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摘要：汽车废气能量再利用是实现汽车能量多级利用、减少能量浪费的有效措施之一，鉴于此，在传统的涡轮增压器原理基础上，根据汽车实际运行中排气系统的情况和发电机运行要求，设计出了一种新型离心式可变面积涡轮机发电装置，用自然吸气发动机正常工作时产生的废气推动离心式可变面积的涡轮叶片运转，使涡轮叶片轴带动发电机转子轴一起旋转，切割磁感线产生电流，最后将产生的电能供给蓄电池存储起来，以实现废气能量再利用。
关键词：发动机;废气;再利用;可变涡轮发电机
0 引言
以自然吸气发动机汽车为例，汽车燃料燃烧所产生的热量除了转化为有用的机械能外，其余大部分被发动机所消耗和遗失，其中发动机废气带走了绝大部分热量。如果能有效回收这一部分废气能量，将有助于提高发动机燃油经济性，减少环境污染。如何提高发动机能量利用率一直是人们关注的焦点，在新能源汽车技术不成熟的条件下，对汽车废气能量回收利用技术的研究成为当今汽车工业发展的一个新趋势。将发动机与废气涡轮发电技术联合起来回收发动机排气的热能，是提高发动机总效率、降低油耗的一个有效途径。相比于传统自然吸气发动机废气直接通过排气管排出，采用废气能量回收技术可以避免废气中能量的巨大浪费，从而在整体上提高发动机的利用效率[1]，既能够节能减排，又可以提高燃油经济性，对自然吸气发动机产生有利的影响，从而进一步增强自然吸气发动机在市场上的竞争力。
1 研究内容
传统的废气能量涡轮机固然可以进行废气能量回收，但同时传统的涡轮机叶片也会阻碍废气排出，增加排气阻力，从而使发动机的有效功率下降。本团队针对这个问题做了创新型设计，将固定形式的涡轮机做成可变截面积高效率的新型涡轮机，使其在相应工况中相应实现变截面。当发动机转速较低时，废气量较小，涡轮的阻力对废气排出影响较大，故此时由叶片内弹簧伸缩使涡轮叶片面积变小，减少排气阻力，从而使废气顺利排出，这样对发动机功率影响很小。当发动机转速增加时，废气量增大，涡轮叶片对废气的阻力远远小于废气能量，此时由叶片内弹簧伸张使涡轮叶片面积变大，同时对废气排出的影响可忽略不计，对发动机功率影响极小。本文所述方案相较于传统废气能量回收涡轮而言，其优点在于在发动机的所有工况下都可使废气顺利排出，最大可能减小对废气排出的阻力，高效地将废气能量转换为动力涡轮的机械能[2]，通过动力涡轮的高速旋转运动带动同轴的发电机工作，利用发电机产生的电能为汽车用电设备供电和蓄电池充电[3]，这样就提高了发动机废气能量的利用效率，最终达到研究目标。
2 设计总体方案
废气涡轮发电是利用发动机排出的高温、高压、高速的废气流经排气总歧管进入到动力涡轮中，推动涡轮叶轮旋转，通过动力涡轮的同轴转动带动发电机中的转子旋转，转子铁芯的圆周面上安装有永磁体磁极，定子绕组是发电的电枢，与交流电机类似导线做切割磁力线的运动产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流[4]，之后将其整流稳压储入蓄电池中或直接为汽车上的用电设备供电。
2.1 废气涡轮发电系统总体设计
将动力涡轮和发电机安装于排气总歧管中上部，因为这里的安装空间相对较大，且废气的温度达到600 ℃，速度能达到800 m/s以上[5]，符合所需的工作要求。同时在排气管道中设置一个分支管，利用分支管上的耐高温金属旁通阀控制分支管的开闭，从而对排气进行分流[6]，防止动力涡轮超速、超温。最后，在动力涡轮外部安装一个适当壁厚的外壳，在外壳中设计若干水套，且与发动机的冷却系统相连接，避免动力涡轮因超温工作而产生损坏，从而影响其工作性能。装置总体布置如图1所示。
2.2 新型动力涡轮设计
废气涡轮的转速主要通过控制废气的流量来进行调节，在废气流量较大时，打开旁通阀减小废气流量，这种方式对废气的利用率低。离心式可变面积涡轮可以通过改变导流叶片的面积来改变涡轮通流截面的大小，进而改变废气流速和涡轮机转速。如图2所示，离心式可变面积涡轮可以根据废气流量的不同自动变换涡轮叶片面积，该装置分为两部分，与轴固连的叶片做成壳体形，将可活动部分的叶片用较高强度、刚度的材料做成薄板型，装入底部壳体叶片中，将壳体叶片的底部与可活动叶片用适合的弹簧连装起来，弹簧的作用是可使活动叶片自动回到壳体叶片中，从而减小涡轮叶片面积，同时，弹簧可使活动叶片在离心力作用下被甩出壳体叶片时不会与壳体叶片卡死。
（1）当发动机刚启动时，离心式可变面积涡轮只有底部活动叶片在弹簧力与重力相互作用下半伸出壳体叶片，以便废气流量增大时更好地被废气带动旋转，使离心式可变面积涡轮工作，其余活动叶片在弹簧力作用下留在壳体叶片中未伸出，从而使整个离心式可变面积涡轮留有较大空隙，可以极大地减小发动机刚启动时对飞轮的阻力。
（2）当发动机部分负荷工作时，较大的废气流量使离心式可变面积涡轮转动产生离心力，在与弹簧力的相互作用下使全部活动叶片半伸出壳体叶片，获得更大转矩，带动发动机发电。又因活动叶片是半伸出，故仍留有一部分空隙，使废气阻力不会过大。
（3）当发动机全负荷工作时，如图2所示，极大的废气流量将使离心式可变面积涡轮全部活动叶片完全伸出，从而获得设计的最大轉矩，带动发动机发出更多的电。并且由于全负荷下的废气流量所带来的能量比此刻涡轮的废气阻力大得多，故对废气排出影响很小[7]。
3 发电机与涡轮机的配合
（1）涡轮机是废弃能量回收的第一部件，将废气的能量转换为轴的转动机械能。发电机转子轴与涡轮机输出轴直接连接，将机械能转为电能。但在汽车正常行驶时，发动机受外界因素影响，工况多变，导致排气量也各不相同，使涡轮机输出轴转速变化较大。为了减小发动机工况变化导致的涡轮机输出轴转速的变化，可以在涡轮机和发电机之间加装一个小型飞轮，以平衡涡轮机输出轴的转速波动，发电机功率就更平稳一些[8]。 （2）发电机选用永磁同步式，电机主要由转子、定子、绕组、外壳、转速传感器、冷却装置等部件组成，与普通交流电机的不同之处在于转子结构。其转子铁芯的圆周面上安装有永磁体，是磁极，定子是发出电能的电枢，由铁芯及其上装的绕组组成。采用永磁发电机，是因为其转子结构省去了产生磁场所需要的励磁功率和滑环与碳刷之间摩擦的机械损失，因此该发电机效率较高。普通励磁发电机在1 500～6 000 r/min的平均效率大约为45%～55%，而永磁发电机则高达75%～80%。永磁发电机的优点还有发热少，结构简单，体积小，噪声小;采用全封闭结构，无传动齿轮磨损，免润滑，免维护。考虑到散热，可以在发电机转子轴尾部加装风扇叶片。
（3）发动机废气能量回收系统中涡轮机输出轴的转速较高（最高可达40 000～50 000 r/min），这就要求发电机能承受最高40 000 r/min的转速和涡轮轴输出的功率范围[9-10]，最后选用额定功率在1.5 kW左右的发电机。发电机发出的交流电通过整流器、稳压器等形成较稳定的直流电，供车载蓄电池储存起来，这样就完成了将发动机的废气能量转换为可利用电能的过程。
4 结论及展望
为了提高自然吸气发动机的废气利用率和发动机工作效率，实现变废为宝的目标，设计了创新型离心式可变面积涡轮发电机装置。本装置利用自然吸气发动机产生高温高压的废气带动涡轮发电机工作产生可以利用的电能，不仅实现了废气再次利用，而且可减少发动机热负荷，提高汽车整体经济性与环保性，从而达到提高废气利用率和发动机工作效率的目的。经过对汽车废气涡轮机发电的研究，不仅发现离心式可变面积涡轮机对废气能量的利用率高，而且本装置不需要对现有汽车发动机内部结构进行大的改造，装置小巧易生产，是现有汽车节能方法中很有潜力的研究方向。对于本装置，涡轮发电机和汽车蓄电池的匹配，以及影响离心式可变面积涡轮发电机功率和所产生电压、电流大小的因素，是今后研究的重点，具体还需要进行若干次的试验研究，得出更有力的数据，所以很多方面还有待进一步提高。另外，本团队相关知识储备以及技术设备也存在诸多不足之处，如何对现有的创新型离心式可变面积涡轮发电系统进行性能优化和改进，是团队下一步努力的目标。
[参考文献]
[1] 关文达.汽车构造[M].4版.北京：机械工业出版社，2016.
[2] 张勇斌.汽车废气涡轮发电技术的研究[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（6）：53-56.
[3] 高文志，冯黎明，刘忠杰.发动机废气能量回收系统设计与分析[J].环境科学与工程，2008（12）：1-5.
[4] 苏玉青，李舜酩，王勇.汽车能量回收系统研究概述[J].噪声与振动控制，2016，36（2）：6-11.
[5] 范厚传，刘云岗，王航，等.分隔式进气涡轮非稳态性能的数值研究[J].车用发动机，2013（2）：74-78.
[6] 徐涛.1.5 L某直喷汽油机的增压匹配及优化研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.
[7] 万里翔，柯坚，许明恒.汽车能量回收系统的研究[J].机床与液压，2003（3）：224-227.
[8] 朱智富.汽车废气能量回收装置的研究[D].青岛：青岛大学，2005.
[9] 李军，徐杨蛟，王文宾，等.发动机废气能量回收系统研究[J].机械设计与制造，2015（8）：34-38.
[10] 徐錦锋.汽车涡轮增压器涡壳的机遇和挑战[J].铸造技术，2010，31（11）：1522-1523.
收稿日期：2021-06-18
作者简介：陶孝飞（1999—），男，安徽桐城人，研究方向：车辆工程。
通信作者：王琳（1987—），女，河南驻马店人，硕士，讲师，研究方向：汽车虚拟样机技术。
关键词：发动机;废气;再利用;可变涡轮发电机
0 引言
以自然吸气发动机汽车为例，汽车燃料燃烧所产生的热量除了转化为有用的机械能外，其余大部分被发动机所消耗和遗失，其中发动机废气带走了绝大部分热量。如果能有效回收这一部分废气能量，将有助于提高发动机燃油经济性，减少环境污染。如何提高发动机能量利用率一直是人们关注的焦点，在新能源汽车技术不成熟的条件下，对汽车废气能量回收利用技术的研究成为当今汽车工业发展的一个新趋势。将发动机与废气涡轮发电技术联合起来回收发动机排气的热能，是提高发动机总效率、降低油耗的一个有效途径。相比于传统自然吸气发动机废气直接通过排气管排出，采用废气能量回收技术可以避免废气中能量的巨大浪费，从而在整体上提高发动机的利用效率[1]，既能够节能减排，又可以提高燃油经济性，对自然吸气发动机产生有利的影响，从而进一步增强自然吸气发动机在市场上的竞争力。
1 研究内容
传统的废气能量涡轮机固然可以进行废气能量回收，但同时传统的涡轮机叶片也会阻碍废气排出，增加排气阻力，从而使发动机的有效功率下降。本团队针对这个问题做了创新型设计，将固定形式的涡轮机做成可变截面积高效率的新型涡轮机，使其在相应工况中相应实现变截面。当发动机转速较低时，废气量较小，涡轮的阻力对废气排出影响较大，故此时由叶片内弹簧伸缩使涡轮叶片面积变小，减少排气阻力，从而使废气顺利排出，这样对发动机功率影响很小。当发动机转速增加时，废气量增大，涡轮叶片对废气的阻力远远小于废气能量，此时由叶片内弹簧伸张使涡轮叶片面积变大，同时对废气排出的影响可忽略不计，对发动机功率影响极小。本文所述方案相较于传统废气能量回收涡轮而言，其优点在于在发动机的所有工况下都可使废气顺利排出，最大可能减小对废气排出的阻力，高效地将废气能量转换为动力涡轮的机械能[2]，通过动力涡轮的高速旋转运动带动同轴的发电机工作，利用发电机产生的电能为汽车用电设备供电和蓄电池充电[3]，这样就提高了发动机废气能量的利用效率，最终达到研究目标。
2 设计总体方案
废气涡轮发电是利用发动机排出的高温、高压、高速的废气流经排气总歧管进入到动力涡轮中，推动涡轮叶轮旋转，通过动力涡轮的同轴转动带动发电机中的转子旋转，转子铁芯的圆周面上安装有永磁体磁极，定子绕组是发电的电枢，与交流电机类似导线做切割磁力线的运动产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流[4]，之后将其整流稳压储入蓄电池中或直接为汽车上的用电设备供电。
2.1 废气涡轮发电系统总体设计
将动力涡轮和发电机安装于排气总歧管中上部，因为这里的安装空间相对较大，且废气的温度达到600 ℃，速度能达到800 m/s以上[5]，符合所需的工作要求。同时在排气管道中设置一个分支管，利用分支管上的耐高温金属旁通阀控制分支管的开闭，从而对排气进行分流[6]，防止动力涡轮超速、超温。最后，在动力涡轮外部安装一个适当壁厚的外壳，在外壳中设计若干水套，且与发动机的冷却系统相连接，避免动力涡轮因超温工作而产生损坏，从而影响其工作性能。装置总体布置如图1所示。
2.2 新型动力涡轮设计
废气涡轮的转速主要通过控制废气的流量来进行调节，在废气流量较大时，打开旁通阀减小废气流量，这种方式对废气的利用率低。离心式可变面积涡轮可以通过改变导流叶片的面积来改变涡轮通流截面的大小，进而改变废气流速和涡轮机转速。如图2所示，离心式可变面积涡轮可以根据废气流量的不同自动变换涡轮叶片面积，该装置分为两部分，与轴固连的叶片做成壳体形，将可活动部分的叶片用较高强度、刚度的材料做成薄板型，装入底部壳体叶片中，将壳体叶片的底部与可活动叶片用适合的弹簧连装起来，弹簧的作用是可使活动叶片自动回到壳体叶片中，从而减小涡轮叶片面积，同时，弹簧可使活动叶片在离心力作用下被甩出壳体叶片时不会与壳体叶片卡死。
（1）当发动机刚启动时，离心式可变面积涡轮只有底部活动叶片在弹簧力与重力相互作用下半伸出壳体叶片，以便废气流量增大时更好地被废气带动旋转，使离心式可变面积涡轮工作，其余活动叶片在弹簧力作用下留在壳体叶片中未伸出，从而使整个离心式可变面积涡轮留有较大空隙，可以极大地减小发动机刚启动时对飞轮的阻力。
（2）当发动机部分负荷工作时，较大的废气流量使离心式可变面积涡轮转动产生离心力，在与弹簧力的相互作用下使全部活动叶片半伸出壳体叶片，获得更大转矩，带动发动机发电。又因活动叶片是半伸出，故仍留有一部分空隙，使废气阻力不会过大。
（3）当发动机全负荷工作时，如图2所示，极大的废气流量将使离心式可变面积涡轮全部活动叶片完全伸出，从而获得设计的最大轉矩，带动发动机发出更多的电。并且由于全负荷下的废气流量所带来的能量比此刻涡轮的废气阻力大得多，故对废气排出影响很小[7]。
3 发电机与涡轮机的配合
（1）涡轮机是废弃能量回收的第一部件，将废气的能量转换为轴的转动机械能。发电机转子轴与涡轮机输出轴直接连接，将机械能转为电能。但在汽车正常行驶时，发动机受外界因素影响，工况多变，导致排气量也各不相同，使涡轮机输出轴转速变化较大。为了减小发动机工况变化导致的涡轮机输出轴转速的变化，可以在涡轮机和发电机之间加装一个小型飞轮，以平衡涡轮机输出轴的转速波动，发电机功率就更平稳一些[8]。 （2）发电机选用永磁同步式，电机主要由转子、定子、绕组、外壳、转速传感器、冷却装置等部件组成，与普通交流电机的不同之处在于转子结构。其转子铁芯的圆周面上安装有永磁体，是磁极，定子是发出电能的电枢，由铁芯及其上装的绕组组成。采用永磁发电机，是因为其转子结构省去了产生磁场所需要的励磁功率和滑环与碳刷之间摩擦的机械损失，因此该发电机效率较高。普通励磁发电机在1 500～6 000 r/min的平均效率大约为45%～55%，而永磁发电机则高达75%～80%。永磁发电机的优点还有发热少，结构简单，体积小，噪声小;采用全封闭结构，无传动齿轮磨损，免润滑，免维护。考虑到散热，可以在发电机转子轴尾部加装风扇叶片。
（3）发动机废气能量回收系统中涡轮机输出轴的转速较高（最高可达40 000～50 000 r/min），这就要求发电机能承受最高40 000 r/min的转速和涡轮轴输出的功率范围[9-10]，最后选用额定功率在1.5 kW左右的发电机。发电机发出的交流电通过整流器、稳压器等形成较稳定的直流电，供车载蓄电池储存起来，这样就完成了将发动机的废气能量转换为可利用电能的过程。
4 结论及展望
为了提高自然吸气发动机的废气利用率和发动机工作效率，实现变废为宝的目标，设计了创新型离心式可变面积涡轮发电机装置。本装置利用自然吸气发动机产生高温高压的废气带动涡轮发电机工作产生可以利用的电能，不仅实现了废气再次利用，而且可减少发动机热负荷，提高汽车整体经济性与环保性，从而达到提高废气利用率和发动机工作效率的目的。经过对汽车废气涡轮机发电的研究，不仅发现离心式可变面积涡轮机对废气能量的利用率高，而且本装置不需要对现有汽车发动机内部结构进行大的改造，装置小巧易生产，是现有汽车节能方法中很有潜力的研究方向。对于本装置，涡轮发电机和汽车蓄电池的匹配，以及影响离心式可变面积涡轮发电机功率和所产生电压、电流大小的因素，是今后研究的重点，具体还需要进行若干次的试验研究，得出更有力的数据，所以很多方面还有待进一步提高。另外，本团队相关知识储备以及技术设备也存在诸多不足之处，如何对现有的创新型离心式可变面积涡轮发电系统进行性能优化和改进，是团队下一步努力的目标。
[参考文献]
[1] 关文达.汽车构造[M].4版.北京：机械工业出版社，2016.
[2] 张勇斌.汽车废气涡轮发电技术的研究[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（6）：53-56.
[3] 高文志，冯黎明，刘忠杰.发动机废气能量回收系统设计与分析[J].环境科学与工程，2008（12）：1-5.
[4] 苏玉青，李舜酩，王勇.汽车能量回收系统研究概述[J].噪声与振动控制，2016，36（2）：6-11.
[5] 范厚传，刘云岗，王航，等.分隔式进气涡轮非稳态性能的数值研究[J].车用发动机，2013（2）：74-78.
[6] 徐涛.1.5 L某直喷汽油机的增压匹配及优化研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.
[7] 万里翔，柯坚，许明恒.汽车能量回收系统的研究[J].机床与液压，2003（3）：224-227.
[8] 朱智富.汽车废气能量回收装置的研究[D].青岛：青岛大学，2005.
[9] 李军，徐杨蛟，王文宾，等.发动机废气能量回收系统研究[J].机械设计与制造，2015（8）：34-38.
[10] 徐錦锋.汽车涡轮增压器涡壳的机遇和挑战[J].铸造技术，2010，31（11）：1522-1523.
收稿日期：2021-06-18
作者简介：陶孝飞（1999—），男，安徽桐城人，研究方向：车辆工程。
通信作者：王琳（1987—），女，河南驻马店人，硕士，讲师，研究方向：汽车虚拟样机技术。