引言

以自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車為例,汽車燃料燃燒所產(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),在新能源汽車技術(shù)不成熟的條件下,對(duì)汽車廢氣能量回收利用技術(shù)的研究成為當(dāng)今汽車工業(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)合起來回收發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的熱能,是提高發(fā)動(dòng)機(jī)合效率、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,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,通過動(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)生的電能為汽車用電設(shè)備供電和蓄電池充電,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)排氣合歧管進(jìn)入到動(dòng)力渦輪中,推動(dòng)渦輪葉輪旋轉(zhuǎn),通過動(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),通過接線端子引出,接在回路中,便產(chǎn)生了電流,之后將其整流穩(wěn)壓儲(chǔ)入蓄電池中或直接為汽車上的用電設(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)安裝于排氣合歧管中上部,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C00m/8以上,符s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閉,從而對(duì)排氣進(jìn)行分流,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。裝置合體布置如圖1所示。

2.2新型動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)

廢氣渦輪的轉(zhuǎn)速主要通過控制廢氣的流量來進(jìn)行調(diào)節(jié),在廢氣流量較大時(shí),打開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改變導(dǎo)流葉片的面積來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s的彈簧連裝起來,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。

圖1廢氣渦輪發(fā)電系統(tǒng)總體布置圖

圖2離心式可變面積渦輪

(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。

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。

(2）發(fā)電機(jī)選用永磁同步式,電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、定子、繞組、外殼、轉(zhuǎn)速傳感器、冷卻裝置等部件組成,與普通交流電機(jī)的不同之處在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其轉(zhuǎn)子鐵芯的圓周面上安裝有永磁體,是磁極,定子是發(fā)出電能的電樞,由鐵芯及其上裝的繞組組成。采用永磁發(fā)電機(jī),是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)省去了產(chǎn)生磁場(chǎng)所需要的勵(lì)磁功率和滑環(huán)與碳刷之間摩擦的機(jī)械損失,因此該發(fā)電機(jī)效率較高。普通勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在1500～6000r/min的平均效率大約為45%～55%,而永磁發(fā)電機(jī)則高達(dá)75%～80%。永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)還有發(fā)熱少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,噪聲小:采用全封閉結(jié)構(gòu),無傳動(dòng)齒輪磨損,免潤(rùn)滑,免維護(hù)。考慮到散熱,可以在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸尾部加裝風(fēng)扇葉片。

(3）發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量回收系統(tǒng)中渦輪機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速較高(最高可達(dá)40000～50000r/min）,這就要求發(fā)電機(jī)能承受最高40000r/min的轉(zhuǎn)速和渦輪軸輸出的功率范圍,最后選用額定功率在1.5kW左右的發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過整流器、穩(wěn)壓器等形成較穩(wěn)定的直流電,供車載蓄電池儲(chǔ)存起來,這樣就完成了將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣能量轉(zhuǎn)換為可利用電能的過程。

4結(jié)論及展望

為了提高自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣利用率和發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率,實(shí)現(xiàn)變廢為寶的目標(biāo),設(shè)計(jì)了創(chuàng)新型離心式可變面積渦輪發(fā)電機(jī)裝置。本裝置利用自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高溫高壓的廢氣帶動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生可以利用的電能,不僅實(shí)現(xiàn)了廢氣再次利用,而且可減少發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷,提高汽車整體經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性,從而達(dá)到提高廢氣利用率和發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的目的。經(jīng)過對(duì)汽車廢氣渦輪機(jī)發(fā)電的研究,不僅發(fā)現(xiàn)離心式可變面積渦輪機(jī)對(duì)廢氣能量的利用率高,而且本裝置不需要對(duì)現(xiàn)有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改造,裝置小巧易生產(chǎn),是現(xiàn)有汽車節(jié)能方法中很有潛力的研究方向。對(duì)于本裝置,渦輪發(fā)電機(jī)和汽車蓄電池的匹配,以及影響離心式可變面積渦輪發(fā)電機(jī)功率和所產(chǎn)生電壓、電流大小的因素,是今后研究的重點(diǎn),具體還需要進(jìn)行若干次的試驗(yàn)研究,得出更有力的數(shù)據(jù),所以很多方面還有待進(jìn)一步提高。另外,本團(tuán)隊(duì)相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備以及技術(shù)設(shè)備也存在諸多不足之處,如何對(duì)現(xiàn)有的創(chuàng)新型離心式可變面積渦輪發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化和改進(jìn),是團(tuán)隊(duì)下一步努力的目標(biāo)。