以內(nèi)燃機(jī)余熱為熱源的斯特林熱機(jī)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王偉任 吳越 陳挑挑

摘 要：內(nèi)燃機(jī)余熱回收對(duì)于提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性具有良好的應(yīng)用前景。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)利用溫差驅(qū)動(dòng)，把低品位的熱能轉(zhuǎn)換為能夠被利用機(jī)械能。本文根據(jù)汽車廢熱排放量隨內(nèi)燃機(jī)工況不同而變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱為熱源的斯特林熱機(jī)，并與直線發(fā)電機(jī)相結(jié)合組成發(fā)電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；余熱；斯特林熱機(jī)；發(fā)電

1 引言

隨著汽車保有量的逐年增加，環(huán)境污染和不可再生能源的過度消耗問題尤為嚴(yán)重，已經(jīng)成為了人們的格外重視。以內(nèi)燃機(jī)為主的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的部分熱量不得不以水冷、油冷和風(fēng)冷的形式被耗散掉，這樣浪費(fèi)了燃油燃燒的很大一部分能量。

分析內(nèi)燃機(jī)的熱平衡情況可以得出，汽油機(jī)和柴油機(jī)的余熱分別占燃油燃燒總熱量的40%和35%左右[1]，然而真正用于驅(qū)動(dòng)汽車行走做功的能量?jī)H占25%[2]左右。顯然，汽車內(nèi)燃機(jī)廢熱具有很大的利用空間，因此，利用廢熱發(fā)電對(duì)于汽車節(jié)能有著很重要的意義。

目前，半導(dǎo)體溫差發(fā)電、氟龍透平發(fā)電和廢氣渦輪發(fā)電這三種基本方法是主要的三種發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量發(fā)電技術(shù)，都處于研發(fā)階段，還未正式投入商業(yè)運(yùn)作。斯特林熱機(jī)是能夠通過外部加熱、閉式循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，可以利用內(nèi)燃機(jī)的廢氣熱量進(jìn)行發(fā)電，但此方面的研究很少。本文根據(jù)汽車廢熱排放量隨內(nèi)燃機(jī)工況不同而變化的特點(diǎn)[1，3，4，5]，設(shè)計(jì)了斯特林熱機(jī)，并與直線發(fā)電機(jī)相結(jié)合組成發(fā)電系統(tǒng)。

2 斯特林熱機(jī)的優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用

斯特林熱機(jī)是一種從外部加熱，利用閉式回?zé)嵫h(huán)方式將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。由于斯特林熱機(jī)采用外部供熱，對(duì)各種燃料有很大的包容性，所以能夠使用低品位燃料，例如濕熱、木材、地?zé)崮堋⑻柲堋⑸镔|(zhì)能、廢熱和其他低品位燃料。而且，斯特林熱機(jī)僅使用一種工質(zhì)，運(yùn)行過程中沒有物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化，這有利于減少腐蝕與沖擊等相關(guān)問題[6]，其工質(zhì)被封裝在氣缸內(nèi)部，而且燃料在缸外充分燃燒，有害尾氣排放很少，因此對(duì)環(huán)境造成的污染很小。此外，斯特林熱機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)工作更加便捷，運(yùn)行狀況更加安全、壽命長(zhǎng)、噪音小，因?yàn)樗固亓譄釞C(jī)不需要安裝進(jìn)排氣門等相關(guān)機(jī)械，相比內(nèi)燃機(jī)減少了近40%的零部件。

由于斯特林熱機(jī)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用范圍也比較廣泛。目前，斯特林熱機(jī)在太陽能發(fā)電、工業(yè)廢熱回收利用、家庭微型熱電冷三聯(lián)供、熱泵空調(diào)設(shè)備、車用混合推進(jìn)動(dòng)力、水下動(dòng)力裝備、核能應(yīng)用以及航空航天飛行器的電量供給等多個(gè)范圍內(nèi)充當(dāng)著十分特殊的角色[7-9]。

3 系統(tǒng)介紹

本文設(shè)計(jì)的以內(nèi)燃機(jī)余熱為熱源的斯特林熱機(jī)發(fā)電系統(tǒng)包括斯特林熱機(jī)和直線發(fā)電機(jī)兩大部分，其結(jié)構(gòu)圖和模型圖分別如圖1和圖2所示。

直線發(fā)電機(jī)核心部分由線圈和磁鐵組成。斯特林熱機(jī)為主動(dòng)式自由活塞斯特林熱機(jī)，主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、冷卻器、配氣活塞、加熱器、動(dòng)力活塞、熱缸、冷缸和回?zé)崞鞯攘悴考Ｔ跓岣變?nèi)的上下來回運(yùn)動(dòng)是由配氣活塞連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成的。磁鐵與動(dòng)力活塞桿固定連接，動(dòng)力活塞在冷缸內(nèi)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與彈簧、磁鐵組成一維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)動(dòng)力活塞往下或往上運(yùn)動(dòng)時(shí)，分別壓縮和拉伸彈簧。位于熱缸和冷缸之間的回?zé)崞髌鹬惶娴貜墓べ|(zhì)吸收熱和向工質(zhì)釋放熱的作用。當(dāng)工質(zhì)從熱端流向冷端，經(jīng)過回?zé)崞鲿r(shí)，工質(zhì)的部分熱量被吸收并儲(chǔ)存在回?zé)崞鲀?nèi)；當(dāng)工質(zhì)從冷端運(yùn)動(dòng)到熱端，流經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)，與工質(zhì)從熱端流向冷端相反，回?zé)崞鲗?chǔ)存的熱量返還給工質(zhì)。可以說，回?zé)崞骶拖褚粋€(gè)吸收和釋放熱量的熱力海綿[10，11]。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)對(duì)稱的偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和一對(duì)轉(zhuǎn)向相反的齒輪組成，水平方向上的分力大小相等方向相反，互相抵消，只有垂直方向上驅(qū)動(dòng)活塞做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的力，所以活塞環(huán)對(duì)氣缸壁沒有側(cè)壓力。

動(dòng)力活塞在冷缸內(nèi)工作，由于它不與任何傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，屬于自由活塞，僅依靠彈簧來維持上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)行程可變，與缸壓、轉(zhuǎn)速、冷熱端溫度等多個(gè)因素有關(guān)。

4 工作原理

汽車內(nèi)燃機(jī)的尾氣流經(jīng)加熱器，從而給熱缸內(nèi)的工質(zhì)氣體加熱。冷卻器中充滿循環(huán)冷卻水，從而吸收冷缸內(nèi)工質(zhì)的熱量。直流電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)配氣活塞在熱缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起冷缸內(nèi)工質(zhì)壓力的變化，變化的壓力作用在動(dòng)力活塞上，使動(dòng)力活塞、彈簧和磁鐵組成的一維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。如果發(fā)生共振現(xiàn)象，即一維動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率與其本身的共振頻率相同，。發(fā)動(dòng)機(jī)在共振狀態(tài)時(shí)，功率最大，并且具備最佳性能。動(dòng)力活塞具備與配氣活塞相同的振動(dòng)頻率，所以直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要用控制器調(diào)節(jié)直流電機(jī)的PWM率即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，具有較快的響應(yīng)特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勇斌. 汽車廢熱利用的途徑和現(xiàn)狀分析[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)， 2016， 45（1）：62-64.

[2]Jihui Yang. Opportunities & Challenges of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry [C]. 2005 Diesel Engine Emissions Reduction Conference， Chicago， 2005.

[3]Gupta A K， Lilley D G. Energy recovery opportunities from wastes[J]. Journal of Propulsion & Power， 2015， 15（2）：175-180.

[4]鄒政耀， 陳茹雯， 吳曉東. 一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱利用裝置[J]. 商用汽車， 2002， （8）：60-61.

[5]李維， 顧平道， 石文卿. 內(nèi)燃機(jī)車高溫冷卻水余熱空調(diào)系統(tǒng)的可行性研究[J]. 能源研究與利用， 1996（1）：21-23.

[6]董悅. 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)密封材料壽命相關(guān)問題研究[D]. 蘭州： 蘭州理工大學(xué)， 2014.

[7]霍英杰， 董亮， 王麗紅， 等. 空間斯特林發(fā)電技術(shù)的發(fā)展[C]. 中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）， 北京， 2012.

[8]姜昱祥， 張營(yíng)， 馮允茹. 斯特林熱機(jī)的可行性分析與展望[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2013， （15）： 226-227.

[9]王淼. 汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性研究[D]. 天津： 天津商業(yè)大學(xué)， 2014.

[10]Feng W， Chen L， Wu C， et al. Optimum performance of irreversible Stirling engine with imperfect regeneration [J]. Energy Conversion & Management， 1998， 39（8）： 727-732.

[11]Blank D A， Davis G W， Wu C. Power optimization of an endoreversible Stirling cycle with regeneration [J]. Energy， 1994， 19（1）： 125-133.

作者簡(jiǎn)介：

王偉，男，生于1996年6月，漢族，甘肅會(huì)寧人，江蘇大學(xué)，能源與動(dòng)力工程（動(dòng)力機(jī)械工程及自動(dòng)化）.

任吳越，男，生于1998年2月，漢族，寧夏石嘴山人，江蘇大學(xué)，能源與動(dòng)力工程（動(dòng)力機(jī)械工程及自動(dòng)化）.

陳挑挑，男，生于1992年1月，漢族，安徽宿州人，江蘇大學(xué)，動(dòng)力工程及熱物理.