汽車(chē)排氣熱能回收再利用技術(shù)研究

張文智　長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院　湖南長(zhǎng)沙　410027

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汽車(chē)排氣熱能回收再利用技術(shù)研究

張文智長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南長(zhǎng)沙410027

【文章摘要】

本研究主要針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)行工況下通過(guò)排氣浪費(fèi)的熱能過(guò)大，能量利用率過(guò)低提出了一種解決的方案，并對(duì)于如何具體實(shí)施該方案進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。該新型排氣熱能能量回收利用系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)排氣熱能能量的回收，也能實(shí)現(xiàn)直接助力汽車(chē)行駛的功能．

【關(guān)鍵詞】

排氣熱能;回收; 利用

1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，而現(xiàn)有的自然吸氣汽油機(jī)中，不論是國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口汽車(chē)，都只有不到30%的熱能被利用，約40%的熱能以排氣方式損耗，約30%在引擎冷卻過(guò)程中被損耗，這表示高達(dá)70%的可用能源因此而浪費(fèi)。傳統(tǒng)柴油機(jī)由于高的壓縮比，發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹效率被有效利用，其熱效率也只有約37%.目前國(guó)際上在用內(nèi)燃機(jī)最高熱能利用率也只有40%多一點(diǎn)，仍然有大量的熱能以廢氣和冷卻方式浪費(fèi)。如果能將如此眾多的熱能加以有效利用，可以讓能源的使用率提升到更高的程度。

德國(guó)寶馬公司于2012年推出了利用廢棄余熱產(chǎn)生的高壓蒸汽助力發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的設(shè)想，并已經(jīng)投入研究實(shí)驗(yàn)。在該設(shè)想中，必須在發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸前端加裝一個(gè)一定體積的助力驅(qū)動(dòng)裝置。其設(shè)想的動(dòng)力產(chǎn)生及利用原理如下：

廢氣（600℃-1000℃）加熱安裝于消聲器附近的蒸汽鍋爐→產(chǎn)生高壓蒸汽→蒸汽管道→曲軸蒸汽渦輪助力器→散熱器（蒸汽凝結(jié)）→高壓微型水泵→蒸汽鍋爐

日本豐田公司正在其混合動(dòng)力汽車(chē)上加裝汽輪發(fā)電機(jī)，進(jìn)行廢棄余熱產(chǎn)生高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)。然后將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能輸送給混合動(dòng)力汽車(chē)的電池組。其動(dòng)力產(chǎn)生及利用原理如下：

廢氣（600℃-1000℃）加熱安裝于消聲器附近的蒸汽鍋爐→產(chǎn)生高壓蒸汽→蒸汽管道→蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)→散熱器（蒸汽凝結(jié)）→高壓微型水泵→蒸汽鍋爐

寶馬公司的研究是將熱能動(dòng)力作用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)、變速器的機(jī)械摩擦將消耗部分能量，能源得不到最大程度的利用。豐田公司的蒸汽渦輪用來(lái)在混合動(dòng)力汽車(chē)上產(chǎn)生電能，能量也經(jīng)過(guò)了兩次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失同樣不可小視。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)蒸汽渦輪助力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接作用于汽車(chē)變速器后端，避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器等需要在運(yùn)行時(shí)消耗部分機(jī)械能的機(jī)械構(gòu)件，使機(jī)械摩擦損失小，能源利用率能夠得到進(jìn)一步的提高。

國(guó)內(nèi)多家企業(yè)和科研單位的研究人員目前將主要目標(biāo)集中在發(fā)電機(jī)余熱發(fā)電方面，也就是將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，沒(méi)有進(jìn)行熱能至動(dòng)能的直接轉(zhuǎn)換。由于能量在每次轉(zhuǎn)換過(guò)程中都有部分損失，經(jīng)過(guò)二次轉(zhuǎn)換以后的最終利用率不是很理想。

2　排氣熱能提取利用系統(tǒng)

2.1排氣熱能提取利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本研究擬部分提取以排氣方式輸出的約40%的熱能，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽（蒸汽排出壓力可達(dá)到3MPa，即30公斤力），由該高壓蒸汽直接驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛?？梢杂行У慕档腿加秃?， 提高發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率，

內(nèi)燃機(jī)排氣管由于考慮消聲的問(wèn)題，排氣效率在一定程度上被限制，本研究在大量吸收熱能的同時(shí)，使排氣管內(nèi)高溫氣體被急速冷卻，導(dǎo)致管內(nèi)背壓下降，排氣阻力減小，從而氣缸內(nèi)排氣徹底，汽缸循環(huán)過(guò)程中的進(jìn)氣量增大，內(nèi)燃機(jī)輸出功率增加（相當(dāng)于進(jìn)氣增壓）。

本研究結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)運(yùn)行工況，在排氣管前段安裝一環(huán)型鍋爐，該鍋爐由加熱爐和氣化爐組成，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，加熱爐將水加熱至80攝氏度左右，在安裝于鍋爐上部的重力壓水箱作用下，經(jīng)過(guò)加熱爐加熱的水被壓入前部的氣化爐，氣化爐表面溫度高達(dá)200-300攝氏度。進(jìn)入氣化爐的高溫水瞬間被氣化并在形成約2MP以上壓力的高壓蒸汽，該高溫蒸汽沿管道及相關(guān)部件進(jìn)入驅(qū)動(dòng)葉輪室，蒸汽壓力作用在葉輪表面，助力葉輪旋轉(zhuǎn)。為便于制造安裝，驅(qū)動(dòng)葉輪軸安裝在從動(dòng)車(chē)輪（對(duì)于輕型乘用車(chē)，后輪為從動(dòng)輪）

結(jié)構(gòu)組成如下圖：

2.2各運(yùn)行工況工作原理

（1）倒車(chē)工況

倒檔時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不管處于什么工況系統(tǒng)狀態(tài)均關(guān)閉，保證在汽車(chē)倒車(chē)時(shí)不向驅(qū)動(dòng)葉輪施加反向力阻礙車(chē)輛倒車(chē)

（2）低溫工況

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水低于60攝氏度時(shí)，由于排氣管表面溫度較低，產(chǎn)生的蒸汽量有限，對(duì)于驅(qū)動(dòng)葉輪的作用較小，此時(shí)截?cái)嚯姶砰y均關(guān)閉，系統(tǒng)不工作。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度低于60攝氏度，而截?cái)嚯姶砰y1、2、3均處于截?cái)酄顟B(tài)時(shí)，如氣化鍋內(nèi)壓力高于2.5MP時(shí)，旁通閥打開(kāi)，釋放氣化鍋內(nèi)高溫蒸汽至冷凝器

（3）高溫工況

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水達(dá)到60攝氏度以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管前節(jié)表面溫度達(dá)到150攝氏度以上，并隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)工作，該溫度將保持持續(xù)升高，且持續(xù)產(chǎn)生高溫，此時(shí)，截?cái)嚯姶砰y1、2、3均打開(kāi)，氣化鍋內(nèi)產(chǎn)生的高溫（120攝氏度）高壓（約2-2.5MP）蒸汽經(jīng)截?cái)嚯姶砰y1、膨脹閥、驅(qū)動(dòng)葉輪室、截?cái)嚯姶砰y3、冷凝器、重力壓水箱、截?cái)嚯姶砰y2、預(yù)熱鍋、氣化鍋完成一個(gè)循環(huán)。在蒸汽循環(huán)的過(guò)程中溫度逐步降低，到達(dá)冷凝器后蒸汽將被散熱冷卻成約50攝氏度液態(tài)水進(jìn)入重力壓水箱。在重力壓水箱自身重力作用下，液態(tài)水被重新注入預(yù)熱鍋，此時(shí)如重力壓水箱出口端壓力低于3MP，壓力開(kāi)關(guān)接通，壓力補(bǔ)償電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)減速及凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)水箱上部壓水活塞給注入預(yù)熱鍋的液態(tài)水加壓，保證預(yù)熱鍋的兩端具有近1MP的壓力差，高溫液態(tài)水能在此壓力下順利注入氣化鍋。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度高于60攝氏度，如氣化鍋內(nèi)壓力高于2.5MP時(shí)，旁通閥打開(kāi)，釋放氣化鍋內(nèi)高溫蒸汽至冷凝器。

3　結(jié)語(yǔ)

本研究著重解決發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱能的高效利用問(wèn)題，即將微型鍋爐安裝于排氣管前端，離熱源較近，使其能夠快速的吸收能量，并快速轉(zhuǎn)化為能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛的機(jī)械能。將熱能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能后直接作用于傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械摩擦損失小，能源利用率更高。

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