汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電技術(shù)可行性研究報(bào)告

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用技術(shù)可行性分析一、背景70,而我國(guó)是一個(gè)石境影響.因此將這些汽車廢熱有效利用是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能，降低汽車能源消耗的一個(gè)有效途徑。二、汽車余熱利用技術(shù)30％—45％(柴油機(jī)〕20％-30％〔汽油機(jī)。以余熱形式排出車外柴油機(jī)汽油機(jī)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量。下表為內(nèi)燃機(jī)的熱平衡表有效利用自然受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，不少人致力于此方面爭(zhēng)論。求，可將這些特點(diǎn)簡(jiǎn)潔歸結(jié)如下：一是汽車余熱的品位較低，能量回收較困難;,重量輕，效率高；,適應(yīng)汽車運(yùn)行環(huán)境；四是要保證汽車使用中的安全;五是要不影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性，避開降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。由于汽車余熱利用具有上述特點(diǎn)，使得爭(zhēng)論的成果雖多,但投入商業(yè)化生產(chǎn)的不多,有待進(jìn)一步的爭(zhēng)論開發(fā)。國(guó)內(nèi)外汽車余熱利用的技術(shù)，從熱源來(lái)看，有采暖、改進(jìn)燃料、渦輪增壓、室內(nèi)濕度掌握和空氣凈化等方式。1、余熱制冷技術(shù)影響轎車動(dòng)力性;同時(shí)由于蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)承受的制冷工質(zhì)為氟利昂類化合物，導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇.為解決舒適性與制冷功耗之間的沖突，回收和利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轎車空調(diào),是抱負(fù)的節(jié)能方案。目前提出的這方面技術(shù)主要有吸取式和吸附式兩種。吸取式制冷空調(diào).其原理是以熱能為動(dòng)力來(lái)完制冷，固然也可以利用排氣余熱來(lái)實(shí)現(xiàn)吸取式循環(huán)。吸取式制冷系統(tǒng)有較大的COP〔相對(duì)于吸附式而言)，但構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積大、造價(jià)高，而且四器〔發(fā)生器、冷凝器、吸取器、蒸發(fā)器〕需要自由水平面,不太適用于常常處于顛.其原理是利用某些固體物質(zhì)在肯定溫度、,是較為抱負(fù)的系統(tǒng).COP不高，,這限制了COP值及單位質(zhì)量吸附劑制冷功率。2、余熱發(fā)電技術(shù)利用廢氣能量發(fā)電常用方法有四種，電.3.37%，吉林大學(xué)的董桂田.是〔通常為氟利昂作為想，,但用斯特林循環(huán)原理發(fā)電。工質(zhì)從高溫?zé)嵩础财噺U氣)吸取熱量，膨脹做功，向發(fā)電機(jī)進(jìn)一步將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。3、余熱采暖余熱式暖氣裝置利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作剩余熱量供暖,式。①水暖式暖風(fēng)裝置廣泛應(yīng)用于汽車采暖系統(tǒng)中，但其發(fā)熱量較小，主要用②氣暖式暖風(fēng)裝置的發(fā)熱量大，采暖效果較好,受環(huán)境溫度影響小,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作影響小，但要留意不要增加排氣背壓,否則將影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。4、改進(jìn)燃料利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱加熱燃料,使其在催化劑作用下能分解出氫、一氧化碳等可燃?xì)怏w,可提高燃料的燃燒熱值，減輕排放污染和積炭。比方甲醇,改性后的余熱的一局部，其目的重在改進(jìn)燃料而非充分利用廢氣能量。現(xiàn)用,簡(jiǎn)潔消滅熱能供給與需求失配的沖突，因此人們考慮如何將汽車剩余熱量源來(lái)看，余熱量與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況有關(guān),是一種具有分散性和間歇性特點(diǎn)的能源,而且氣候因素、汽車啟停間隔等因素對(duì)汽車余熱量影響也很明顯.要解決供需矛霜、掌握室內(nèi)濕度;從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看,熱存貯在汽車余熱利用系統(tǒng)中所起的量存貯問(wèn)題，蓄能問(wèn)題也是汽車余熱應(yīng)用爭(zhēng)論中的薄弱環(huán)節(jié)。三、余熱利用各技術(shù)可行性分析1、余熱制冷技術(shù)分析--—氨等,對(duì)環(huán)境無(wú)污染、可直接利用一次能源以及無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到人們的重視.COP與吸取式系統(tǒng)相近。由于使用固體吸附材料，因此可用于振動(dòng)場(chǎng)合.氨工質(zhì)的制冷量大，在常規(guī)溫度范圍內(nèi)，蒸發(fā)和削減溫室效應(yīng)又意義很大，因此在制冰及空調(diào)應(yīng)用中日益受到重視。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其在吸附式制冷循環(huán)中的性能爭(zhēng)論較少 ,Warwick大學(xué)的R。初步的爭(zhēng)論和分析.吸附式制冷熱力學(xué)原理圖a-b—c—d—aa-b—m-n—a為制冷劑熱力過(guò)程.吸附器分別在a—b—c過(guò)程被加熱解吸和在c—d—a過(guò)程降溫吸附，中間需要切換加熱和冷卻,是一個(gè)間歇過(guò)程，適合于太陽(yáng)能等不連續(xù)熱源場(chǎng)合.它的循環(huán)周期長(zhǎng)，性能系統(tǒng)較低。在此根底上人們?cè)O(shè)計(jì)了雙吸附器的連續(xù)的根本循環(huán)。ca，回?zé)峋褪抢么藭r(shí)兩吸附器的溫差來(lái)兩吸附器溫度相等的狀態(tài)，即e和e’COPCOP30%以上。,COP,用于動(dòng)力400～500℃;尾氣帶走的熱量170kW〔228馬力〕的大型客:600kW170kW；輻射、冷卻換熱200kW.在余熱回收中可以考慮兩種方式.一種是使用散熱器冷卻水中回收的熱量,〔100℃的。假設(shè)使用從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中回收的熱量,則氣體的傳熱狀況較差造成回收熱量困難；但從另外的角度來(lái)看,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的溫度較高〔汽油機(jī)500-600℃遠(yuǎn)高于冷卻水的溫度),有可能改善熱回收狀況；而且此溫度與冷卻空氣的溫度相差較大,可以使系統(tǒng)循環(huán)溫差較大,從而造成較大的吸附解吸量。2、余熱發(fā)電技術(shù)分析由于汽車的構(gòu)造緊湊、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量小，車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的利用相對(duì)于大來(lái)解決上述問(wèn)題.TEG熱能利用方面具有獨(dú)特的效果;把它安裝在內(nèi)燃機(jī)的排氣管上，能夠?qū)?nèi)燃機(jī)運(yùn)能直接轉(zhuǎn)換為電能,效率取決于熱電極材料的性能和器件的設(shè)計(jì)制造水平。自從Ioffe院士提出了半導(dǎo)體熱電理論以來(lái)，用于溫差發(fā)電的熱電材料都是半導(dǎo)體材料，如用于低溫〔300℃以下〕熱電材料Bi2Te30℃0℃℃0℃〕αK—1)。爭(zhēng)論中也常ZT值(稱為無(wú)量綱優(yōu)值,T為確定溫度。能夠用于溫差發(fā)電的材料既要有較α、σλ值，這是一個(gè)格外苛刻且沖突的條件，以至于室溫ZT1的狀況至今未能突破.因而，查找高優(yōu)值的熱電材料,始終是熱電學(xué)爭(zhēng)論的重要內(nèi)容,這些爭(zhēng)論主要包括:和熱絕緣的沖突是有效的。料等.熱電材料的梯度構(gòu)造包括材料載流子濃度的梯度化和層疊熱電材料結(jié)合面,使得最正確的材料能運(yùn)用在最合理的溫度區(qū)域，提高總的轉(zhuǎn)換效率.(3)熱電材料制備工藝的爭(zhēng)論,常用的方法有熔體生長(zhǎng)法和粉末冶金法，以及微型半導(dǎo)體熱電器件承受的氣相生長(zhǎng)法.制備方法與工藝的完善與否，對(duì)材料的性能影響很大。粉末冶金法適用于大規(guī)模生產(chǎn),而且原材料鋪張少，獲得的材料機(jī)械性能好,是一種有前途的適合有用普及的工藝方法.單個(gè)熱電轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換功率很小，需要經(jīng)串/并聯(lián)組合制成轉(zhuǎn)換模塊,并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。美國(guó),71對(duì)碲化鉍熱電偶聯(lián)接起來(lái)，“蛋架”200238V/19W電流。4種不同規(guī)格的產(chǎn)品，形成了一個(gè)系列，輸出電功率從19W。車用溫差發(fā)電器的熱源是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和冷卻水帶走的余熱，前者800100℃以下。溫差發(fā)電器冷源的形式有空氣4種.現(xiàn)在設(shè)計(jì)的熱電偶臂3～10mm，冷熱端間距很小，所以，適當(dāng)?shù)睦湓葱问绞谦@得較大溫差的1500W之間.日本Nissan汽車公司爭(zhēng)論中心研制溫差發(fā)電器，它的外形尺寸為接在汽油機(jī)的排氣管中部所用熱電偶直徑72塊563K。在道路試驗(yàn)中，當(dāng)汽車60km/h的速度爬坡時(shí)，發(fā)電器可轉(zhuǎn)換排氣中11％的熱19841.5kW溫差發(fā)電器設(shè)計(jì)的論文，1990年以后，在美國(guó)能源部的連續(xù)資助下進(jìn)展了載重車柴油機(jī)排氣余熱溫250kW〔335Hp)柴油機(jī)上進(jìn)展了臺(tái)架和道路試驗(yàn)72HZ-14模塊按圓周排列布置，冷端用水冷卻，形成250℃～270℃溫差。輸出功率主要依靠于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化，而受轉(zhuǎn)速變化的影響1000左右的時(shí)間.這一裝置的性能處于領(lǐng)先，但是獲得的總功率不算高，到現(xiàn)在還沒(méi)141汽車排氣余熱的溫差發(fā)電做了爭(zhēng)論:原車發(fā)350W14V25A.96050010016610J/s的排氣余熱就能轉(zhuǎn)換得到與發(fā)電機(jī)的輸出相等的電量.而臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得該車發(fā)動(dòng)機(jī)在最低轉(zhuǎn)速時(shí)排氣的溫度和流量已經(jīng)能滿足這些要求,說(shuō)明白排氣余熱的溫差發(fā)電具有有用性。俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)中心物理與能源工程爭(zhēng)論所〔SSCRF—IPPE〕，進(jìn)展了高寒區(qū)載重車發(fā)動(dòng)機(jī)的直接發(fā)電和取暖的爭(zhēng)論。試驗(yàn)對(duì)象為154kW〔210hp〕的俄制發(fā)動(dòng)機(jī)，關(guān)心的溫差發(fā)電器有,產(chǎn)生600W,尚有余熱供給駕駛室取暖.爭(zhēng)論說(shuō)明，發(fā)電器的效率就由于近50效溫差發(fā)電器就成為了主攻的方向。如1〕優(yōu)化設(shè)計(jì)爭(zhēng)論。,也與電極的截面和長(zhǎng)度有關(guān)，不同電阻率和導(dǎo)熱率的電極應(yīng)有不同的幾何尺寸,只有符合最優(yōu)尺寸才能獲得最正確的器件優(yōu)值。同時(shí)，承受優(yōu)化、仿真和CAD等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，是今后爭(zhēng)論的重要課題之一。(2)牢靠性爭(zhēng)論。牢靠性較高始終,但受設(shè)計(jì)、,器件的半導(dǎo)體熱電器件失效的主要緣由是熱電偶接頭處發(fā)生的物質(zhì)遷移，進(jìn)入到電極材料中，成為額外的摻雜原子，性等。這些問(wèn)題尚有待解決?！?〕傳熱學(xué)的爭(zhēng)論。溫差發(fā)電器在設(shè)計(jì)中，需要依據(jù)熱、冷源,這方面的爭(zhēng)論已經(jīng)成為溫差發(fā)電器設(shè)計(jì)的根底之一。(4〕多場(chǎng)協(xié)同轉(zhuǎn)換器的爭(zhēng)論。華南理工大學(xué)課題提出了一種全的溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)。冷源為分別式循環(huán)水冷，直接接入發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷系統(tǒng)。較高的熱電偶集成度,材料λ量.該爭(zhēng)論已經(jīng)完成理論爭(zhēng)論和驗(yàn)證性的試驗(yàn)。從爭(zhēng)論結(jié)果來(lái)看，目前設(shè)計(jì)構(gòu)造的溫差不高，熱電偶總數(shù)在1000問(wèn)題。承受強(qiáng)化熱電直接轉(zhuǎn)換技術(shù)，開發(fā)出大功率/高性能/高經(jīng)濟(jì)性的轉(zhuǎn)換器件和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將是進(jìn)展趨勢(shì)。3、余熱采暖技術(shù)分析1傳遞給水，水溫上升，沸騰，產(chǎn)生大量蒸氣,再利用蒸氣加熱開水、蒸飯、取暖。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中隱藏著大量的熱能,依據(jù)熱傳遞及熱交換原理，利用方式如下圖。左上是一個(gè)水箱，,熱量通過(guò)管壁傳遞給水，水溫漸漸上升，下端溫度低，產(chǎn)生從下向上逆熱氣流淌方向的循環(huán)流淌.屢次往復(fù)循環(huán)，就會(huì)將水“燒”開,產(chǎn)生蒸氣。因此，汽車廢氣余熱再利用的根本思路是：在排氣管外圍沿著排氣管方向焊裝一個(gè)水套,水套與一個(gè)水箱相連。裝置留意事項(xiàng)：用補(bǔ)水箱閥門，向蒸氣箱內(nèi)補(bǔ)水；準(zhǔn)時(shí)放水.應(yīng)將尾氣加熱器內(nèi)的水全部放凈.特別是冬季,發(fā)動(dòng)機(jī)不起動(dòng)時(shí),假設(shè)不將水放凈，會(huì)把加熱器凍裂；閥門開機(jī)起動(dòng)前，環(huán),將會(huì)產(chǎn)施工、部隊(duì)尾氣排放系產(chǎn)帶來(lái)極大的便利，并給國(guó)家節(jié)約大量的能源。2〕車內(nèi)采暖主要應(yīng)用于大客車上余熱式采暖系統(tǒng)是利用發(fā)動(dòng)〔冷卻水或尾氣采暖,但停車時(shí)不能供暖，用于大型車輛和嚴(yán)寒地區(qū)時(shí),因此，雖然余熱式采暖系統(tǒng)的消滅早于獨(dú)立式，但是目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)成功而廣泛的應(yīng)用。,燃料)在特地設(shè)計(jì)的燃燒器中燃燒，水或空氣被加熱后送到需采暖的空間.工作，.此外,利用微機(jī)掌握還可依據(jù)設(shè)定的時(shí)間開頭工作；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)展預(yù)熱、解決冷起動(dòng)問(wèn)題；還可對(duì)車廂進(jìn)展預(yù)熱;同時(shí)解決發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油和蓄電池的保溫問(wèn)題。裝置。但在實(shí)際使用〔特別是城市公交〕中,由于運(yùn)行費(fèi)用太高而常承受系統(tǒng)間歇工作的方式，以降低運(yùn)行本錢，從而造成風(fēng)供給缺乏,乘客感覺(jué)胸悶、缺氧。前者利用所回收的熱量加熱車廂內(nèi)的循環(huán)空氣；后者將外部的穎空氣加熱、.復(fù)合式熱交換器與尾氣消聲器并聯(lián),回收尾氣的熱量；為有效回收冷卻液熱量，布置一個(gè)冷卻液—采暖水熱交換器。在保證換熱效率的同時(shí)充分.眾所周知，城市公交車輛的行駛速度變化范圍很大，最高可達(dá)80km/h，最低則接近于怠速。但在高工況下可能會(huì)超過(guò)熱管的最高允許溫度，使之報(bào)廢。兩種換熱方式的結(jié)合，既保證高/低工況下的換熱起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度較低，電磁閥V3開啟，此時(shí)車廂內(nèi)沒(méi)有采暖。采暖系統(tǒng)中的水將尾氣的熱量正常行駛過(guò)程中，電磁閥V1關(guān)閉、V2開啟、V3熱，溫度上升后再在復(fù)合式熱交換器中進(jìn)一步吸熱。4、余熱制氫技術(shù)這主要是由于大多數(shù)汽車所采用的氫燃料的添加及儲(chǔ)存方法不完善。車儲(chǔ)存的特點(diǎn)，以甲醇代替氫氣隨車攜帶,將裂解的氫與汽油混合作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料,攜帶，使氫燃料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的推廣應(yīng)用成為可能。在不使用氫燃料時(shí)與傳統(tǒng)燃料系一樣。附加氫發(fā)生器、閥、泵等組成，氫發(fā)生器串接在排氣管上。甲醇容器中的甲醇泵入氫發(fā)生器之后，氫箱里。在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸真空度作用下，混合余熱制氫發(fā)動(dòng)機(jī)不用隨車攜帶氫氣，以隨車攜帶甲醇箱中的少量甲醇就可按需產(chǎn)生氫氣燃料，題；甲醇的添加和儲(chǔ)存與傳統(tǒng)燃料近似，在適宜的催化劑條件下，氫發(fā)生器的產(chǎn)氫率高，使燃料本錢低廉。,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中的廢氣余熱為300℃～780℃.上述反響中產(chǎn)生的氫氣除代燃之外，節(jié)約燃料并改善了發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放。,生成二氧化碳.因此氫氣燃燒后最終廢氣成分主要為二氧化碳和水.解為氫燃料使用，,添加等方面的問(wèn)題。余熱制氫發(fā)動(dòng)機(jī)使用氫〔或氫與汽油混合),使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中有害成分大幅減少,并能削減發(fā)動(dòng)機(jī)排氣對(duì)環(huán)境的放熱。,能從植物秸桿、煤等礦物中提取，可以緩解石油能源日益短缺的危機(jī)。改制費(fèi)用很少。甲醇添加站的設(shè)立(在原有汽油站根底上).這對(duì)已有的在用車上推廣余熱制氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)具有可行性。5、余熱貯存技術(shù),但形式上都是現(xiàn)采現(xiàn)用，簡(jiǎn)潔消滅熱能供給與需求失配的沖突，,供需時(shí)使用，工況有關(guān)，而且氣候因素、影響也很明顯。,就要把發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷卻液攜帶的熱能臨時(shí)貯存起來(lái)，嚴(yán)寒冬天車窗玻璃的除霧除霜、掌握室內(nèi)濕度；從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，熱存貯在汽車余熱利用系統(tǒng)中所起的作用比一般的熱利用系統(tǒng)都大得多。所以,汽車余熱蓄熱再利用關(guān)鍵在于解決能量存貯問(wèn)題，利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱作為主要熱源，蓄能密兼具先進(jìn)性、有用性與經(jīng)濟(jì)性于一身，具有格外好的工程應(yīng)用前景,值得深入爭(zhēng)論開發(fā)。相變蓄能是能量存儲(chǔ)技術(shù)中最具有良好前景的一項(xiàng)技術(shù),它是利用物質(zhì)在凝固/分散/氣化、凝華/進(jìn)展