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引言

以自然吸氣發動機汽車為例,汽車燃料燃燒所產生的熱量除了轉化為有用的機械能外,其余大部分被發動機所消耗和遺失,其中發動機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,將有助于提高發動機燃油經濟性,減少環境污染。如何提高發動機能量利用率一直是人們關注的焦點,在新能源汽車技術不成熟的條件下,對汽車廢氣能量回收利用技術的研究成為當今汽車工業發展的一個新趨勢。將發動機與廢氣渦輪發電技術聯合起來回收發動機排氣的熱能,是提高發動機合效率、降低油耗的一個有效途徑。相比于傳統自然吸氣發動機廢氣直接通過排氣管排出,采用廢氣能量回收技術可以避免廢氣中能量的巨大浪費,從而在整體上提高發動機的利用效率,既能夠節能減排,又可以提高燃油經濟性,對自然吸氣發動機產生有利的影響,從而進一步增強自然吸氣發動機在市場上的競爭力。

1研究內容

傳統的廢氣能量渦輪機固然可以進行廢氣能量回收,但同時傳統的渦輪機葉片也會阻礙廢氣排出,增加排氣阻力,從而使發動機的有效功率下降。本團隊針對這個問題做了創新型設計,將固定形式的渦輪機做成可變截面積高效率的新型渦輪機,使其在相應工況中相應實現變截面。當發動機轉速較低時,廢氣量較小,渦輪的阻力對廢氣排出影響較大,故此時由葉片內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,這樣對發動機功率影響很小。當發動機轉速增加時,廢氣量增大,渦輪葉片對廢氣的阻力遠遠小于廢氣能量,此時由葉片內彈簧伸張使渦輪葉片面積變大,同時對廢氣排出的影響可忽略不計,對發動機功率影響極小。本文所述方案相較于傳統廢氣能量回收渦輪而言,其優點在于在發動機的所有工況下都可使廢氣順利排出,最大可能減小對廢氣排出的阻力,高效地將廢氣能量轉換為動力渦輪的機械能,通過動力渦輪的高速旋轉運動帶動同軸的發電機工作,利用發電機產生的電能為汽車用電設備供電和蓄電池充電,這樣就提高了發動機廢氣能量的利用效率,最終達到研究目標。

2設計總體方案

廢氣渦輪發電是利用發動機排出的高溫、高壓、高速的廢氣流經排氣合歧管進入到動力渦輪中,推動渦輪葉輪旋轉,通過動力渦輪的同軸轉動帶動發電機中的轉子旋轉,轉子鐵芯的圓周面上安裝有永磁體磁極,定子繞組是發電的電樞,與交流電機類似導線做切割磁力線的運動產生感應電勢,通過接線端子引出,接在回路中,便產生了電流,之后將其整流穩壓儲入蓄電池中或直接為汽車上的用電設備供電。

2.1廢氣渦輪發電系統總體設計

將動力渦輪和發電機安裝于排氣合歧管中上部,因為這里的安裝空間相對較大,且廢氣的溫度達到600℃,速度能達到C00m/8以上,符s所需的工作要求。同時在排氣管道中設置一個分支管,利用分支管上的耐高溫金屬旁通閥控制分支管的開閉,從而對排氣進行分流,防止動力渦輪超速、超溫。最后,在動力渦輪外部安裝一個適當壁厚的外殼,在外殼中設計若干水套,且與發動機的冷卻系統相連接,避免動力渦輪因超溫工作而產生損壞,從而影響其工作性能。裝置合體布置如圖1所示。

2.2新型動力渦輪設計

廢氣渦輪的轉速主要通過控制廢氣的流量來進行調節,在廢氣流量較大時,打開旁通閥減小廢氣流量,這種方式對廢氣的利用率低。離心式可變面積渦輪可以通過改變導流葉片的面積來改變渦輪通流截面的大小,進而改變廢氣流速和渦輪機轉速。如圖2所示,離心式可變面積渦輪可以根據廢氣流量的不同自動變換渦輪葉片面積,該裝置分為兩部分,與軸固連的葉片做成殼體形,將可活動部分的葉片用較高強度、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葉片用適s的彈簧連裝起來,彈簧的作用是可使活動葉片自動回到殼體葉片中,從而減小渦輪葉片面積,同時,彈簧可使活動葉片在離心力作用下被甩出殼體葉片時不會與殼體葉片卡死。

圖1廢氣渦輪發電系統總體布置圖

圖2離心式可變面積渦輪

(1）當發動機剛啟動時,離心式可變面積渦輪只有底部活動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更好地被廢氣帶動旋轉,使離心式可變面積渦輪工作,其余活動葉片在彈簧力作用下留在殼體葉片中未伸出,從而使整個離心式可變面積渦輪留有較大空隙,可以極大地減小發動機剛啟動時對飛輪的阻力。

(2）當發動機部分負荷工作時,較大的廢氣流量使離心式可變面積渦輪轉動產生離心力,在與彈簧力的相互作用下使全部活動葉片半伸出殼體葉片,獲得更大轉矩,帶動發動機發電。又因活動葉片是半伸出,故仍留有一部分空隙,使廢氣阻力不會過大。

(3）當發動機全負荷工作時,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葉片完全伸出,從而獲得設計的最大轉矩,帶動發動機發出更多的電。并且由于全負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,故對廢氣排出影響很小。

3發電機與渦輪機的配合

(1）渦輪機是廢棄能量回收的第一部件,將廢氣的能量轉換為軸的轉動機械能。發電機轉子軸與渦輪機輸出軸直接連接,將機械能轉為電能。但在汽車正常行駛時,發動機受外界因素影響,工況多變,導致排氣量也各不相同,使渦輪機輸出軸轉速變化較大。為了減小發動機工況變化導致的渦輪機輸出軸轉速的變化,可以在渦輪機和發電機之間加裝一個小型飛輪,以平衡渦輪機輸出軸的轉速波動,發電機功率就更平穩一些。

(2）發電機選用永磁同步式,電機主要由轉子、定子、繞組、外殼、轉速傳感器、冷卻裝置等部件組成,與普通交流電機的不同之處在于轉子結構。其轉子鐵芯的圓周面上安裝有永磁體,是磁極,定子是發出電能的電樞,由鐵芯及其上裝的繞組組成。采用永磁發電機,是因為其轉子結構省去了產生磁場所需要的勵磁功率和滑環與碳刷之間摩擦的機械損失,因此該發電機效率較高。普通勵磁發電機在1500～6000r/min的平均效率大約為45%～55%,而永磁發電機則高達75%～80%。永磁發電機的優點還有發熱少,結構簡單,體積小,噪聲小:采用全封閉結構,無傳動齒輪磨損,免潤滑,免維護。考慮到散熱,可以在發電機轉子軸尾部加裝風扇葉片。

(3）發動機廢氣能量回收系統中渦輪機輸出軸的轉速較高(最高可達40000～50000r/min）,這就要求發電機能承受最高40000r/min的轉速和渦輪軸輸出的功率范圍,最后選用額定功率在1.5kW左右的發電機。發電機發出的交流電通過整流器、穩壓器等形成較穩定的直流電,供車載蓄電池儲存起來,這樣就完成了將發動機的廢氣能量轉換為可利用電能的過程。

4結論及展望

為了提高自然吸氣發動機的廢氣利用率和發動機工作效率,實現變廢為寶的目標,設計了創新型離心式可變面積渦輪發電機裝置。本裝置利用自然吸氣發動機產生高溫高壓的廢氣帶動渦輪發電機工作產生可以利用的電能,不僅實現了廢氣再次利用,而且可減少發動機熱負荷,提高汽車整體經濟性與環保性,從而達到提高廢氣利用率和發動機工作效率的目的。經過對汽車廢氣渦輪機發電的研究,不僅發現離心式可變面積渦輪機對廢氣能量的利用率高,而且本裝置不需要對現有汽車發動機內部結構進行大的改造,裝置小巧易生產,是現有汽車節能方法中很有潛力的研究方向。對于本裝置,渦輪發電機和汽車蓄電池的匹配,以及影響離心式可變面積渦輪發電機功率和所產生電壓、電流大小的因素,是今后研究的重點,具體還需要進行若干次的試驗研究,得出更有力的數據,所以很多方面還有待進一步提高。另外,本團隊相關知識儲備以及技術設備也存在諸多不足之處,如何對現有的創新型離心式可變面積渦輪發電系統進行性能優化和改進,是團隊下一步努力的目標。