2023年11月2日

向尾气要能源诱人的效益与合理的成本

作者 admin

汽车尾气是一种潜在的能源,可惜此前一直无法利用。而今,研究人员终于取得突破,甚至可望达到20%的节能效率!

 

 

 

 

 

 

 

黑烟滚滚,令人窒息……汽车排气管真可谓臭名昭著。但这一切都将改变!倒不是说汽车发动机不可缺少的废气排放管道一下子就变得“干净无害”了,而是因为它蕴藏着巨大的财富!确切地说,是一笔能量财富。如果能回收这些能量并重新投入到发动机中,就能降低汽车的能耗。

一般人可能不知道,传统汽车至多只能把燃料所蕴含的30%的能量转换为牵引力(日常转换率甚至低至10%~20%),其余三分之二都变为热能消散。其中一小部分(5%)通过辐射,一部分(30%)进入冷却回路,而更多(35%)则是通过尾气排出。换言之,以氮、水蒸气和二氧化碳为主要成分的汽车尾气,蕴藏着燃料中三分之一以上的能量!这就有文章可做了,只要对其加以充分利用,便能有效节约能源。这样不仅节省了开支,也将造福于地球。因为耗能与二氧化碳排放息息相关,减少1%的能源消耗等于减少1%的二氧化碳排放!

但要贯彻这一想法却有一个难题。要知道汽车尾气中的潜在能源并不是液态的,动能(尾气的排放速度可以高达200公里/小时)和热能(经催化转换器烧尽部分污染物后,汽油发动机的尾气温度高达800℃,而柴油发动机的尾气温度则达650℃)是其存在形式。在此等情况下,如何让这种潜在能源成为汽车工业可利用的能源呢?年轻的法国工程公司Heat2Power终于攻克了这个长久以来的难关。由该公司发明的利用方案正在接受测试,如能达到设计标准,能耗与二氧化碳排放量将从此减少20%!而这正是欧盟节能减排规划计划在2015年左右达到的目标……

Heat2Power公司的节能诺言并非信口许下,工程师们的法宝正是汽车尾气的能源价值。关键全在于找到行之有效的利用办法……尾气的性质指示了两条各自独立的研究道路,一关动能,一关热能。

回顾历史,早在上世纪40年代,人们便开始了尾气动能利用研究。为了解决高空缺氧的难题,航空发动机专家想到利用燃气的动能来使涡轮压缩机的涡轮旋转。20世纪70年代,汽车工业开始关注这一想法,并于近年在重型载重领域取得突破:涡轮的动能被直接用于推动曲轴(将活塞的垂直运动转化为转速的部件),为发动机提供助力。这种改造简单、轻便,成本合理(约几百欧元),但也有一个缺点:发动机排气时可能产生反向压力,从而影响其运行。除此之外,其节能效益也有限,最多只有5%~10%(高速公路),在城市就更少了。因此,这套对于基本恒速的重型卡车具有一定价值的系统从未被用于装备普通汽车。

汽车发动机专家主要致力于开发尾气中的热能。他们设想在排气管道中安装一个交换器,将尾气的热量通过某种液体传至发动机,转化为机械能。(BMW)汽车公司便在试验这一模式,其装置较为复杂,除了连接排气管的水蒸气热回路外,还有一个连接冷却回路(90℃~110℃)的乙醇蒸汽回路。水蒸气和乙醇蒸汽产生的压力推动轴向活塞马达,继而带动曲柄。宝马公司称这种设置能在实际行驶中减少10%~15%的能耗。日本本田(Honda)汽车公司的蒸汽转换器就简单多了,仅利用尾气热能来驱动交流发电机,为混合动力汽车的电池充电,据称减少能耗13%。由此看来,尾气热能利用的前景远远优于动能。然而这些系统既复杂又沉重,而且过于昂贵(约1000欧元),短期内不会进入商业应用的视野。

 

诱人的效益与合理的成本

即便是宝马公司这样的高价发动机技术的先锋,也认为这类技术的商业化还须等待十来年。而这正是费雷德里克·特维诺(Fr巇巖ic Th巚enod)的突破所在。作为Heat2Power公司的创始人,这位发动机工程师同样选择了热能利用,但他放弃了复杂的高性能液体(水和乙醇)转换系统,改用压缩空气!他所设计的系统(参见图示)由一台单气缸引擎(通过离合器连接主发动机)、两个气体回路(一个冷回路,另一个热回路),以及两个交换器构成。这真是一个很棒的主意!气体在热回路中通过主热力发动机尾气加热膨胀,又在冷回路中通过气体(或水)冷却收缩,从而产生机械动力,减轻主发动机负担。根据模拟(1),安装该系统的车辆在欧洲混合线路(包括城市和公路交通)上行驶可减少12%的能耗,而且还有提高的余地。“利用Heat2Power系统提供的功率,我们可以缩小主发动机的气缸工作容积,从而在不降低总功率的情况下,在混合线路中减少20%的能耗,在公路和高速公路上减少35%的能耗。”费雷德里克·特维诺解释道。更诱人的是,据他介绍,该装置仅重15公斤,成本仅300~400欧元!

Heat2Power系统方案在2008年11月德国科隆车展上获得了奖励,现在就要看它的实际表现了。“这套系统在模拟阶段表现很好,但其应用潜力还须根据实验数据才能评判。”法国石油研究院(IFP)“混合动力”项目主任皮埃尔·勒杜克(Pierre Leduc)态度比较谨慎。等候可能是短暂的,因为自2009年2月起,已经有一台样机在实验台上运行。实验结果将会向汽车及机电生产商公布,并在专业展会展示,以吸引潜在的合作研发伙伴。

 

该系统成功概率很大

实验如能证实模拟结论,Heat2Power系统获得商业推广的胜算极大。这不单单是延长内燃发动机的统治的问题。正如皮埃尔·勒杜克所强调的:“对于二代混合动力车——如‘即插式’混合动力车——来说,尾气能量再利用也是一条减少能耗的希望之路。”费雷德里克·特维诺和皮埃尔·勒杜克还指出了该装置与普及中的轻型混合动力系统的互补性。后者的“怠速停机和启动”系统(stopstart,停车时关闭发动机),或许有时再辅以刹车能量回收系统,只在城市交通环境中起到明显的节能效果;而尾气能量再利用系统则在公路和高速公路环境中大有可为。现在的问题是,Heat2Power系统何时才能真正上路呢?


(来源:
新发现(上海) 2009-10-06)