基于渦輪發電的汽車尾氣能量回收系統設計

劉勇 李建 王澤堃 方存光

摘 要 本文設計了一套汽車尾氣能量回收系統，在說明系統設計原理的基礎上論述了汽車尾氣能量回收系統的設計與方案，這套裝置可以通過發動機內的壓力以及氣流使得裝置通過渦輪機來進行發電。通過該裝置上的顯示屏以及一系列電器元件進行監控電流的穩定和大小并保證電流的輸出以及所用電的安全。

關鍵詞 能量回收 汽車尾氣 渦輪發電

0引言

目前汽車的燃料主要為化石類燃料，如石油、天然氣等不可再生資源等，資源的有限性及環保問題使得節能降耗、綠色出行技術成為汽車行業的研究熱點。本文利用氣缸與外部大氣的壓力所形成的壓力差使排出的廢氣具有一定的氣體流速從而帶動渦輪發電機進行發電，并對所發出的電進行儲存和合理利用。

1 汽車尾氣能量特點

汽車尾氣能量，不同于工業生產廢熱以及垃圾焚燒廢熱，屬于“移動中的熱源”。汽車尾氣能量伴隨發動機的做功排氣過程而產生，具有能量品位低、非穩態性和梯度分布的特點，這些特點都將直接影響汽車尾氣能量的回收以及熱電發電裝置的設計及車載集成。針對汽車尾氣能量的特點進行總結和歸納，實現汽車尾氣能量的最大程度高效回收利用，改善現有的車用發動機低效熱能利用現狀，是實現發動機節能與減排戰略的重要基礎。

汽車尾氣能量具有沿發動機排氣管路梯級分布的特征，比如一輛1.6L轎車發動機，2200r/min穩態工況下，其發動機缸體及排氣歧管附近，最高溫度超過500℃;在排氣歧管之后，一級消聲器之前的大部分區域，排氣管路的壁面溫度在250℃以上。當發動機高速運轉時，冷卻系統穩定且溫度維持在90℃，能產生160℃的溫差。在此基礎上，針對排氣管路溫度梯度分布的特點，充分發揮低、中、高溫熱電器件在各溫度段的性能優勢，完成對排氣管路尾氣能量的回收。考慮到熱電器件的材料ZT值、耐溫情況及排氣系統的兼容性，低溫熱電器件的布置位置可以選在三元催化劑之后，一級消聲器之前。

2汽車尾氣回收系統設計

2.1工作原理

1821 年，德國物理學家賽貝克在進行電學實驗時，發現在由兩種不同材料導線組成的閉合回路里，當加熱導線的連接部位時，這個閉合回路里面產生了電流。后期研究表明，當溫差存在于兩種不同的導電金屬或者半導體材料之間時，兩種材料之間會形成電壓差，其數值大小與冷熱端溫差大小成正比。這種由溫差作用于不同材質導體而產生電動勢的效應后來被命名為“賽貝克效應”。汽車尾氣回收裝置原理正是以熱電發電材料的賽貝克效應為基礎，實現從低品質熱能到高品質電能的直接轉換。

熱電發電材料在處于高低溫端溫差的環境下，在材料的高低溫端會產生電動勢，當整個電路接入負載形成電路回路時，完成電能的輸出，輸出電動勢與材料的相對塞貝克系數、溫度差成正比。

2.2汽車尾氣能量回收系統的設計

汽車尾氣能量回收裝置包括：收集、檢測、能量轉換、尾氣排放。首先，從汽車發動機出氣口處排放出的尾氣，經過第一級儲氣裝置，在該裝置中可以設置三個單向閥，分別通向尾氣氣壓檢測環節、尾氣利用環節、尾氣排放環節。首先由氣壓檢測環節檢測出出氣裝置內的氣壓，我們可以設置一個單向閥的開啟氣壓達到我們的理想值，當儲氣筒內的氣壓達到要求時，該單向閥打開，氣壓檢測裝置開始檢測氣壓，當氣壓達到臨界值時則出氣單向閥打開，尾氣一部分繼續流向發動機進氣口被再燃燒，一部分則在處理后被排放，當氣壓恢復安全值時則該單向閥關閉，同時在汽車使用的過程中，如果需要緩車制動，則第三個單向閥打開，尾氣流向氣馬達，氣壓能轉化為動能被利用。這個裝置主要就是在最大程度上將內燃機所產生的廢氣力轉化為能量，進而將這些能量用于發電，從而實現汽車的制動、轉向等等。

系統對排氣歧管進行優化和創新，依靠尾氣中產生的動能和內能，促使整個渦輪發生轉動，再由凸輪軸將交變力施加于壓電振子上，以此產生電壓。經過能量轉換，原本輸出的機械能最終將全部轉化為電能，并將其輸出至蓄電設備內部。 汽車尾氣能量回收系統通過纏繞在排氣歧管上的水管，吸收尾氣熱量，氣化管內液態水，產生高溫高壓水蒸汽，吹動發動機葉輪發電，達到尾氣熱量回收目的。

3 結語

該汽車尾氣能量回收系統采用汽車尾氣作為加熱源，不需消耗其他燃料即可對車廂進行供暖，從而提高了能源的利用率，實現了節能環保的目的，同時，該裝置將尾氣與被加熱過的新鮮空氣有效隔開，并將熱空氣引入車廂，不會發生尾氣進入車廂而導致的中毒等事故，裝置是全可靠。

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