排气系统说明书-赵明华.doc

应用斯特林发动机的汽车节能降噪排气系统设计说明书 设计者：赵明华，王盛东，康喜生，黄红宁，靳绍华 作品内容简介通过理论设计了一套汽车排气系统。本系统的主要目的是利用汽车高温尾气发电和降低汽车排气的噪声。基本思路是利用汽车的高温尾气驱动斯特林发动机，进而带动由配置在斯特林发动机上的发电机发电为汽车用电器供电或为蓄电池充电，同时利用消音和热量聚集器和斯特林发动机配合系统有效降低尾气噪声和热污染，减小发动机排气背压，提高发动机效率。关键词：余热发电 斯特林发动机 降噪 减少热污染 1 研制背景及意义随着世界经济的不断增长，人类社会对能源的需求也将稳步地增加。根据国际能源署(IEA)的预测，全球2005年到2030年间一次能源需求将增加一半以上，年均增长率为1.8%。2005年的能源需求为114亿吨标准油，而到2030年将达到177亿吨标准油，增长了55%。汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一。随着我国汽车工业的发展，车辆消耗的能源与日俱增，车辆的节能也越来越受关注。发动机工作时，一般转化为有效功的热当量占燃料燃烧产生热量的 35%40%，冷却水带走的热量占 20%30%，尾气带走的热量为 30%40%。如何将燃料的热量充分的利用，是人们普遍关注的问题。利用汽车尾气余热发电就是有效利用这些热量的一个合理途径。充分利用尾气中的热量，不仅可以节约能量，而且可以减少热污染，有利于环境保护。2 设计方案图1本排气系统由五部分组成：触媒转化器，消音和热量聚集器，斯特林发动机，消音器，排气管道。从发动机排出的高温尾气首先通过催化转化器进行催化分解，将大部分有毒气体转化为无毒气体。经过转化后的气体进入消音和热量聚集器和斯特林发动机配合系统，高温气体使斯特林发动机运转，进而带动发电机发电，用以辅助蓄电池供能或为蓄电池充电。经过利用的气体经过消音器后通过排出端排出。2.1 电器控制由于本装置产生的电能不稳定，需要经过试验进行特殊电路设计。初步设想通过单片机系统进行控制和转换，根据发电机产生的电流大小决定其是供电还是为电池充电。2.2 机械部分机械部分主要是斯特林发动机系统。斯特林发动机的热端内的气体通过消音和热量聚集器内的高温环境与外端冷端通过热胀冷缩原理做功，推动发动机活塞做往复运动，进而通过曲轴将动力转化为飞轮的转动，通过与飞轮配合的电动机发电。3 理论设计计算 发动机的理论效率： =（1 T0/T）X 100%，其中T0为低温热源温度，T为高温热源温度。假定低温热源温度为25（冷却水温度），高温热源为500（发动机正常工作时平均尾气温度），带入数据得=（1 T0/T）X 100%=95%发动机工作时，一般转化为有效功的热当量占燃料燃烧产生热量的 35%40%，冷却水带走的热量占 20%30%，尾气带走的热量为 30%40%。实际斯特林机的效率为 33%40%。1因此，本排气系统中，理论上可以节约的能量占发动机燃料燃烧产生热量的9.9%16%。4 工作原理及性能分析工作原理：图2在汽车尾气余热发电系统中使用的斯特林发动机机是一种高温高压外燃机, 使用氢或氦作为循环工质。斯特林机的工质气体被交替地加热和冷却, 交替加热的气体达到相同的温度和体积。斯特林发动机配置有一个高效换热器, 用于回收气体做功后的余热并预热待加热气体。图 2 所示为斯特林循环的四个基本过程。1 2 定温压缩过程: 配气活塞停留在上止点附近, 动力活塞从它的下止点向上压缩工质, 工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉, 当动力活塞到达它的上止点时, 压缩过程结束。2 3 定容回热过程: 动力活塞仍停留在它的上止点附近, 配气活塞下行, 迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔, 低温工质流经回热器时吸收热量, 使温度升高。3 4 定温膨胀过程: 配气活塞继续下行, 工质经加热器加热, 在热腔中膨胀, 推动动力活塞向下并对外做功。4 5 定容储热过程: 动力活塞保持在下止点附近, 配气活塞上行, 工质从热腔经回热器返回冷腔,回热器吸收工质的热量, 工质温度下降至冷腔温度。综上所述, 在一个完整的斯特林循环中, 气体对外所做的功为高温膨胀过程所做的功与低温压缩过程所做的功的差。而这些功最终通过推动发电机发电转化为电能。性能分析：本系统的实际尾气热量利用率为33%40%，配置在排气系统中的斯特林发动机由于工作条件较恶劣以及空间较小，对其性能的发挥具有不可忽视的影响，造成发动机实际效率的降低。加之活塞泵气损失、穿梭传热损失、各种导热损失、工质的泄露以及机械损失和汽柴油机的工况变化，进一步使得系统性能降低。因此，本系统必须通过试验和理论计算进行改良，降低各种损耗，使能量利用率达到最高。5 创新点及应用1）适用于各种汽车。2）利用汽车尾气热量进行发电。3）有效降低排放尾气时的噪音和所排尾气的温度。 汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一。随着我国汽车工业的发展，车辆消耗的能源与日俱增，车辆的节能越来越受关注。发动机工作时，一般转化为有效功的热当量占燃料燃烧产生热量的 35%40%，冷却水带走的热量占 20%30%，尾气带走的热量为 30%40%。本排气系统具有发电、降噪、减少热污染、提高发动机效率等优点，不仅可以有效地利用废热，节约能源，同时有利于环境保护。目前汽车所配备的排气系统均为普通排气系统，