自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量再利用裝置研究

陶孝飛 王琳 丁夢(mèng)龍 梁修 林楊璨

摘要：汽車(chē)廢氣能量再利用是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)能量多級(jí)利用、減少能量浪費(fèi)的有效措施之一，鑒于此，在傳統(tǒng)的渦輪增壓器原理基礎(chǔ)上，根據(jù)汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行中排氣系統(tǒng)的情況和發(fā)電機(jī)運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)出了一種新型離心式可變面積渦輪機(jī)發(fā)電裝置，用自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣推動(dòng)離心式可變面積的渦輪葉片運(yùn)轉(zhuǎn)，使渦輪葉片軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸一起旋轉(zhuǎn)，切割磁感線產(chǎn)生電流，最后將產(chǎn)生的電能供給蓄電池存儲(chǔ)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)廢氣能量再利用。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);廢氣;再利用;可變渦輪發(fā)電機(jī)

0 引言

以自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)為例，汽車(chē)燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量除了轉(zhuǎn)化為有用的機(jī)械能外，其余大部分被發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗和遺失，其中發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣帶走了絕大部分熱量。如果能有效回收這一部分廢氣能量，將有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，減少環(huán)境污染。如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)能量利用率一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，在新能源汽車(chē)技術(shù)不成熟的條件下，對(duì)汽車(chē)廢氣能量回收利用技術(shù)的研究成為當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)。將發(fā)動(dòng)機(jī)與廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)聯(lián)合起來(lái)回收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的熱能，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)總效率、降低油耗的一個(gè)有效途徑。相比于傳統(tǒng)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣直接通過(guò)排氣管排出，采用廢氣能量回收技術(shù)可以避免廢氣中能量的巨大浪費(fèi)，從而在整體上提高發(fā)動(dòng)機(jī)的利用效率[1]，既能夠節(jié)能減排，又可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生有利的影響，從而進(jìn)一步增強(qiáng)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 研究?jī)?nèi)容

傳統(tǒng)的廢氣能量渦輪機(jī)固然可以進(jìn)行廢氣能量回收，但同時(shí)傳統(tǒng)的渦輪機(jī)葉片也會(huì)阻礙廢氣排出，增加排氣阻力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率下降。本團(tuán)隊(duì)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題做了創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，將固定形式的渦輪機(jī)做成可變截面積高效率的新型渦輪機(jī)，使其在相應(yīng)工況中相應(yīng)實(shí)現(xiàn)變截面。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，廢氣量較小，渦輪的阻力對(duì)廢氣排出影響較大，故此時(shí)由葉片內(nèi)彈簧伸縮使渦輪葉片面積變小，減少排氣阻力，從而使廢氣順利排出，這樣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響很小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，廢氣量增大，渦輪葉片對(duì)廢氣的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于廢氣能量，此時(shí)由葉片內(nèi)彈簧伸張使渦輪葉片面積變大，同時(shí)對(duì)廢氣排出的影響可忽略不計(jì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響極小。本文所述方案相較于傳統(tǒng)廢氣能量回收渦輪而言，其優(yōu)點(diǎn)在于在發(fā)動(dòng)機(jī)的所有工況下都可使廢氣順利排出，最大可能減小對(duì)廢氣排出的阻力，高效地將廢氣能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)力渦輪的機(jī)械能[2]，通過(guò)動(dòng)力渦輪的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)同軸的發(fā)電機(jī)工作，利用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能為汽車(chē)用電設(shè)備供電和蓄電池充電[3]，這樣就提高了發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量的利用效率，最終達(dá)到研究目標(biāo)。

2 設(shè)計(jì)總體方案

廢氣渦輪發(fā)電是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫、高壓、高速的廢氣流經(jīng)排氣總歧管進(jìn)入到動(dòng)力渦輪中，推動(dòng)渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)動(dòng)力渦輪的同軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子鐵芯的圓周面上安裝有永磁體磁極，定子繞組是發(fā)電的電樞，與交流電機(jī)類(lèi)似導(dǎo)線做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，通過(guò)接線端子引出，接在回路中，便產(chǎn)生了電流[4]，之后將其整流穩(wěn)壓儲(chǔ)入蓄電池中或直接為汽車(chē)上的用電設(shè)備供電。

2.1? ? 廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

將動(dòng)力渦輪和發(fā)電機(jī)安裝于排氣總歧管中上部，因?yàn)檫@里的安裝空間相對(duì)較大，且廢氣的溫度達(dá)到600 ℃，速度能達(dá)到800 m/s以上[5]，符合所需的工作要求。同時(shí)在排氣管道中設(shè)置一個(gè)分支管，利用分支管上的耐高溫金屬旁通閥控制分支管的開(kāi)閉，從而對(duì)排氣進(jìn)行分流[6]，防止動(dòng)力渦輪超速、超溫。最后，在動(dòng)力渦輪外部安裝一個(gè)適當(dāng)壁厚的外殼，在外殼中設(shè)計(jì)若干水套，且與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)相連接，避免動(dòng)力渦輪因超溫工作而產(chǎn)生損壞，從而影響其工作性能。裝置總體布置如圖1所示。

2.2? ? 新型動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)

廢氣渦輪的轉(zhuǎn)速主要通過(guò)控制廢氣的流量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在廢氣流量較大時(shí)，打開(kāi)旁通閥減小廢氣流量，這種方式對(duì)廢氣的利用率低。離心式可變面積渦輪可以通過(guò)改變導(dǎo)流葉片的面積來(lái)改變渦輪通流截面的大小，進(jìn)而改變廢氣流速和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速。如圖2所示，離心式可變面積渦輪可以根據(jù)廢氣流量的不同自動(dòng)變換渦輪葉片面積，該裝置分為兩部分，與軸固連的葉片做成殼體形，將可活動(dòng)部分的葉片用較高強(qiáng)度、剛度的材料做成薄板型，裝入底部殼體葉片中，將殼體葉片的底部與可活動(dòng)葉片用適合的彈簧連裝起來(lái)，彈簧的作用是可使活動(dòng)葉片自動(dòng)回到殼體葉片中，從而減小渦輪葉片面積，同時(shí)，彈簧可使活動(dòng)葉片在離心力作用下被甩出殼體葉片時(shí)不會(huì)與殼體葉片卡死。

（1）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，離心式可變面積渦輪只有底部活動(dòng)葉片在彈簧力與重力相互作用下半伸出殼體葉片，以便廢氣流量增大時(shí)更好地被廢氣帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使離心式可變面積渦輪工作，其余活動(dòng)葉片在彈簧力作用下留在殼體葉片中未伸出，從而使整個(gè)離心式可變面積渦輪留有較大空隙，可以極大地減小發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)對(duì)飛輪的阻力。

（2）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工作時(shí)，較大的廢氣流量使離心式可變面積渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力，在與彈簧力的相互作用下使全部活動(dòng)葉片半伸出殼體葉片，獲得更大轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電。又因活動(dòng)葉片是半伸出，故仍留有一部分空隙，使廢氣阻力不會(huì)過(guò)大。

（3）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工作時(shí)，如圖2所示，極大的廢氣流量將使離心式可變面積渦輪全部活動(dòng)葉片完全伸出，從而獲得設(shè)計(jì)的最大轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出更多的電。并且由于全負(fù)荷下的廢氣流量所帶來(lái)的能量比此刻渦輪的廢氣阻力大得多，故對(duì)廢氣排出影響很小[7]。

3 發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)的配合

（1）渦輪機(jī)是廢棄能量回收的第一部件，將廢氣的能量轉(zhuǎn)換為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與渦輪機(jī)輸出軸直接連接，將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能。但在汽車(chē)正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)受外界因素影響，工況多變，導(dǎo)致排氣量也各不相同，使渦輪機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速變化較大。為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化導(dǎo)致的渦輪機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速的變化，可以在渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)之間加裝一個(gè)小型飛輪，以平衡渦輪機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，發(fā)電機(jī)功率就更平穩(wěn)一些[8]。