汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計與分析

劉志恩，夏婉揚，黃博文，焦柯柯，郭彩祎，張有財，戴胡偉，朱文昌，張相超

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

以汽油和柴油為燃料的汽車發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的熱量僅有30% ～40%被轉(zhuǎn)換成有用功輸出，剩下的60% ～70%一部分被冷卻水帶走散失掉，另一部分被排放廢氣帶走，使得排氣溫度高達700～900 ℃［1］。為了回收這部分熱量，筆者設(shè)計了一種汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，能夠綜合利用汽車?yán)鋮s水和發(fā)動機尾氣中的部分熱量加熱該系統(tǒng)工質(zhì)，產(chǎn)生較高壓力推動渦輪轉(zhuǎn)動，并最終轉(zhuǎn)化成電能，供汽車再利用。該系統(tǒng)相對于利用溫差發(fā)電材料從發(fā)動機尾氣回收熱量的方法［2］來說，具有更高的理論轉(zhuǎn)化效率和可實現(xiàn)性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)主要是利用汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中的冷卻水和尾氣的熱量加熱該系統(tǒng)液體工質(zhì)，使其變成蒸汽以推動渦輪機轉(zhuǎn)動，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，渦輪機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。該系統(tǒng)主要包括熱水傳送子系統(tǒng)、渦輪轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)、蒸汽傳送子系統(tǒng)和換熱裝置子系統(tǒng)等，由尾氣換熱裝置、冷凝器、冷卻水換熱器、水箱、水泵、渦輪機、發(fā)電機、泵噴嘴和壓力閥等零部件和裝置構(gòu)成。圖1 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中顯示了汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)所包含的設(shè)備和布置方式，以及發(fā)動機冷卻水路、排氣、系統(tǒng)液體與蒸汽的流動方向。該系統(tǒng)中的液體可以是水，也可以是發(fā)動機冷卻液(水和乙二醇的混合液)。

尾氣換熱裝置是利用發(fā)動機尾氣熱量將熱液體變?yōu)檎羝难b置。其安裝在發(fā)動機排氣管中，布置在催化器和波紋管之后，消聲器之前的位置，目的是在不影響發(fā)動機催化轉(zhuǎn)化效率，特別是低溫冷啟動時的催化器轉(zhuǎn)化效率的前提下，減少發(fā)動機振動激勵的影響，盡可能地利用尾氣熱量。

尾氣換熱裝置蒸汽出口端布置壓力閥。其一方面使產(chǎn)生的蒸汽壓力穩(wěn)定，有利于渦輪機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn);另一方面起到安全控制作用，防止尾氣換熱裝置內(nèi)蒸汽壓力過高而破壞設(shè)備。進口端布置一種類似噴油器結(jié)構(gòu)的泵噴嘴裝置［3］，以實現(xiàn)液體工質(zhì)的供給。

渦輪機是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置。通過蒸汽推動渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，渦輪機主軸通過皮帶傳動帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能，存儲到蓄電池中。在混合動力汽車中，蓄電池中的電能可讓電動機運轉(zhuǎn)并驅(qū)動車輛。

冷凝器是采用風(fēng)冷方式將經(jīng)過渦輪機做功后的蒸汽冷卻成液體，使渦輪機出口端壓力下降，有利于蒸汽做功。

冷卻水換熱器一方面在冷凝器效率不夠時，繼續(xù)將蒸汽冷卻成液體，另一方面充分利用發(fā)動機中冷卻水的熱量，使冷凝后的液體溫度穩(wěn)定在一定高溫下，減少尾氣換熱裝置加熱時間。發(fā)動機冷卻水離開缸體時的溫度可達到90 ～95 ℃，使尾氣換熱裝置中的液體被快速加熱成蒸汽。

圖1 汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從冷卻水換熱器出來的熱液體進入水箱，使殘余蒸汽和液體分離，減少液體在管道傳輸中產(chǎn)生氣阻的可能性，有利于水泵將液體壓入尾氣換熱裝置中，實現(xiàn)汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)內(nèi)液體流動的再循環(huán)。如果尾氣換熱裝置內(nèi)蒸汽壓力比較高，則可以采用泵噴嘴的方式將液體壓入尾氣換熱裝置中。

1.2 工作原理

在汽車發(fā)動機正常運行一段時間后，冷卻系統(tǒng)大循環(huán)開啟，通過冷卻水換熱器加熱系統(tǒng)中的液體;水泵將水箱中的熱液體輸送到發(fā)動機排氣管上的尾氣換熱裝置中，利用尾氣熱量將熱液體變?yōu)檎羝?當(dāng)尾氣換熱裝置內(nèi)的蒸汽壓力達到壓力閥限定的開啟壓力后，進入渦輪機推動渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能;做功后的蒸汽進入冷凝器冷卻成液體后，進入冷卻水換熱器繼續(xù)冷卻或加熱，然后流入小水箱，在水泵的作用下實現(xiàn)再循環(huán)。

1.3 系統(tǒng)的理論熱效率

基于現(xiàn)有的技術(shù)所能達到的發(fā)動機熱效率、換熱器換熱效率，以及蒸汽渦輪機轉(zhuǎn)化效率，可以推算出該系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)化效率。目前發(fā)動機指示熱效率一般為30% ～40%，有效熱效率為20% ～30%，發(fā)動機廢氣帶走的熱量約占燃燒總熱量的30%;換熱器的換熱效率一般指被加熱介質(zhì)所吸收的熱量比上加熱介質(zhì)所消耗的熱量，最高值可達90%。大型蒸汽渦輪機的轉(zhuǎn)化效率是指蒸汽轉(zhuǎn)化為機械功的能量與加熱蒸汽熱量的比值，最高值可達40%［4］?？紤]到發(fā)動機尾氣熱量不可能被完全利用，以及蒸汽渦輪機在汽車實際應(yīng)用上的局限性，這里取換熱器的換熱效率為40%，蒸汽渦輪機的效率為25%，考慮到蒸汽傳輸、機械損失，以及機械能與電能能量轉(zhuǎn)化中的損耗，設(shè)效率為70%，則該系統(tǒng)的理論熱效率η 可達到：

η=40% ×25% ×70% =7.0%

即發(fā)動機廢氣熱量中的7.0%可被轉(zhuǎn)化成電能回收利用。如果發(fā)動機燃燒產(chǎn)生熱量所做的有效功與廢氣帶走的熱量相當(dāng)，則相當(dāng)于發(fā)動機輸出的有效功率提高了7.0%。其與采用渦輪增壓技術(shù)后發(fā)動機功率提高的程度相當(dāng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計與選型

根據(jù)所設(shè)計的汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，針對一臺1.5 L 排量發(fā)動機，完成該系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計和選型，系統(tǒng)中的液體以水為工質(zhì)。該1.5 L 發(fā)動機為雙頂置凸輪水冷汽油機，其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 1.5 L 發(fā)動機主要參數(shù)

圖2 為該系統(tǒng)中最重要的兩個裝置的結(jié)構(gòu)圖，即尾氣換熱裝置(圖2(a))和渦輪機(圖2(b))。其主要裝置設(shè)計及選型如下：

(1)尾氣換熱裝置。該系統(tǒng)采用圖2(a)中的裝置來收集汽車尾氣的熱量，其結(jié)構(gòu)是目前汽車渦輪增壓中冷凝器通常采用的管殼式結(jié)構(gòu)。該換熱裝置設(shè)計為可耐600 ℃溫度，可在2 MPa 壓強下工作，目的是使汽車尾氣溫度降至300 ℃，且將熱水加熱至沸騰狀態(tài)。蒸汽出口設(shè)置在尾氣入口端附近，熱水與尾氣逆流換熱，尾氣入口處溫度較高，可使該處蒸汽處于較大壓力下。殼體內(nèi)部裝有多根小管，小管兩端固定在管板上，小管壁為螺旋狀，可增加接觸面積，提高換熱效率。汽車尾氣從管內(nèi)通過，熱水在管外流動。為提高管外熱水的對流傳熱系數(shù)，在殼體內(nèi)安裝若干擋板。擋板可提高熱水流動速度，迫使流體按規(guī)定路程多次橫向通過小管，增強流體湍流程度［5］。

圖2 尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化裝置中關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)圖

(2)渦輪機。渦輪機是由“汽油機廢氣渦輪增壓器”改造而成的。利用其耐高溫，耐沖擊的特性和成熟的葉片設(shè)計，保證此處可靠性與效率的最大化。改造過程中，卸掉了壓氣機的葉片，安裝了傳動齒輪帶動發(fā)電機發(fā)電。

對于人名翻譯不統(tǒng)一的批評和標(biāo)準(zhǔn)的呼吁見諸于眾多文章，但像譯音表、新華社的譯文等國家標(biāo)準(zhǔn)并非可以解決一切問題，不同翻譯既是現(xiàn)實問題，也是優(yōu)選的需要。而“約定俗成”需要時日，不能立即一刀切。一刀切，一個標(biāo)準(zhǔn)的翻譯，表面是統(tǒng)一，但本質(zhì)上卻留下遺憾。漢字的本質(zhì)是表意的，即使專有名詞也難免，這一點與字母文字殊為不同。這是漢外翻譯的困難所在，也是漢語文化吸收積淀所必需的歷程。外文人名漢譯涉及方面眾多，但如上所說，其實踐理據(jù)應(yīng)該是兼顧語音和語義的一種語言創(chuàng)造。

2.2 計算與分析

在混合動力汽車中，發(fā)動機大部分時間處于相對穩(wěn)定的最佳油耗點工況，因此，該系統(tǒng)理論計算主要針對發(fā)動機最低油耗點的工況進行。表2顯示了實際測得的1.5 L 排量發(fā)動機在最低油耗點工況下的試驗數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中的液體以水為工質(zhì)進行該系統(tǒng)的效率計算。

表2 1.5 L 發(fā)動機標(biāo)定參數(shù)

設(shè)定進入尾氣換熱裝置的廢氣溫度為600 ℃，出口溫度為300 ℃，則可以計算出傳遞給尾氣換熱裝置內(nèi)液體的熱量。假設(shè)尾氣換熱裝置蒸汽出口端，壓力閥的開啟壓力為1 MPa，則可以計算出渦輪機的轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)有關(guān)理論和公式［6-7］，計算所獲得的該系統(tǒng)的相關(guān)性能參數(shù)如表3 所示。

表3 由理論計算得到的系統(tǒng)性能參數(shù)

假設(shè)綜合考慮渦輪機與發(fā)電機之間的傳動效率為70%，則該系統(tǒng)可獲得電能：

系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)化效率為：

該效率比熱電材料熱能轉(zhuǎn)換為電能的效率(5% ～7%)要高。廢氣熱量回收利用率為：

相當(dāng)于回收了排氣熱量的4.8%。

3 實驗測試與分析

由于整體汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性，試驗主要測試了汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中兩組關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，即尾氣換熱裝置受廢氣熱所能產(chǎn)生蒸汽壓力的大小和不同排氣壓力與渦輪機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

3.1 尾氣換熱裝置受熱測試

發(fā)動機穩(wěn)定運行一段時間后，尾氣換熱裝置受到廢氣加熱，其內(nèi)部水開始沸騰并產(chǎn)生蒸汽;由于蒸汽出口直徑小，起到較大的節(jié)流作用，水蒸汽壓力逐漸升高，并最終穩(wěn)定在1 MPa 左右。此時尾氣換熱裝置前端管路溫度為600 ℃。水蒸汽的壓力與出口直徑有關(guān)，直徑越大，裝置內(nèi)的蒸汽壓力越小。蒸汽出口完全關(guān)閉時，裝置內(nèi)水蒸汽壓力達到飽和，蒸汽壓力為1.8 MPa 左右。

3.2 排氣壓力與渦輪機轉(zhuǎn)速關(guān)系測試

采用空氣壓縮機來產(chǎn)生較高壓力，研究排氣壓力與渦輪機轉(zhuǎn)速關(guān)系。測試設(shè)備有W -0.9/7-D 型空氣壓縮機、HT -4200 型測速儀和JWF型永磁發(fā)電機等。試驗裝置如圖3 所示。渦輪機通過傳動軸與發(fā)電機相連，空氣壓縮機產(chǎn)生的高壓氣體推動渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電機輸出端連接車用電瓶。分別對渦輪機空轉(zhuǎn)、渦輪機+傳動軸和渦輪機+傳動軸+發(fā)電機工況下的渦輪機轉(zhuǎn)速進行測試。圖4 為排氣壓力與渦輪機轉(zhuǎn)速關(guān)系的測試結(jié)果。

圖3 排氣壓力與渦輪機轉(zhuǎn)速試驗裝置

圖4 排氣壓力與轉(zhuǎn)速關(guān)系

試驗結(jié)果表明，當(dāng)渦輪機加上傳動軸和發(fā)動機以后渦輪機轉(zhuǎn)速快速下降。因此，傳動軸的傳動效率直接影響渦輪機的轉(zhuǎn)速輸出。此外，綜合不同工況下的轉(zhuǎn)速氣壓關(guān)系表和試驗時觀察的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：齒輪的配合關(guān)系、傳動軸的轉(zhuǎn)動慣量、氣流進入渦輪機吹動葉片角度，以及排氣口徑的大小都影響渦輪機的轉(zhuǎn)速輸出和能量轉(zhuǎn)化效率。

試驗中在最大渦輪機轉(zhuǎn)速下采用萬用表測得發(fā)電機輸出電壓和電流。測試3 次，取平均值得到發(fā)電機輸出功率為0.155 kW，比理論計算值1.227 kW 要小得多。除排氣壓力沒有達到設(shè)定值、排氣量與渦輪機匹配不合理，以及氣體流動過程存在漏氣等現(xiàn)象外，測試裝置制造精度不高也是主要原因。

4 結(jié)論

(1)建立了汽車尾氣蒸汽渦輪轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的主要框架結(jié)構(gòu)，其創(chuàng)新點在于系統(tǒng)通過冷卻水換熱器將冷卻系統(tǒng)中的熱水引入到尾氣換熱裝置中，利用高溫廢氣將熱水快速加熱成水蒸汽推動渦輪機旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)充分利用了發(fā)動機冷卻水和尾氣的熱量，將原本散失的熱量轉(zhuǎn)化為可利用的機械能和電能，實現(xiàn)了熱能的回收。為發(fā)動機燃料利用率的提高提供了可行的方案。

(2)針對1.5 L 汽油機完成了該系統(tǒng)實物模型的研發(fā)，進行了關(guān)鍵部件的選型設(shè)計和開發(fā)，獲得了該系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。計算結(jié)果表明，該系統(tǒng)的能量回收效率比較可觀。

(3)發(fā)動機臺架試驗測試雖然未能達到該系統(tǒng)理論效率，但證明了該系統(tǒng)實施的可能性，并指出了影響該系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率的一些因素，如傳動軸轉(zhuǎn)化效率、渦輪機與排氣壓力的匹配等。

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