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發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量回收系統(tǒng)研究

文檔作者：李軍徐楊蛟王文賓紀(jì)雷文檔來源： 1．重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院 2．濰柴(重慶)汽車有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月12日
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機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture
第8期
2015年8月
發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量回收系統(tǒng)研究
李軍 ，徐楊蛟 ，王文賓 ，紀(jì)雷
(1．重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶400074；2．濰柴(重慶)汽車有限公司，重慶402247；
3．長城汽車股份有限公司，河北保定07 1000)
摘要：廢氣能量回收是提高汽車節(jié)能減排效果的有效手段之一。建立了發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪發(fā)電回收系統(tǒng)模型；系統(tǒng)采用
旁通閥和可變截面渦輪技術(shù)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速。針對(duì)某企業(yè)的某款車用發(fā)動(dòng)機(jī)，利用有關(guān)數(shù)學(xué)模型及
數(shù)學(xué)分析法對(duì)渦輪機(jī)進(jìn)行了選項(xiàng)設(shè)計(jì)，確定了渦輪機(jī)的基本參數(shù)，根據(jù)基本參數(shù)選定某國產(chǎn)HIA渦輪機(jī)；再根據(jù)渦輪機(jī)
有關(guān)輸出參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了選項(xiàng)設(shè)計(jì)。建立了廢氣能量回收系統(tǒng)仿真模型，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。
結(jié)果表明，混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量回收可以實(shí)現(xiàn)廢氣能量的回收利用。通過兩種典型工況的仿真分析，其最高回
收功率可達(dá)(1．7～1．9)kW。
關(guān)鍵詞：廢氣能量回收；可變截面渦輪；選型設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TH16；U469．72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—3997(2015)08—0034—05
Study on Exhaust Energy Recycling System of Engine
LI Jun ，XU Yang-jiao ，WANG Wen-bin。，JI Lei
(1．Institute of Electrical and Mechanical and Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，
China；2．Weichai(Chongqing)Automotive Co．，Lt&amp;amp;，Chongqing 402247，China；3．Great Wall Motor Incorporated Company，
Hebei Baoding 071000，China)
Abstract：Exhaust energy recovery is one ofthe effective lnea?l~to improve the effect ofautomobile energy conservation and
emissions reductiorL Exhaust turbo generator recovering systemmodel of enginewus studieddn this recovery system by-puss
valve andvariable geometry turbine (VGT)were used to control the exhaust backpressure ofengine and turbine speed．It used
a mathematical model and related mathematical analysis options for turbines designed to determine the basic parameters ofthe
turbinefor a certain vehicle enginefor a company．Accordingto the basic parameters，a domestic H1A turbine was selected；
then the generator and related stepper motor design options were done according to the output parameters of the turbine．
Exhaust gas energy recovery system simulation model was established，and the simulation analysis ofthe whole system had
beencarried out．The results show that the hybrid electrical vehicle engine exhaust gas energy recovery system can realize the
recyc'tingofwaste gas energy．Accordingto the simulation analysis oftwo typical working conditions，the maximum recycling
power is up to(1．7-1．9)kW
Key Words：Exhaust Energy Recovery；Variable Geometry Turbine；Selection and Design
1 l百
有關(guān)研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒釋放的總能量中，被有效利
用的能量大約只有(20～45)％，剩余的能量基本以熱能形式耗散
掉了，其中廢氣攜帶的能量占燃燒總能量的(30-,45)％，發(fā)動(dòng)機(jī)廢
氣攜帶的能量可利用空間非常大 。
目前，廢氣能量回收系統(tǒng)主要是將廢氣攜帶的動(dòng)能、熱能吸
收轉(zhuǎn)換為電能或機(jī)械能，可再轉(zhuǎn)換為其它能量儲(chǔ)存，基本方法主
要有三種：氟氯透平發(fā)電技術(shù)、廢氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)、廢氣渦輪
發(fā)電技術(shù) 。
在汽車廢氣能量回收方面國外也進(jìn)行了相關(guān)研究，日本主
要研究集中在熱電轉(zhuǎn)換材料方面，歐美國家比較著重于小功率電
源產(chǎn)品的開發(fā)。國外在廢氣能量回收發(fā)電研究方面主要集中在產(chǎn)
品的試驗(yàn)研究上，對(duì)廢氣能量變化機(jī)理研究及系統(tǒng)控制研究方面
相對(duì)較少。
研究的廢氣能量回收系統(tǒng)是將渦輪機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門
之后，渦輪采用可變截面渦輪，利用步進(jìn)電機(jī)控制渦輪入口截面
大小，同時(shí)利用廢氣旁通閥控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓。渦輪機(jī)將部分
廢氣能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，再將電能存入蓄電池
來稿日期：2015—01—21
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305472)；重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(CSTC2013yykfB0184)
作者簡介：李軍，(1964一)，男，重慶人，博士研究生，教授，主要研究方向：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放與控制，新能源汽車技術(shù)

No．8
Aug．2015 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 37
式對(duì)廢氣能量利用率較低。可變截面渦輪(Variable Geometry
Turbine)可以通過改變導(dǎo)流葉片轉(zhuǎn)角來改變渦輪通流截面大小，
進(jìn)而改變廢氣流速和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速I 41，如圖4所示。
圖4可變截面渦輪結(jié)構(gòu)示意圖
Fig．4 The Structure of Variable Geometry Turbine
可變截面渦輪機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以控制渦輪機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)流葉片傾
角，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，如圖5所示。目前VGT執(zhí)行機(jī)構(gòu)
比較常用的執(zhí)行器是步進(jìn)電機(jī)。將步進(jìn)電機(jī)通過一個(gè)齒輪齒條拉
桿與渦輪進(jìn)氣導(dǎo)流葉片相連，將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變成齒條的直線
運(yùn)動(dòng)，齒條拉動(dòng)渦輪進(jìn)氣導(dǎo)流葉片運(yùn)動(dòng)，使渦輪導(dǎo)流片具有不同
的傾角。這種驅(qū)動(dòng)方式精度高、響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)。
步進(jìn)電機(jī)
圖5可變截面渦輪執(zhí)行結(jié)構(gòu)示意圖
Fig．5 Sketches of the Variable Area
Turbine Performing Structure
步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角 與導(dǎo)流葉片傾角 的關(guān)系可以通過換算
得到。設(shè)可變截面渦輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)臂長半徑為R，步進(jìn)電機(jī)輸出齒
輪半徑為r，步進(jìn)電機(jī)初始轉(zhuǎn)角為 ，相應(yīng)的渦輪導(dǎo)流葉片角度為
最小(此時(shí)角度為14。)，可以得到步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角和渦輪導(dǎo)流葉
片傾角關(guān)系為：
=14+—O-
—
Oo R
r
(28)
由以上公式可知，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角與渦輪導(dǎo)流葉片傾角是
成正比例關(guān)系，可以利用步進(jìn)角代表渦輪導(dǎo)流葉片傾角。步進(jìn)電
機(jī)從結(jié)構(gòu)上主要有三種類型：反應(yīng)式、電磁式和混合式。反應(yīng)式步
距角小，成本低，但動(dòng)態(tài)性差，可靠性低；電磁式動(dòng)態(tài)性好、輸出力
矩大，但步距角大，精度低；混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和電磁
式的優(yōu)點(diǎn)，是使用最廣泛的步進(jìn)電機(jī)。按照這里的使用需要，選用
某國產(chǎn)的混合式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)型號(hào)為57BYGH803—1，主要參
數(shù)，如表4所示。
表4步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)
Tab．4 Main Parameters of Stepping Motor
型號(hào) 57BYGH803—1
相數(shù)
步距角(。)
額定電流(A)
額定電壓(V)
靜轉(zhuǎn)矩(kg·cm)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(g·cm2)
4
1．8
1．5
6-3
12．O
440
6系統(tǒng)仿真分析
以LJ491QE汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為分析對(duì)象。利用Simulink建立系
統(tǒng)仿真模型對(duì)廢氣能量回收系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析 。汽車不同的運(yùn)
行工況廢氣能量差別較大，以CYC—EUDC及CYC—US06-HWY
駕駛循環(huán)作為仿真工況，分別代表典型城市行駛工況和高速行駛
工況。通過比較廢氣能量回收系統(tǒng)在兩種不同行駛工況下的回收
效率，可以得到不同行駛工況對(duì)整體燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。
CYC—EUDC、CYC—US06一HWY行駛工況下車速隨時(shí)間的變
化關(guān)系，如圖6所示。
圖6 EUDC及US06工況下車速變化
Fig．6 The Speed Change of EUDC and US06Condition
在CYC—EUDC、CYC—US06一HwY兩種行駛工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)
廢氣質(zhì)量流量、溫度、壓力及廢氣流速隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖7
所示。
EUDC CYC—US06一HWY
time(sec)
CYC—USO6一H Y
time(see)
CYC—USO6一HW Y
time(see)
CYC—USO6一HW Y
time(set2)
圖7兩種行駛工況下發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣參數(shù)變化
Fig．7 The Change of Exhaust Parameters
Under Two Conditions
— _) 目ad目 囂
No．8
38 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 Aug．2015
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣參數(shù)及文獻(xiàn)目分析法『121，建立渦輪機(jī)回收系
統(tǒng)，根據(jù)建立的渦輪機(jī)仿真模型進(jìn)行仿真可得到渦輪機(jī)輸出功率
變化，如圖8所示。
time(sec) time(see)
圖8兩種工況下渦輪機(jī)功率變化
Fig．8 The Power Change of the Turbine
Under Two Conditions
廢氣能量發(fā)電系統(tǒng)將渦輪機(jī)輸出功率轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)動(dòng)機(jī)
在怠速工況下，發(fā)電機(jī)輸出功率較低，在中高負(fù)荷工況下較高，假
設(shè)發(fā)電機(jī)整體發(fā)電效率為0．6，發(fā)電功率最高可達(dá)(1．7～1．9)kw，
這樣的功率輸出完全可滿足普通汽車電器的用電需求，也可用于
混合動(dòng)力汽車蓄電池充電。
7結(jié)論
發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量回收對(duì)汽車節(jié)能減排有重要意義。依據(jù)某
款車型發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)對(duì)廢氣能量回收系統(tǒng)主要零部件進(jìn)行了設(shè)
計(jì)選型。根據(jù)計(jì)算得到的渦輪機(jī)基本參數(shù)選取了型號(hào)為H1A的
某國產(chǎn)渦輪。根據(jù)渦輪機(jī)相關(guān)輸出參數(shù)確定了發(fā)電機(jī)型號(hào)
GWD1500。對(duì)高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)可變截面渦輪執(zhí)
行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了選項(xiàng)，確定型號(hào)為57BYGH803—1的混合式步進(jìn)電
機(jī)。
將廢氣能量回收與混合動(dòng)力汽車結(jié)合起來，可以進(jìn)一步提
升混合動(dòng)力汽車節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)，為混合動(dòng)力汽車節(jié)能優(yōu)化提供了
一種有效的途徑。在以CYC—EUDC及CYC—US06一HwY兩種典
型工況下，通過比較廢氣能量回收系統(tǒng)在兩種不同行駛工況下的
回收效率，其最高回收功率可達(dá)(1．7 1．9)kw。且該系統(tǒng)在高速工
況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量回收利用率好，汽車在高速工況下使用該系
統(tǒng)效果最佳。
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