基本信息
- 項目名稱：
- 汽車用廢氣渦輪驅動釹鐵硼永磁發(fā)電集成裝置
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本設計作品——汽車用廢氣渦輪驅動釹鐵硼永磁發(fā)電集成裝置，旨在回收利用被排放到大氣中、白白浪費的汽車廢氣能量，即通過本集成裝置將廢氣中蘊含的內能轉化為可自由使用的電能，供車用蓄電池充電或直接供車用電器使用。
- 詳細介紹：
- 汽車用廢氣渦輪驅動釹鐵硼永磁發(fā)電集成裝置，通過采用模件式脈沖轉換器增壓系統（MPC增壓系統）的排氣結構，克服壓力波反射和排氣動能損失，充分回收汽車發(fā)動機排出的廢氣能量，推動置于排氣總口處的渦輪做高速旋轉，進而由其帶動同軸另一渦輪給發(fā)動機提供壓縮空氣，并同時由其帶動同軸的高速永磁發(fā)電機轉子高速旋轉產生旋轉磁場，使定子繞組切割磁感線產生電能，之后通過三相半控橋式整流調節(jié)器對生成的電流進行調節(jié)，最終輸出電壓穩(wěn)定的直流電。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的：能源是國家生存和發(fā)展的保障。面對巨大的能源供給壓力，汽車產業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。經研究，目前汽車燃料的有效利用率僅在35%-45%，而廢氣能量約占總燃燒能量的30%，有效回收利用廢氣能量具有極大的意義。 基本思路：首先由本集成裝置回收利用汽車排出的廢氣，以驅動置于排氣總口處的渦輪做高速旋轉，再由其帶動同軸另一渦輪給發(fā)動機提供壓縮空氣，并同時帶動同軸的高速永磁發(fā)電機轉子高速旋轉產生旋轉磁場，最終定子繞組切割磁感線產生電能，最后經整流穩(wěn)壓電路調節(jié)后輸出穩(wěn)定電能。 創(chuàng)新點： ①提出利用汽車廢氣能量作為此裝置的動力源，帶動發(fā)電機轉子高速旋轉使高速永磁發(fā)電機產生電能供蓄電池充電或供車用電器使用的新思路； ②采用結構簡單的高速永磁發(fā)電機，轉子為釹鐵硼永磁轉子，無勵磁電流、無勵磁銅耗、體積小、效率高； ③將渦輪機、永磁發(fā)電機和整流穩(wěn)壓控制器一體化設計，占用空間小、結構簡單，易于實現產業(yè)化。 技術關鍵： ①采用結構簡單、可靠性好、綜合效率高的MPC排氣系統； ②采用徑流式渦輪及內置式全浮動軸承； ③采用環(huán)形單進口蝸殼結構，并設有泄壓閥控制殼內壓力； ④采用高速永磁發(fā)電機，適合高轉速工作環(huán)境； ⑤控制部分為三相半控橋式整流調節(jié)器，可輸出電壓穩(wěn)定的直流電。主要技術指標： 最高轉速：10000r/min；發(fā)電機功率：1000W；輸出電壓：14±0.5V；額定轉速：8000r/min
科學性、先進性
- ①本裝置能最大程度地利用汽車排氣中蘊含的能量以實現廢氣再利用，其立足于現已達成產業(yè)化、生產條件、技術已日趨成熟的廢氣渦輪增壓技術，這使得本裝置的設計開發(fā)具有較高的可行性和先進性； ②渦輪安放于排氣總管出口處，實現廢氣能量回收利用的最大化； ③渦輪采用單級徑流式結構，此結構體積小、重量輕、機構緊湊，膨脹比較大，具有較高的熱效率； ④發(fā)動機的排氣結構采用模件式脈沖轉換器增壓系統（MPC增壓系統），該系統可以克服管路中的壓力波反射及排氣動能損失，充分利用排氣脈沖能量，保持較高的渦輪效率； ⑤發(fā)電裝置采用高速永磁發(fā)電機。通過永磁體勵磁，無需勵磁電流即可提供旋轉磁場，可比電磁繞組的電能消耗效率提高10%～15%；轉子因不存在電磁轉子碳刷與滑環(huán)之間的機械損耗，較之電勵磁發(fā)電機，效率有可提高5%以上； ⑥本裝置采用高磁性的釹鐵硼稀土永磁材料，有效的利用我國得天獨厚的稀土資源及永磁材料的工業(yè)化生產，給高速永磁電機提供了廣闊的取材途徑，使此類電機更具競爭力。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室研發(fā)階段?，F已對裝置進行了可行性分析，并繪制出裝置的模型示意圖。下一步將進行樣機的制作。
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 主要零部件的立體結構示意圖及其CAD圖紙
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明：①裝置零部件必須加裝鎖緊裝置；②維修時應不要碰損渦輪，并嚴禁雜物入內；③組裝后用手轉動轉軸，測聽內部是否有碰擦聲，如有則應查明并消除。 技術特點及優(yōu)勢： ①本裝置結構簡單、體積小、效率高、安裝方便，能最大化回收發(fā)動機排出的廢氣能量，提高汽車燃料的利用率；②本裝置永磁材料采用釹鐵硼稀土永磁材料，價格競爭優(yōu)勢大；③本裝置可用于裝配新發(fā)動機，還可用于使用中的舊發(fā)動機改造。 適用范圍及推廣前景： 本裝置可安置在各類發(fā)動機上，適用于各種類型的車輛。08年，我國汽車產量950萬輛，至08年底，我國汽車保有量達到近6500萬輛，考慮年5%的舊發(fā)動機改裝率及10%的新出廠汽車配備率，每年行業(yè)對此裝置的需求量約為415萬臺，具有非常廣闊的推廣前景。經濟效益及市場分析： 初步推算，每年市場對本裝置的需求量約為415萬臺。每臺發(fā)電集成裝置成本1000元左右，售價1600～2000元，年產值至少可達66.4億元，故此產品具有高額的經濟效益。
同類課題研究水平概述
- 目前國內外汽車廢氣利用技術的研究，從用途上主要存在以下七種技術，現作簡要分析。 ①渦輪增壓技術：廢氣渦輪增壓不僅可改善內燃機的燃油經濟性、降低有害排放物的比排放，還能在不增加汽缸容積的基礎上大幅度提高發(fā)動機的功率。發(fā)動機采用廢氣渦輪增壓后，會提高發(fā)動機在工作過程中產生的最高爆發(fā)壓力和平均溫度，從而會影響到發(fā)動機的機械性能和潤滑性能。 ②廢氣再循環(huán)系統：廢氣再循環(huán)系統可減少氮氧化物的生成。另外，提高廢氣再循環(huán)率會使廢氣排放中總的污染物輸出量將相對減少。此廢氣利用方式在減少氮氧化物排放量的同時會對顆粒物等其他污染成分的減少產生不利影響。 ③廢氣熱量采暖系統：采暖系統其優(yōu)點是不需要在車上增加其他熱源、成本低、結構簡單。但采暖過程會增加發(fā)動機的排氣背壓，且供暖量受發(fā)動機工況的影響較大。另外對在市區(qū)行駛的車輛，發(fā)動機經常工作在低工況和怠速情況下，排氣溫度不高不足以給車廂供暖。采暖技術只在冬季使用帶有明顯的季節(jié)性，廢氣能量利用不充分。 ④改良燃料：利用發(fā)動機排出的余熱對燃料進行加熱，在催化劑的作用下分解出氫、一氧化碳等可燃氣體，提高了燃料的可燃燒熱值，減輕排放的污染和積炭。目前此方法只實現了甲醇的改良。但這只利用了發(fā)動機余熱的小部分，不能實現能量利用最大化，且用途單一。 ⑤驅動空調制冷：目前可利用汽車尾氣余熱驅動制冷的車用空調有吸收式和吸附式兩種。與傳統的蒸汽壓縮式制冷系統相比，二者可減少能源消耗，減輕空氣污染，但因制約于現在的發(fā)展空間，需對現有的汽車結構作較大的調整。 ⑥溫差發(fā)電：溫差發(fā)電通過熱電轉換材料兩端存在溫差，在低溫開路中形成電勢差而直接將熱能轉化為電能。溫差發(fā)電無需化學反應，發(fā)電過程無噪音、無污染、體積小、重量輕、適用范圍較廣且應用可靠等優(yōu)點，現多用于軍工行業(yè)。但現階段熱電轉換效率普遍較低，處于6%～11%之間，且熱電轉換材料成本較高，離推廣應用還有很大距離。 ⑦渦輪蒸汽機：由德國寶馬汽車公司制造的“渦輪蒸汽機”以蒸汽為主要動力源，可使廢氣中80％以上的熱能得以回收利用。該項技術具有一定的使用價值，但其成本較高、價格昂貴、結構復雜等，推廣應用難度較大。 綜合現有的廢氣能量利用方式，因其具有不同程度的弊端，都不能實現對汽車廢氣能量較為充分的利用，大部分廢氣能量利用方式難以實現產業(yè)化。
