自然吸氣發動機廢氣能量再利用裝置研究

陶孝飛 王琳 丁夢龍 梁修 林楊璨

摘要：汽車廢氣能量再利用是實現汽車能量多級利用、減少能量浪費的有效措施之一，鑒于此，在傳統的渦輪增壓器原理基礎上，根據汽車實際運行中排氣系統的情況和發電機運行要求，設計出了一種新型離心式可變面積渦輪機發電裝置，用自然吸氣發動機正常工作時產生的廢氣推動離心式可變面積的渦輪葉片運轉，使渦輪葉片軸帶動發電機轉子軸一起旋轉，切割磁感線產生電流，最后將產生的電能供給蓄電池存儲起來，以實現廢氣能量再利用。

關鍵詞：發動機;廢氣;再利用;可變渦輪發電機

0 引言

以自然吸氣發動機汽車為例，汽車燃料燃燒所產生的熱量除了轉化為有用的機械能外，其余大部分被發動機所消耗和遺失，其中發動機廢氣帶走了絕大部分熱量。如果能有效回收這一部分廢氣能量，將有助于提高發動機燃油經濟性，減少環境污染。如何提高發動機能量利用率一直是人們關注的焦點，在新能源汽車技術不成熟的條件下，對汽車廢氣能量回收利用技術的研究成為當今汽車工業發展的一個新趨勢。將發動機與廢氣渦輪發電技術聯合起來回收發動機排氣的熱能，是提高發動機總效率、降低油耗的一個有效途徑。相比于傳統自然吸氣發動機廢氣直接通過排氣管排出，采用廢氣能量回收技術可以避免廢氣中能量的巨大浪費，從而在整體上提高發動機的利用效率[1]，既能夠節能減排，又可以提高燃油經濟性，對自然吸氣發動機產生有利的影響，從而進一步增強自然吸氣發動機在市場上的競爭力。

1 研究內容

傳統的廢氣能量渦輪機固然可以進行廢氣能量回收，但同時傳統的渦輪機葉片也會阻礙廢氣排出，增加排氣阻力，從而使發動機的有效功率下降。本團隊針對這個問題做了創新型設計，將固定形式的渦輪機做成可變截面積高效率的新型渦輪機，使其在相應工況中相應實現變截面。當發動機轉速較低時，廢氣量較小，渦輪的阻力對廢氣排出影響較大，故此時由葉片內彈簧伸縮使渦輪葉片面積變小，減少排氣阻力，從而使廢氣順利排出，這樣對發動機功率影響很小。當發動機轉速增加時，廢氣量增大，渦輪葉片對廢氣的阻力遠遠小于廢氣能量，此時由葉片內彈簧伸張使渦輪葉片面積變大，同時對廢氣排出的影響可忽略不計，對發動機功率影響極小。本文所述方案相較于傳統廢氣能量回收渦輪而言，其優點在于在發動機的所有工況下都可使廢氣順利排出，最大可能減小對廢氣排出的阻力，高效地將廢氣能量轉換為動力渦輪的機械能[2]，通過動力渦輪的高速旋轉運動帶動同軸的發電機工作，利用發電機產生的電能為汽車用電設備供電和蓄電池充電[3]，這樣就提高了發動機廢氣能量的利用效率，最終達到研究目標。

2 設計總體方案

廢氣渦輪發電是利用發動機排出的高溫、高壓、高速的廢氣流經排氣總歧管進入到動力渦輪中，推動渦輪葉輪旋轉，通過動力渦輪的同軸轉動帶動發電機中的轉子旋轉，轉子鐵芯的圓周面上安裝有永磁體磁極，定子繞組是發電的電樞，與交流電機類似導線做切割磁力線的運動產生感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產生了電流[4]，之后將其整流穩壓儲入蓄電池中或直接為汽車上的用電設備供電。

2.1? ? 廢氣渦輪發電系統總體設計

將動力渦輪和發電機安裝于排氣總歧管中上部，因為這里的安裝空間相對較大，且廢氣的溫度達到600 ℃，速度能達到800 m/s以上[5]，符合所需的工作要求。同時在排氣管道中設置一個分支管，利用分支管上的耐高溫金屬旁通閥控制分支管的開閉，從而對排氣進行分流[6]，防止動力渦輪超速、超溫。最后，在動力渦輪外部安裝一個適當壁厚的外殼，在外殼中設計若干水套，且與發動機的冷卻系統相連接，避免動力渦輪因超溫工作而產生損壞，從而影響其工作性能。裝置總體布置如圖1所示。

2.2? ? 新型動力渦輪設計

廢氣渦輪的轉速主要通過控制廢氣的流量來進行調節，在廢氣流量較大時，打開旁通閥減小廢氣流量，這種方式對廢氣的利用率低。離心式可變面積渦輪可以通過改變導流葉片的面積來改變渦輪通流截面的大小，進而改變廢氣流速和渦輪機轉速。如圖2所示，離心式可變面積渦輪可以根據廢氣流量的不同自動變換渦輪葉片面積，該裝置分為兩部分，與軸固連的葉片做成殼體形，將可活動部分的葉片用較高強度、剛度的材料做成薄板型，裝入底部殼體葉片中，將殼體葉片的底部與可活動葉片用適合的彈簧連裝起來，彈簧的作用是可使活動葉片自動回到殼體葉片中，從而減小渦輪葉片面積，同時，彈簧可使活動葉片在離心力作用下被甩出殼體葉片時不會與殼體葉片卡死。

（1）當發動機剛啟動時，離心式可變面積渦輪只有底部活動葉片在彈簧力與重力相互作用下半伸出殼體葉片，以便廢氣流量增大時更好地被廢氣帶動旋轉，使離心式可變面積渦輪工作，其余活動葉片在彈簧力作用下留在殼體葉片中未伸出，從而使整個離心式可變面積渦輪留有較大空隙，可以極大地減小發動機剛啟動時對飛輪的阻力。

（2）當發動機部分負荷工作時，較大的廢氣流量使離心式可變面積渦輪轉動產生離心力，在與彈簧力的相互作用下使全部活動葉片半伸出殼體葉片，獲得更大轉矩，帶動發動機發電。又因活動葉片是半伸出，故仍留有一部分空隙，使廢氣阻力不會過大。

（3）當發動機全負荷工作時，如圖2所示，極大的廢氣流量將使離心式可變面積渦輪全部活動葉片完全伸出，從而獲得設計的最大轉矩，帶動發動機發出更多的電。并且由于全負荷下的廢氣流量所帶來的能量比此刻渦輪的廢氣阻力大得多，故對廢氣排出影響很小[7]。

3 發電機與渦輪機的配合

（1）渦輪機是廢棄能量回收的第一部件，將廢氣的能量轉換為軸的轉動機械能。發電機轉子軸與渦輪機輸出軸直接連接，將機械能轉為電能。但在汽車正常行駛時，發動機受外界因素影響，工況多變，導致排氣量也各不相同，使渦輪機輸出軸轉速變化較大。為了減小發動機工況變化導致的渦輪機輸出軸轉速的變化，可以在渦輪機和發電機之間加裝一個小型飛輪，以平衡渦輪機輸出軸的轉速波動，發電機功率就更平穩一些[8]。