汽車排氣熱能回收再利用技術研究

張文智　長沙職業技術學院　湖南長沙　410027

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汽車排氣熱能回收再利用技術研究

張文智長沙職業技術學院湖南長沙410027

【文章摘要】

本研究主要針對汽車發動機各運行工況下通過排氣浪費的熱能過大，能量利用率過低提出了一種解決的方案，并對于如何具體實施該方案進行了系統的闡述。該新型排氣熱能能量回收利用系統既可以實現汽車排氣熱能能量的回收，也能實現直接助力汽車行駛的功能．

【關鍵詞】

排氣熱能;回收; 利用

1　國內外研究現狀

眾所周知，發動機在運行時會產生大量熱量，而現有的自然吸氣汽油機中，不論是國產還是進口汽車，都只有不到30%的熱能被利用，約40%的熱能以排氣方式損耗，約30%在引擎冷卻過程中被損耗，這表示高達70%的可用能源因此而浪費。傳統柴油機由于高的壓縮比，發動機膨脹效率被有效利用，其熱效率也只有約37%.目前國際上在用內燃機最高熱能利用率也只有40%多一點，仍然有大量的熱能以廢氣和冷卻方式浪費。如果能將如此眾多的熱能加以有效利用，可以讓能源的使用率提升到更高的程度。

德國寶馬公司于2012年推出了利用廢棄余熱產生的高壓蒸汽助力發動機曲軸的設想，并已經投入研究實驗。在該設想中，必須在發動機的曲軸前端加裝一個一定體積的助力驅動裝置。其設想的動力產生及利用原理如下：

廢氣（600℃-1000℃）加熱安裝于消聲器附近的蒸汽鍋爐→產生高壓蒸汽→蒸汽管道→曲軸蒸汽渦輪助力器→散熱器（蒸汽凝結）→高壓微型水泵→蒸汽鍋爐

日本豐田公司正在其混合動力汽車上加裝汽輪發電機，進行廢棄余熱產生高壓蒸汽驅動發電機實驗。然后將發電機發出的電能輸送給混合動力汽車的電池組。其動力產生及利用原理如下：

廢氣（600℃-1000℃）加熱安裝于消聲器附近的蒸汽鍋爐→產生高壓蒸汽→蒸汽管道→蒸汽渦輪發電機→散熱器（蒸汽凝結）→高壓微型水泵→蒸汽鍋爐

寶馬公司的研究是將熱能動力作用于發動機曲軸，在發動機運行過程中，發動機的曲柄連桿機構和配氣機構、變速器的機械摩擦將消耗部分能量，能源得不到最大程度的利用。豐田公司的蒸汽渦輪用來在混合動力汽車上產生電能，能量也經過了兩次轉換，轉換過程中的能量損失同樣不可小視。汽車發動機蒸汽渦輪助力驅動系統直接作用于汽車變速器后端，避開了發動機和變速器等需要在運行時消耗部分機械能的機械構件，使機械摩擦損失小，能源利用率能夠得到進一步的提高。

國內多家企業和科研單位的研究人員目前將主要目標集中在發電機余熱發電方面，也就是將熱能直接轉換為電能，沒有進行熱能至動能的直接轉換。由于能量在每次轉換過程中都有部分損失，經過二次轉換以后的最終利用率不是很理想。

2　排氣熱能提取利用系統

2.1排氣熱能提取利用系統結構組成

本研究擬部分提取以排氣方式輸出的約40%的熱能，產生高溫高壓蒸汽（蒸汽排出壓力可達到3MPa，即30公斤力），由該高壓蒸汽直接驅動汽車行駛?？梢杂行У慕档腿加秃模?提高發動機有效熱效率，

內燃機排氣管由于考慮消聲的問題，排氣效率在一定程度上被限制，本研究在大量吸收熱能的同時，使排氣管內高溫氣體被急速冷卻，導致管內背壓下降，排氣阻力減小，從而氣缸內排氣徹底，汽缸循環過程中的進氣量增大，內燃機輸出功率增加（相當于進氣增壓）。

本研究結合發動機和汽車運行工況，在排氣管前段安裝一環型鍋爐，該鍋爐由加熱爐和氣化爐組成，發動機運行時，加熱爐將水加熱至80攝氏度左右，在安裝于鍋爐上部的重力壓水箱作用下，經過加熱爐加熱的水被壓入前部的氣化爐，氣化爐表面溫度高達200-300攝氏度。進入氣化爐的高溫水瞬間被氣化并在形成約2MP以上壓力的高壓蒸汽，該高溫蒸汽沿管道及相關部件進入驅動葉輪室，蒸汽壓力作用在葉輪表面，助力葉輪旋轉。為便于制造安裝，驅動葉輪軸安裝在從動車輪（對于輕型乘用車，后輪為從動輪）

結構組成如下圖：

2.2各運行工況工作原理

（1）倒車工況

倒檔時，發動機不管處于什么工況系統狀態均關閉，保證在汽車倒車時不向驅動葉輪施加反向力阻礙車輛倒車

（2）低溫工況

發動機冷卻水低于60攝氏度時，由于排氣管表面溫度較低，產生的蒸汽量有限，對于驅動葉輪的作用較小，此時截斷電磁閥均關閉，系統不工作。在發動機冷卻液溫度低于60攝氏度，而截斷電磁閥1、2、3均處于截斷狀態時，如氣化鍋內壓力高于2.5MP時，旁通閥打開，釋放氣化鍋內高溫蒸汽至冷凝器

（3）高溫工況

發動機冷卻水達到60攝氏度以上時，發動機排氣管前節表面溫度達到150攝氏度以上，并隨著發動機的持續工作，該溫度將保持持續升高，且持續產生高溫，此時，截斷電磁閥1、2、3均打開，氣化鍋內產生的高溫（120攝氏度）高壓（約2-2.5MP）蒸汽經截斷電磁閥1、膨脹閥、驅動葉輪室、截斷電磁閥3、冷凝器、重力壓水箱、截斷電磁閥2、預熱鍋、氣化鍋完成一個循環。在蒸汽循環的過程中溫度逐步降低，到達冷凝器后蒸汽將被散熱冷卻成約50攝氏度液態水進入重力壓水箱。在重力壓水箱自身重力作用下，液態水被重新注入預熱鍋，此時如重力壓水箱出口端壓力低于3MP，壓力開關接通，壓力補償電機啟動，通過減速及凸輪機構驅動水箱上部壓水活塞給注入預熱鍋的液態水加壓，保證預熱鍋的兩端具有近1MP的壓力差，高溫液態水能在此壓力下順利注入氣化鍋。在發動機冷卻液溫度高于60攝氏度，如氣化鍋內壓力高于2.5MP時，旁通閥打開，釋放氣化鍋內高溫蒸汽至冷凝器。

3　結語

本研究著重解決發動機排氣熱能的高效利用問題，即將微型鍋爐安裝于排氣管前端，離熱源較近，使其能夠快速的吸收能量，并快速轉化為能驅動汽車行駛的機械能。將熱能轉換成為機械能后直接作用于傳動系統，機械摩擦損失小，能源利用率更高。

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