一種汽車廢氣能量回收利用裝置

張玉明

摘要：隨著我國(guó)汽車制造業(yè)的不斷發(fā)展，汽車數(shù)量的逐年增加，使汽車行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈迅速發(fā)展，在拉動(dòng)GDP增長(zhǎng)的同時(shí)，也給社會(huì)帶來嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染。本文主要針對(duì)汽車尾氣能量利用，設(shè)計(jì)了單缸熱聲式斯特林發(fā)電機(jī)組裝置，可將汽車排氣熱量轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)蓄電池輔助充電，進(jìn)而減少發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)荷，節(jié)省汽車燃料，提高汽車整車經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)成果可以推廣到發(fā)電、化工、水泥等各類產(chǎn)生高熱廢氣的企業(yè)中，具有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：汽車尾氣廢熱;斯特林發(fā)動(dòng)機(jī);整車燃油經(jīng)濟(jì)性

0 ?引言

從人類歷史發(fā)展來看，科學(xué)技術(shù)水平不斷發(fā)展和提高，內(nèi)燃機(jī)作為重要的原動(dòng)機(jī)扮演著重要的角色，在交通運(yùn)輸、能量利用等方面有著不可替代的作用。在未來很長(zhǎng)一段路，石油仍將是作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料來源。據(jù)中國(guó)公安部交管局統(tǒng)計(jì)：截至2016年底，全國(guó)汽車保有量達(dá)1.94億輛，其中有49個(gè)城市的汽車保有量超過百萬(wàn)輛，18個(gè)城市超200萬(wàn)輛，6個(gè)城市超300萬(wàn)輛。從2007年到2016年，全國(guó)汽車保有量始終保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過對(duì)近幾年的城市汽車保有量的分析總結(jié)，可預(yù)測(cè)未來的幾年間，汽車保有量仍將呈現(xiàn)穩(wěn)定緩和的增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。從有關(guān)數(shù)據(jù)分析來看，預(yù)計(jì)到2035年，中國(guó)將成為世界上最大的石油消費(fèi)國(guó)，石油進(jìn)口量達(dá)到1200萬(wàn)桶/日[2]。

改革開放30多年來，我國(guó)石油消費(fèi)呈現(xiàn)出增長(zhǎng)速度快、對(duì)外依賴程度不斷增大、石油安全形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的特點(diǎn)。因此，提高能源的利用率已經(jīng)越來越引起人們的重視。我國(guó)汽車數(shù)量規(guī)模龐大，汽車的燃油熱量卻僅有三分之一成為有效能量作為行駛動(dòng)力，很大一部分以汽車尾氣（含有較大的熱量）形式未經(jīng)利用直接排空浪費(fèi)掉。若將汽車尾氣中含有的熱能轉(zhuǎn)化為電能充分利用，提高能源的利用率，將在很大程度上節(jié)約能源。值得注意的是，汽車是移動(dòng)裝置，具有不同車速、不同路況等不穩(wěn)定因素，因此對(duì)汽車尾氣廢熱的利用具有一定難度。

本文介紹了一種汽車廢氣能量回收利用裝置-熱聲式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，在正常工作狀態(tài)下可以通過帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，使熱能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車廢氣熱量的利用。

1 ?斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（Stirling engine）是一種外部燃燒（供熱）的封閉循環(huán)往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，具有能量來源廣、效率高、污染小、噪音低等特點(diǎn)，可應(yīng)用在汽車、發(fā)電、化工、水泥等各種產(chǎn)生高熱廢氣、廢液的企業(yè)中，作為清潔高效的動(dòng)力轉(zhuǎn)化裝置，對(duì)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境有重要意義，具有廣泛應(yīng)用前景。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有如下特性[3-7]：

①能量來源多樣：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外部提供的能量具有很強(qiáng)適應(yīng)性，可用能源除了煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)的化石燃料外，還可以利用太陽(yáng)能、原子能、生物化學(xué)能，以及汽車尾氣熱量和工業(yè)廢熱等。

②高效率：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，理論上斯特林循環(huán)效率等于相同條件下的卡諾循環(huán)效率。

③低污染：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)污染物排放少，燃料在高溫的條件下充分、連續(xù)穩(wěn)定的燃燒為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力來源，與內(nèi)燃機(jī)相比，排放中的CO、HC等有害氣體大大減少;在太陽(yáng)能、核能等清潔能源為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力時(shí)，幾乎可以實(shí)現(xiàn)零排放。

④高性能、低噪音：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)沒有氣閥機(jī)構(gòu)等復(fù)雜的配氣機(jī)構(gòu)，工質(zhì)（如氫氣或氦氣）在密封的氣缸內(nèi)的壓力變化接近正弦波形，無較大的機(jī)械扭矩變化，因而運(yùn)轉(zhuǎn)性能好，工作可靠，噪音低。

2 ?熱聲式斯特林發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)

熱聲式斯特林發(fā)電機(jī)組由熱聲式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和連桿曲柄飛輪組成。熱聲式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)相比，取消了熱活塞的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率高、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)，便于實(shí)際推廣應(yīng)用。

2.1 熱能輸入→位移輸出

熱聲式斯特林發(fā)電機(jī)的工作原理：當(dāng)外部能量對(duì)機(jī)體進(jìn)行熱能輸入，使得機(jī)體密閉的內(nèi)部空間內(nèi)工作介質(zhì)受熱膨脹，當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)零界點(diǎn)時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)裝置，將實(shí)現(xiàn)輸入的熱能轉(zhuǎn)化為冷腔活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作對(duì)外輸出機(jī)械能。

根據(jù)介觀熱力學(xué)理論，在熱聲式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，來自膨脹腔的聲功一部分通過對(duì)外輸出（作用在冷活塞上），另一部分則返回回?zé)崞鞯牡蜏囟耍ㄟ^具有溫度梯度的回?zé)崞骱?，高溫端的熱量被轉(zhuǎn)換為聲功，從而使來自回?zé)崞鞯蜏囟说穆暪Ρ环糯螅估浠钊麑?duì)外輸出功加大。此循環(huán)周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)了熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

2.2 位移輸入→電力輸出

直線-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)發(fā)電機(jī)的工作原理：熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上的輸出軸在直線-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換裝置帶動(dòng)下，將冷活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)軸上的永磁體相對(duì)線圈繞組作切割磁感線運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)外產(chǎn)生電能并對(duì)外輸出輸出。由于直線發(fā)電機(jī)的效率較低，且設(shè)計(jì)難度較大。本作品采用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)方案，故需要設(shè)計(jì)直線-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

2.3 裝置研發(fā)技術(shù)關(guān)鍵

①熱聲式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。熱聲發(fā)電技術(shù)是一種全新熱發(fā)電技術(shù)，基于熱致聲效應(yīng)進(jìn)行工作，需要滿足一定的工作條件，特別是結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化匹配。

②各個(gè)密封面的可靠密封。熱聲式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)是閉式的，不能有任何泄露，包括熱管與管座、冷管與管座、動(dòng)力活塞與管座處。

③本裝置應(yīng)避免影響汽車的動(dòng)力性，保證汽車正常行駛。

④本裝置將與排氣管通過某種關(guān)系連接，應(yīng)保證本裝置在汽車振動(dòng)時(shí)具有抗振動(dòng)、抗沖擊的能力。

2.4 主要技術(shù)指標(biāo)

①加熱管平均加熱溫度300-500℃;

②發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速600-1200r/min;

③發(fā)光管參數(shù) 電壓1.6-2.1V 正向工作電流為5-20mA。

2.5 熱聲式斯特林發(fā)電機(jī)機(jī)組原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 ?本設(shè)計(jì)與國(guó)內(nèi)外同類研究的區(qū)別

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，全球能源短缺問題日趨嚴(yán)重，如何利用汽車尾氣余熱能量引起研究人員的興趣，其中對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究也日益重視。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于熱聲斯特林發(fā)電機(jī)組的理論研究已有不少報(bào)道，但工程應(yīng)用案例較少。

熱聲斯特林發(fā)電機(jī)組包括熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和往復(fù)直線發(fā)電機(jī)兩部分，目前在熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，配氣室軸線和動(dòng)力活塞基本上采用同軸型式，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，振動(dòng)較大。另外，往復(fù)直線發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為困難，且發(fā)電效率低、軸向長(zhǎng)度大，有待進(jìn)一步解決。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)了緊湊型單缸熱聲連桿動(dòng)力輸出的熱聲斯特林發(fā)電機(jī)組，連桿裝置可將動(dòng)力活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)工作，并輸出電力，避免了往復(fù)直線發(fā)電機(jī)的低效率弊端[8，9]。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)斯特林循環(huán)過程研制出一種汽車尾氣能量合理利用裝置，通過設(shè)計(jì)單缸熱聲式斯特林發(fā)電機(jī)組，將汽車尾氣中的熱能轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)汽車蓄電池進(jìn)行輔助充電，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)荷，節(jié)省汽車燃料，提高汽車整車經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)成果可以推廣到汽車、發(fā)電、化工、水泥等各類產(chǎn)生高熱廢氣的企業(yè)中，極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。與本作品相同的裝置，目前尚未見有正式報(bào)道。

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