基于涡轮发电的汽车尾气能量回收系统设计

刘勇 李建 王泽堃 方存光

摘 要 本文设计了一套汽车尾气能量回收系统，在说明系统设计原理的基础上论述了汽车尾气能量回收系统的设计与方案，这套装置可以通过发动机内的压力以及气流使得装置通过涡轮机来进行发电。通过该装置上的显示屏以及一系列电器元件进行监控电流的稳定和大小并保证电流的输出以及所用电的安全。

关键词 能量回收 汽车尾气 涡轮发电

0引言

目前汽车的燃料主要为化石类燃料，如石油、天然气等不可再生资源等，资源的有限性及环保问题使得节能降耗、绿色出行技术成为汽车行业的研究热点。本文利用气缸与外部大气的压力所形成的压力差使排出的废气具有一定的气体流速从而带动涡轮发电机进行发电，并对所发出的电进行储存和合理利用。

1 汽车尾气能量特点

汽车尾气能量，不同于工业生产废热以及垃圾焚烧废热，属于“移动中的热源”。汽车尾气能量伴随发动机的做功排气过程而产生，具有能量品位低、非稳态性和梯度分布的特点，这些特点都将直接影响汽车尾气能量的回收以及热电发电装置的设计及车载集成。针对汽车尾气能量的特点进行总结和归纳，实现汽车尾气能量的最大程度高效回收利用，改善现有的车用发动机低效热能利用现状，是实现发动机节能与减排战略的重要基础。

汽车尾气能量具有沿发动机排气管路梯级分布的特征，比如一辆1.6L轿车发动机，2200r/min稳态工况下，其发动机缸体及排气歧管附近，最高温度超过500℃;在排气歧管之后，一级消声器之前的大部分区域，排气管路的壁面温度在250℃以上。当发动机高速运转时，冷却系统稳定且温度维持在90℃，能产生160℃的温差。在此基础上，针对排气管路温度梯度分布的特点，充分发挥低、中、高温热电器件在各温度段的性能优势，完成对排气管路尾气能量的回收。考虑到热电器件的材料ZT值、耐温情况及排气系统的兼容性，低温热电器件的布置位置可以选在三元催化剂之后，一级消声器之前。

2汽车尾气回收系统设计

2.1工作原理

1821 年，德国物理学家赛贝克在进行电学实验时，发现在由两种不同材料导线组成的闭合回路里，当加热导线的连接部位时，这个闭合回路里面产生了电流。后期研究表明，当温差存在于两种不同的导电金属或者半导体材料之间时，两种材料之间会形成电压差，其数值大小与冷热端温差大小成正比。这种由温差作用于不同材质导体而产生电动势的效应后来被命名为“赛贝克效应”。汽车尾气回收装置原理正是以热电发电材料的赛贝克效应为基础，实现从低品质热能到高品质电能的直接转换。

热电发电材料在处于高低温端温差的环境下，在材料的高低温端会产生电动势，当整个电路接入负载形成电路回路时，完成电能的输出，输出电动势与材料的相对塞贝克系数、温度差成正比。

2.2汽车尾气能量回收系统的设计

汽车尾气能量回收装置包括：收集、检测、能量转换、尾气排放。首先，从汽车发动机出气口处排放出的尾气，经过第一级储气装置，在该装置中可以设置三个单向阀，分别通向尾气气压检测环节、尾气利用环节、尾气排放环节。首先由气压检测环节检测出出气装置内的气压，我们可以设置一个单向阀的开启气压达到我们的理想值，当储气筒内的气压达到要求时，该单向阀打开，气压检测装置开始检测气压，当气压达到临界值时则出气单向阀打开，尾气一部分继续流向发动机进气口被再燃烧，一部分则在处理后被排放，当气压恢复安全值时则该单向阀关闭，同时在汽车使用的过程中，如果需要缓车制动，则第三个单向阀打开，尾气流向气马达，气压能转化为动能被利用。这个装置主要就是在最大程度上将内燃机所产生的废气力转化为能量，进而将这些能量用于发电，从而实现汽车的制动、转向等等。

系统对排气歧管进行优化和创新，依靠尾气中产生的动能和内能，促使整个涡轮发生转动，再由凸轮轴将交变力施加于压电振子上，以此产生电压。经过能量转换，原本输出的机械能最终将全部转化为电能，并将其输出至蓄电设备内部。 汽车尾气能量回收系统通过缠绕在排气歧管上的水管，吸收尾气热量，气化管内液态水，产生高温高壓水蒸汽，吹动发动机叶轮发电，达到尾气热量回收目的。

3 结语

该汽车尾气能量回收系统采用汽车尾气作为加热源，不需消耗其他燃料即可对车厢进行供暖，从而提高了能源的利用率，实现了节能环保的目的，同时，该装置将尾气与被加热过的新鲜空气有效隔开，并将热空气引入车厢，不会发生尾气进入车厢而导致的中毒等事故，装置是全可靠。

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