汽车排气管的能量再利用和尾气处理装置

毛晓凯 张楠 陈嘉健

摘要：当前汽车排气管主要分为如下几类：一般原厂管、回压管、半回压管、直通管、半直通管、半双阀门可变排气、可变排气管。他们的分类方式主要根据噪音和尾气排放速度等进行分类。市面上没有关于节能型或环保型排气筒，存在着很大的市场空缺。随着人们环保意识和节能意识的增强，越来越多的人愿意选择节能减排型排气筒。汽车数量激增，石油资源紧缺，环境恶化，也使节能减排成为汽车行业的研究热点。

关键字：三元催化器;能量再利用;废气循环;塞贝克效应

一、内容简介

针对汽车发动机能量约30%～40%随尾气排放造成的能量浪费和汽车启动时三元催化器未能达到工作温度造成的不达标废气排放问题。提出了一种汽车排气管的能量再利用和尾氣处理装置设计方案，该作品具有结构简单、成本低、针对性强等特点，并且实现了节约能源和减少尾气排放对空气的污染。

本作品的主体是由能量转化系统和废气循环系统组成。能量转化系统：通过温差发电片实现排气筒筒壁热量的再次利用。为了更高效率的将热能转化为电能，使用散热片让温差发电片内外温差加大。二次利用的热能可实现废气循环系统自主工作。废气循环系统：该系统由单片机STM32F10XX实现自动化控制，汽车启动时，汽车废气不符合排放标准，此时将废气通入废气储存囊中，利用温度传感器对三元催化器温度进行监控，当温度达到三元催化器工作温度时，通过单片机实现排气通道的转换，将汽车尾气排入空气中。同时用微型抽气机将废气储存囊中的不达标废气再次通入三元催化器进行二次催化。这样避免了汽车启动时因三元催化器温度低，催化效率低导致不达标的废气排放的情况。

通过塞贝克效应构成的能量转化系统，实现了废气的余热的再次利用;通过废气循环系统解决了因汽车启动时三元催化器温度低，催化效率低不能达到尾气处理标准的问题。本作品既实现了节约能源也实现了减少废气的排放，并且立于现实存在的问题，针对性很强，应用方向明确、结构简单、易于实现、成本低，所以具有很高的可行性和非常好的应用效果。

二、技术可行性分析

整套设备的安装具有耗电量小，结构简单的特点，按图1原理平面图连接即可。将①气体压强传感器②温度传感器③电磁阀门④微型抽气机与单片机STM32F10XX连接实现单片机对四种电子器件的控制和自动化工作。⑦储电装置⑧单片机⑨温差发电片按原理图示意连接，这样实现了装置得自主供能运行。将废气通道按图连接好便可使用。整套装置结构简单，安装方便，对原有的汽车装置改动很小，且实现了废气的排放，有较高的实用价值。

参数可行性分析

根据周毅等人的研究成果三元催化器冷起动研究分析中对三元催化器温度随启动时间的关系可以知道20秒后三元催化器的温度可以达到300°C[1]。这时三元催化器开始工作。

三元催化器温度随时间变化规律，反映了催化器位置对催化器前废气温度的影响， 在测试循环开始20秒后 ， 布置在发动机附近的催化器前的废气温度可达300°C。这也说明本装置的储气囊的容量应大于汽车启动后20秒排放的废气。

以国家标准按g来算，汽车尾气排放的质量流量平均约为23g/s，气体摩尔体积22.4L/mol，空气的摩尔质量29g/mol，也就是说汽车尾气排放量17.77L/s，20秒大约355.31L，而普通轿车汽车后备箱为400～500L，气囊可以实现储存汽车启动后20秒的废气。

自主运行可行性分析

对排期管利用余热温差发电的转换效率进行研究，分析温差发电所转化的能量是否可以供给废气循环系统实现自主运行。因为尾气循环和温差发电都是以汽车一次启动为周期，只要满足一周期内温差发电转化能量大于废气循环一次所消耗的能量即可实现自主供能。废气余热温差发电效率已经有很多人进行了研究，在徐刚的汽车尾气余热温差发电系统仿真与设计得到了利用余热温差发电的转换效率 [2]。

其中 为发动机尾气携带能量百分比， 集热器集热效率， 温差发电模块热电转换效率， 电路转换效率。并用ANSYS进行仿真得到了没消耗了1L燃油可回收其中的0.0129L.这里假设每次汽车出行行驶3公里，汽车一般作为远距离出行时的工具。所以这个假设显然合理，也就是说每次大概消耗0.33L的燃油。温差发电可以得到46.7KJ的能量。而废弃循环系统的能量消耗主要由12V车载微型抽气机泵产生，功率56W，流量大于360LPM （LPM是liter per minute的缩写，升/分钟）。以储气囊容积355L，需要微型抽气机泵工作1分钟，消耗能量3.3KJ。很显然一个周期内温差发电所获得能量大于废气循环消耗的能量，因此可以实现自主工作。

参考文献

[1]周毅，刘新宇，高卫民.三元催化器冷起动研究分析[J].内燃机工程，2002（03）：43-45+49.

[2]徐刚. 汽车尾气余热温差发电系统仿真与设计[D].北京交通大学，2014.