汽車排氣管余熱利用裝置的創(chuàng)新設計分析

李樂 陳然 趙澤林

華北理工大學機械工程學院 河北省唐山市 063210

1 引言

隨著中國經(jīng)濟社會持續(xù)快速發(fā)展，截至2017年底，全國機動車保有量已達3.10億輛，汽車保有量達2.17億輛，汽車所占比率連年增長，已成為機動車的主體。中國顯然已經(jīng)進入汽車時代，成為世界上最大的汽車生產(chǎn)與消費國，人們自駕游也屢見不鮮。然而汽車發(fā)動機產(chǎn)生的熱能只有38.5%作為功率輸出，仍存在約33%的熱能隨著尾氣排入空氣中[1]，這種附帶的能源損耗不容小覷，對于排氣管熱能利用顯得尤為重要。目前對于汽車發(fā)動機排氣管裝置余熱的利用研究較少，而且多存在僅利用其加熱水，功能單一，缺乏普適性[2]。因此，本創(chuàng)新設計高效利用排氣管的余熱，不僅可對食物進行保溫，也可以對食物或者水進行加熱，并且間接實現(xiàn)了節(jié)能減排。

2 汽車排氣管余熱利用裝置的設計方案

為了克服現(xiàn)有技術中存在排氣管余熱利用方式單一，效率較低的不足，綜合各因素設計了一種能夠較為高效的利用汽車排氣管熱能，并進行食物保溫與食物加工的裝置，如下圖1所示的整體裝置圖。

圖1 整體裝置圖

2.1 下部集熱裝置

如圖2所示的下部集熱裝置，其設有一個下開口式銅制套筒與排氣管直接相連接，以充分吸收排氣管熱能[3]，套筒上方設有一上封閉式豎直銅管與之相嵌，銅管設計為空心封閉結構以減少自身重量節(jié)約材料。所設計的下開口式銅制套筒的上半部分通過鉸鏈連接下面兩部分，其左側下半部分設有延伸薄片，可插入右側下半部分設置的凹槽之中，螺釘通過右側螺紋孔以固定左右套筒，進而適應不同規(guī)格排氣管，提高對于排氣管集熱的普適性。

圖 2 下部集熱裝置

2.2 中部控溫隔熱裝置

如下圖3所示的為中部控溫隔熱裝置，圖2所示的上封閉式銅管上表面設有一個圓形實心銅塊，其四周被鋼制板材包圍，中間設有石棉隔熱板來隔絕鋼板與銅塊的熱量傳導，采用的是由高品質(zhì)石棉纖維，玻璃纖維和陶土復合構成的石棉隔熱板；鋼板兩側設有可滑動軌道并設有齒條，齒條通過焊接與鋼質(zhì)板材固定，可滑動導軌與汽車底板固定的板材的導軌連接，其板材一側設有電機，以電機提供動力來源，通過齒輪齒條相互嚙合傳動，以實現(xiàn)中部整個傳熱裝置的移動來進行傳熱與隔熱。

圖3 中部控溫隔熱裝置側面分解圖

2.3 上部保溫加熱裝置

如圖4所示的上部保溫加熱裝置分解圖，對于圖3中的圓形實心銅塊上部仍與封閉銅管連接，封閉圓柱銅管上部則與環(huán)形盤狀銅制發(fā)熱管相接觸，通向保溫加熱箱以提供熱量，保溫加熱箱頂部設有溫度監(jiān)控裝置，以實時檢測箱體內(nèi)部的溫度，其連接至外部溫度調(diào)節(jié)裝置，以汽車電源對其供電，實現(xiàn)溫度的監(jiān)控以及調(diào)節(jié)。裝置上部設有旋轉式箱蓋，箱蓋與箱體以鉸鏈的形式連接，箱蓋上設有雙層鋼化耐高溫防爆玻璃，便于用戶對于內(nèi)部食物的觀測，箱體內(nèi)部設有鋁制內(nèi)膽以實現(xiàn)更好的保溫與加熱食物。

3 工作原理

當汽車發(fā)動機正常運行時，排氣管會產(chǎn)生大量熱能，下開口式銅制集熱套筒與排氣管相連，進行熱能的吸收與傳遞，通過與集熱套筒相嵌的上封閉式豎直圓柱管傳遞至圓形實心銅塊。實心銅塊上部同樣連接一封閉圓柱銅管，此管與一環(huán)形盤狀銅管接觸，傳導熱量至保溫加熱箱中。保溫加熱箱頂部設有溫度調(diào)節(jié)裝置，連接至外部溫度調(diào)節(jié)，便于用戶對于不同情況使用。箱蓋還設有雙層鋼化耐高溫防爆玻璃，箱體內(nèi)部設有鋁制內(nèi)膽，從而實現(xiàn)與外界溫度的隔離，進而實現(xiàn)更好的保溫加熱性能。

圖4 上部保溫加熱裝置分解圖

當汽車用戶設置保溫功能時，電動機工作驅(qū)使齒輪齒條嚙合以使銅塊沿導軌滑動，促使整個傳熱隔熱裝置的移動，由于銅塊周圍設置了石棉隔熱板，可進一步的隔離熱源，從而實現(xiàn)保溫功能以更好的保溫食物。

4 創(chuàng)新點及應用

本小組人員自主設計的汽車排氣管余熱利用裝置具有的創(chuàng)新點：（1）所設計的集熱裝置能夠較高效率的利用排氣管的余熱，并且有一定的普適性。（2）所設計的控溫隔熱裝置不僅實現(xiàn)了對于熱能的吸收與傳導，還能夠?qū)τ谑澄镞M行保溫，拓展了其功能的多樣性，杜絕了以往單一加熱功能的缺陷，方便用戶選擇。（3）所設計的汽車排氣管余熱利用裝置設有溫度監(jiān)控與調(diào)節(jié)裝置，不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測保溫加熱箱的內(nèi)部溫度，也實現(xiàn)了用戶根據(jù)不同需求進行調(diào)節(jié)。（4）整體裝置較為小巧，安裝方便，使用便利，能夠較為高效利用廢棄熱能，間接實現(xiàn)了節(jié)能減排的效果。

5 結語

本文以汽車排氣管熱能損耗為出發(fā)點，創(chuàng)新設計了一種充分利用汽車排氣管余熱的一種加熱與保溫裝置。通過所設計的下部集熱裝置進行排氣管廢熱的回收利用，中部控溫隔熱裝置進行熱能的傳遞以及上部的保溫加熱裝置進行食物的保溫與加熱，并設置溫度檢測與調(diào)節(jié)裝置，充分的提升用戶的使用體驗，便于用戶的自由選擇與使用。綜合來說，對于汽車排氣管的余熱利用不僅能夠方便用戶的實際使用，而且能夠充分利用能源，減少浪費，更進一步地實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。