一種汽車廢氣能量回收利用裝置

張玉明

摘要：隨著我國汽車制造業的不斷發展，汽車數量的逐年增加，使汽車行業及相關產業鏈迅速發展，在拉動GDP增長的同時，也給社會帶來嚴峻的能源危機和環境污染。本文主要針對汽車尾氣能量利用，設計了單缸熱聲式斯特林發電機組裝置，可將汽車排氣熱量轉化為電能，對蓄電池輔助充電，進而減少發動機的工作負荷，節省汽車燃料，提高汽車整車經濟性。該技術成果可以推廣到發電、化工、水泥等各類產生高熱廢氣的企業中，具有發展潛力和應用前景。

關鍵詞：汽車尾氣廢熱;斯特林發動機;整車燃油經濟性

0 ?引言

從人類歷史發展來看，科學技術水平不斷發展和提高，內燃機作為重要的原動機扮演著重要的角色，在交通運輸、能量利用等方面有著不可替代的作用。在未來很長一段路，石油仍將是作為汽車發動機的主要燃料來源。據中國公安部交管局統計：截至2016年底，全國汽車保有量達1.94億輛，其中有49個城市的汽車保有量超過百萬輛，18個城市超200萬輛，6個城市超300萬輛。從2007年到2016年，全國汽車保有量始終保持增長趨勢。通過對近幾年的城市汽車保有量的分析總結，可預測未來的幾年間，汽車保有量仍將呈現穩定緩和的增長趨勢[1]。從有關數據分析來看，預計到2035年，中國將成為世界上最大的石油消費國，石油進口量達到1200萬桶/日[2]。

改革開放30多年來，我國石油消費呈現出增長速度快、對外依賴程度不斷增大、石油安全形勢日趨嚴峻的特點。因此，提高能源的利用率已經越來越引起人們的重視。我國汽車數量規模龐大，汽車的燃油熱量卻僅有三分之一成為有效能量作為行駛動力，很大一部分以汽車尾氣（含有較大的熱量）形式未經利用直接排空浪費掉。若將汽車尾氣中含有的熱能轉化為電能充分利用，提高能源的利用率，將在很大程度上節約能源。值得注意的是，汽車是移動裝置，具有不同車速、不同路況等不穩定因素，因此對汽車尾氣廢熱的利用具有一定難度。

本文介紹了一種汽車廢氣能量回收利用裝置-熱聲式斯特林發動機的設計，在正常工作狀態下可以通過帶動發電機工作，使熱能轉化為電能，實現對汽車廢氣熱量的利用。

1 ?斯特林發動機簡介

斯特林發動機（Stirling engine）是一種外部燃燒（供熱）的封閉循環往復活塞式發動機，具有能量來源廣、效率高、污染小、噪音低等特點，可應用在汽車、發電、化工、水泥等各種產生高熱廢氣、廢液的企業中，作為清潔高效的動力轉化裝置，對節能減排、保護環境有重要意義，具有廣泛應用前景。斯特林發動機具有如下特性[3-7]：

①能量來源多樣：斯特林發動機對外部提供的能量具有很強適應性，可用能源除了煤、石油、天然氣等傳統的化石燃料外，還可以利用太陽能、原子能、生物化學能，以及汽車尾氣熱量和工業廢熱等。

②高效率：斯特林發動機是高效的能量轉換裝置，理論上斯特林循環效率等于相同條件下的卡諾循環效率。

③低污染：斯特林發動機在正常工作時污染物排放少，燃料在高溫的條件下充分、連續穩定的燃燒為發動機提供動力來源，與內燃機相比，排放中的CO、HC等有害氣體大大減少;在太陽能、核能等清潔能源為斯特林發動機提供運轉動力時，幾乎可以實現零排放。

④高性能、低噪音：斯特林發動機沒有氣閥機構等復雜的配氣機構，工質（如氫氣或氦氣）在密封的氣缸內的壓力變化接近正弦波形，無較大的機械扭矩變化，因而運轉性能好，工作可靠，噪音低。

2 ?熱聲式斯特林發電機組的設計

熱聲式斯特林發電機組由熱聲式斯特林發動機、發電機和連桿曲柄飛輪組成。熱聲式斯特林發動機與傳統斯特林發動機相比，取消了熱活塞的機械傳動結構，使得發動機工作效率高、結構更簡單、使用壽命長，便于實際推廣應用。

2.1 熱能輸入→位移輸出

熱聲式斯特林發電機的工作原理：當外部能量對機體進行熱能輸入，使得機體密閉的內部空間內工作介質受熱膨脹，當達到啟動零界點時，啟動發動機活塞運動裝置，將實現輸入的熱能轉化為冷腔活塞的往復直線運動，熱聲斯特林發動機正常工作對外輸出機械能。

根據介觀熱力學理論，在熱聲式斯特林發動機中，來自膨脹腔的聲功一部分通過對外輸出（作用在冷活塞上），另一部分則返回回熱器的低溫端，通過具有溫度梯度的回熱器后，高溫端的熱量被轉換為聲功，從而使來自回熱器低溫端的聲功被放大，使冷活塞對外輸出功加大。此循環周而復始，實現了熱能向機械能的轉換。

2.2 位移輸入→電力輸出

直線-旋轉轉換機構發電機的工作原理：熱聲斯特林發動機正常工作時，發動機活塞上的輸出軸在直線-旋轉轉換裝置帶動下，將冷活塞往復直線運動轉變為發電機轉軸的旋轉運動，發電機內部轉軸上的永磁體相對線圈繞組作切割磁感線運動，從而對外產生電能并對外輸出輸出。由于直線發電機的效率較低，且設計難度較大。本作品采用旋轉發電機方案，故需要設計直線-旋轉轉換機構。

2.3 裝置研發技術關鍵

①熱聲式斯特林發動機結構參數的優化。熱聲發電技術是一種全新熱發電技術，基于熱致聲效應進行工作，需要滿足一定的工作條件，特別是結構參數的優化匹配。

②各個密封面的可靠密封。熱聲式斯特林發動機工質是閉式的，不能有任何泄露，包括熱管與管座、冷管與管座、動力活塞與管座處。

③本裝置應避免影響汽車的動力性，保證汽車正常行駛。

④本裝置將與排氣管通過某種關系連接，應保證本裝置在汽車振動時具有抗振動、抗沖擊的能力。

2.4 主要技術指標

①加熱管平均加熱溫度300-500℃;

②發電機組轉速600-1200r/min;

③發光管參數 電壓1.6-2.1V 正向工作電流為5-20mA。

2.5 熱聲式斯特林發電機機組原理結構設計圖

根據上述設計思想，進行了結構設計，其中原理結構如圖1所示，結構設計如圖2所示。

3 ?本設計與國內外同類研究的區別

隨著汽車工業的發展，全球能源短缺問題日趨嚴重，如何利用汽車尾氣余熱能量引起研究人員的興趣，其中對斯特林發動機的研究也日益重視。目前，國內外學者關于熱聲斯特林發電機組的理論研究已有不少報道，但工程應用案例較少。

熱聲斯特林發電機組包括熱聲斯特林發動機和往復直線發電機兩部分，目前在熱聲斯特林發動機中，配氣室軸線和動力活塞基本上采用同軸型式，因此，發動機運行不平穩，振動較大。另外，往復直線發電機的結構設計較為困難，且發電效率低、軸向長度大，有待進一步解決。

與現有技術相比，本設計實質性技術特點在于，設計了緊湊型單缸熱聲連桿動力輸出的熱聲斯特林發電機組，連桿裝置可將動力活塞的直線運動轉換為軸的旋轉運動，進而帶動旋轉式發電機工作，并輸出電力，避免了往復直線發電機的低效率弊端[8，9]。

4 ?結束語

本文根據斯特林循環過程研制出一種汽車尾氣能量合理利用裝置，通過設計單缸熱聲式斯特林發電機組，將汽車尾氣中的熱能轉化為電能，對汽車蓄電池進行輔助充電，減少發動機的工作負荷，節省汽車燃料，提高汽車整車經濟性。該技術成果可以推廣到汽車、發電、化工、水泥等各類產生高熱廢氣的企業中，極具發展潛力和應用前景。與本作品相同的裝置，目前尚未見有正式報道。

參考文獻：

[1]http：//car.southcn.com/7/2017-03/27/content_167752917.htm，2016全國城市汽車保有量排名榜，公安部交管局，2017.

[2]夏麗洪.縱觀風云變幻洞察能源未來-國際能源署新任署長應邀介紹《世界能源展望2011》[J].國際石油經濟，2011.

[3]王淼.汽車尾氣余熱驅動斯特林發動機的可行性研究[D].天津：天津商業大學機械工程學院碩士學位論文，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.

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[8]楊嘉祥.自由活塞式斯特林發動機在汽車尾氣余熱發電中的應用研究[A].第五屆綠色財富（中國）論壇，2010.

[9]李亮.分置式自由活塞斯特林發動機的研究[D].合肥：合肥工業大學機械與汽車工程學院碩士學位論文，2012.