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日本YGK利用汽车废气发电,混动车热效率提升10%

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-12-08  来源:驱动之家  作者:鑫椤资讯
      日本YGK公司开发出了“EER(废气能量回收)混合动力系统”,可利用发动机排放的废气驱动涡轮旋转,利用由此产生的电力驱动马达旋转,从而辅助发动机工作。该公司改装了捷豹“XJR-15”,更换了发动机,目前已完成了试运转。该公司最高顾问林义正在2009年担任东海大学教授时公开了这一构想,5年后终于完成了试运转。

      此次公开的捷豹“XJR-15”。利用超级电容器的电力行驶了数米。

      就普通汽油发动机而言,燃料热量的32%会转换为轴输出,35%会以废气的热能和压力能量的形式排出,其余20%则作为冷却水的热量排出,因此热效率只有32%。此次的系统利用涡轮将废气的能量转换为旋转力(效率为33%),然后在减速时利用其产生的动能来发电(效率为98%),再利用逆变器和马达将其转换为轴输出(效率为89%)。转换至马达的轴输出的燃料热量为0.35×0.33×0.98×0.89=0.1,也就是10%。曲柄轴的轴输出为32%,加上马达的轴输出10%,综合热效率可达到42%。

  
      中央为YGK自己生产的涡轮,右边可以看到轴承座。

      这种装置的最大问题是热问题。涡轮转子最高可承受800℃的废气。而发电机转子中使用了温度超过100℃就无法使用的永久磁铁。尽管以马达提供辅助的涡轮增压器之类的产品尚在开发之中,但该系统依然获得了实现。看似简单,但实际上系统中有压缩机转子。从旋转轴的热平衡来看,压缩机转子就好像是带有风扇的散热片。来自涡轮转子的热量会传递给压缩机转子,因此保持了热平衡。只使用涡轮和发电机是无法实现这一点的,因此隔热和散热非常重要。

      在隔热和散热两个方面,隔热问题是通过在涡轮和发电机之间安装减速机来解决的。不过,安装减速机并不仅仅是为了隔热。涡轮的最高转速为10.6万rpm,发电机的最高转速为1.8万rpm。为了消除二者之间的转速差,必须设置一个减速装置。有减速机时,齿面就会变成线接触,因此传热阻力很大,可以充分隔热。

      除此以外,此次的系统还增加了特殊装置来散热。虽然YGK并未透露详情,但估计不太可能让部材接触1.8万rpm转速的轴来传热,而且公开的部件上设有配管,因此估计使用的是液冷方式(如下图)。

  
       中间的截面为圆形的部分是发电机,其右侧截面为方形的部分为减速机,再往右有配管的部分是散热
    装置。发电机左上方的黑色物体是发电机/马达用散热器,其左下方只露出一小部分的装置是马达。

 
      由于是直接使用废气的能量,因此实际上并不需要二次电池超级电容器等蓄电装置。即便如此,为了便于瞬间增强辅助力以获得良好的响应性,以及便于驱动起动机,该系统安装了JM Energy生产的锂离子电容器。此次的试制车为了突出EER混合动力系统的优点,并没有使用再生制动器,不过该系统是可以使用再生制动器的。YGK还打算通过增加发电机负荷来控制涡轮的转速,替代通过排气泄压阀控制涡轮转速的方式。

      此次使用的发动机是在YGK生产的“YR45”的基础上组合EER的“YR45-EER”,为V型8缸机型,排量为4495mL。因为沿用了立式(Upright)设计,因此在原来容纳12缸发动机的空间内安装了8缸发动机和EER的各个装置。

      2014年9月25日和10月14日,YGK使用“福岛Sky Park”的跑道测试了该系统。节气门不用开得很大,就能将速度保持在改装前的水平,燃效改善幅度为10~20%。前文提到综合效率由32%提高到了42%,效率改善幅度超过30%,虽然实际数值并未达到理论值,但就测试数值而言,这一结果还算不错。

      YGK今后打算面向勒芒24小时耐力赛开发车辆。按照比赛规定,这种车辆可以作为混合动力车的一种参赛。YGK目前正在寻找赞助商。据介绍,以后该公司还会考虑把该系统应用于该公司的通用发动机产品线,也很可能会作为量产车用发动机。
 
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