汽车废气涡轮发电技术的研究

张勇斌（郑州铁路技师学院河南郑州450041）



汽车废气涡轮发电技术的研究

张勇斌
（郑州铁路技师学院河南郑州450041）

汽车废气涡轮发电是利用汽车尾气能量推动涡轮转动并带动发电机发电的一项技术。基于汽车节能的思想，以东风EQ6100型内燃机为例设计了汽车废气回收利用装置，并从内燃机进气流量入手配合实际循环状态和排气状况，对热量的回收效益和涡轮机功率进行了计算，并对涡轮机结构进行了初步设计，发电机进行了选型匹配。计算得出了汽车废气涡轮发电涡轮机的功率和排气能量大小，证实了利用汽车废气驱动涡轮发电的可行性。

汽车废气涡轮发电进气流量回收效益功率计算设计

Preliminary design

引言

随着社会经济的发展和汽车保有量的急剧增加，使得石油能源危机日益突出，汽车节能问题受到各个国家的重视。为解决能源问题一方面是新能源或替代能源的开发，像电动汽车，燃料电池汽车或混合动力汽车，以及用醇类燃料或生物燃料等；另一方面是对汽车的结构进行一些改造或改良，用于节省燃料的消耗或者把排放的消耗的能量回收利用，像涡轮增压，回收制动能，以及发动机排气余热的利用等［1］。

由于内燃机废气带走的能量是相当巨大的，汽油机废气带走热量占燃料燃烧能量的40%～45%，柴油机占30%～40%。各国学者和研究人员目前对于汽车废气能利用方面的研究主要的途径有利用废气能量发电、利用废热制冷和驱动空调以及利用发动机废热来取暖等。汽车废气驱动涡轮转动并带动发电机发电的方式不需要对汽车结构进行大的改动，易于实现产业化，而且通过能量转换来的电能使用方式很灵活。但也有些问题需要解决：一是能量的转换装置会对发动机的工作性能有影响；二是到底能量的转换效率有多大应该通过试验来证明，三是废气涡轮发电装置的大致结构尺寸的确定也需要深入的研究。下文是目前汽车废气涡轮发电技术的研究现状和亟需解决的几点问题。

1　汽车废气涡轮发电技术的思路

汽车废气涡轮发电技术的可行性的研究思路首先是确定一种常用的发动机，确定废气涡轮发电的原理和装置，然后根据理论计算大致确定涡轮机的功率，接着是涡轮机结构的确定，最后是发电机型号的选用。在从理论上确定了汽车废气涡轮发电装置的结构后，进行生产零部件反复的试验后最终确定并可以投入实际使用并在使用的过程中不断改进和优化。

2　研究对象

研究对象是我国国产的常用发动机东风EQ6100型发动机，发动机的部分参数如表1所示。

表1　发动机主要参数

图1　废气驱动涡轮发电结构原理图

3　废气涡轮发电的原理及装置［2］

废气涡轮发电的装置如图1所示。将汽车的排气管与涡轮机对接，利用内燃机的尾气能量推动涡轮叶片转动带动涡轮轴旋转，由于涡轮机轴和发电机转子轴是同轴的，便将内燃机的尾气能转换成涡轮机的机械能进而转化为电能，电能被汽车上的用电设备来使用，避免了传统汽车把汽车尾气直接排放到大气中而造成大气污染和能量的浪费。

对于废气能量的利用装置一种是先将各个气缸的尾气汇集一个总管稳压后来利用，这种废气回收装置叫恒压式废气回收发电机构，如图2所示。这种装置效率低但对原来发动机的工作无影响，比较稳定。另一种是利用不同的发动机工况和发动机各个气缸的工作先后顺序将各排气支管分别与涡轮管对接，形成脉冲式废气回收发电机构，如图3所示。这种机构能量回收利用的效率较高，但排气不稳定，对发动机的工作有干涉作用。

图2　　恒压式废气回收发电机构图

图3　脉冲式废气回收发电机构图

4　涡轮机功率的确定［3，4］

根据上述汽车废气涡轮发电装置以恒压式为研究对象，要计算涡轮机的功率需要计算得出内燃机的空气消耗量和进气密度。内燃机空气消耗量的确定需要知道燃油流量、燃烧的理论空气量和过量空气系数等。空气流量与内燃机的功率（指示功率）的比值称空气消耗率，燃烧过量空气系数与指示燃油消耗量之间有经验公式可查。理论空气量柴油机为14～14.3，汽油机为14.8，内燃机的机械效率一般在0.75～0.85之间。这些数据可以求得EQ6100型内燃机在额定转速3 000 r/min时空气流量为72.649 5 kg/h。对于进气密度量的确定依据是输入气缸的热量与燃油消耗量和燃油低热值的关系，而燃油消耗量可用空气量和过量空气系数和理论燃烧空气量来代替从而有如下公式：

代入各个量可以求出汽油机的进气密度大约在1.137kg/m3，柴油机大约在2.4 kg/m3左右。内燃机的进气量有两个部分，一是吸入的新鲜空气量，另一部分是扫气空气量。新鲜空气量可用公式

计算得到为2.734 kg/min。扫气空气量根据内燃机的实际工作状态和公式

求出为0.009 1 kg/s。这样可以得到一缸进气质量流量大约为0.054 1 kg/s。全负荷时内燃机的废气流量大约为内燃机进气量的1.03倍，这样就能求出涡轮机的质量流量为0.167 kg/s。

对于空气消耗量的计算一个可以根据燃油流量、理论燃烧空气量和过量空气系数的乘积算得，也可以把空气消耗量分为内燃机吸入的空气量和扫气空气量两部分分别计算得到。结合内燃机的实际循环状态可以得出涡轮机的质量流量在0.167kg/s左右，内燃机的理论排气功可用公式

代入量求得的理论排气功为124 564 J/kg，涡轮机的效率在0.65～0.8之间，以定压涡轮为例涡轮的效率取70%或80%，则利用公式

计算出的涡轮机功率分别为8.5 kW和9.7 kW。因此由数据可知涡轮机的功率在8～9 kW左右。

5　涡轮机结构的匹配［5］

涡轮机结构的确定比较困难，由于空气流速不定，所以涡轮机转速不定，从理论上计算涡轮机的结构尺寸，可以在现有的涡轮机的型号中进行选取，然后用试验的方法来选定。涡轮机以径流式涡轮机为例经过计算得出了涡轮机的等效流通面积和涡轮机级的平均直径。

已知涡轮机的叶片数、叶片高度、叶片通道的出口平均宽度和截面收缩系数，则根据公式

可以计算出涡轮机的等效流通面积，以EQ6100型发动机和以上涡轮机功率等数据可以求得涡轮机的等效流通面积为41.5，对于涡轮机级的平均直径假定冲动级为最佳速度比三级，利用公式

在理论上已经计算出了涡轮机级的情况，一般在10 kW以下的涡轮机按通常转速3 000 r/min左右来计算涡轮机级的平均直径大致在0.244 5 m左右。

6　发电机的匹配

一般情况下，发电机有两对磁极，转速为1 500 r/min或3 000 r/min，交流电频率为50 Hz，一般采用有刷交流同步发电机。已经计算出涡轮机的功率，又知道涡轮机和发电机是共轴的，即发电机的转速和涡轮机的转速相同。根据设计涡轮机时确定的涡轮机额定转速为3 000 r/min，为了能充分发挥涡轮机的效率，最好应使涡轮机和发电机的功率相等但实际中由于各种损失的存在不可能使功率相等。为保险起见选择现有的功率转子发电机为宜，已经知道了涡轮机功率便知道了发电机的输入功率或总功率，在现有的三相同步发电机的技术参数上选取，如下表2和表3所示。

交流同步发电机分为有刷交流同步发电机和无刷交流发电机。同步交流发电机是指它的转速n与所产生的电流的频率f及发电机本身的磁极对数p之间保持着恒定的关系，即：

表2　涡轮机转速为3 000 r/min时选定发电机的参数

发电机需要配合合适的变压电路和设备，输出的电能才可以被使用。

表3　涡轮机转速为1 500 r/min时选定发电机的参数

7　结论及展望

经过对汽车废气涡轮发电的研究，发现尾气发电量高，对于废气能量利用率高，不需要对现有汽车结构进行大方面的改造，易于短期内实现产业化，投入低，收益大，是现有汽车节能方法中很有潜力的研究方向［6-11］。

目前在涡轮机功率方面已经取得了一定的成果，大致确定了涡轮机功率的数据，对于涡轮机和发电机的匹配方面，只做了浅易的分析，不够详细。此外，计算都是基于发动机额定转速下的定量计算，没有考虑转速、负荷的变化而引起排气流量变化，进而影响涡轮机功率以及发电机电压电流的浮动等情况；另外，整流器的设计，排气管上的旁通孔控制；涡轮机入口管径与排气管管径的配合和面积比；排气管的布置以及管道内各种阻力和散热量计算等等都没有涉及。

脉冲问题没有考虑，对于涡轮机结构只提供了一些思路，没有具体到叶片，管径等基本数据，发电机的选型仅做了定性的分析等。

以后研究的重点一个是涡轮的选型和匹配，另一个是发电机的配套选用，具体需要进行若干的试验研究，得出更有力的数据，争取短期内实现汽车废气涡轮发电的实用性和产业化。所以，有很多方面还需要进一步的研究。

1朱智富.汽车废热利用的有效途径［J］.黑龙江工程学院学报（自然科学版），2005，19（2）：51-53，59

2张铁柱，张洪信，郝健.内燃机废气能量回收利用装置：中国，012433330［P］.2002-07-03

3张勇斌.EQ6100型内燃机空气消耗量的计算［J］.汽车实用技术，2014（12）：21-24

4张勇斌.汽车废气涡轮发电之涡轮机功率的确定［J］.汽车维修，2014（10）：4-7

5张勇斌.汽车废气涡轮发电之涡轮机的匹配［J］.汽车实用技术，2015（1）：110-113

6周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2000

7张铁柱，张洪信.汽车安全，节能与环保［M］.北京：国防工业出版社，2004

8黄庆宏.汽轮机与燃气轮机原理与应用［M］.南京：东南大学出版社，2005

9顾宏中.MIXPC涡轮增压系统研究与优化设计［M］.上海：上海交通大学出版社，2006

10蒋德明.内燃机燃烧与排放学［M］.西安：西安交通大学出版社，2001

11机械工业部.中小型电机产品样本［M］.北京：机械工业出版社，1995

The Study of Automotive Exhaust Gas Turbine Power Generation Technology

Zhang Yongbin
Zhengzhou Railway Technician College（Zhengzhou，Henan，450041，China）

Automotive exhaust gas turbine power generation is a technology to use the car exhaust energy to rotate and drive a turbine generator to generate electricity.Based on the idea of energy-saving cars，taking Dongfeng EQ6100-type internal combustion engine as an example，a vehicle exhaust recycling system was designed.Combining the engine intake air flow rate and the actual cycling situation as well as the exhaust situation，the heat recovery efficiency and turbine power were calculated，turbine structure was preliminarily designed，and the selection of matching generators was carried out.Calculation of the automobile exhaust turbine generator turbine power and exhaust energy confirmed the feasibility of the use of motor vehicle exhaust to drive a turbine to generate electricity.

Car exhaust，Turbine generator，Intake air flow rate，Recovery efficiency，Power calculation，

TK413.4+4

A

2095-8234（2015）06-0053-04

张勇斌（1983-），男，讲师，主要研究方向为汽车技术。

（2015-07-28）