（長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212）

汽車對(duì)燃油熱能的利用率非常低，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡時(shí)，柴油機(jī)、汽油機(jī)對(duì)燃油熱能的利用率分別只有30%～40%和20%～35%，其余大部分被拋棄。顯然，利用汽車廢棄的余熱發(fā)電有著非常重要的意義。為了利用汽車廢熱發(fā)電，人們做了大量的研究，找到了許多熱電轉(zhuǎn)換的方法，但這些方法不是熱電轉(zhuǎn)換效率低就是附加油耗太高，筆者設(shè)計(jì)的汽車廢熱發(fā)電系統(tǒng)，能在附加油耗較低的情況下將汽車廢熱轉(zhuǎn)換成電能。

1 熱電轉(zhuǎn)換渦輪發(fā)電基本工作原理

在一個(gè)封閉的循環(huán)液循環(huán)管道系統(tǒng)中，先讓循環(huán)液吸收發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管放出的熱量，再將循環(huán)液壓縮成高溫高壓蒸汽，然后使高溫高壓蒸汽沖擊渦輪發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，將熱能轉(zhuǎn)換成電能。本系統(tǒng)用于熱電轉(zhuǎn)換媒介的循環(huán)液循環(huán)所需動(dòng)力，盡量由汽車在下坡時(shí)的下滑力提供，只有在非下坡路段發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度超出了額定工作溫度的情況下才由燃油提供，以達(dá)到微附加燃油能耗的目的。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

2.1 熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由循環(huán)液及其循環(huán)管道、吸熱器、循環(huán)壓縮泵、渦輪發(fā)電機(jī)、單向閥組成，系統(tǒng)模型組成如圖1所示。

圖1 熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電系統(tǒng)模型

為了較好地吸收發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管放出的熱量，吸熱器應(yīng)包裹緊貼發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管的外表，循環(huán)液應(yīng)選擇低沸點(diǎn)的制冷劑氟里昂。為了產(chǎn)生高壓蒸汽沖擊渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電，應(yīng)選擇壓縮效能較高的循環(huán)壓縮泵。毛細(xì)管的管徑和長度應(yīng)保證噴嘴出口蒸汽沖擊力足夠強(qiáng)。噴嘴的數(shù)量和方向應(yīng)與渦輪發(fā)電機(jī)葉片配合，做到熱電轉(zhuǎn)換效率高。為了在循環(huán)壓縮泵不工作時(shí)高低溫側(cè)能形成較大的壓力差，應(yīng)在渦輪發(fā)電機(jī)與吸熱器之間安裝單向閥。

2.2 控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)模型如圖2所示，由下坡檢測(cè)控制、溫度檢測(cè)控制和傳動(dòng)執(zhí)行部分組成。下坡檢測(cè)部分主要是一個(gè)能檢測(cè)汽車下坡的平衡桿。溫度檢測(cè)控制部分主要由磁性居里元件組成，它包括高溫點(diǎn)檢測(cè)和低溫點(diǎn)檢測(cè)，溫度檢測(cè)點(diǎn)由發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作所需溫度決定。檢測(cè)結(jié)果傳動(dòng)執(zhí)行部分由兩個(gè)撥叉、轉(zhuǎn)盤、離合器和變速器組成。平衡桿為一內(nèi)裝有滾珠的筒桿，滾珠的數(shù)量與質(zhì)量產(chǎn)生的重力既要保證汽車在水平路面上行駛發(fā)生顛簸振動(dòng)時(shí)平衡桿不誤動(dòng)作，又要保證在達(dá)到規(guī)定的最小下坡角度時(shí)能產(chǎn)生足夠的重力迫使觸點(diǎn)1斷開，同時(shí)還要保證溫度低于低溫控制點(diǎn)時(shí)循環(huán)壓縮泵不工作，為此滾珠的數(shù)量與質(zhì)量產(chǎn)生的重力要略小于高溫居里元件與低溫居里元件磁力之和。平衡支點(diǎn)的位置應(yīng)保證汽車在水平路面上行駛時(shí)稍向上傾斜。高溫居里元件與低溫居里元件應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度要求進(jìn)行選擇，居里元件應(yīng)有陡峭的磁性溫度曲線，以保證溫控點(diǎn)準(zhǔn)確、動(dòng)作果斷。撥叉1與撥叉2上的彈簧為拉簧，拉簧的拉力應(yīng)小于居里元件的磁力。撥叉的主動(dòng)臂長度應(yīng)大于從動(dòng)臂的長度，以便主動(dòng)臂只需較小的彈簧拉力就可以帶動(dòng)從動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)離合器從動(dòng)盤片離合。離合器主從動(dòng)盤片為摩擦片，可效仿汽車摩擦式離合器設(shè)計(jì)，離合器主動(dòng)盤片的動(dòng)力從汽車傳動(dòng)軸獲得。為了保證循環(huán)壓縮泵能有效地將高溫汽體壓縮成高溫高壓液體，應(yīng)將循環(huán)壓縮泵轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)在某一高速旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，為此應(yīng)將汽車傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速通過變速器變換到循環(huán)壓縮泵高效工作范圍內(nèi)，變速器的變速方法可參考汽車變速箱進(jìn)行。變速器轉(zhuǎn)軸右端為花鍵結(jié)構(gòu)，其上套有可軸向移動(dòng)的離合器內(nèi)花鍵軸套，該軸套上安裝有轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤由左右兩個(gè)組成，可沿軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，其目的是保護(hù)撥叉在與轉(zhuǎn)盤接觸時(shí)不受損傷?？紤]到離合器的壽命，變速器應(yīng)安裝在循環(huán)壓縮泵與離合器之間。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

3 系統(tǒng)模型工作過程

3.1 發(fā)電系統(tǒng)模型工作過程

循環(huán)液吸收發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣管排放的熱量，在溫度未達(dá)到發(fā)電溫度時(shí)，循環(huán)壓縮泵不工作，此時(shí)在單向閥和毛細(xì)管的共同作用下，高溫側(cè)循環(huán)液的壓力逐漸升高。當(dāng)溫度達(dá)到發(fā)電溫度時(shí)，循環(huán)壓縮泵開始工作，循環(huán)液的壓力進(jìn)一步上升，該高溫高壓液體經(jīng)噴嘴噴出，沖擊渦輪發(fā)電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)發(fā)電，從而完成從熱能、動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換，同時(shí)循環(huán)液溫度下降，循環(huán)液再次經(jīng)單向閥流入吸熱器繼續(xù)吸熱，為下次熱電轉(zhuǎn)換作好準(zhǔn)備。

3.2 循環(huán)壓縮泵溫度控制系統(tǒng)模型工作過程

當(dāng)溫度在高溫控制點(diǎn)與低溫控制點(diǎn)之間時(shí)，高溫居里元件磁性存在，低溫居里元件磁性消失，觸點(diǎn)1閉合，觸點(diǎn)2斷開，離合器處于分離狀態(tài)，循環(huán)壓縮泵不工作，如圖2所示。當(dāng)溫度達(dá)到高溫控制點(diǎn)時(shí)，高溫居里元件磁性消失，在拉簧1和撥叉1的作用下，觸點(diǎn)1斷開（此時(shí)觸點(diǎn)2亦斷開），離合器從動(dòng)盤片沿變速器花鍵軸軸向移動(dòng)而閉合，于是，汽車傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速經(jīng)離合器傳遞，變速器變速，帶動(dòng)循環(huán)壓縮泵高速旋轉(zhuǎn)，渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，與此同時(shí)循環(huán)液開始降溫，如圖3所示。

圖3 溫度控制系統(tǒng)示意圖

高溫檢測(cè)控制部分動(dòng)作后，由于觸點(diǎn)1間隙較大，即使溫度下降到高溫控制點(diǎn)，高溫居里元件磁性恢復(fù)，但由于此時(shí)的磁力不足，難以使觸點(diǎn)1再次閉合，于是離合器仍然處于閉合狀態(tài)，循環(huán)壓縮泵、渦輪發(fā)電機(jī)繼續(xù)工作，循環(huán)液繼續(xù)降溫。當(dāng)循環(huán)液溫度下降到低溫控制點(diǎn)以下時(shí)，低溫控制居里元件磁性恢復(fù)，因其磁力足夠大，于是觸點(diǎn)2閉合，在撥叉2的作用下離合器分離，循環(huán)壓縮泵停止工作，渦輪發(fā)電機(jī)停止發(fā)電，與此同時(shí)，撥叉2將滑輪向左推動(dòng)，使觸點(diǎn)1的間隙減小，高溫控制居里元件的磁力使觸點(diǎn)1閉合。

離合器分離后，渦輪發(fā)電機(jī)停止發(fā)電，循環(huán)液溫度開始回升，當(dāng)溫度回升到低溫控制點(diǎn)以上時(shí)，低溫居里元件磁性消失，觸點(diǎn)2斷開，溫度控制系統(tǒng)又恢復(fù)到圖2所示的狀態(tài)。如此循環(huán)往復(fù)，將發(fā)電溫度控制在某一范圍內(nèi)。

3.3 循環(huán)壓縮泵下坡控制系統(tǒng)模型工作過程

若溫度在低溫控制點(diǎn)以上且離合器處于分離狀態(tài)，當(dāng)汽車下坡且坡度達(dá)到動(dòng)作角度時(shí)，平衡桿內(nèi)的鋼珠滾向低端，在平衡桿及內(nèi)部鋼珠重力的壓迫下，撥叉1推動(dòng)花鍵軸套向右移動(dòng)，使離合器閉合，循環(huán)壓縮泵開始旋轉(zhuǎn)，渦輪發(fā)電機(jī)開始發(fā)電。

隨著循環(huán)壓縮泵的運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度越來越低，當(dāng)溫度低于低溫控制點(diǎn)時(shí)低溫居里元件磁性恢復(fù)，觸點(diǎn)2閉合，在撥叉2的作用下，離合器分離，帶動(dòng)撥叉1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，觸點(diǎn)1閉合，在發(fā)電過程中，若汽車由下坡變成上坡行駛，只要溫度在允許發(fā)電溫度范圍內(nèi)，離合器繼續(xù)閉合，渦輪發(fā)電機(jī)繼續(xù)發(fā)電，循環(huán)液繼續(xù)降溫，直到溫度低于低溫控制點(diǎn)為止。

如果溫度低于低溫控制點(diǎn)，此時(shí)即使汽車處于下坡行駛狀態(tài)，但由于平衡桿產(chǎn)生的壓力不足以克服高溫居里元件與低溫居里元件磁力之和，下坡控制部分不起作用，因此，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度之要求。