一种汽车废气能量回收利用装置

张玉明

摘要：随着我国汽车制造业的不断发展，汽车数量的逐年增加，使汽车行业及相关产业链迅速发展，在拉动GDP增长的同时，也给社会带来严峻的能源危机和环境污染。本文主要针对汽车尾气能量利用，设计了单缸热声式斯特林发电机组装置，可将汽车排气热量转化为电能，对蓄电池辅助充电，进而减少发动机的工作负荷，节省汽车燃料，提高汽车整车经济性。该技术成果可以推广到发电、化工、水泥等各类产生高热废气的企业中，具有发展潜力和应用前景。

关键词：汽车尾气废热;斯特林发动机;整车燃油经济性

0  引言

从人类历史发展来看，科学技术水平不断发展和提高，内燃机作为重要的原动机扮演着重要的角色，在交通运输、能量利用等方面有着不可替代的作用。在未来很长一段路，石油仍将是作为汽车发动机的主要燃料来源。据中国公安部交管局统计：截至2016年底，全国汽车保有量达1.94亿辆，其中有49个城市的汽车保有量超过百万辆，18个城市超200万辆，6个城市超300万辆。从2007年到2016年，全国汽车保有量始终保持增长趋势。通过对近几年的城市汽车保有量的分析总结，可预测未来的几年间，汽车保有量仍将呈现稳定缓和的增长趋势[1]。从有关数据分析来看，预计到2035年，中国将成为世界上最大的石油消费国，石油进口量达到1200万桶/日[2]。

改革开放30多年来，我国石油消费呈现出增长速度快、对外依赖程度不断增大、石油安全形势日趋严峻的特点。因此，提高能源的利用率已经越来越引起人们的重视。我国汽车数量规模庞大，汽车的燃油热量却仅有三分之一成为有效能量作为行驶动力，很大一部分以汽车尾气（含有较大的热量）形式未经利用直接排空浪费掉。若将汽车尾气中含有的热能转化为电能充分利用，提高能源的利用率，将在很大程度上节约能源。值得注意的是，汽车是移动装置，具有不同车速、不同路况等不稳定因素，因此对汽车尾气废热的利用具有一定难度。

本文介绍了一种汽车废气能量回收利用装置-热声式斯特林发动机的设计，在正常工作状态下可以通过带动发电机工作，使热能转化为电能，实现对汽车废气热量的利用。

1  斯特林发动机简介

斯特林发动机（Stirling engine）是一种外部燃烧（供热）的封闭循环往复活塞式发动机，具有能量来源广、效率高、污染小、噪音低等特点，可应用在汽车、发电、化工、水泥等各种产生高热废气、废液的企业中，作为清洁高效的动力转化装置，对节能减排、保护环境有重要意义，具有广泛应用前景。斯特林发动机具有如下特性[3-7]：

①能量来源多样：斯特林发动机对外部提供的能量具有很强适应性，可用能源除了煤、石油、天然气等传统的化石燃料外，还可以利用太阳能、原子能、生物化学能，以及汽车尾气热量和工业废热等。

②高效率：斯特林发动机是高效的能量转换装置，理论上斯特林循环效率等于相同条件下的卡诺循环效率。

③低污染：斯特林发动机在正常工作时污染物排放少，燃料在高温的条件下充分、连续稳定的燃烧为发动机提供动力来源，与内燃机相比，排放中的CO、HC等有害气体大大减少;在太阳能、核能等清洁能源为斯特林发动机提供运转动力时，几乎可以实现零排放。

④高性能、低噪音：斯特林发动机没有气阀机构等复杂的配气机构，工质（如氢气或氦气）在密封的气缸内的压力变化接近正弦波形，无较大的机械扭矩变化，因而运转性能好，工作可靠，噪音低。

2  热声式斯特林发电机组的设计

热声式斯特林发电机组由热声式斯特林发动机、发电机和连杆曲柄飞轮组成。热声式斯特林发动机与传统斯特林发动机相比，取消了热活塞的机械传动结构，使得发动机工作效率高、结构更简单、使用寿命长，便于实际推广应用。

2.1 热能输入→位移输出

热声式斯特林发电机的工作原理：当外部能量对机体进行热能输入，使得机体密闭的内部空间内工作介质受热膨胀，当达到启动零界点时，启动发动机活塞运动装置，将实现输入的热能转化为冷腔活塞的往复直线运动，热声斯特林发动機正常工作对外输出机械能。

根据介观热力学理论，在热声式斯特林发动机中，来自膨胀腔的声功一部分通过对外输出（作用在冷活塞上），另一部分则返回回热器的低温端，通过具有温度梯度的回热器后，高温端的热量被转换为声功，从而使来自回热器低温端的声功被放大，使冷活塞对外输出功加大。此循环周而复始，实现了热能向机械能的转换。

2.2 位移输入→电力输出

直线-旋转转换机构发电机的工作原理：热声斯特林发动机正常工作时，发动机活塞上的输出轴在直线-旋转转换装置带动下，将冷活塞往复直线运动转变为发电机转轴的旋转运动，发电机内部转轴上的永磁体相对线圈绕组作切割磁感线运动，从而对外产生电能并对外输出输出。由于直线发电机的效率较低，且设计难度较大。本作品采用旋转发电机方案，故需要设计直线-旋转转换机构。

2.3 装置研发技术关键

①热声式斯特林发动机结构参数的优化。热声发电技术是一种全新热发电技术，基于热致声效应进行工作，需要满足一定的工作条件，特别是结构参数的优化匹配。

②各个密封面的可靠密封。热声式斯特林发动机工质是闭式的，不能有任何泄露，包括热管与管座、冷管与管座、动力活塞与管座处。

③本装置应避免影响汽车的动力性，保证汽车正常行驶。

④本装置将与排气管通过某种关系连接，应保证本装置在汽车振动时具有抗振动、抗冲击的能力。

2.4 主要技术指标

①加热管平均加热温度300-500℃;

②发电机组转速600-1200r/min;

③发光管参数 电压1.6-2.1V 正向工作电流为5-20mA。

2.5 热声式斯特林发电机机组原理结构设计图

根据上述设计思想，进行了结构设计，其中原理结构如图1所示，结构设计如图2所示。

3  本設计与国内外同类研究的区别

随着汽车工业的发展，全球能源短缺问题日趋严重，如何利用汽车尾气余热能量引起研究人员的兴趣，其中对斯特林发动机的研究也日益重视。目前，国内外学者关于热声斯特林发电机组的理论研究已有不少报道，但工程应用案例较少。

热声斯特林发电机组包括热声斯特林发动机和往复直线发电机两部分，目前在热声斯特林发动机中，配气室轴线和动力活塞基本上采用同轴型式，因此，发动机运行不平稳，振动较大。另外，往复直线发电机的结构设计较为困难，且发电效率低、轴向长度大，有待进一步解决。

与现有技术相比，本设计实质性技术特点在于，设计了紧凑型单缸热声连杆动力输出的热声斯特林发电机组，连杆装置可将动力活塞的直线运动转换为轴的旋转运动，进而带动旋转式发电机工作，并输出电力，避免了往复直线发电机的低效率弊端[8，9]。

4  结束语

本文根据斯特林循环过程研制出一种汽车尾气能量合理利用装置，通过设计单缸热声式斯特林发电机组，将汽车尾气中的热能转化为电能，对汽车蓄电池进行辅助充电，减少发动机的工作负荷，节省汽车燃料，提高汽车整车经济性。该技术成果可以推广到汽车、发电、化工、水泥等各类产生高热废气的企业中，极具发展潜力和应用前景。与本作品相同的装置，目前尚未见有正式报道。

参考文献：

[1]http：//car.southcn.com/7/2017-03/27/content_167752917.htm，2016全国城市汽车保有量排名榜，公安部交管局，2017.

[2]夏丽洪.纵观风云变幻洞察能源未来-国际能源署新任署长应邀介绍《世界能源展望2011》[J].国际石油经济，2011.

[3]王淼.汽车尾气余热驱动斯特林发动机的可行性研究[D].天津：天津商业大学机械工程学院硕士学位论文，2014.

[4]D.GThombare，S.K.Verma. Technological development in the Stirling cycle engines[J].Science Direct 2008，12：1-38.

[5]Pertescu S，Coastea M，Harman C，Florea T. Application of the dierct method to irreversible Stirling cycle with finite speed.589-609.Energy Convers Conserv Environ Impact 2002：589-609.

[6]金东寒.斯特林发动机技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.

[7]王景枯，徐守义.斯特林发动机——热机领域里的竞争者[J].自燃杂志，1979，2（8）：526-528.

[8]杨嘉祥.自由活塞式斯特林发动机在汽车尾气余热发电中的应用研究[A].第五届绿色财富（中国）论坛，2010.

[9]李亮.分置式自由活塞斯特林发动机的研究[D].合肥：合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士学位论文，2012.