汽車廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)的研究

張勇斌（鄭州鐵路技師學(xué)院河南鄭州450041）

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汽車廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)的研究

張勇斌
（鄭州鐵路技師學(xué)院河南鄭州450041）

汽車廢氣渦輪發(fā)電是利用汽車尾氣能量推動渦輪轉(zhuǎn)動并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的一項(xiàng)技術(shù)?；谄嚬?jié)能的思想，以東風(fēng)EQ6100型內(nèi)燃機(jī)為例設(shè)計了汽車廢氣回收利用裝置，并從內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣流量入手配合實(shí)際循環(huán)狀態(tài)和排氣狀況，對熱量的回收效益和渦輪機(jī)功率進(jìn)行了計算，并對渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計，發(fā)電機(jī)進(jìn)行了選型匹配。計算得出了汽車廢氣渦輪發(fā)電渦輪機(jī)的功率和排氣能量大小，證實(shí)了利用汽車廢氣驅(qū)動渦輪發(fā)電的可行性。

汽車廢氣渦輪發(fā)電進(jìn)氣流量回收效益功率計算設(shè)計

Preliminary design

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和汽車保有量的急劇增加，使得石油能源危機(jī)日益突出，汽車節(jié)能問題受到各個國家的重視。為解決能源問題一方面是新能源或替代能源的開發(fā)，像電動汽車，燃料電池汽車或混合動力汽車，以及用醇類燃料或生物燃料等；另一方面是對汽車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些改造或改良，用于節(jié)省燃料的消耗或者把排放的消耗的能量回收利用，像渦輪增壓，回收制動能，以及發(fā)動機(jī)排氣余熱的利用等［1］。

由于內(nèi)燃機(jī)廢氣帶走的能量是相當(dāng)巨大的，汽油機(jī)廢氣帶走熱量占燃料燃燒能量的40%～45%，柴油機(jī)占30%～40%。各國學(xué)者和研究人員目前對于汽車廢氣能利用方面的研究主要的途徑有利用廢氣能量發(fā)電、利用廢熱制冷和驅(qū)動空調(diào)以及利用發(fā)動機(jī)廢熱來取暖等。汽車廢氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的方式不需要對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而且通過能量轉(zhuǎn)換來的電能使用方式很靈活。但也有些問題需要解決：一是能量的轉(zhuǎn)換裝置會對發(fā)動機(jī)的工作性能有影響；二是到底能量的轉(zhuǎn)換效率有多大應(yīng)該通過試驗(yàn)來證明，三是廢氣渦輪發(fā)電裝置的大致結(jié)構(gòu)尺寸的確定也需要深入的研究。下文是目前汽車廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀和亟需解決的幾點(diǎn)問題。

1　汽車廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)的思路

汽車廢氣渦輪發(fā)電技術(shù)的可行性的研究思路首先是確定一種常用的發(fā)動機(jī)，確定廢氣渦輪發(fā)電的原理和裝置，然后根據(jù)理論計算大致確定渦輪機(jī)的功率，接著是渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)的確定，最后是發(fā)電機(jī)型號的選用。在從理論上確定了汽車廢氣渦輪發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)后，進(jìn)行生產(chǎn)零部件反復(fù)的試驗(yàn)后最終確定并可以投入實(shí)際使用并在使用的過程中不斷改進(jìn)和優(yōu)化。

2　研究對象

研究對象是我國國產(chǎn)的常用發(fā)動機(jī)東風(fēng)EQ6100型發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的部分參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

圖1　廢氣驅(qū)動渦輪發(fā)電結(jié)構(gòu)原理圖

3　廢氣渦輪發(fā)電的原理及裝置［2］

廢氣渦輪發(fā)電的裝置如圖1所示。將汽車的排氣管與渦輪機(jī)對接，利用內(nèi)燃機(jī)的尾氣能量推動渦輪葉片轉(zhuǎn)動帶動渦輪軸旋轉(zhuǎn)，由于渦輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸是同軸的，便將內(nèi)燃機(jī)的尾氣能轉(zhuǎn)換成渦輪機(jī)的機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，電能被汽車上的用電設(shè)備來使用，避免了傳統(tǒng)汽車把汽車尾氣直接排放到大氣中而造成大氣污染和能量的浪費(fèi)。

對于廢氣能量的利用裝置一種是先將各個氣缸的尾氣匯集一個總管穩(wěn)壓后來利用，這種廢氣回收裝置叫恒壓式廢氣回收發(fā)電機(jī)構(gòu)，如圖2所示。這種裝置效率低但對原來發(fā)動機(jī)的工作無影響，比較穩(wěn)定。另一種是利用不同的發(fā)動機(jī)工況和發(fā)動機(jī)各個氣缸的工作先后順序?qū)⒏髋艢庵Ч芊謩e與渦輪管對接，形成脈沖式廢氣回收發(fā)電機(jī)構(gòu)，如圖3所示。這種機(jī)構(gòu)能量回收利用的效率較高，但排氣不穩(wěn)定，對發(fā)動機(jī)的工作有干涉作用。

圖2　　恒壓式廢氣回收發(fā)電機(jī)構(gòu)圖

圖3　脈沖式廢氣回收發(fā)電機(jī)構(gòu)圖

4　渦輪機(jī)功率的確定［3，4］

根據(jù)上述汽車廢氣渦輪發(fā)電裝置以恒壓式為研究對象，要計算渦輪機(jī)的功率需要計算得出內(nèi)燃機(jī)的空氣消耗量和進(jìn)氣密度。內(nèi)燃機(jī)空氣消耗量的確定需要知道燃油流量、燃燒的理論空氣量和過量空氣系數(shù)等。空氣流量與內(nèi)燃機(jī)的功率（指示功率）的比值稱空氣消耗率，燃燒過量空氣系數(shù)與指示燃油消耗量之間有經(jīng)驗(yàn)公式可查。理論空氣量柴油機(jī)為14～14.3，汽油機(jī)為14.8，內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率一般在0.75～0.85之間。這些數(shù)據(jù)可以求得EQ6100型內(nèi)燃機(jī)在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min時空氣流量為72.649 5 kg/h。對于進(jìn)氣密度量的確定依據(jù)是輸入氣缸的熱量與燃油消耗量和燃油低熱值的關(guān)系，而燃油消耗量可用空氣量和過量空氣系數(shù)和理論燃燒空氣量來代替從而有如下公式：

代入各個量可以求出汽油機(jī)的進(jìn)氣密度大約在1.137kg/m3，柴油機(jī)大約在2.4 kg/m3左右。內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣量有兩個部分，一是吸入的新鮮空氣量，另一部分是掃氣空氣量。新鮮空氣量可用公式

計算得到為2.734 kg/min。掃氣空氣量根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)和公式

求出為0.009 1 kg/s。這樣可以得到一缸進(jìn)氣質(zhì)量流量大約為0.054 1 kg/s。全負(fù)荷時內(nèi)燃機(jī)的廢氣流量大約為內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣量的1.03倍，這樣就能求出渦輪機(jī)的質(zhì)量流量為0.167 kg/s。

對于空氣消耗量的計算一個可以根據(jù)燃油流量、理論燃燒空氣量和過量空氣系數(shù)的乘積算得，也可以把空氣消耗量分為內(nèi)燃機(jī)吸入的空氣量和掃氣空氣量兩部分分別計算得到。結(jié)合內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)狀態(tài)可以得出渦輪機(jī)的質(zhì)量流量在0.167kg/s左右，內(nèi)燃機(jī)的理論排氣功可用公式

代入量求得的理論排氣功為124 564 J/kg，渦輪機(jī)的效率在0.65～0.8之間，以定壓渦輪為例渦輪的效率取70%或80%，則利用公式

計算出的渦輪機(jī)功率分別為8.5 kW和9.7 kW。因此由數(shù)據(jù)可知渦輪機(jī)的功率在8～9 kW左右。

5　渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)的匹配［5］

渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)的確定比較困難，由于空氣流速不定，所以渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速不定，從理論上計算渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，可以在現(xiàn)有的渦輪機(jī)的型號中進(jìn)行選取，然后用試驗(yàn)的方法來選定。渦輪機(jī)以徑流式渦輪機(jī)為例經(jīng)過計算得出了渦輪機(jī)的等效流通面積和渦輪機(jī)級的平均直徑。

已知渦輪機(jī)的葉片數(shù)、葉片高度、葉片通道的出口平均寬度和截面收縮系數(shù)，則根據(jù)公式

可以計算出渦輪機(jī)的等效流通面積，以EQ6100型發(fā)動機(jī)和以上渦輪機(jī)功率等數(shù)據(jù)可以求得渦輪機(jī)的等效流通面積為41.5，對于渦輪機(jī)級的平均直徑假定沖動級為最佳速度比三級，利用公式

在理論上已經(jīng)計算出了渦輪機(jī)級的情況，一般在10 kW以下的渦輪機(jī)按通常轉(zhuǎn)速3 000 r/min左右來計算渦輪機(jī)級的平均直徑大致在0.244 5 m左右。

6　發(fā)電機(jī)的匹配

一般情況下，發(fā)電機(jī)有兩對磁極，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min或3 000 r/min，交流電頻率為50 Hz，一般采用有刷交流同步發(fā)電機(jī)。已經(jīng)計算出渦輪機(jī)的功率，又知道渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)是共軸的，即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速相同。根據(jù)設(shè)計渦輪機(jī)時確定的渦輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，為了能充分發(fā)揮渦輪機(jī)的效率，最好應(yīng)使渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率相等但實(shí)際中由于各種損失的存在不可能使功率相等。為保險起見選擇現(xiàn)有的功率轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)為宜，已經(jīng)知道了渦輪機(jī)功率便知道了發(fā)電機(jī)的輸入功率或總功率，在現(xiàn)有的三相同步發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)上選取，如下表2和表3所示。

交流同步發(fā)電機(jī)分為有刷交流同步發(fā)電機(jī)和無刷交流發(fā)電機(jī)。同步交流發(fā)電機(jī)是指它的轉(zhuǎn)速n與所產(chǎn)生的電流的頻率f及發(fā)電機(jī)本身的磁極對數(shù)p之間保持著恒定的關(guān)系，即：

表2　渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時選定發(fā)電機(jī)的參數(shù)

發(fā)電機(jī)需要配合合適的變壓電路和設(shè)備，輸出的電能才可以被使用。

表3　渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時選定發(fā)電機(jī)的參數(shù)

7　結(jié)論及展望

經(jīng)過對汽車廢氣渦輪發(fā)電的研究，發(fā)現(xiàn)尾氣發(fā)電量高，對于廢氣能量利用率高，不需要對現(xiàn)有汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行大方面的改造，易于短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，投入低，收益大，是現(xiàn)有汽車節(jié)能方法中很有潛力的研究方向［6-11］。

目前在渦輪機(jī)功率方面已經(jīng)取得了一定的成果，大致確定了渦輪機(jī)功率的數(shù)據(jù)，對于渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的匹配方面，只做了淺易的分析，不夠詳細(xì)。此外，計算都是基于發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的定量計算，沒有考慮轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化而引起排氣流量變化，進(jìn)而影響渦輪機(jī)功率以及發(fā)電機(jī)電壓電流的浮動等情況；另外，整流器的設(shè)計，排氣管上的旁通孔控制；渦輪機(jī)入口管徑與排氣管管徑的配合和面積比；排氣管的布置以及管道內(nèi)各種阻力和散熱量計算等等都沒有涉及。

脈沖問題沒有考慮，對于渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)只提供了一些思路，沒有具體到葉片，管徑等基本數(shù)據(jù)，發(fā)電機(jī)的選型僅做了定性的分析等。

以后研究的重點(diǎn)一個是渦輪的選型和匹配，另一個是發(fā)電機(jī)的配套選用，具體需要進(jìn)行若干的試驗(yàn)研究，得出更有力的數(shù)據(jù)，爭取短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車廢氣渦輪發(fā)電的實(shí)用性和產(chǎn)業(yè)化。所以，有很多方面還需要進(jìn)一步的研究。

1朱智富.汽車廢熱利用的有效途徑［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，19（2）：51-53，59

2張鐵柱，張洪信，郝健.內(nèi)燃機(jī)廢氣能量回收利用裝置：中國，012433330［P］.2002-07-03

3張勇斌.EQ6100型內(nèi)燃機(jī)空氣消耗量的計算［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2014（12）：21-24

4張勇斌.汽車廢氣渦輪發(fā)電之渦輪機(jī)功率的確定［J］.汽車維修，2014（10）：4-7

5張勇斌.汽車廢氣渦輪發(fā)電之渦輪機(jī)的匹配［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2015（1）：110-113

6周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000

7張鐵柱，張洪信.汽車安全，節(jié)能與環(huán)保［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004

8黃慶宏.汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)原理與應(yīng)用［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2005

9顧宏中.MIXPC渦輪增壓系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2006

10蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001

11機(jī)械工業(yè)部.中小型電機(jī)產(chǎn)品樣本［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995

The Study of Automotive Exhaust Gas Turbine Power Generation Technology

Zhang Yongbin
Zhengzhou Railway Technician College（Zhengzhou，Henan，450041，China）

Automotive exhaust gas turbine power generation is a technology to use the car exhaust energy to rotate and drive a turbine generator to generate electricity.Based on the idea of energy-saving cars，taking Dongfeng EQ6100-type internal combustion engine as an example，a vehicle exhaust recycling system was designed.Combining the engine intake air flow rate and the actual cycling situation as well as the exhaust situation，the heat recovery efficiency and turbine power were calculated，turbine structure was preliminarily designed，and the selection of matching generators was carried out.Calculation of the automobile exhaust turbine generator turbine power and exhaust energy confirmed the feasibility of the use of motor vehicle exhaust to drive a turbine to generate electricity.

Car exhaust，Turbine generator，Intake air flow rate，Recovery efficiency，Power calculation，

TK413.4+4

A

2095-8234（2015）06-0053-04

張勇斌（1983-），男，講師，主要研究方向?yàn)槠嚰夹g(shù)。

（2015-07-28）