张文智 长沙职业技术学院 湖南长沙 410027
汽车排气热能回收再利用技术研究
张文智长沙职业技术学院湖南长沙410027
【文章摘要】
本研究主要针对汽车发动机各运行工况下通过排气浪费的热能过大，能量利用率过低提出了一种解决的方案，并对于如何具体实施该方案进行了系统的阐述。该新型排气热能能量回收利用系统既可以实现汽车排气热能能量的回收，也能实现直接助力汽车行驶的功能．
【关键词】
排气热能;回收; 利用
1 国内外研究现状
众所周知，发动机在运行时会产生大量热量，而现有的自然吸气汽油机中，不论是国产还是进口汽车，都只有不到30%的热能被利用，约40%的热能以排气方式损耗，约30%在引擎冷却过程中被损耗，这表示高达70%的可用能源因此而浪费。传统柴油机由于高的压缩比，发动机膨胀效率被有效利用，其热效率也只有约37%.目前国际上在用内燃机最高热能利用率也只有40%多一点，仍然有大量的热能以废气和冷却方式浪费。如果能将如此众多的热能加以有效利用，可以让能源的使用率提升到更高的程度。
德国宝马公司于2012年推出了利用废弃余热产生的高压蒸汽助力发动机曲轴的设想，并已经投入研究实验。在该设想中，必须在发动机的曲轴前端加装一个一定体积的助力驱动装置。其设想的动力产生及利用原理如下：
废气（600℃-1000℃）加热安装于消声器附近的蒸汽锅炉→产生高压蒸汽→蒸汽管道→曲轴蒸汽涡轮助力器→散热器（蒸汽凝结）→高压微型水泵→蒸汽锅炉
日本丰田公司正在其混合动力汽车上加装汽轮发电机，进行废弃余热产生高压蒸汽驱动发电机实验。然后将发电机发出的电能输送给混合动力汽车的电池组。其动力产生及利用原理如下：
废气（600℃-1000℃）加热安装于消声器附近的蒸汽锅炉→产生高压蒸汽→蒸汽管道→蒸汽涡轮发电机→散热器（蒸汽凝结）→高压微型水泵→蒸汽锅炉
宝马公司的研究是将热能动力作用于发动机曲轴，在发动机运行过程中，发动机的曲柄连杆机构和配气机构、变速器的机械摩擦将消耗部分能量，能源得不到最大程度的利用。丰田公司的蒸汽涡轮用来在混合动力汽车上产生电能，能量也经过了两次转换，转换过程中的能量损失同样不可小视。汽车发动机蒸汽涡轮助力驱动系统直接作用于汽车变速器后端，避开了发动机和变速器等需要在运行时消耗部分机械能的机械构件，使机械摩擦损失小，能源利用率能够得到进一步的提高。
国内多家企业和科研单位的研究人员目前将主要目标集中在发电机余热发电方面，也就是将热能直接转换为电能，没有进行热能至动能的直接转换。由于能量在每次转换过程中都有部分损失，经过二次转换以后的最终利用率不是很理想。
2 排气热能提取利用系统
2.1排气热能提取利用系统结构组成
本研究拟部分提取以排气方式输出的约40%的热能，产生高温高压蒸汽（蒸汽排出压力可达到3MPa，即30公斤力），由该高压蒸汽直接驱动汽车行驶。可以有效的降低燃油耗， 提高发动机有效热效率，
内燃机排气管由于考虑消声的问题，排气效率在一定程度上被限制，本研究在大量吸收热能的同时，使排气管内高温气体被急速冷却，导致管内背压下降，排气阻力减小，从而气缸内排气彻底，汽缸循环过程中的进气量增大，内燃机输出功率增加（相当于进气增压）。
本研究结合发动机和汽车运行工况，在排气管前段安装一环型锅炉，该锅炉由加热炉和气化炉组成，发动机运行时，加热炉将水加热至80摄氏度左右，在安装于锅炉上部的重力压水箱作用下，经过加热炉加热的水被压入前部的气化炉，气化炉表面温度高达200-300摄氏度。进入气化炉的高温水瞬间被气化并在形成约2MP以上压力的高压蒸汽，该高温蒸汽沿管道及相关部件进入驱动叶轮室，蒸汽压力作用在叶轮表面，助力叶轮旋转。为便于制造安装，驱动叶轮轴安装在从动车轮（对于轻型乘用车，后轮为从动轮）
结构组成如下图：
2.2各运行工况工作原理
（1）倒车工况
倒档时，发动机不管处于什幺工况系统状态均关闭，保证在汽车倒车时不向驱动叶轮施加反向力阻碍车辆倒车
（2）低温工况
发动机冷却水低于60摄氏度时，由于排气管表面温度较低，产生的蒸汽量有限，对于驱动叶轮的作用较小，此时截断电磁阀均关闭，系统不工作。在发动机冷却液温度低于60摄氏度，而截断电磁阀1、2、3均处于截断状态时，如气化锅内压力高于2.5MP时，旁通阀打开，释放气化锅内高温蒸汽至冷凝器
（3）高温工况
发动机冷却水达到60摄氏度以上时，发动机排气管前节表面温度达到150摄氏度以上，并随着发动机的持续工作，该温度将保持持续升高，且持续产生高温，此时，截断电磁阀1、2、3均打开，气化锅内产生的高温（120摄氏度）高压（约2-2.5MP）蒸汽经截断电磁阀1、膨胀阀、驱动叶轮室、截断电磁阀3、冷凝器、重力压水箱、截断电磁阀2、预热锅、气化锅完成一个循环。在蒸汽循环的过程中温度逐步降低，到达冷凝器后蒸汽将被散热冷却成约50摄氏度液态水进入重力压水箱。在重力压水箱自身重力作用下，液态水被重新注入预热锅，此时如重力压水箱出口端压力低于3MP，压力开关接通，压力补偿电机启动，通过减速及凸轮机构驱动水箱上部压水活塞给注入预热锅的液态水加压，保证预热锅的两端具有近1MP的压力差，高温液态水能在此压力下顺利注入气化锅。在发动机冷却液温度高于60摄氏度，如气化锅内压力高于2.5MP时，旁通阀打开，释放气化锅内高温蒸汽至冷凝器。
3 结语
本研究着重解决发动机排气热能的高效利用问题，即将微型锅炉安装于排气管前端，离热源较近，使其能够快速的吸收能量，并快速转化为能驱动汽车行驶的机械能。将热能转换成为机械能后直接作用于传动系统，机械摩擦损失小，能源利用率更高。
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