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發(fā)動機廢氣能量回收系統(tǒng)研究

文檔作者：李軍徐楊蛟王文賓紀雷文檔來源： 1．重慶交通大學機電與汽車工程學院 2．濰柴(重慶)汽車有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年05月12日
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機械設計與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture
第8期
2015年8月
發(fā)動機廢氣能量回收系統(tǒng)研究
李軍 ，徐楊蛟 ，王文賓 ，紀雷
(1．重慶交通大學機電與汽車工程學院，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)動機廢氣渦輪發(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來控制發(fā)動機排氣背壓和渦輪機轉速。針對某企業(yè)的某款車用發(fā)動機，利用有關數學模型及
數學分析法對渦輪機進行了選項設計，確定了渦輪機的基本參數，根據基本參數選定某國產HIA渦輪機；再根據渦輪機
有關輸出參數對發(fā)電機及步進電機進行了選項設計。建立了廢氣能量回收系統(tǒng)仿真模型，對整個系統(tǒng)進行了仿真分析。
結果表明，混合動力汽車發(fā)動機廢氣能量回收可以實現(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(1．7～1．9)kW。
關鍵詞：廢氣能量回收；可變截面渦輪；選型設計
中圖分類號：TH16；U469．72 文獻標識碼：A 文章編號：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
有關研究表明，發(fā)動機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)動機廢
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能、熱能吸
收轉換為電能或機械能，可再轉換為其它能量儲存，基本方法主
要有三種：氟氯透平發(fā)電技術、廢氣余熱溫差發(fā)電技術、廢氣渦輪
發(fā)電技術 。
在汽車廢氣能量回收方面國外也進行了相關研究，日本主
要研究集中在熱電轉換材料方面，歐美國家比較著重于小功率電
源產品的開發(fā)。國外在廢氣能量回收發(fā)電研究方面主要集中在產
品的試驗研究上，對廢氣能量變化機理研究及系統(tǒng)控制研究方面
相對較少。
研究的廢氣能量回收系統(tǒng)是將渦輪機安裝在發(fā)動機排氣門
之后，渦輪采用可變截面渦輪，利用步進電機控制渦輪入口截面
大小，同時利用廢氣旁通閥控制發(fā)動機排氣背壓。渦輪機將部分
廢氣能量轉化為機械能，帶動發(fā)電機發(fā)電，再將電能存入蓄電池
來稿日期：2015—01—21
基金項目：國家自然科學基金資助項目(51305472)；重慶市自然科學基金重點項目(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)動機燃燒排放與控制，新能源汽車技術

No．8
Aug．2015 機械設計與制造 37
式對廢氣能量利用率較低。可變截面渦輪(Variable Geometry
Turbine)可以通過改變導流葉片轉角來改變渦輪通流截面大小，
進而改變廢氣流速和渦輪機轉速I 41，如圖4所示。
圖4可變截面渦輪結構示意圖
Fig．4 The Structure of Variable Geometry Turbine
可變截面渦輪機執(zhí)行機構可以控制渦輪機進氣導流葉片傾
角，實現(xiàn)對渦輪機轉速的控制，如圖5所示。目前VGT執(zhí)行機構
比較常用的執(zhí)行器是步進電機。將步進電機通過一個齒輪齒條拉
桿與渦輪進氣導流葉片相連，將步進電機的轉動變成齒條的直線
運動，齒條拉動渦輪進氣導流葉片運動，使渦輪導流片具有不同
的傾角。這種驅動方式精度高、響應快、適應性強。
步進電機
圖5可變截面渦輪執(zhí)行結構示意圖
Fig．5 Sketches of the Variable Area
Turbine Performing Structure
步進電機步進角 與導流葉片傾角 的關系可以通過換算
得到。設可變截面渦輪執(zhí)行機構臂長半徑為R，步進電機輸出齒
輪半徑為r，步進電機初始轉角為 ，相應的渦輪導流葉片角度為
最小(此時角度為14。)，可以得到步進電機步進角和渦輪導流葉
片傾角關系為：
=14+—O-
—
Oo R
r
(28)
由以上公式可知，步進電機步進角與渦輪導流葉片傾角是
成正比例關系，可以利用步進角代表渦輪導流葉片傾角。步進電
機從結構上主要有三種類型：反應式、電磁式和混合式。反應式步
距角小，成本低，但動態(tài)性差，可靠性低；電磁式動態(tài)性好、輸出力
矩大，但步距角大，精度低；混合式步進電機綜合了反應式和電磁
式的優(yōu)點，是使用最廣泛的步進電機。按照這里的使用需要，選用
某國產的混合式步進電機。電機型號為57BYGH803—1，主要參
數，如表4所示。
表4步進電機主要參數
Tab．4 Main Parameters of Stepping Motor
型號 57BYGH803—1
相數
步距角(。)
額定電流(A)
額定電壓(V)
靜轉矩(kg·cm)
轉動慣量(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)動機為分析對象。利用Simulink建立系
統(tǒng)仿真模型對廢氣能量回收系統(tǒng)進行仿真分析 。汽車不同的運
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整體燃油經濟性的影響。
CYC—EUDC、CYC—US06一HWY行駛工況下車速隨時間的變
化關系，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)動機
廢氣質量流量、溫度、壓力及廢氣流速隨時間的變化關系，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)動機廢氣參數變化
Fig．7 The Change of Exhaust Parameters
Under Two Conditions
— _) 目ad目 囂
No．8
38 機械設計與制造 Aug．2015
根據發(fā)動機廢氣參數及文獻目分析法『121，建立渦輪機回收系
統(tǒng)，根據建立的渦輪機仿真模型進行仿真可得到渦輪機輸出功率
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)將渦輪機輸出功率轉化為電能，發(fā)動機
在怠速工況下，發(fā)電機輸出功率較低，在中高負荷工況下較高，假
設發(fā)電機整體發(fā)電效率為0．6，發(fā)電功率最高可達(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
混合動力汽車蓄電池充電。
7結論
發(fā)動機廢氣能量回收對汽車節(jié)能減排有重要意義。依據某
款車型發(fā)動機為基礎對廢氣能量回收系統(tǒng)主要零部件進行了設
計選型。根據計算得到的渦輪機基本參數選取了型號為H1A的
某國產渦輪。根據渦輪機相關輸出參數確定了發(fā)電機型號
GWD1500。對高速傳動機構進行了設計，并對可變截面渦輪執(zhí)
行機構進行了選項，確定型號為57BYGH803—1的混合式步進電
機。
將廢氣能量回收與混合動力汽車結合起來，可以進一步提
升混合動力汽車節(jié)能降耗優(yōu)勢，為混合動力汽車節(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(1．7 1．9)kw。且該系統(tǒng)在高速工
況時發(fā)動機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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