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(dāng)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(jù)噪音和尾氣排放速度等進(jìn)行分類。市面上沒有關(guān)于節(jié)能型或環(huán)保型排氣筒，存在著很大的市場(chǎng)空缺。隨著人們環(huán)保意識(shí)和節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，越來越多的人愿意選擇節(jié)能減排型排氣筒。汽車數(shù)量激增，石油資源緊缺，環(huán)境惡化，也使節(jié)能減排成為汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

關(guān)鍵字：三元催化器;能量再利用;廢氣循環(huán);塞貝克效應(yīng)

一、內(nèi)容簡(jiǎn)介

針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能量約30%～40%隨尾氣排放造成的能量浪費(fèi)和汽車啟動(dòng)時(shí)三元催化器未能達(dá)到工作溫度造成的不達(dá)標(biāo)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(shè)計(jì)方案，該作品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源和減少尾氣排放對(duì)空氣的污染。

本作品的主體是由能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和廢氣循環(huán)系統(tǒng)組成。能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)：通過溫差發(fā)電片實(shí)現(xiàn)排氣筒筒壁熱量的再次利用。為了更高效率的將熱能轉(zhuǎn)化為電能，使用散熱片讓溫差發(fā)電片內(nèi)外溫差加大。二次利用的熱能可實(shí)現(xiàn)廢氣循環(huán)系統(tǒng)自主工作。廢氣循環(huán)系統(tǒng)：該系統(tǒng)由單片機(jī)STM32F10XX實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，汽車啟動(dòng)時(shí)，汽車廢氣不符合排放標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)將廢氣通入廢氣儲(chǔ)存囊中，利用溫度傳感器對(duì)三元催化器溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)溫度達(dá)到三元催化器工作溫度時(shí)，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)排氣通道的轉(zhuǎn)換，將汽車尾氣排入空氣中。同時(shí)用微型抽氣機(jī)將廢氣儲(chǔ)存囊中的不達(dá)標(biāo)廢氣再次通入三元催化器進(jìn)行二次催化。這樣避免了汽車啟動(dòng)時(shí)因三元催化器溫度低，催化效率低導(dǎo)致不達(dá)標(biāo)的廢氣排放的情況。

通過塞貝克效應(yīng)構(gòu)成的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了廢氣的余熱的再次利用;通過廢氣循環(huán)系統(tǒng)解決了因汽車啟動(dòng)時(shí)三元催化器溫度低，催化效率低不能達(dá)到尾氣處理標(biāo)準(zhǔn)的問題。本作品既實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源也實(shí)現(xiàn)了減少?gòu)U氣的排放，并且立于現(xiàn)實(shí)存在的問題，針對(duì)性很強(qiáng)，應(yīng)用方向明確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低，所以具有很高的可行性和非常好的應(yīng)用效果。

二、技術(shù)可行性分析

整套設(shè)備的安裝具有耗電量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，按圖1原理平面圖連接即可。將①氣體壓強(qiáng)傳感器②溫度傳感器③電磁閥門④微型抽氣機(jī)與單片機(jī)STM32F10XX連接實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)四種電子器件的控制和自動(dòng)化工作。⑦儲(chǔ)電裝置⑧單片機(jī)⑨溫差發(fā)電片按原理圖示意連接，這樣實(shí)現(xiàn)了裝置得自主供能運(yùn)行。將廢氣通道按圖連接好便可使用。整套裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，對(duì)原有的汽車裝置改動(dòng)很小，且實(shí)現(xiàn)了廢氣的排放，有較高的實(shí)用價(jià)值。

參數(shù)可行性分析

根據(jù)周毅等人的研究成果三元催化器冷起動(dòng)研究分析中對(duì)三元催化器溫度隨啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)系可以知道20秒后三元催化器的溫度可以達(dá)到300°C[1]。這時(shí)三元催化器開始工作。

三元催化器溫度隨時(shí)間變化規(guī)律，反映了催化器位置對(duì)催化器前廢氣溫度的影響， 在測(cè)試循環(huán)開始20秒后 ， 布置在發(fā)動(dòng)機(jī)附近的催化器前的廢氣溫度可達(dá)300°C。這也說明本裝置的儲(chǔ)氣囊的容量應(yīng)大于汽車啟動(dòng)后20秒排放的廢氣。

以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)按g來算，汽車尾氣排放的質(zhì)量流量平均約為23g/s，氣體摩爾體積22.4L/mol，空氣的摩爾質(zhì)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存汽車啟動(dòng)后20秒的廢氣。

自主運(yùn)行可行性分析

對(duì)排期管利用余熱溫差發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行研究，分析溫差發(fā)電所轉(zhuǎn)化的能量是否可以供給廢氣循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行。因?yàn)槲矚庋h(huán)和溫差發(fā)電都是以汽車一次啟動(dòng)為周期，只要滿足一周期內(nèi)溫差發(fā)電轉(zhuǎn)化能量大于廢氣循環(huán)一次所消耗的能量即可實(shí)現(xiàn)自主供能。廢氣余熱溫差發(fā)電效率已經(jīng)有很多人進(jìn)行了研究，在徐剛的汽車尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)得到了利用余熱溫差發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率 [2]。

其中 為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣攜帶能量百分比， 集熱器集熱效率， 溫差發(fā)電模塊熱電轉(zhuǎn)換效率， 電路轉(zhuǎn)換效率。并用ANSYS進(jìn)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(shè)每次汽車出行行駛3公里，汽車一般作為遠(yuǎn)距離出行時(shí)的工具。所以這個(gè)假設(shè)顯然合理，也就是說每次大概消耗0.33L的燃油。溫差發(fā)電可以得到46.7KJ的能量。而廢棄循環(huán)系統(tǒng)的能量消耗主要由12V車載微型抽氣機(jī)泵產(chǎn)生，功率56W，流量大于360LPM （LPM是liter per minute的縮寫，升/分鐘）。以儲(chǔ)氣囊容積355L，需要微型抽氣機(jī)泵工作1分鐘，消耗能量3.3KJ。很顯然一個(gè)周期內(nèi)溫差發(fā)電所獲得能量大于廢氣循環(huán)消耗的能量，因此可以實(shí)現(xiàn)自主工作。

參考文獻(xiàn)

[1]周毅，劉新宇，高衛(wèi)民.三元催化器冷起動(dòng)研究分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2002（03）：43-45+49.

[2]徐剛. 汽車尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2014.