汽车排气管余热利用装置的创新设计分析

李乐 陈然 赵泽林

华北理工大学机械工程学院 河北省唐山市 063210

1 引言

随着中国经济社会持续快速发展，截至2017年底，全国机动车保有量已达3.10亿辆，汽车保有量达2.17亿辆，汽车所占比率连年增长，已成为机动车的主体。中国显然已经进入汽车时代，成为世界上最大的汽车生产与消费国，人们自驾游也屡见不鲜。然而汽车发动机产生的热能只有38.5%作为功率输出，仍存在约33%的热能随着尾气排入空气中[1]，这种附带的能源损耗不容小觑，对于排气管热能利用显得尤为重要。目前对于汽车发动机排气管装置余热的利用研究较少，而且多存在仅利用其加热水，功能单一，缺乏普适性[2]。因此，本创新设计高效利用排气管的余热，不仅可对食物进行保温，也可以对食物或者水进行加热，并且间接实现了节能减排。

2 汽车排气管余热利用装置的设计方案

为了克服现有技术中存在排气管余热利用方式单一，效率较低的不足，综合各因素设计了一种能够较为高效的利用汽车排气管热能，并进行食物保温与食物加工的装置，如下图1所示的整体装置图。

图1 整体装置图

2.1 下部集热装置

如图2所示的下部集热装置，其设有一个下开口式铜制套筒与排气管直接相连接，以充分吸收排气管热能[3]，套筒上方设有一上封闭式竖直铜管与之相嵌，铜管设计为空心封闭结构以减少自身重量节约材料。所设计的下开口式铜制套筒的上半部分通过铰链连接下面两部分，其左侧下半部分设有延伸薄片，可插入右侧下半部分设置的凹槽之中，螺钉通过右侧螺纹孔以固定左右套筒，进而适应不同规格排气管，提高对于排气管集热的普适性。

图 2 下部集热装置

2.2 中部控温隔热装置

如下图3所示的为中部控温隔热装置，图2所示的上封闭式铜管上表面设有一个圆形实心铜块，其四周被钢制板材包围，中间设有石棉隔热板来隔绝钢板与铜块的热量传导，采用的是由高品质石棉纤维，玻璃纤维和陶土复合构成的石棉隔热板；钢板两侧设有可滑动轨道并设有齿条，齿条通过焊接与钢质板材固定，可滑动导轨与汽车底板固定的板材的导轨连接，其板材一侧设有电机，以电机提供动力来源，通过齿轮齿条相互啮合传动，以实现中部整个传热装置的移动来进行传热与隔热。

图3 中部控温隔热装置侧面分解图

2.3 上部保温加热装置

如图4所示的上部保温加热装置分解图，对于图3中的圆形实心铜块上部仍与封闭铜管连接，封闭圆柱铜管上部则与环形盘状铜制发热管相接触，通向保温加热箱以提供热量，保温加热箱顶部设有温度监控装置，以实时检测箱体内部的温度，其连接至外部温度调节装置，以汽车电源对其供电，实现温度的监控以及调节。装置上部设有旋转式箱盖，箱盖与箱体以铰链的形式连接，箱盖上设有双层钢化耐高温防爆玻璃，便于用户对于内部食物的观测，箱体内部设有铝制内胆以实现更好的保温与加热食物。

3 工作原理

当汽车发动机正常运行时，排气管会产生大量热能，下开口式铜制集热套筒与排气管相连，进行热能的吸收与传递，通过与集热套筒相嵌的上封闭式竖直圆柱管传递至圆形实心铜块。实心铜块上部同样连接一封闭圆柱铜管，此管与一环形盘状铜管接触，传导热量至保温加热箱中。保温加热箱顶部设有温度调节装置，连接至外部温度调节，便于用户对于不同情况使用。箱盖还设有双层钢化耐高温防爆玻璃，箱体内部设有铝制内胆，从而实现与外界温度的隔离，进而实现更好的保温加热性能。

图4 上部保温加热装置分解图

当汽车用户设置保温功能时，电动机工作驱使齿轮齿条啮合以使铜块沿导轨滑动，促使整个传热隔热装置的移动，由于铜块周围设置了石棉隔热板，可进一步的隔离热源，从而实现保温功能以更好的保温食物。

4 创新点及应用

本小组人员自主设计的汽车排气管余热利用装置具有的创新点：（1）所设计的集热装置能够较高效率的利用排气管的余热，并且有一定的普适性。（2）所设计的控温隔热装置不仅实现了对于热能的吸收与传导，还能够对于食物进行保温，拓展了其功能的多样性，杜绝了以往单一加热功能的缺陷，方便用户选择。（3）所设计的汽车排气管余热利用装置设有温度监控与调节装置，不仅能够实时监测保温加热箱的内部温度，也实现了用户根据不同需求进行调节。（4）整体装置较为小巧，安装方便，使用便利，能够较为高效利用废弃热能，间接实现了节能减排的效果。

5 结语

本文以汽车排气管热能损耗为出发点，创新设计了一种充分利用汽车排气管余热的一种加热与保温装置。通过所设计的下部集热装置进行排气管废热的回收利用，中部控温隔热装置进行热能的传递以及上部的保温加热装置进行食物的保温与加热，并设置温度检测与调节装置，充分的提升用户的使用体验，便于用户的自由选择与使用。综合来说，对于汽车排气管的余热利用不仅能够方便用户的实际使用，而且能够充分利用能源，减少浪费，更进一步地实现节能减排的效果。