廢氣發(fā)電輔助發(fā)動(dòng)機 混動(dòng)車(chē)熱效率達到42％

日本YGK公司開(kāi)發(fā)出了“EER（廢氣能量回收）混合動(dòng)力系統”，可利用發(fā)動(dòng)機排放的廢氣驅動(dòng)渦輪旋轉，利用由此產(chǎn)生的電力驅動(dòng)馬達旋轉，從而輔助發(fā)動(dòng)機工作。該公司改裝了捷豹“XJR-15”，更換了發(fā)動(dòng)機，目前已完成了試運轉。該公司最高顧問(wèn)林義正在2009年擔任東海大學(xué)教授時(shí)公開(kāi)了這一構想，5年后終于完成了試運轉。

就普通汽油發(fā)動(dòng)機而言，燃料熱量的32％會(huì )轉換為軸輸出，35％會(huì )以廢氣的熱能和壓力能量的形式排出，其余20％則作為冷卻水的熱量排出，因此熱效率只有32％。此次的系統利用渦輪將廢氣的能量轉換為旋轉力（效率為33％），然后在減速時(shí)利用其產(chǎn)生的動(dòng)能來(lái)發(fā)電（效率為98％），再利用逆變器和馬達將其轉換為軸輸出（效率為89％）。轉換至馬達的軸輸出的燃料熱量為0.35×0.33×0.98×0.89=0.1，也就是10％。曲柄軸的軸輸出為32％，加上馬達的軸輸出10％，綜合熱效率可達到42％。

這種裝置的最大問(wèn)題是熱問(wèn)題。渦輪轉子最高可承受800℃的廢氣。而發(fā)電機轉子中使用了溫度超過(guò)100℃就無(wú)法使用的永久磁鐵。盡管以馬達提供輔助的渦輪增壓器之類(lèi)的產(chǎn)品尚在開(kāi)發(fā)之中，但該系統依然獲得了實(shí)現?？此坪?jiǎn)單，但實(shí)際上系統中有壓縮機轉子。從旋轉軸的熱平衡來(lái)看，壓縮機轉子就好像是帶有風(fēng)扇的散熱片。來(lái)自渦輪轉子的熱量會(huì )傳遞給壓縮機轉子，因此保持了熱平衡。只使用渦輪和發(fā)電機是無(wú)法實(shí)現這一點(diǎn)的，因此隔熱和散熱非常重要。

在隔熱和散熱兩個(gè)方面，隔熱問(wèn)題是通過(guò)在渦輪和發(fā)電機之間安裝減速機來(lái)解決的。不過(guò)，安裝減速機并不僅僅是為了隔熱。渦輪的最高轉速為10.6萬(wàn)rpm，發(fā)電機的最高轉速為1.8萬(wàn)rpm。為了消除二者之間的轉速差，必須設置一個(gè)減速裝置。有減速機時(shí)，齒面就會(huì )變成線(xiàn)接觸，因此傳熱阻力很大，可以充分隔熱。

除此以外，此次的系統還增加了特殊裝置來(lái)散熱。雖然YGK并未透露詳情，但估計不太可能讓部材接觸1.8萬(wàn)rpm轉速的軸來(lái)傳熱，而且公開(kāi)的部件上設有配管，因此估計使用的是液冷方式（圖3）。

由于是直接使用廢氣的能量，因此實(shí)際上并不需要二次電池或超級電容器等蓄電裝置。即便如此，為了便于瞬間增強輔助力以獲得良好的響應性，以及便于驅動(dòng)起動(dòng)機，該系統安裝了JM Energy生產(chǎn)的鋰離子電容器。此次的試制車(chē)為了突出EER混合動(dòng)力系統的優(yōu)點(diǎn)，并沒(méi)有使用再生制動(dòng)器，不過(guò)該系統是可以使用再生制動(dòng)器的。YGK還打算通過(guò)增加發(fā)電機負荷來(lái)控制渦輪的轉速，替代通過(guò)排氣泄壓閥控制渦輪轉速的方式。

此次使用的發(fā)動(dòng)機是在YGK生產(chǎn)的“YR45”的基礎上組合EER的“YR45-EER”，為V型8缸機型，排量為4495mL。因為沿用了立式（Upright）設計，因此在原來(lái)容納12缸發(fā)動(dòng)機的空間內安裝了8缸發(fā)動(dòng)機和EER的各個(gè)裝置。

2014年9月25日和10月14日，YGK使用“福島Sky Park”的跑道測試了該系統。節氣門(mén)不用開(kāi)得很大，就能將速度保持在改裝前的水平，燃效改善幅度為10～20％。前文提到綜合效率由32％提高到了42％，效率改善幅度超過(guò)30％，雖然實(shí)際數值并未達到理論值，但就測試數值而言，這一結果還算不錯。

YGK今后打算面向勒芒24小時(shí)耐力賽開(kāi)發(fā)車(chē)輛。按照比賽規定，這種車(chē)輛可以作為混合動(dòng)力車(chē)的一種參賽。YGK目前正在尋找贊助商。據介紹，以后該公司還會(huì )考慮把該系統應用于該公司的通用發(fā)動(dòng)機產(chǎn)品線(xiàn)，也很可能會(huì )作為量產(chǎn)車(chē)用發(fā)動(dòng)機。