與排放學［M］.西安：西安交通大學出版社，2001

11機械工業部.中小型電機產品樣本［M］.北京：機械工業出版社，1995

The Study of Automotive Exhaust Gas Turbine Power Generation Technology

Zhang Yongbin
Zhengzhou Railway Technician College（Zhengzhou，Henan，450041，China）

Automotive exhaust gas turbine power generation is a technology to use the car exhaust energy to rotate and drive a turbine generator to generate electricity.Based on the idea of energy-saving cars，taking Dongfeng EQ6100-type internal combustion engine as an example，a vehicle exhaust recycling system was designed.Combining the engine intake air flow rate and the actual cycling situation as well as the exhaust situation，the heat recovery efficiency and turbine power were calculated，turbine structure was preliminarily designed，and the selection of matching generators was carried out.Calculation of the automobile exhaust turbine generator turbine power and exhaust energy confirmed the feasibility of the use of motor vehicle exhaust to drive a turbine to generate electricity.

Car exhaust，Turbine generator，Intake air flow rate，Recovery efficiency，Power calculation，

TK413.4+4

A

2095-8234（2015）06-0053-04

張勇斌（1983-），男，講師，主要研究方向為汽車技術。

（2015-07-28）