基于渦輪發(fā)電的汽車尾氣能量回收系統(tǒng)設(shè)計

劉勇 李建 王澤堃 方存光

摘 要 本文設(shè)計了一套汽車尾氣能量回收系統(tǒng)，在說明系統(tǒng)設(shè)計原理的基礎(chǔ)上論述了汽車尾氣能量回收系統(tǒng)的設(shè)計與方案，這套裝置可以通過發(fā)動機內(nèi)的壓力以及氣流使得裝置通過渦輪機來進(jìn)行發(fā)電。通過該裝置上的顯示屏以及一系列電器元件進(jìn)行監(jiān)控電流的穩(wěn)定和大小并保證電流的輸出以及所用電的安全。

關(guān)鍵詞 能量回收 汽車尾氣 渦輪發(fā)電

0引言

目前汽車的燃料主要為化石類燃料，如石油、天然氣等不可再生資源等，資源的有限性及環(huán)保問題使得節(jié)能降耗、綠色出行技術(shù)成為汽車行業(yè)的研究熱點。本文利用氣缸與外部大氣的壓力所形成的壓力差使排出的廢氣具有一定的氣體流速從而帶動渦輪發(fā)電機進(jìn)行發(fā)電，并對所發(fā)出的電進(jìn)行儲存和合理利用。

1 汽車尾氣能量特點

汽車尾氣能量，不同于工業(yè)生產(chǎn)廢熱以及垃圾焚燒廢熱，屬于“移動中的熱源”。汽車尾氣能量伴隨發(fā)動機的做功排氣過程而產(chǎn)生，具有能量品位低、非穩(wěn)態(tài)性和梯度分布的特點，這些特點都將直接影響汽車尾氣能量的回收以及熱電發(fā)電裝置的設(shè)計及車載集成。針對汽車尾氣能量的特點進(jìn)行總結(jié)和歸納，實現(xiàn)汽車尾氣能量的最大程度高效回收利用，改善現(xiàn)有的車用發(fā)動機低效熱能利用現(xiàn)狀，是實現(xiàn)發(fā)動機節(jié)能與減排戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)。

汽車尾氣能量具有沿發(fā)動機排氣管路梯級分布的特征，比如一輛1.6L轎車發(fā)動機，2200r/min穩(wěn)態(tài)工況下，其發(fā)動機缸體及排氣歧管附近，最高溫度超過500℃;在排氣歧管之后，一級消聲器之前的大部分區(qū)域，排氣管路的壁面溫度在250℃以上。當(dāng)發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定且溫度維持在90℃，能產(chǎn)生160℃的溫差。在此基礎(chǔ)上，針對排氣管路溫度梯度分布的特點，充分發(fā)揮低、中、高溫?zé)犭娖骷诟鳒囟榷蔚男阅軆?yōu)勢，完成對排氣管路尾氣能量的回收。考慮到熱電器件的材料ZT值、耐溫情況及排氣系統(tǒng)的兼容性，低溫?zé)犭娖骷牟贾梦恢每梢赃x在三元催化劑之后，一級消聲器之前。

2汽車尾氣回收系統(tǒng)設(shè)計

2.1工作原理

1821 年，德國物理學(xué)家賽貝克在進(jìn)行電學(xué)實驗時，發(fā)現(xiàn)在由兩種不同材料導(dǎo)線組成的閉合回路里，當(dāng)加熱導(dǎo)線的連接部位時，這個閉合回路里面產(chǎn)生了電流。后期研究表明，當(dāng)溫差存在于兩種不同的導(dǎo)電金屬或者半導(dǎo)體材料之間時，兩種材料之間會形成電壓差，其數(shù)值大小與冷熱端溫差大小成正比。這種由溫差作用于不同材質(zhì)導(dǎo)體而產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)后來被命名為“賽貝克效應(yīng)”。汽車尾氣回收裝置原理正是以熱電發(fā)電材料的賽貝克效應(yīng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)從低品質(zhì)熱能到高品質(zhì)電能的直接轉(zhuǎn)換。

熱電發(fā)電材料在處于高低溫端溫差的環(huán)境下，在材料的高低溫端會產(chǎn)生電動勢，當(dāng)整個電路接入負(fù)載形成電路回路時，完成電能的輸出，輸出電動勢與材料的相對塞貝克系數(shù)、溫度差成正比。

2.2汽車尾氣能量回收系統(tǒng)的設(shè)計

汽車尾氣能量回收裝置包括：收集、檢測、能量轉(zhuǎn)換、尾氣排放。首先，從汽車發(fā)動機出氣口處排放出的尾氣，經(jīng)過第一級儲氣裝置，在該裝置中可以設(shè)置三個單向閥，分別通向尾氣氣壓檢測環(huán)節(jié)、尾氣利用環(huán)節(jié)、尾氣排放環(huán)節(jié)。首先由氣壓檢測環(huán)節(jié)檢測出出氣裝置內(nèi)的氣壓，我們可以設(shè)置一個單向閥的開啟氣壓達(dá)到我們的理想值，當(dāng)儲氣筒內(nèi)的氣壓達(dá)到要求時，該單向閥打開，氣壓檢測裝置開始檢測氣壓，當(dāng)氣壓達(dá)到臨界值時則出氣單向閥打開，尾氣一部分繼續(xù)流向發(fā)動機進(jìn)氣口被再燃燒，一部分則在處理后被排放，當(dāng)氣壓恢復(fù)安全值時則該單向閥關(guān)閉，同時在汽車使用的過程中，如果需要緩車制動，則第三個單向閥打開，尾氣流向氣馬達(dá)，氣壓能轉(zhuǎn)化為動能被利用。這個裝置主要就是在最大程度上將內(nèi)燃機所產(chǎn)生的廢氣力轉(zhuǎn)化為能量，進(jìn)而將這些能量用于發(fā)電，從而實現(xiàn)汽車的制動、轉(zhuǎn)向等等。

系統(tǒng)對排氣歧管進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，依靠尾氣中產(chǎn)生的動能和內(nèi)能，促使整個渦輪發(fā)生轉(zhuǎn)動，再由凸輪軸將交變力施加于壓電振子上，以此產(chǎn)生電壓。經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換，原本輸出的機械能最終將全部轉(zhuǎn)化為電能，并將其輸出至蓄電設(shè)備內(nèi)部。 汽車尾氣能量回收系統(tǒng)通過纏繞在排氣歧管上的水管，吸收尾氣熱量，氣化管內(nèi)液態(tài)水，產(chǎn)生高溫高壓水蒸汽，吹動發(fā)動機葉輪發(fā)電，達(dá)到尾氣熱量回收目的。

3 結(jié)語

該汽車尾氣能量回收系統(tǒng)采用汽車尾氣作為加熱源，不需消耗其他燃料即可對車廂進(jìn)行供暖，從而提高了能源的利用率，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的，同時，該裝置將尾氣與被加熱過的新鮮空氣有效隔開，并將熱空氣引入車廂，不會發(fā)生尾氣進(jìn)入車廂而導(dǎo)致的中毒等事故，裝置是全可靠。

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