廢氣發(fā)電輔助發(fā)動(dòng)機(jī) 混動(dòng)車熱效率達(dá)到42％

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

就普通汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃料熱量的32％會(huì)轉(zhuǎn)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(tǒng)利用渦輪將廢氣的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)力（效率為33％），然后在減速時(shí)利用其產(chǎn)生的動(dòng)能來發(fā)電（效率為98％），再利用逆變器和馬達(dá)將其轉(zhuǎn)換為軸輸出（效率為89％）。轉(zhuǎn)換至馬達(dá)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(dá)的軸輸出10％，綜合熱效率可達(dá)到42％。

這種裝置的最大問題是熱問題。渦輪轉(zhuǎn)子最高可承受800℃的廢氣。而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中使用了溫度超過100℃就無法使用的永久磁鐵。盡管以馬達(dá)提供輔助的渦輪增壓器之類的產(chǎn)品尚在開發(fā)之中，但該系統(tǒng)依然獲得了實(shí)現(xiàn)。看似簡單，但實(shí)際上系統(tǒng)中有壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子。從旋轉(zhuǎn)軸的熱平衡來看，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子就好像是帶有風(fēng)扇的散熱片。來自渦輪轉(zhuǎn)子的熱量會(huì)傳遞給壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，因此保持了熱平衡。只使用渦輪和發(fā)電機(jī)是無法實(shí)現(xiàn)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，隔熱問題是通過在渦輪和發(fā)電機(jī)之間安裝減速機(jī)來解決的。不過，安裝減速機(jī)并不僅僅是為了隔熱。渦輪的最高轉(zhuǎn)速為10.6萬rpm，發(fā)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1.8萬rpm。為了消除二者之間的轉(zhuǎn)速差，必須設(shè)置一個(gè)減速裝置。有減速機(jī)時(shí)，齒面就會(huì)變成線接觸，因此傳熱阻力很大，可以充分隔熱。

除此以外，此次的系統(tǒng)還增加了特殊裝置來散熱。雖然YGK并未透露詳情，但估計(jì)不太可能讓部材接觸1.8萬rpm轉(zhuǎn)速的軸來傳熱，而且公開的部件上設(shè)有配管，因此估計(jì)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(jí)電容器等蓄電裝置。即便如此，為了便于瞬間增強(qiáng)輔助力以獲得良好的響應(yīng)性，以及便于驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)安裝了JM Energy生產(chǎn)的鋰離子電容器。此次的試制車為了突出EER混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并沒有使用再生制動(dòng)器，不過該系統(tǒng)是可以使用再生制動(dòng)器的。YGK還打算通過增加發(fā)電機(jī)負(fù)荷來控制渦輪的轉(zhuǎn)速，替代通過排氣泄壓閥控制渦輪轉(zhuǎn)速的方式。

此次使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是在YGK生產(chǎn)的“YR45”的基礎(chǔ)上組合EER的“YR45-EER”，為V型8缸機(jī)型，排量為4495mL。因?yàn)檠赜昧肆⑹剑║pright）設(shè)計(jì)，因此在原來容納12缸發(fā)動(dòng)機(jī)的空間內(nèi)安裝了8缸發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)。節(jié)氣門不用開得很大，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30％，雖然實(shí)際數(shù)值并未達(dá)到理論值，但就測試數(shù)值而言，這一結(jié)果還算不錯(cuò)。

YGK今后打算面向勒芒24小時(shí)耐力賽開發(fā)車輛。按照比賽規(guī)定，這種車輛可以作為混合動(dòng)力車的一種參賽。YGK目前正在尋找贊助商。據(jù)介紹，以后該公司還會(huì)考慮把該系統(tǒng)應(yīng)用于該公司的通用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品線，也很可能會(huì)作為量產(chǎn)車用發(fā)動(dòng)機(jī)。