汽車排氣管的能量再利用和尾氣處理裝置

毛曉凱 張楠 陳嘉健

摘要：當前汽車排氣管主要分為如下幾類：一般原廠管、回壓管、半回壓管、直通管、半直通管、半雙閥門可變排氣、可變排氣管。他們的分類方式主要根據噪音和尾氣排放速度等進行分類。市面上沒有關于節能型或環保型排氣筒，存在著很大的市場空缺。隨著人們環保意識和節能意識的增強，越來越多的人愿意選擇節能減排型排氣筒。汽車數量激增，石油資源緊缺，環境惡化，也使節能減排成為汽車行業的研究熱點。

關鍵字：三元催化器;能量再利用;廢氣循環;塞貝克效應

一、內容簡介

針對汽車發動機能量約30%～40%隨尾氣排放造成的能量浪費和汽車啟動時三元催化器未能達到工作溫度造成的不達標廢氣排放問題。提出了一種汽車排氣管的能量再利用和尾氣處理裝置設計方案，該作品具有結構簡單、成本低、針對性強等特點，并且實現了節約能源和減少尾氣排放對空氣的污染。

本作品的主體是由能量轉化系統和廢氣循環系統組成。能量轉化系統：通過溫差發電片實現排氣筒筒壁熱量的再次利用。為了更高效率的將熱能轉化為電能，使用散熱片讓溫差發電片內外溫差加大。二次利用的熱能可實現廢氣循環系統自主工作。廢氣循環系統：該系統由單片機STM32F10XX實現自動化控制，汽車啟動時，汽車廢氣不符合排放標準，此時將廢氣通入廢氣儲存囊中，利用溫度傳感器對三元催化器溫度進行監控，當溫度達到三元催化器工作溫度時，通過單片機實現排氣通道的轉換，將汽車尾氣排入空氣中。同時用微型抽氣機將廢氣儲存囊中的不達標廢氣再次通入三元催化器進行二次催化。這樣避免了汽車啟動時因三元催化器溫度低，催化效率低導致不達標的廢氣排放的情況。

通過塞貝克效應構成的能量轉化系統，實現了廢氣的余熱的再次利用;通過廢氣循環系統解決了因汽車啟動時三元催化器溫度低，催化效率低不能達到尾氣處理標準的問題。本作品既實現了節約能源也實現了減少廢氣的排放，并且立于現實存在的問題，針對性很強，應用方向明確、結構簡單、易于實現、成本低，所以具有很高的可行性和非常好的應用效果。

二、技術可行性分析

整套設備的安裝具有耗電量小，結構簡單的特點，按圖1原理平面圖連接即可。將①氣體壓強傳感器②溫度傳感器③電磁閥門④微型抽氣機與單片機STM32F10XX連接實現單片機對四種電子器件的控制和自動化工作。⑦儲電裝置⑧單片機⑨溫差發電片按原理圖示意連接，這樣實現了裝置得自主供能運行。將廢氣通道按圖連接好便可使用。整套裝置結構簡單，安裝方便，對原有的汽車裝置改動很小，且實現了廢氣的排放，有較高的實用價值。

參數可行性分析

根據周毅等人的研究成果三元催化器冷起動研究分析中對三元催化器溫度隨啟動時間的關系可以知道20秒后三元催化器的溫度可以達到300°C[1]。這時三元催化器開始工作。

三元催化器溫度隨時間變化規律，反映了催化器位置對催化器前廢氣溫度的影響， 在測試循環開始20秒后 ， 布置在發動機附近的催化器前的廢氣溫度可達300°C。這也說明本裝置的儲氣囊的容量應大于汽車啟動后20秒排放的廢氣。

以國家標準按g來算，汽車尾氣排放的質量流量平均約為23g/s，氣體摩爾體積22.4L/mol，空氣的摩爾質量29g/mol，也就是說汽車尾氣排放量17.77L/s，20秒大約355.31L，而普通轎車汽車后備箱為400～500L，氣囊可以實現儲存汽車啟動后20秒的廢氣。

自主運行可行性分析

對排期管利用余熱溫差發電的轉換效率進行研究，分析溫差發電所轉化的能量是否可以供給廢氣循環系統實現自主運行。因為尾氣循環和溫差發電都是以汽車一次啟動為周期，只要滿足一周期內溫差發電轉化能量大于廢氣循環一次所消耗的能量即可實現自主供能。廢氣余熱溫差發電效率已經有很多人進行了研究，在徐剛的汽車尾氣余熱溫差發電系統仿真與設計得到了利用余熱溫差發電的轉換效率 [2]。

其中 為發動機尾氣攜帶能量百分比， 集熱器集熱效率， 溫差發電模塊熱電轉換效率， 電路轉換效率。并用ANSYS進行仿真得到了沒消耗了1L燃油可回收其中的0.0129L.這里假設每次汽車出行行駛3公里，汽車一般作為遠距離出行時的工具。所以這個假設顯然合理，也就是說每次大概消耗0.33L的燃油。溫差發電可以得到46.7KJ的能量。而廢棄循環系統的能量消耗主要由12V車載微型抽氣機泵產生，功率56W，流量大于360LPM （LPM是liter per minute的縮寫，升/分鐘）。以儲氣囊容積355L，需要微型抽氣機泵工作1分鐘，消耗能量3.3KJ。很顯然一個周期內溫差發電所獲得能量大于廢氣循環消耗的能量，因此可以實現自主工作。

參考文獻

[1]周毅，劉新宇，高衛民.三元催化器冷起動研究分析[J].內燃機工程，2002（03）：43-45+49.

[2]徐剛. 汽車尾氣余熱溫差發電系統仿真與設計[D].北京交通大學，2014.