排氣系統(tǒng)說明書-趙明華

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1、應(yīng)用斯特林發(fā)動機的汽車節(jié)能降噪排氣系統(tǒng)設(shè)計說明書設(shè)計者：趙明華，王盛東，康喜生，黃紅寧，靳紹華作品內(nèi)容簡介通過理論設(shè)計了一套汽車排氣系統(tǒng)。本系統(tǒng)的主要目的是利用汽車高溫尾氣發(fā)電和降低汽車排氣的噪聲。基本思路是利用汽車的高溫尾氣驅(qū)動斯特林發(fā)動機，進(jìn)而帶動由配置在斯特林發(fā)動機上的發(fā)電機發(fā)電為汽車用電器供電或為蓄電池充電，同時利用消音和熱量聚集器和斯特林發(fā)動機配合系統(tǒng)有效降低尾氣噪聲和熱污染，減小發(fā)動機排氣背壓，提高發(fā)動機效率。關(guān)鍵詞：余熱發(fā)電斯特林發(fā)動機降噪減少熱污染1研制背景及意義隨著世界經(jīng)濟的不斷增長，人類社會對能源的需求也將穩(wěn)步地增加。根據(jù)國際能源署(IEA)的預(yù)測，全球2005年

2、到2030年間一次能源需求將增加一半以上，年均增長率為1.8%。2005年的能源需求為114億噸標(biāo)準(zhǔn)油，而到2030年將達(dá)到177億噸標(biāo)準(zhǔn)油，增長了55%。汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛消耗的能源與日俱增，車輛的節(jié)能也越來越受關(guān)注。發(fā)動機工作時，一般轉(zhuǎn)化為有效功的熱當(dāng)量占燃料燃燒產(chǎn)生熱量的35%～40%，冷卻水帶走的熱量占20%～30%，尾氣帶走的熱量為30%～40%。如何將燃料的熱量充分的利用，是人們普遍關(guān)注的問題。利用汽車尾氣余熱發(fā)電就是有效利用這些熱量的一個合理途徑。充分利用尾氣中的熱量，不僅可以節(jié)約能量，而且可以減少熱污染，有利于環(huán)境保護(hù)。

3、2設(shè)計方案圖1本排氣系統(tǒng)由五部分組成：觸媒轉(zhuǎn)化器，消音和熱量聚集器，斯特林發(fā)動機，消音器，排氣管道。從發(fā)動機排出的高溫尾氣首先通過催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行催化分解，將大部分有毒氣體轉(zhuǎn)化為無毒氣體。經(jīng)過轉(zhuǎn)化后的氣體進(jìn)入消音和熱量聚集器和斯特林發(fā)動機配合系統(tǒng)，高溫氣體使斯特林發(fā)動機運轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動發(fā)電機發(fā)電，用以輔助蓄電池供能或為蓄電池充電。經(jīng)過利用的氣體經(jīng)過消音器后通過排出端排出。2.1電器控制由于本裝置產(chǎn)生的電能不穩(wěn)定，需要經(jīng)過試驗進(jìn)行特殊電路設(shè)計。初步設(shè)想通過單片機系統(tǒng)進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換，根據(jù)發(fā)電機產(chǎn)生的電流大小決定其是供電還是為電池充電。2.2機械部分機械部分主要是斯特林發(fā)動機系統(tǒng)。斯特林發(fā)動機

4、的熱端內(nèi)的氣體通過消音和熱量聚集器內(nèi)的高溫環(huán)境與外端冷端通過熱脹冷縮原理做功，推動發(fā)動機活塞做往復(fù)運動，進(jìn)而通過曲軸將動力轉(zhuǎn)化為飛輪的轉(zhuǎn)動，通過與飛輪配合的電動機發(fā)電。3理論設(shè)計計算發(fā)動機的理論效率：η=（1–T0/T）X100%，其中T0為低溫?zé)嵩礈囟龋琓為高溫?zé)嵩礈囟?。假定低溫?zé)嵩礈囟葹?5℃（冷卻水溫度），高溫?zé)嵩礊?00℃（發(fā)動機正常工作時平均尾氣溫度），帶入數(shù)據(jù)得η=（1–T0/T）X100%=95%發(fā)動機工作時，一般轉(zhuǎn)化為有效功的熱當(dāng)量占燃料燃燒產(chǎn)生熱量的35%～40%，冷卻水帶走的熱量占20%～30%，尾氣帶走的熱量為30%～40%。實際斯特林機的效率為33%～40%。

5、[1]因此，本排氣系統(tǒng)中，理論上可以節(jié)約的能量占發(fā)動機燃料燃燒產(chǎn)生熱量的9.9%～16%。4工作原理及性能分析工作原理：圖2在汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)中使用的斯特林發(fā)動機機是一種高溫高壓外燃機,使用氫或氦作為循環(huán)工質(zhì)。斯特林機的工質(zhì)氣體被交替地加熱和冷卻,交替加熱的氣體達(dá)到相同的溫度和體積。斯特林發(fā)動機配置有一個高效換熱器,用于回收氣體做功后的余熱并預(yù)熱待加熱氣體。圖2所示為斯特林循環(huán)的四個基本過程。1~2定溫壓縮過程:配氣活塞停留在上止點附近,動力活塞從它的下止點向上壓縮工質(zhì),工質(zhì)流經(jīng)冷卻器時將壓縮產(chǎn)生的熱量散掉,當(dāng)動力活塞到達(dá)它的上止點時,壓縮過程結(jié)束。2~3定容回?zé)徇^程:動力活塞仍

6、停留在它的上止點附近,配氣活塞下行,迫使冷腔內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)回?zé)崞髁魅肱錃饣钊戏降臒崆?低溫工質(zhì)流經(jīng)回?zé)崞鲿r吸收熱量,使溫度升高。3~4定溫膨脹過程:配氣活塞繼續(xù)下行,工質(zhì)經(jīng)加熱器加熱,在熱腔中膨脹,推動動力活塞向下并對外做功。4~5定容儲熱過程:動力活塞保持在下止點附近,配氣活塞上行,工質(zhì)從熱腔經(jīng)回?zé)崞鞣祷乩淝?回?zé)崞魑展べ|(zhì)的熱量,工質(zhì)溫度下降至冷腔溫度。綜上所述,在一個完整的斯特林循環(huán)中,氣體對外所做的功為高溫膨脹過程所做的功與低溫壓縮過程所做的功的差。而這些功最終通過推動發(fā)電機發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能。性能分析：本系統(tǒng)的實際尾氣熱量利用率為33%～40%，配置在排氣系統(tǒng)中的斯特林發(fā)動機由于

7、工作條件較惡劣以及空間較小，對其性能的發(fā)揮具有不可忽視的影響，造成發(fā)動機實際效率的降低。加之活塞泵氣損失、穿梭傳熱損失、各種導(dǎo)熱損失、工質(zhì)的泄露以及機械損失和汽柴油機的工況變化，進(jìn)一步使得系統(tǒng)性能降低。因此，本系統(tǒng)必須通過試驗和理論計算進(jìn)行改良，降低各種損耗，使能量利用率達(dá)到最高。5創(chuàng)新點及應(yīng)用1）適用于各種汽車。2）利用汽車尾氣熱量進(jìn)行發(fā)電。3）有效降低排放尾氣時的噪音和所排尾氣的溫度。汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛