摘要:汽车发动机排气余热回收和利用,是节能减排、环保低碳的重要能源项目。笔者依据螺壳结构原理,利用排气余热回收,进而提高能源的综合利用效率,来实现发动机排气消音又换热的功能。

关键词:汽车发动机;排气余热;回收

1 项目引出

北方的冬季,气温常常零下20℃-30℃,个别地区甚至达到零下40℃-50℃。作为交通工具,汽车需要取暖设备,但现在的汽车排气余热没有回收。本项目依据锅炉燃烧和发动机燃烧排出气体相同点都是高温气体的特性,对发动机排气扰流脉动加装换热装置来提高汽车发动机热回收的一种结构,满足既消音又换热、又不使发动机动力性影响较大、更便于安装使用。

项目消音原理: a、将噪音气流通过扩张收缩断面;b、分割气流,将一束气流分割成多束气流;c、改变气流流通方向;d、降低气流温度和换热“四理论”[a、有温差;b换热面积;c导热材料厚度;d换热系数(导热系数、放热系数、吸热系数)]中,薄螺旋片结构组成的消音换热器,同时满足上述“四原理”和“四理论”。

它实现了噪音气流四级扩张收缩流动;实现了气流粗分割和细分割再粗分割的三次分割形式;实现了气流流动过程的3600以上流通方向变化;实现了气流螺旋扰动湍流,提高放热(吸热)系数的功效。

2 汽车发动机消声器应用及螺旋消音换热器构成

消声器是发动机排放系统重要组成部分。先进的消声性能,既满足乘驾车舒适性、环境和安静,又适应汽车的动力性能及排放。现应用的消声器是传统的管板壳组成的阻型、抗型及阻抗复合型,使排气声波经过此结构组成障碍进行衰减,不但没有随工况可变的主动消声式,更没有排气余热回收功能。

螺旋消声换热器(L-XH型)项目实现了:

提高乘驾车舒适性,降低噪声;内部结构简单,与同类回收热能配件相比,体积和质量都降低;适合功率不同发动机的需要,配件为标准部件;换热器装置不影响发动机动力性能,提高动力性,有助于降低排放;实现热能回收,用在取暖和燃烧进气温度最佳恒定以及发电和制冷等,提高不可再生能源利用效率。

项目可应用于内燃机(发动机)排气系统。回收的热量提高内燃机进气温度,将热能循环利用,进而提高燃烧效率和能源利用率,减少温室气体排放,使内燃机达到低排放、低油耗及高功率的节能减排效果,可以在乘用车内取暖、制冷和发电,提高乘用车的经济舒适性。

项目技术特点:利用薄螺旋片,依据消音量和换热量设计成不同结构的交替螺旋通道;冷热工质在各自通道内进行扩张、收缩、分割、加速、减速等螺旋流动产生切向分速,尤其是靠近外壁处剪切应力增加、工质的混合及扰动增强以及工质“水力”直径的降低,使传热系数急剧增加,达到非常理想适用热传递效果。

3 项目应用领域及对相应产业的冲击影响

3.1 现用车辆空调应用现状

3.1.1 乘用车取暖系统现状

冬季乘用车取暖主要靠发动机缸体冷却系统带出热量,其只能满足轿车等小型车辆,对于中型及大型客车该热量远远不能满足供暖需求,需加装另一套独立燃烧加热取暖系统,针对零下20度以下地区,小型轿车取暖大风量将造成发动机缸体冷却温度过低(在60-70度以下)而影响发动机运行特性。

3.1.2 乘用车制冷系统(冷风),主要以内燃机为动力源。

1)小轿车、中小型面包车采用直连式,即驱动压缩机运转发动机为汽车主发动机,没有其他动力源,冷气装置消耗主发动机动力;2)大中型面包车、大客车、旅游车等乘人较多车辆,制冷系统采用独立式驱动,另增设专用发动机,制冷效果不受车辆行使性能影响;3)目前座位少的小型车辆制冷系统,均采用先进的变量压缩机和VSD变速传动,即用改变供电频率的方法,控制电动机(压缩机)转速,以期达到能量控制和与车室负荷匹配的变速传动。其动力源主要是内燃机带的发电机及蓄电池。

以上制冷、制热系统用动力源,在冷热负荷用量小时均采用发动机带动(热负荷是冷却系统带动);冷热负荷用量较大时,均采用独立系统供给,也靠独立消耗能源实现。而目前发动机为动力的机动车排气系统,除进行尾气净化及消音两种功能外,无其他任何功能,即排气余热没有得到开发应用,近40%的燃料热能白白排放大气中。

3.2 项目应用前景

项目适用于内燃机(发动机)排气系统中,以消除排气噪音,将排气余热回收。回收余热工质可用空气也可用液体(如导热母工质:26.5%的联苯(C8H5)2和73.5%的联苯醚(C6H5)2的共溶点混合物),具体依应用设计综合研究。回收热量可以应用以下方面。

3.2.1 用于乘用车内取暖及恒温

主要取暖热源,另以发动机缸体冷却液取暖补充为辅,尤其是大中型乘用车和水果蔬菜保温运输车、军用载人运输车等,不需额外加装独立燃烧燃料取暖装置,节约能源并减少车体自重,适合北方冬季乘用车低碳环保;

3.2.2 用于乘用车制冷系统;

3.2.3 用于余热发电;

3.2.4 用于提高燃烧进气温度。

目前,发动机进气温度不允许太高,但利用尾气余热回收热量,使进气温度控制在最佳允许最高温度范围内,能将热能循环利用,特别是燃气发动机温度对其燃烧特性影响很大。

上述应用最终目的提高能源利用效率,减少热能向大气排放,提高驾乘人员舒适性,使内燃机达到低排放、低油耗、高功率的节能减排效果。

3.3 项目应用对现实相关产业的冲击影响:

我国已成为世界第一大汽车生产国和新车消费市场,2009年全年产销量双超1300万辆。巨大的产销市场带动了汽车零部件生产供应企业快速发展。汽车消音器是发动机汽车必须装配的零部件,现这一零部件无一具有热回收功能,目前上百家发动机用消音器生产企业均在引进外来技术的基础上,通过独资合资公司为不同型号发动机及整车组装企业生产配套消音器产品,其结构原理均由管、板、壳及部份管板冲孔分别组成阻式、抗式和阻抗复合式消音器,其生产设备也不同程度达到了系列标准,成熟度较高。

而螺旋消音换热器,该元件具有两种功能;一是消音、二是换热,其内部结构与原用只有消音功能消音器相比,所生产新的消音换热器所需设备和工艺不相同,如若生产首先势必对原生产消音器企业产生冲击;二是对整车组装原有模具产生冲击。由于现车不考虑排气余热回收,大部份消音器被安装在车后底部(卡车在中部),有多节组成排气系统并通过管路连接,若考虑余热回收势必将消音换热器部件向发动机前移(后置发动机不用),以减少延程连接管路的散热损失,故此,将考虑整车组装(底盘系统)模具的改变和相应部件的移位调整;

其三是该产品若能鉴定应用,则将带动其热量应用的相关产业(空调系统和发电系统),特别是促进高进气温度发动机研发,将有十分重要的节能减排意义。

4 项目产业化路线图

螺旋消声换热器易采用导热性好,耐一定高温、耐腐蚀,具有一定强度并易于加工的较高韧性铝合金材料。中间螺旋通道用铝合金半固态成形技术及设备模具一次挤压成形,两端内部件及端盖用专用模具压铸成形,最后组合成完整配件。非等比通道生产工艺较同比通道生产工艺复杂,但也易于大批量系列生产。