汽车尾气蒸汽涡轮转化系统设计与分析

刘志恩，夏婉扬，黄博文，焦柯柯，郭彩祎，张有财，戴胡伟，朱文昌，张相超

(武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉430070)

以汽油和柴油为燃料的汽车发动机燃烧产生的热量仅有30% ～40%被转换成有用功输出，剩下的60% ～70%一部分被冷却水带走散失掉，另一部分被排放废气带走，使得排气温度高达700～900 ℃［1］。为了回收这部分热量，笔者设计了一种汽车尾气蒸汽涡轮转化系统，能够综合利用汽车冷却水和发动机尾气中的部分热量加热该系统工质，产生较高压力推动涡轮转动，并最终转化成电能，供汽车再利用。该系统相对于利用温差发电材料从发动机尾气回收热量的方法［2］来说，具有更高的理论转化效率和可实现性。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统构成

汽车尾气蒸汽涡轮转化系统主要是利用汽车冷却系统中的冷却水和尾气的热量加热该系统液体工质，使其变成蒸汽以推动涡轮机转动，将热能转化为机械能，涡轮机带动发电机旋转，将机械能转化为电能。该系统主要包括热水传送子系统、涡轮转换子系统、储能子系统、蒸汽传送子系统和换热装置子系统等，由尾气换热装置、冷凝器、冷却水换热器、水箱、水泵、涡轮机、发电机、泵喷嘴和压力阀等零部件和装置构成。图1 为系统结构示意图，其中显示了汽车尾气蒸汽涡轮转化系统所包含的设备和布置方式，以及发动机冷却水路、排气、系统液体与蒸汽的流动方向。该系统中的液体可以是水，也可以是发动机冷却液(水和乙二醇的混合液)。

尾气换热装置是利用发动机尾气热量将热液体变为蒸汽的装置。其安装在发动机排气管中，布置在催化器和波纹管之后，消声器之前的位置，目的是在不影响发动机催化转化效率，特别是低温冷启动时的催化器转化效率的前提下，减少发动机振动激励的影响，尽可能地利用尾气热量。

尾气换热装置蒸汽出口端布置压力阀。其一方面使产生的蒸汽压力稳定，有利于涡轮机的稳定运转;另一方面起到安全控制作用，防止尾气换热装置内蒸汽压力过高而破坏设备。进口端布置一种类似喷油器结构的泵喷嘴装置［3］，以实现液体工质的供给。

涡轮机是将蒸汽热能转化为机械能的装置。通过蒸汽推动涡轮叶片旋转，涡轮机主轴通过皮带传动带动发电机旋转，从而产生电能，存储到蓄电池中。在混合动力汽车中，蓄电池中的电能可让电动机运转并驱动车辆。

冷凝器是采用风冷方式将经过涡轮机做功后的蒸汽冷却成液体，使涡轮机出口端压力下降，有利于蒸汽做功。

冷却水换热器一方面在冷凝器效率不够时，继续将蒸汽冷却成液体，另一方面充分利用发动机中冷却水的热量，使冷凝后的液体温度稳定在一定高温下，减少尾气换热装置加热时间。发动机冷却水离开缸体时的温度可达到90 ～95 ℃，使尾气换热装置中的液体被快速加热成蒸汽。

图1 汽车尾气蒸汽涡轮转化系统结构图

从冷却水换热器出来的热液体进入水箱，使残余蒸汽和液体分离，减少液体在管道传输中产生气阻的可能性，有利于水泵将液体压入尾气换热装置中，实现汽车尾气蒸汽涡轮转化系统内液体流动的再循环。如果尾气换热装置内蒸汽压力比较高，则可以采用泵喷嘴的方式将液体压入尾气换热装置中。

1.2 工作原理

在汽车发动机正常运行一段时间后，冷却系统大循环开启，通过冷却水换热器加热系统中的液体;水泵将水箱中的热液体输送到发动机排气管上的尾气换热装置中，利用尾气热量将热液体变为蒸汽;当尾气换热装置内的蒸汽压力达到压力阀限定的开启压力后，进入涡轮机推动涡轮叶片旋转，带动发电机旋转，从而产生电能;做功后的蒸汽进入冷凝器冷却成液体后，进入冷却水换热器继续冷却或加热，然后流入小水箱，在水泵的作用下实现再循环。

1.3 系统的理论热效率

基于现有的技术所能达到的发动机热效率、换热器换热效率，以及蒸汽涡轮机转化效率，可以推算出该系统的热量转化效率。目前发动机指示热效率一般为30% ～40%，有效热效率为20% ～30%，发动机废气带走的热量约占燃烧总热量的30%;换热器的换热效率一般指被加热介质所吸收的热量比上加热介质所消耗的热量，最高值可达90%。大型蒸汽涡轮机的转化效率是指蒸汽转化为机械功的能量与加热蒸汽热量的比值，最高值可达40%［4］。考虑到发动机尾气热量不可能被完全利用，以及蒸汽涡轮机在汽车实际应用上的局限性，这里取换热器的换热效率为40%，蒸汽涡轮机的效率为25%，考虑到蒸汽传输、机械损失，以及机械能与电能能量转化中的损耗，设效率为70%，则该系统的理论热效率η 可达到：

η=40% ×25% ×70% =7.0%

即发动机废气热量中的7.0%可被转化成电能回收利用。如果发动机燃烧产生热量所做的有效功与废气带走的热量相当，则相当于发动机输出的有效功率提高了7.0%。其与采用涡轮增压技术后发动机功率提高的程度相当。

2 系统设计与开发

2.1 系统设计与选型

根据所设计的汽车尾气蒸汽涡轮转化系统结构图，针对一台1.5 L 排量发动机，完成该系统关键零部件的设计和选型，系统中的液体以水为工质。该1.5 L 发动机为双顶置凸轮水冷汽油机，其主要参数如表1 所示。

表1 1.5 L 发动机主要参数

图2 为该系统中最重要的两个装置的结构图，即尾气换热装置(图2(a))和涡轮机(图2(b))。其主要装置设计及选型如下：

(1)尾气换热装置。该系统采用图2(a)中的装置来收集汽车尾气的热量，其结构是目前汽车涡轮增压中冷凝器通常采用的管壳式结构。该换热装置设计为可耐600 ℃温度，可在2 MPa 压强下工作，目的是使汽车尾气温度降至300 ℃，且将热水加热至沸腾状态。蒸汽出口设置在尾气入口端附近，热水与尾气逆流换热，尾气入口处温度较高，可使该处蒸汽处于较大压力下。壳体内部装有多根小管，小管两端固定在管板上，小管壁为螺旋状，可增加接触面积，提高换热效率。汽车尾气从管内通过，热水在管外流动。为提高管外热水的对流传热系数，在壳体内安装若干挡板。挡板可提高热水流动速度，迫使流体按规定路程多次横向通过小管，增强流体湍流程度［5］。

图2 尾气蒸汽涡轮转化装置中关键零部件结构图

(2)涡轮机。涡轮机是由“汽油机废气涡轮增压器”改造而成的。利用其耐高温，耐冲击的特性和成熟的叶片设计，保证此处可靠性与效率的最大化。改造过程中，卸掉了压气机的叶片，安装了传动齿轮带动发电机发电。

对于人名翻译不统一的批评和标准的呼吁见诸于众多文章，但像译音表、新华社的译文等国家标准并非可以解决一切问题，不同翻译既是现实问题，也是优选的需要。而“约定俗成”需要时日，不能立即一刀切。一刀切，一个标准的翻译，表面是统一，但本质上却留下遗憾。汉字的本质是表意的，即使专有名词也难免，这一点与字母文字殊为不同。这是汉外翻译的困难所在，也是汉语文化吸收积淀所必需的历程。外文人名汉译涉及方面众多，但如上所说，其实践理据应该是兼顾语音和语义的一种语言创造。

2.2 计算与分析

在混合动力汽车中，发动机大部分时间处于相对稳定的最佳油耗点工况，因此，该系统理论计算主要针对发动机最低油耗点的工况进行。表2显示了实际测得的1.5 L 排量发动机在最低油耗点工况下的试验数据。系统中的液体以水为工质进行该系统的效率计算。

表2 1.5 L 发动机标定参数

设定进入尾气换热装置的废气温度为600 ℃，出口温度为300 ℃，则可以计算出传递给尾气换热装置内液体的热量。假设尾气换热装置蒸汽出口端，压力阀的开启压力为1 MPa，则可以计算出涡轮机的转化效率。根据有关理论和公式［6-7］，计算所获得的该系统的相关性能参数如表3 所示。

表3 由理论计算得到的系统性能参数

假设综合考虑涡轮机与发电机之间的传动效率为70%，则该系统可获得电能：

系统热电转化效率为：

该效率比热电材料热能转换为电能的效率(5% ～7%)要高。废气热量回收利用率为：

相当于回收了排气热量的4.8%。

3 实验测试与分析

由于整体汽车尾气蒸汽涡轮转化系统的复杂性，试验主要测试了汽车尾气蒸汽涡轮转化系统中两组关键的技术参数，即尾气换热装置受废气热所能产生蒸汽压力的大小和不同排气压力与涡轮机转速的关系。

3.1 尾气换热装置受热测试

发动机稳定运行一段时间后，尾气换热装置受到废气加热，其内部水开始沸腾并产生蒸汽;由于蒸汽出口直径小，起到较大的节流作用，水蒸汽压力逐渐升高，并最终稳定在1 MPa 左右。此时尾气换热装置前端管路温度为600 ℃。水蒸汽的压力与出口直径有关，直径越大，装置内的蒸汽压力越小。蒸汽出口完全关闭时，装置内水蒸汽压力达到饱和，蒸汽压力为1.8 MPa 左右。

3.2 排气压力与涡轮机转速关系测试

采用空气压缩机来产生较高压力，研究排气压力与涡轮机转速关系。测试设备有W -0.9/7-D 型空气压缩机、HT -4200 型测速仪和JWF型永磁发电机等。试验装置如图3 所示。涡轮机通过传动轴与发电机相连，空气压缩机产生的高压气体推动涡轮旋转，带动发电机发电。发电机输出端连接车用电瓶。分别对涡轮机空转、涡轮机+传动轴和涡轮机+传动轴+发电机工况下的涡轮机转速进行测试。图4 为排气压力与涡轮机转速关系的测试结果。

图3 排气压力与涡轮机转速试验装置

图4 排气压力与转速关系

试验结果表明，当涡轮机加上传动轴和发动机以后涡轮机转速快速下降。因此，传动轴的传动效率直接影响涡轮机的转速输出。此外，综合不同工况下的转速气压关系表和试验时观察的现象发现：齿轮的配合关系、传动轴的转动惯量、气流进入涡轮机吹动叶片角度，以及排气口径的大小都影响涡轮机的转速输出和能量转化效率。

试验中在最大涡轮机转速下采用万用表测得发电机输出电压和电流。测试3 次，取平均值得到发电机输出功率为0.155 kW，比理论计算值1.227 kW 要小得多。除排气压力没有达到设定值、排气量与涡轮机匹配不合理，以及气体流动过程存在漏气等现象外，测试装置制造精度不高也是主要原因。

4 结论

(1)建立了汽车尾气蒸汽涡轮转化系统的主要框架结构，其创新点在于系统通过冷却水换热器将冷却系统中的热水引入到尾气换热装置中，利用高温废气将热水快速加热成水蒸汽推动涡轮机旋转。该系统充分利用了发动机冷却水和尾气的热量，将原本散失的热量转化为可利用的机械能和电能，实现了热能的回收。为发动机燃料利用率的提高提供了可行的方案。

(2)针对1.5 L 汽油机完成了该系统实物模型的研发，进行了关键部件的选型设计和开发，获得了该系统的主要性能参数。计算结果表明，该系统的能量回收效率比较可观。

(3)发动机台架试验测试虽然未能达到该系统理论效率，但证明了该系统实施的可能性，并指出了影响该系统能量转化效率的一些因素，如传动轴转化效率、涡轮机与排气压力的匹配等。

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