基于流體力學(xué)的尾氣能源再利用技術(shù)淺析

李智 周禮豪 李杭鍵 梁壯 陳禹州

四川大學(xué)錦江學(xué)院 四川 眉山 620860

引言

機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣排放過(guò)程中，大部分的機(jī)動(dòng)車(chē)沒(méi)有利用尾氣中蘊(yùn)含的高壓高溫能量，燃油在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒后產(chǎn)生的氣體被直接排出。目前市場(chǎng)上的尾氣處理裝置一般是對(duì)有害氣體進(jìn)行化學(xué)催化反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體，然而其蘊(yùn)含的物理能量并沒(méi)有得到利用。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文介紹了一種將尾氣蘊(yùn)含的壓力轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，在機(jī)動(dòng)車(chē)現(xiàn)有的排氣管銜接處加裝渦輪、電機(jī)等設(shè)備完成能量轉(zhuǎn)換，配合鋰電池進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存。

一、渦輪機(jī)構(gòu)

渦輪是一種將流動(dòng)工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。渦輪工作輪由均勻分部的七只葉片組成，在整個(gè)機(jī)構(gòu)中作為原動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)械能，軸作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)接渦輪與電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。因渦輪受到較強(qiáng)沖擊載荷，需耐高溫，一般采用中等淬透性鋼作為原材料[1]。

二、整體結(jié)構(gòu)

設(shè)備整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。渦輪與軸的聯(lián)接處需承受較大轉(zhuǎn)矩，整體結(jié)構(gòu)在軸向上嚴(yán)格限制移動(dòng)距離，為增加機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，鍵與鍵槽之間的配合采用過(guò)盈配合，該機(jī)構(gòu)中的鍵聯(lián)接需承受沖擊載荷，聯(lián)接在高速轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)等情況下不受影響，并要求準(zhǔn)確定心。因此機(jī)構(gòu)聯(lián)接方式采用平鍵聯(lián)接。

在傳動(dòng)軸的末端聯(lián)接齒輪與電機(jī)軸上齒輪嚙合，利用齒輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換。本機(jī)構(gòu)中的齒輪供內(nèi)燃機(jī)車(chē)使用，精度等級(jí)為6級(jí)，動(dòng)力齒輪傳動(dòng)的最大圓周速度不超過(guò)15m/s，因采用直齒輪傳動(dòng)，分度圓螺旋角為0度，壓力角a=20度，分度圓直徑d=mz。主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1，與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n2之比即為傳動(dòng)比，用i表示。

整體結(jié)構(gòu)的工作流程如圖2：利用出缸尾氣蘊(yùn)含的壓強(qiáng)能量，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)軸將渦輪產(chǎn)生的動(dòng)能傳導(dǎo)在齒輪機(jī)構(gòu)上，齒輪機(jī)構(gòu)與電機(jī)傳動(dòng)軸進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，在機(jī)動(dòng)車(chē)處于惡劣工況的情況下可使用電能節(jié)省燃油[2]。

圖2 工作流程圖

三、機(jī)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算

在尾氣管中渦輪葉片在周向和軸向上受到?jīng)_擊力用Pu、Pa表示，計(jì)算式如下：

上式中r1表示燃?xì)饷芏?，Ψ表示氣流速比，?、β2為葉片進(jìn)、出氣角。對(duì)于給定的燃?xì)廨啓C(jī)，Ψ、β1、β2都是定值，變化的只有 F，故關(guān)鍵求 F。F表示垂直于透平軸的氣流截面積。

為渦輪葉片轉(zhuǎn)過(guò)的周期， 為單個(gè)靜葉的角節(jié)距，為氣流截向的高度變化。

傳動(dòng)軸與電機(jī)軸的傳動(dòng)采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的方式，齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中受圓周力、徑向力、軸向力。

渦輪葉片在受到?jīng)_擊時(shí)旋轉(zhuǎn)做功，機(jī)械能傳導(dǎo)在電機(jī)上，電機(jī)開(kāi)始發(fā)電，通過(guò)正負(fù)極導(dǎo)線將電能引出，儲(chǔ)存在蓄電池中。渦輪葉片的半徑、寬度、機(jī)械效率為恒定不變的值，其產(chǎn)生的機(jī)械能由進(jìn)出口壓差決定。在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能量損耗組成為電熱、機(jī)械損耗、齒輪損耗、電機(jī)損耗[3]。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的機(jī)構(gòu)組合，可達(dá)到尾氣壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電能的目的。渦輪機(jī)構(gòu)受壓強(qiáng)的推動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)軸機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、機(jī)械能傳導(dǎo)在電機(jī)軸上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生電能，通過(guò)導(dǎo)線將電能儲(chǔ)存在蓄電池中，在機(jī)動(dòng)車(chē)處于惡劣工況時(shí)為其提供電能，為用電器供電，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的作用?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]周憶，于今.流體傳動(dòng)與控制[M].北京：科學(xué)出版社，2008.