基于流體力學(xué)的尾氣能源再利用技術(shù)淺析

李智 周禮豪 李杭鍵 梁壯 陳禹州

四川大學(xué)錦江學(xué)院 四川 眉山 620860

引言

機動車的尾氣排放過程中，大部分的機動車沒有利用尾氣中蘊含的高壓高溫能量，燃油在發(fā)動機中燃燒后產(chǎn)生的氣體被直接排出。目前市場上的尾氣處理裝置一般是對有害氣體進行化學(xué)催化反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為無害氣體，然而其蘊含的物理能量并沒有得到利用。針對這個問題，本文介紹了一種將尾氣蘊含的壓力轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，在機動車現(xiàn)有的排氣管銜接處加裝渦輪、電機等設(shè)備完成能量轉(zhuǎn)換，配合鋰電池進行能量儲存。

一、渦輪機構(gòu)

渦輪是一種將流動工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械。渦輪工作輪由均勻分部的七只葉片組成，在整個機構(gòu)中作為原動機構(gòu)提供機械能，軸作為傳動機構(gòu)聯(lián)接渦輪與電機，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。因渦輪受到較強沖擊載荷，需耐高溫，一般采用中等淬透性鋼作為原材料[1]。

二、整體結(jié)構(gòu)

設(shè)備整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。渦輪與軸的聯(lián)接處需承受較大轉(zhuǎn)矩，整體結(jié)構(gòu)在軸向上嚴(yán)格限制移動距離，為增加機構(gòu)的穩(wěn)定性，鍵與鍵槽之間的配合采用過盈配合，該機構(gòu)中的鍵聯(lián)接需承受沖擊載荷，聯(lián)接在高速轉(zhuǎn)動、振動等情況下不受影響，并要求準(zhǔn)確定心。因此機構(gòu)聯(lián)接方式采用平鍵聯(lián)接。

在傳動軸的末端聯(lián)接齒輪與電機軸上齒輪嚙合，利用齒輪傳動的方式進行機械能與電能的轉(zhuǎn)換。本機構(gòu)中的齒輪供內(nèi)燃機車使用，精度等級為6級，動力齒輪傳動的最大圓周速度不超過15m/s，因采用直齒輪傳動，分度圓螺旋角為0度，壓力角a=20度，分度圓直徑d=mz。主動輪轉(zhuǎn)速n1，與從動輪轉(zhuǎn)速n2之比即為傳動比，用i表示。

整體結(jié)構(gòu)的工作流程如圖2：利用出缸尾氣蘊含的壓強能量，推動渦輪旋轉(zhuǎn)，傳動軸將渦輪產(chǎn)生的動能傳導(dǎo)在齒輪機構(gòu)上，齒輪機構(gòu)與電機傳動軸進行的能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池中，在機動車處于惡劣工況的情況下可使用電能節(jié)省燃油[2]。

圖2 工作流程圖

三、機構(gòu)的力學(xué)計算

在尾氣管中渦輪葉片在周向和軸向上受到?jīng)_擊力用Pu、Pa表示，計算式如下：

上式中r1表示燃氣密度，Ψ表示氣流速比，β1、β2為葉片進、出氣角。對于給定的燃氣輪機，Ψ、β1、β2都是定值，變化的只有 F，故關(guān)鍵求 F。F表示垂直于透平軸的氣流截面積。

為渦輪葉片轉(zhuǎn)過的周期， 為單個靜葉的角節(jié)距，為氣流截向的高度變化。

傳動軸與電機軸的傳動采用直齒圓柱齒輪傳動的方式，齒輪在傳動過程中受圓周力、徑向力、軸向力。

渦輪葉片在受到?jīng)_擊時旋轉(zhuǎn)做功，機械能傳導(dǎo)在電機上，電機開始發(fā)電，通過正負極導(dǎo)線將電能引出，儲存在蓄電池中。渦輪葉片的半徑、寬度、機械效率為恒定不變的值，其產(chǎn)生的機械能由進出口壓差決定。在能量轉(zhuǎn)化過程中，能量損耗組成為電熱、機械損耗、齒輪損耗、電機損耗[3]。

四、結(jié)語

通過以上的機構(gòu)組合，可達到尾氣壓強轉(zhuǎn)化為電能的目的。渦輪機構(gòu)受壓強的推動而旋轉(zhuǎn)，傳動軸機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、機械能傳導(dǎo)在電機軸上，電機旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生電能，通過導(dǎo)線將電能儲存在蓄電池中，在機動車處于惡劣工況時為其提供電能，為用電器供電，實現(xiàn)節(jié)約電能的作用。※

參考文獻：

[1]邱宣懷.機械設(shè)計（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]周憶，于今.流體傳動與控制[M].北京：科學(xué)出版社，2008.