基于流体力学的尾气能源再利用技术浅析

李智 周礼豪 李杭键 梁壮 陈禹州

摘要：本文介绍了一种将尾气蕴含的压力转化为电能的设备，在机动车现有的排气管衔接处加装涡轮、电机等设备完成能量转换，配合锂电池进行能量储存。

关键词：涡轮;尾气压强;齿轮机构

机动车的尾气排放过程中，大部分的机动车没有利用尾气中蕴含的高压高温能量，燃油在发动机中燃烧后产生的气体被直接排出。目前市场上的尾气处理装置一般是对有害气体进行化学催化反应，将其转化为无害气体，然而其蕴含的物理能量并没有得到利用。针对这个问题，本文介绍了一种将尾气蕴含的压力转化为电能的设备，在机动车现有的排气管衔接处加装涡轮、电机等设备完成能量转换，配合锂电池进行能量储存。

涡轮是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械。涡轮工作轮由均匀分部的七只叶片组成，在整个机构中作为原动机构提供机械能，轴作为传动机构联接涡轮与电机，将机械能轉化为电能。因涡轮受到较强冲击载荷，需耐高温，一般采用中等淬透性钢作为原材料[1]。

设备整体结构简图如图1。涡轮与轴的联接处需承受较大转矩，整体结构在轴向上严格限制移动距离，为增加机构的稳定性，键与键槽之间的配合采用过盈配合，该机构中的键联接需承受冲击载荷，联接在高速转动、振动等情况下不受影响，并要求准确定心。因此机构联接方式采用平键联接。

在传动轴的末端联接齿轮与电机轴上齿轮啮合，利用齿轮传动的方式进行机械能与电能的转换。本机构中的齿轮供内燃机车使用，精度等级为6级，动力齿轮传动的最大圆周速度不超过15m/s，因采用直齿轮传动，分度圆螺旋角为0度，压力角a=20度，分度圆直径d=mz。主动轮转速n1，与从动轮转速n2之比即为传动比，用i表示。

整体结构的工作流程如图2：利用出缸尾气蕴含的压强能量，推动涡轮旋转，传动轴将涡轮产生的动能传导在齿轮机构上，齿轮机构与电机传动轴进行的能量转换产生的电能储存在蓄电池中，在机动车处于恶劣工况的情况下可使用电能节省燃油[2]。

传动轴与电机轴的传动采用直齿圆柱齿轮传动的方式，齿轮在传动过程中受圆周力、径向力、轴向力。

涡轮叶片在受到冲击时旋转做功，机械能传导在电机上，电机开始发电，通过正负极导线将电能引出，储存在蓄电池中。涡轮叶片的半径、宽度、机械效率为恒定不变的值，其产生的机械能由进出口压差决定。在能量转化过程中，能量损耗组成为电热、机械损耗、齿轮损耗、电机损耗[3]。

通过以上的机构组合，可达到尾气压强转化为电能的目的。涡轮机构受压强的推动而旋转，传动轴机构、齿轮机构、机械能传导在电机轴上，电机旋转切割磁感线产生电能，通过导线将电能储存在蓄电池中，在机动车处于恶劣工况时为其提供电能，为用电器供电，实现节约电能的作用。

参考文献：

[1] 邱宣怀.机械设计（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]周忆，于今.流体传动与控制[M].北京：科学出版社，2008.