汽车发动机尾气复合发电系统设计

郭宏伟（浙江交通职业技术学院,杭州311112）

汽车发动机尾气复合发电系统设计

郭宏伟
（浙江交通职业技术学院,杭州311112）

节能减排以及提高发动机热效率是当前汽车技术研究的重点。文中简要介绍了利用发动机高温高压尾气中的温度和压力，设计了采用涡轮和汽轮共同驱动发电机发电的系统，介绍了系统的结构及工作过程。

发动机；尾气；复合发电

0　引言

随着社会经济的发展，人们对能源需求的与日俱增，能源问题日见突出，节能减排以及提高发动机热效率是当前汽车技术研究的重点。目前，汽车燃料产生的能量仅三分之一左右得到有效利用，也就是说汽车燃料中有近三分之的能量被浪费掉。这些能量绝大一部分都是以余热的形式散发到了空气中，不仅浪费了大量能源，还造成了非常严重的空气污染[1-3]。

1　系统设计依据

调查显示汽车发动机尾气带走的热量占燃料燃烧产生能量的近40%，利用汽车发动机排放的废能是实现汽车节约能源、降低排放的一个重要研究方向。汽车发动机尾气的特点有：能量高，约占燃料产生能量的40%；压力大，达到0.4MPa左右；温度高，达到900K以上。利用发动机尾气排放中的压力与余热驱动发电机发电，给汽车用电设备供电或储存到蓄电池中，这对于汽车的节能减排具有非常重要的意义，不仅能够降低车辆能源消耗，减少空气污染，并且能够有效提高汽车的经济性、动力性等问题[2,4,5]。

2　汽车发动机尾气复合发电系统设计

汽车发动机尾气复合发电系统利用发动机高温高压尾气中的温度和压力，采用涡轮和汽轮共同驱动发电机发电，给汽车用电设备供电或将电能储存到蓄电池中。

2.1系统设计思路

（1）利用发动机高温高压尾气中的温度和压力，使用涡轮和汽轮共同驱动发电机发电，取代传统发电机给全车供电，实现对发动机尾气压力和余热的充分利用。

（2）在发动机排气总管上安装一个涡轮，发电机跟涡轮同轴。从发动机气缸排出的高压尾气，冲击涡轮转动，涡轮带动发电机发电。

（3）在发动机排气歧管和排气总管部分安装蒸发器，在蒸发器上安装喷管，喷管后方安装汽轮机，发电机与汽轮机同轴。发动机气缸排出的高温尾气，将余热传递给蒸发器中的工质，工质蒸发从喷管喷出，作用在汽轮机上，汽轮机高速转动，同时带动发电机一起转动发电[6-8]。

2.2系统设计方案

汽车发动机尾气余热和压力复合发电系统的主要零部件有发动机、排气管（包括三元催化转化器和排气消声器等）、涡轮机、发电机、蒸发器（包括蒸发工质）、喷管、汽轮机、冷凝器、储液罐、工质泵、蓄电池等，系统机构示意图如图1所示。

2.3系统结构特点

（1）叶轮发电系统。如图1所示，在发动机的排气歧管和排气总管上设计安装壳管式蒸发器，以吸收尾气中的热量。蒸发器连接喷管，喷管后端连接汽轮机，汽轮机固定在机架上，汽轮机后连接冷凝器，汽轮机和冷凝器通过液体传输管连接，中间设有单向阀，工质对汽轮做功后，进入冷凝器进行液化；冷凝器与发动机冷却系冷却水管相连接，通过冷却水对工质进行冷却液化；冷凝器和储液罐也通过液体传输管连接，中间设有单向阀，液化后的工质进入储液罐储存。工质泵一端用液体传输管连接储液罐，另一端用液体传输管连接到蒸发器，将液态工质从储液罐中泵出，送往蒸发器，在蒸发器中产生的高压过热蒸汽从喷管高速流入汽轮机，喷管是渐缩喷管，把蒸汽的热能转变成动能的结构原件。工质对汽轮机做功后经过冷凝器液化后进入储液罐储存。系统的管路和零部件必须具备良好的密封性能[6]。

蒸发器采用30～40根壳管式蒸发器，材料采用导热性好的紫铜管，紫铜管壳管与发动机排气歧管和排气总管紧密接触。

喷管是渐缩喷管，在蒸发器中产生的高压过热蒸汽从喷管流入汽轮机，随着喷管截面的逐步缩小，流速逐渐加大，直至最小截面管口处流速最高。

冷凝器为卧式壳管式冷凝器，主要由外壳，水箱，换热铜管，管板组成。冷凝器壳体采用不锈钢钢板卷制而成，无缝黄铜管通过过盈连接的方式胀接在冷凝器内水箱的管板上。水箱通过分隔板分成第一水箱、第二水箱和第三水箱，第一水箱和第三水箱可以拆卸。

冷却工质采用综合性能良好、使用最最广泛的中低温环保制冷剂R134a（1，1，1，2-四氟乙烷）。

（2）涡轮发电系统。如图1所示，涡轮机进气管道和发动机排气总管相连，固定于发动机机架上。涡轮机固定于传动轴一端，并与汽轮机和发电机配合对接，传动轴通过滑动轴承支撑固定，为涡轮机、汽轮机和发电机共同转动轴。涡轮机出口连接发动机排气管。

（3）电气设备。发电机与电压调节器构成发电系统，与电气设备用导线连接起来，发电机是一个将动能转变为电能的装置，利用传动轴驱动。电压调节器实现对发电机输出电压的自动调节，维持发电机的电压为给定水平，电气设备包括汽车用电设备和蓄电池。

2.4系统工作过程

汽车发动机运行时，发动机尾气由排气歧管排出，具有一定压力、温度的尾气经过排气管。

（1）安装在排气管上的蒸发器中的液态工质R134a吸收尾气的热量，蒸发膨胀，产生的高压蒸汽从渐缩喷管高速流入汽轮机，且流速随着喷管截面的逐步缩小而逐渐加大，直至最小截面管口处流速达到最大值，高速气流冲击汽轮机的叶轮，汽轮机高速转动，驱动传动轴转动。气态R134a对汽轮机做功后，进入冷凝器，冷凝器与发动机冷却系冷却水管连接，其外壳由不锈钢板卷制，经过冷凝器液化的工质R134a进入储液罐储存，冷凝器与储液罐中间设有单向阀，防止液态工质回流。工质泵将储液罐中的液态R134a泵入蒸发器中，下一个循环开始。

（2）高压尾气通过排气总管进入涡轮机进气管道。由于进入涡轮机时尾气压力和温度迅速下降，流速提高。高速气流按气流流势进入涡轮机进气管，冲击涡轮叶片，使涡轮机高速旋转，通过涡轮机的尾气通过排气管排出，最终排入大气。涡轮机高速旋转驱动与其固定安装在一起的传动轴旋转。

（3）传动轴为涡轮机、汽轮机和发电机共同转动轴。传动轴的旋转带动发电机工作，实现机械能向电能的转变，从而实现尾气废能的有效利用，以达到本系统的设计目的。

3　结语

汽车发动机尾气复合发电系统在综合分析汽车废热能量回收利用技术的基础上，提出充分利用尾气中的压力和余热，采用涡轮和汽轮共同作用驱动发电机发电，取代传统发电机给全车供电，从而提升汽车燃料利用效率，改善汽车的动力性、经济性和排放性等性能。系统在不对汽车发动机做过多改变的情况下，不仅可以提高燃料利用率，改善汽车动力性和经济性，同时有效降低尾气中二氧化碳等有害物质的排放，既节约能源，又绿色环保，将带来良好的社会效益和巨大的经济效益[3]。

[1]夏凯.汽车发动机废气余热热电转换装置结构优化设计[D].武汉理工大学,2011(05).

[2]袁晓红，汽车发动机尾气余热温差发电装置热电转换技术研究[D].武汉理工大学,2012(06).

[3]薛子旺.发动机废气发电研究[D].河南农业大学,2010(06).

[4]赵刚，赵春彦，朱建良.汽车尾气余热发电装置的电路设计[J].信息技术,2005(09).

[5]安占飞，于继翔.汽车尾气发电装置的设计[J].公路与汽运，2012(08).

[6]杨智博.基于有机朗肯循环的柴油机废气余热发电系统研究[D].哈尔滨理工大学,2006.

[7]张明利，全书海，黄亮等.汽车尾气余热发电控制系统的设计[J].新型工业化,2011,1(05):74-78.