汽车废热涡轮发电式自动热电转换系统模型设计

（长江工程职业技术学院，武汉 430212）

汽车对燃油热能的利用率非常低，当汽车发动机热平衡时，柴油机、汽油机对燃油热能的利用率分别只有30%～40%和20%～35%，其余大部分被抛弃。显然，利用汽车废弃的余热发电有着非常重要的意义。为了利用汽车废热发电，人们做了大量的研究，找到了许多热电转换的方法，但这些方法不是热电转换效率低就是附加油耗太高，笔者设计的汽车废热发电系统，能在附加油耗较低的情况下将汽车废热转换成电能。

1 热电转换涡轮发电基本工作原理

在一个封闭的循环液循环管道系统中，先让循环液吸收发动机和排气管放出的热量，再将循环液压缩成高温高压蒸汽，然后使高温高压蒸汽冲击涡轮发电机旋转发电，将热能转换成电能。本系统用于热电转换媒介的循环液循环所需动力，尽量由汽车在下坡时的下滑力提供，只有在非下坡路段发动机工作温度超出了额定工作温度的情况下才由燃油提供，以达到微附加燃油能耗的目的。

2 系统模型设计

2.1 热电转换系统模型设计

热电转换系统由循环液及其循环管道、吸热器、循环压缩泵、涡轮发电机、单向阀组成，系统模型组成如图1所示。

图1 热电转换发电系统模型

为了较好地吸收发动机和排气管放出的热量，吸热器应包裹紧贴发动机和排气管的外表，循环液应选择低沸点的制冷剂氟里昂。为了产生高压蒸汽冲击涡轮机发电机发电，应选择压缩效能较高的循环压缩泵。毛细管的管径和长度应保证喷嘴出口蒸汽冲击力足够强。喷嘴的数量和方向应与涡轮发电机叶片配合，做到热电转换效率高。为了在循环压缩泵不工作时高低温侧能形成较大的压力差，应在涡轮发电机与吸热器之间安装单向阀。

2.2 控制系统模型设计

控制系统模型如图2所示，由下坡检测控制、温度检测控制和传动执行部分组成。下坡检测部分主要是一个能检测汽车下坡的平衡杆。温度检测控制部分主要由磁性居里元件组成，它包括高温点检测和低温点检测，温度检测点由发动机正常工作所需温度决定。检测结果传动执行部分由两个拨叉、转盘、离合器和变速器组成。平衡杆为一内装有滚珠的筒杆，滚珠的数量与质量产生的重力既要保证汽车在水平路面上行驶发生颠簸振动时平衡杆不误动作，又要保证在达到规定的最小下坡角度时能产生足够的重力迫使触点1断开，同时还要保证温度低于低温控制点时循环压缩泵不工作，为此滚珠的数量与质量产生的重力要略小于高温居里元件与低温居里元件磁力之和。平衡支点的位置应保证汽车在水平路面上行驶时稍向上倾斜。高温居里元件与低温居里元件应根据发动机工作温度要求进行选择，居里元件应有陡峭的磁性温度曲线，以保证温控点准确、动作果断。拨叉1与拨叉2上的弹簧为拉簧，拉簧的拉力应小于居里元件的磁力。拨叉的主动臂长度应大于从动臂的长度，以便主动臂只需较小的弹簧拉力就可以带动从动臂旋转，推动离合器从动盘片离合。离合器主从动盘片为摩擦片，可效仿汽车摩擦式离合器设计，离合器主动盘片的动力从汽车传动轴获得。为了保证循环压缩泵能有效地将高温汽体压缩成高温高压液体，应将循环压缩泵转速设计在某一高速旋转范围内，为此应将汽车传动轴转速通过变速器变换到循环压缩泵高效工作范围内，变速器的变速方法可参考汽车变速箱进行。变速器转轴右端为花键结构，其上套有可轴向移动的离合器内花键轴套，该轴套上安装有转盘，转盘由左右两个组成，可沿轴心转动，其目的是保护拨叉在与转盘接触时不受损伤。考虑到离合器的寿命，变速器应安装在循环压缩泵与离合器之间。

图2 控制系统示意图

3 系统模型工作过程

3.1 发电系统模型工作过程

循环液吸收发动机和排气管排放的热量，在温度未达到发电温度时，循环压缩泵不工作，此时在单向阀和毛细管的共同作用下，高温侧循环液的压力逐渐升高。当温度达到发电温度时，循环压缩泵开始工作，循环液的压力进一步上升，该高温高压液体经喷嘴喷出，冲击涡轮发电机叶片旋转发电，从而完成从热能、动能到电能的转换，同时循环液温度下降，循环液再次经单向阀流入吸热器继续吸热，为下次热电转换作好准备。

3.2 循环压缩泵温度控制系统模型工作过程

当温度在高温控制点与低温控制点之间时，高温居里元件磁性存在，低温居里元件磁性消失，触点1闭合，触点2断开，离合器处于分离状态，循环压缩泵不工作，如图2所示。当温度达到高温控制点时，高温居里元件磁性消失，在拉簧1和拨叉1的作用下，触点1断开（此时触点2亦断开），离合器从动盘片沿变速器花键轴轴向移动而闭合，于是，汽车传动轴转速经离合器传递，变速器变速，带动循环压缩泵高速旋转，涡轮发电机发电，与此同时循环液开始降温，如图3所示。

图3 温度控制系统示意图

高温检测控制部分动作后，由于触点1间隙较大，即使温度下降到高温控制点，高温居里元件磁性恢复，但由于此时的磁力不足，难以使触点1再次闭合，于是离合器仍然处于闭合状态，循环压缩泵、涡轮发电机继续工作，循环液继续降温。当循环液温度下降到低温控制点以下时，低温控制居里元件磁性恢复，因其磁力足够大，于是触点2闭合，在拨叉2的作用下离合器分离，循环压缩泵停止工作，涡轮发电机停止发电，与此同时，拨叉2将滑轮向左推动，使触点1的间隙减小，高温控制居里元件的磁力使触点1闭合。

离合器分离后，涡轮发电机停止发电，循环液温度开始回升，当温度回升到低温控制点以上时，低温居里元件磁性消失，触点2断开，温度控制系统又恢复到图2所示的状态。如此循环往复，将发电温度控制在某一范围内。

3.3 循环压缩泵下坡控制系统模型工作过程

若温度在低温控制点以上且离合器处于分离状态，当汽车下坡且坡度达到动作角度时，平衡杆内的钢珠滚向低端，在平衡杆及内部钢珠重力的压迫下，拨叉1推动花键轴套向右移动，使离合器闭合，循环压缩泵开始旋转，涡轮发电机开始发电。

随着循环压缩泵的运行，发动机温度越来越低，当温度低于低温控制点时低温居里元件磁性恢复，触点2闭合，在拨叉2的作用下，离合器分离，带动拨叉1顺时针旋转，触点1闭合，在发电过程中，若汽车由下坡变成上坡行驶，只要温度在允许发电温度范围内，离合器继续闭合，涡轮发电机继续发电，循环液继续降温，直到温度低于低温控制点为止。

如果温度低于低温控制点，此时即使汽车处于下坡行驶状态，但由于平衡杆产生的压力不足以克服高温居里元件与低温居里元件磁力之和，下坡控制部分不起作用，因此，保证了发动机正常工作温度之要求。