基本信息
- 项目名称：
- 汽车用废气涡轮驱动钕铁硼永磁发电集成装置
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本设计作品——汽车用废气涡轮驱动钕铁硼永磁发电集成装置，旨在回收利用被排放到大气中、白白浪费的汽车废气能量，即通过本集成装置将废气中蕴含的内能转化为可自由使用的电能，供车用蓄电池充电或直接供车用电器使用。
- 详细介绍：
- 汽车用废气涡轮驱动钕铁硼永磁发电集成装置，通过采用模件式脉冲转换器增压系统（MPC增压系统）的排气结构，克服压力波反射和排气动能损失，充分回收汽车发动机排出的废气能量，推动置于排气总口处的涡轮做高速旋转，进而由其带动同轴另一涡轮给发动机提供压缩空气，并同时由其带动同轴的高速永磁发电机转子高速旋转产生旋转磁场，使定子绕组切割磁感线产生电能，之后通过三相半控桥式整流调节器对生成的电流进行调节，最终输出电压稳定的直流电。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：能源是国家生存和发展的保障。面对巨大的能源供给压力，汽车产业面临着巨大的挑战。经研究，目前汽车燃料的有效利用率仅在35%-45%，而废气能量约占总燃烧能量的30%，有效回收利用废气能量具有极大的意义。 基本思路：首先由本集成装置回收利用汽车排出的废气，以驱动置于排气总口处的涡轮做高速旋转，再由其带动同轴另一涡轮给发动机提供压缩空气，并同时带动同轴的高速永磁发电机转子高速旋转产生旋转磁场，最终定子绕组切割磁感线产生电能，最后经整流稳压电路调节后输出稳定电能。 创新点： ①提出利用汽车废气能量作为此装置的动力源，带动发电机转子高速旋转使高速永磁发电机产生电能供蓄电池充电或供车用电器使用的新思路； ②采用结构简单的高速永磁发电机，转子为钕铁硼永磁转子，无励磁电流、无励磁铜耗、体积小、效率高； ③将涡轮机、永磁发电机和整流稳压控制器一体化设计，占用空间小、结构简单，易于实现产业化。 技术关键： ①采用结构简单、可靠性好、综合效率高的MPC排气系统； ②采用径流式涡轮及内置式全浮动轴承； ③采用环形单进口蜗壳结构，并设有泄压阀控制壳内压力； ④采用高速永磁发电机，适合高转速工作环境； ⑤控制部分为三相半控桥式整流调节器，可输出电压稳定的直流电。主要技术指标： 最高转速：10000r/min；发电机功率：1000W；输出电压：14±0.5V；额定转速：8000r/min
科学性、先进性
- ①本装置能最大程度地利用汽车排气中蕴含的能量以实现废气再利用，其立足于现已达成产业化、生产条件、技术已日趋成熟的废气涡轮增压技术，这使得本装置的设计开发具有较高的可行性和先进性； ②涡轮安放于排气总管出口处，实现废气能量回收利用的最大化； ③涡轮采用单级径流式结构，此结构体积小、重量轻、机构紧凑，膨胀比较大，具有较高的热效率； ④发动机的排气结构采用模件式脉冲转换器增压系统（MPC增压系统），该系统可以克服管路中的压力波反射及排气动能损失，充分利用排气脉冲能量，保持较高的涡轮效率； ⑤发电装置采用高速永磁发电机。通过永磁体励磁，无需励磁电流即可提供旋转磁场，可比电磁绕组的电能消耗效率提高10%～15%；转子因不存在电磁转子碳刷与滑环之间的机械损耗，较之电励磁发电机，效率有可提高5%以上； ⑥本装置采用高磁性的钕铁硼稀土永磁材料，有效的利用我国得天独厚的稀土资源及永磁材料的工业化生产，给高速永磁电机提供了广阔的取材途径，使此类电机更具竞争力。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室研发阶段。现已对装置进行了可行性分析，并绘制出装置的模型示意图。下一步将进行样机的制作。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 主要零部件的立体结构示意图及其CAD图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：①装置零部件必须加装锁紧装置；②维修时应不要碰损涡轮，并严禁杂物入内；③组装后用手转动转轴，测听内部是否有碰擦声，如有则应查明并消除。 技术特点及优势： ①本装置结构简单、体积小、效率高、安装方便，能最大化回收发动机排出的废气能量，提高汽车燃料的利用率；②本装置永磁材料采用钕铁硼稀土永磁材料，价格竞争优势大；③本装置可用于装配新发动机，还可用于使用中的旧发动机改造。 适用范围及推广前景： 本装置可安置在各类发动机上，适用于各种类型的车辆。08年，我国汽车产量950万辆，至08年底，我国汽车保有量达到近6500万辆，考虑年5%的旧发动机改装率及10%的新出厂汽车配备率，每年行业对此装置的需求量约为415万台，具有非常广阔的推广前景。经济效益及市场分析： 初步推算，每年市场对本装置的需求量约为415万台。每台发电集成装置成本1000元左右，售价1600～2000元，年产值至少可达66.4亿元，故此产品具有高额的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外汽车废气利用技术的研究，从用途上主要存在以下七种技术，现作简要分析。 ①涡轮增压技术：废气涡轮增压不仅可改善内燃机的燃油经济性、降低有害排放物的比排放，还能在不增加汽缸容积的基础上大幅度提高发动机的功率。发动机采用废气涡轮增压后，会提高发动机在工作过程中产生的最高爆发压力和平均温度，从而会影响到发动机的机械性能和润滑性能。 ②废气再循环系统：废气再循环系统可减少氮氧化物的生成。另外，提高废气再循环率会使废气排放中总的污染物输出量将相对减少。此废气利用方式在减少氮氧化物排放量的同时会对颗粒物等其他污染成分的减少产生不利影响。 ③废气热量采暖系统：采暖系统其优点是不需要在车上增加其他热源、成本低、结构简单。但采暖过程会增加发动机的排气背压，且供暖量受发动机工况的影响较大。另外对在市区行驶的车辆，发动机经常工作在低工况和怠速情况下，排气温度不高不足以给车厢供暖。采暖技术只在冬季使用带有明显的季节性，废气能量利用不充分。 ④改良燃料：利用发动机排出的余热对燃料进行加热，在催化剂的作用下分解出氢、一氧化碳等可燃气体，提高了燃料的可燃烧热值，减轻排放的污染和积炭。目前此方法只实现了甲醇的改良。但这只利用了发动机余热的小部分，不能实现能量利用最大化，且用途单一。 ⑤驱动空调制冷：目前可利用汽车尾气余热驱动制冷的车用空调有吸收式和吸附式两种。与传统的蒸汽压缩式制冷系统相比，二者可减少能源消耗，减轻空气污染，但因制约于现在的发展空间，需对现有的汽车结构作较大的调整。 ⑥温差发电：温差发电通过热电转换材料两端存在温差，在低温开路中形成电势差而直接将热能转化为电能。温差发电无需化学反应，发电过程无噪音、无污染、体积小、重量轻、适用范围较广且应用可靠等优点，现多用于军工行业。但现阶段热电转换效率普遍较低，处于6%～11%之间，且热电转换材料成本较高，离推广应用还有很大距离。 ⑦涡轮蒸汽机：由德国宝马汽车公司制造的“涡轮蒸汽机”以蒸汽为主要动力源，可使废气中80％以上的热能得以回收利用。该项技术具有一定的使用价值，但其成本较高、价格昂贵、结构复杂等，推广应用难度较大。 综合现有的废气能量利用方式，因其具有不同程度的弊端，都不能实现对汽车废气能量较为充分的利用，大部分废气能量利用方式难以实现产业化。
