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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 汽車用廢氣渦輪驅(qū)動(dòng)釹鐵硼永磁發(fā)電集成裝置
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本設(shè)計(jì)作品——汽車用廢氣渦輪驅(qū)動(dòng)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(fèi)的汽車廢氣能量，即通過本集成裝置將廢氣中蘊(yùn)含的內(nèi)能轉(zhuǎn)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(xì)介紹：
- 汽車用廢氣渦輪驅(qū)動(dòng)釹鐵硼永磁發(fā)電集成裝置，通過采用模件式脈沖轉(zhuǎn)換器增壓系統(tǒng)（MPC增壓系統(tǒng)）的排氣結(jié)構(gòu)，克服壓力波反射和排氣動(dòng)能損失，充分回收汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣能量，推動(dòng)置于排氣總口處的渦輪做高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而由其帶動(dòng)同軸另一渦輪給發(fā)動(dòng)機(jī)提供壓縮空氣，并同時(shí)由其帶動(dòng)同軸的高速永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使定子繞組切割磁感線產(chǎn)生電能，之后通過三相半控橋式整流調(diào)節(jié)器對(duì)生成的電流進(jìn)行調(diào)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(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：能源是國家生存和發(fā)展的保障。面對(duì)巨大的能源供給壓力，汽車產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。經(jīng)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?cè)紵芰康?0%，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(qū)動(dòng)置于排氣總口處的渦輪做高速旋轉(zhuǎn)，再由其帶動(dòng)同軸另一渦輪給發(fā)動(dòng)機(jī)提供壓縮空氣，并同時(shí)帶動(dòng)同軸的高速永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，最終定子繞組切割磁感線產(chǎn)生電能，最后經(jīng)整流穩(wěn)壓電路調(diào)節(jié)后輸出穩(wěn)定電能。 創(chuàng)新點(diǎn)： ①提出利用汽車廢氣能量作為此裝置的動(dòng)力源，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)使高速永磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)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(jié)構(gòu)簡單的高速永磁發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子為釹鐵硼永磁轉(zhuǎn)子，無勵(lì)磁電流、無勵(lì)磁銅耗、體積小、效率高； ③將渦輪機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)和整流穩(wěn)壓控制器一體化設(shè)計(jì)，占用空間小、結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 技術(shù)關(guān)鍵： ①采用結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、綜合效率高的MPC排氣系統(tǒng)； ②采用徑流式渦輪及內(nèi)置式全浮動(dòng)軸承； ③采用環(huán)形單進(jìn)口蝸殼結(jié)構(gòu)，并設(shè)有泄壓閥控制殼內(nèi)壓力； ④采用高速永磁發(fā)電機(jī)，適合高轉(zhuǎn)速工作環(huán)境； ⑤控制部分為三相半控橋式整流調(diào)節(jié)器，可輸出電壓穩(wěn)定的直流電。主要技術(shù)指標(biāo)： 最高轉(zhuǎn)速：10000r/min；發(fā)電機(jī)功率：1000W；輸出電壓：14±0.5V；額定轉(zhuǎn)速：8000r/min
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ①本裝置能最大程度地利用汽車排氣中蘊(yùn)含的能量以實(shí)現(xiàn)廢氣再利用，其立足于現(xiàn)已達(dá)成產(chǎn)業(yè)化、生產(chǎn)條件、技術(shù)已日趨成熟的廢氣渦輪增壓技術(shù)，這使得本裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)具有較高的可行性和先進(jìn)性； ②渦輪安放于排氣總管出口處，實(shí)現(xiàn)廢氣能量回收利用的最大化； ③渦輪采用單級(jí)徑流式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)體積小、重量輕、機(jī)構(gòu)緊湊，膨脹比較大，具有較高的熱效率； ④發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣結(jié)構(gòu)采用模件式脈沖轉(zhuǎn)換器增壓系統(tǒng)（MPC增壓系統(tǒng)），該系統(tǒng)可以克服管路中的壓力波反射及排氣動(dòng)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(jī)。通過永磁體勵(lì)磁，無需勵(lì)磁電流即可提供旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可比電磁繞組的電能消耗效率提高10%～15%；轉(zhuǎn)子因不存在電磁轉(zhuǎn)子碳刷與滑環(huán)之間的機(jī)械損耗，較之電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，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(dú)厚的稀土資源及永磁材料的工業(yè)化生產(chǎn)，給高速永磁電機(jī)提供了廣闊的取材途徑，使此類電機(jī)更具競(jìng)爭力。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。現(xiàn)已對(duì)裝置進(jìn)行了可行性分析，并繪制出裝置的模型示意圖。下一步將進(jìn)行樣機(jī)的制作。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 主要零部件的立體結(jié)構(gòu)示意圖及其CAD圖紙
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說明：①裝置零部件必須加裝鎖緊裝置；②維修時(shí)應(yīng)不要碰損渦輪，并嚴(yán)禁雜物入內(nèi)；③組裝后用手轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，測(cè)聽內(nèi)部是否有碰擦聲，如有則應(yīng)查明并消除。 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)： ①本裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、安裝方便，能最大化回收發(fā)動(dòng)機(jī)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(jià)格競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)大；③本裝置可用于裝配新發(fā)動(dòng)機(jī)，還可用于使用中的舊發(fā)動(dòng)機(jī)改造。 適用范圍及推廣前景： 本裝置可安置在各類發(fā)動(dòng)機(jī)上，適用于各種類型的車輛。08年，我國汽車產(chǎn)量950萬輛，至08年底，我國汽車保有量達(dá)到近6500萬輛，考慮年5%的舊發(fā)動(dòng)機(jī)改裝率及10%的新出廠汽車配備率，每年行業(yè)對(duì)此裝置的需求量約為415萬臺(tái)，具有非常廣闊的推廣前景。經(jīng)濟(jì)效益及市場(chǎng)分析： 初步推算，每年市場(chǎng)對(duì)本裝置的需求量約為415萬臺(tái)。每臺(tái)發(fā)電集成裝置成本1000元左右，售價(jià)1600～2000元，年產(chǎn)值至少可達(dá)66.4億元，故此產(chǎn)品具有高額的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 目前國內(nèi)外汽車廢氣利用技術(shù)的研究，從用途上主要存在以下七種技術(shù)，現(xiàn)作簡要分析。 ①渦輪增壓技術(shù)：廢氣渦輪增壓不僅可改善內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)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(chǔ)上大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。發(fā)動(dòng)機(jī)采用廢氣渦輪增壓后，會(huì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中產(chǎn)生的最高爆發(fā)壓力和平均溫度，從而會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能和潤滑性能。 ②廢氣再循環(huán)系統(tǒng)：廢氣再循環(huán)系統(tǒng)可減少氮氧化物的生成。另外，提高廢氣再循環(huán)率會(huì)使廢氣排放中總的污染物輸出量將相對(duì)減少。此廢氣利用方式在減少氮氧化物排放量的同時(shí)會(huì)對(duì)顆粒物等其他污染成分的減少產(chǎn)生不利影響。 ③廢氣熱量采暖系統(tǒng)：采暖系統(tǒng)其優(yōu)點(diǎn)是不需要在車上增加其他熱源、成本低、結(jié)構(gòu)簡單。但采暖過程會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓，且供暖量受發(fā)動(dòng)機(jī)工況的影響較大。另外對(duì)在市區(qū)行駛的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)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(shù)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(dòng)機(jī)排出的余熱對(duì)燃料進(jìn)行加熱，在催化劑的作用下分解出氫、一氧化碳等可燃?xì)怏w，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(shí)現(xiàn)了甲醇的改良。但這只利用了發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的小部分，不能實(shí)現(xiàn)能量利用最大化，且用途單一。 ⑤驅(qū)動(dòng)空調(diào)制冷：目前可利用汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)制冷的車用空調(diào)有吸收式和吸附式兩種。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)相比，二者可減少能源消耗，減輕空氣污染，但因制約于現(xiàn)在的發(fā)展空間，需對(duì)現(xiàn)有的汽車結(jié)構(gòu)作較大的調(diào)整。 ⑥溫差發(fā)電：溫差發(fā)電通過熱電轉(zhuǎn)換材料兩端存在溫差，在低溫開路中形成電勢(shì)差而直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能。溫差發(fā)電無需化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)用可靠等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)多用于軍工行業(yè)。但現(xiàn)階段熱電轉(zhuǎn)換效率普遍較低，處于6%～11%之間，且熱電轉(zhuǎn)換材料成本較高，離推廣應(yīng)用還有很大距離。 ⑦渦輪蒸汽機(jī)：由德國寶馬汽車公司制造的“渦輪蒸汽機(jī)”以蒸汽為主要?jiǎng)恿υ矗墒箯U氣中80％以上的熱能得以回收利用。該項(xiàng)技術(shù)具有一定的使用價(jià)值，但其成本較高、價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，推廣應(yīng)用難度較大。 綜合現(xiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
