渦輪增壓，能不能改成渦輪發電？

12-29

最初我以為渦輪增壓是個能量回收裝置，能夠回收廢氣帶走的能量，提高整體燃燒效率，可是現在很所油耗數據證明，渦輪增壓並不怎麼省油。只是用小排量得到了更好的動力，帶來的也是油耗的上升。我對這個問題非常不解，明明廢氣的能量被利用了，為什麼無法提高燃燒效率呢？我自己這麼想，就算是理想工況，燃料能夠完全燃燒，卡諾循環，其效率也是有上限的，所以這種回收能量用在原有的內燃機上，無法有效的提高效率問題。

我搜過了，有人提過用廢氣做功的問題，跟我的想法還是不太一樣，答案也沒有類似的說法。那麼如何利用尾氣帶走的能量呢？渦輪那麼高的轉速，用來發電應該是很方便吧？

如果用廢氣渦輪來發電，電能儲存在電池裡，做成混動車型（散熱啊，背壓啊，這些細節，應該不能解決吧），類似豐田的雙擎。我想電池應該可以更大，純電續航更遠，綜合油耗會更低，總之就是更節能！

我以為這種技術做到了真正的能量回收利用，基本上不影響發動機的正常工作，發動機工作時就是一台普通的自吸發動機，還能回收廢氣能量，理論上能量的利用率提高了，因該是更節能，更少排放吧？

渦輪發電（turbo-generator）並不是什麼新鮮概念，最早的渦輪發電裝置出現在1886年。
就是下面這大玩意，比例尺參照右下角的人。

好吧，就算它是水輪機，但好歹人家也是渦輪，而且也是用來發電的。

賣萌結束，還是回到我們說的發動機上的渦輪來。
在發動機上用渦輪來發電的技術也是有的，我們慢慢來說。

首先要，發動機的增壓，無論是機械增壓，渦輪增壓還是氣波增壓，其基本的作用都是：
在同樣的氣缸工作容積內獲得更多的新鮮充量，從而得到更大的輸出功率。
增壓的基本目的是為了動力，不是效率，更不是題主所說的能量回收。
當然匹配得當的渦輪增壓其實對於熱效率是有一定提升的，但並不是很顯著。

下圖是常見的渦輪示意圖，發動排氣廢氣推動渦輪葉輪轉動（藍色部分），帶動壓氣葉輪轉動（橙色部分），從而對進氣產生增壓效果。可以看見，傳統渦輪的渦輪葉輪和壓氣葉輪是通過一個軸連接在一起的。

既然常見渦輪增壓的目的是為了功率，那麼什麼樣的情形下才可以看到渦輪發電這樣的技術呢？

答案是在喜歡玩極致的F1賽車上。

2014年起F1實施新規則，更加註關注經濟性和環保性，由原來自然吸氣的2.4升V8發動機改變為1.6升V6渦輪增壓發動機，同時又強調了燃油經濟性的提升。渦輪的回歸也讓一些新技術的引入，其中裡面就有一項是關於渦輪發電的。

在F1里這個東西叫做MGU-H (Motor Generator Unit - Heat)動力單元，也有人稱這樣的技術為Hybrid Turbocharger-嗯，混合動力渦輪。

不同廠商的MGU-H單元的布置位置可能有所差別，但作用都是一樣的。

MGU-H單元可以理解成是一個發電機-電動機:

在高轉速下，排氣能量比較大，渦輪可以產生很大增壓壓力，在傳統渦輪上，為保證渦輪安全和壽命，超過一定限值的增壓壓力是通過渦輪廢氣旁通閥卸掉的，這部分能量可以說是浪費掉。而MGU-H單元可以通過控制發電量來維持增壓壓力在合適的範圍，同時又可以不浪費掉這部分傳統渦輪卸的能量。這時MGU-H起動的是一個發電機的作用，發的電可以儲存在儲能單元中，比如電池。（如下圖右上，紅色粗箭頭表示排氣廢氣具有很大的能量，淺藍色箭頭表示可以獲得很大的增壓壓力，黑色向左箭頭表示發出的電往儲能單元里儲存。）
在低轉速下，排氣廢氣的能量是很有限的，提供的增壓壓力很有限。這時，MGU-H單元可以起電動機的作用，帶動渦輪提高增壓壓力啦。嗯，對的，這時MGU-H就是起到我們現在能接觸到有應用的電子渦輪的作用：利用之前儲存下來的MGU-H單元發的電來帶動渦輪，改善渦輪遲滯。（下圖右下，紅色箭頭較細，排氣能量比較下，黑色向右箭頭表示使用儲能單元里的電能帶動渦輪，產生比較大的藍色箭頭的增壓壓力）

很容易理解，採用了MGU-H單元之後，對排氣廢氣的能量利用率提高了，同時改善渦輪遲滯，可以說這簡直是一個大殺器啊！如果去掉增壓功能，單單保留渦輪發電，某種程度上可以說是本末倒置。墨爾本車神Johnny曾經說過，「渦輪不增壓，要你來幹嘛？」

既然MGU-H這樣的技術說得那麼好，我們又不是開F1的，什麼時候才能在家用車上見到這個技術呢？
從目前來看，這是一個很好的方向，尤其是在油耗越來越嚴格的背景下。但目前只能見到F1上有採用這項技術，尚未看到有廠商有宣布將在家用車上量產此項技術。

Reference:
1. Wikipedia:Hybrid turbocharger
2 .http://www.nytimes.com/2014/05/11/automobiles/new-twists-in-turning-hot-air-into-horsepower.html?

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假設現在豐田的混動要想用廢氣渦輪發電的方法增加熱效率，那麼能想到的方法有兩個：

1、渦輪直連電機
2、將渦輪動力傳到現有的動力系統

第一種方法需要第三個電機專門用來發電，成本上升不可避免，而且這個電機只有一個用途，而現有的兩個電機都都有兩種用途，而且發電的效率也未知。題主認為的渦輪轉速那麼高是因為沒有那麼大的負載，要驅動好幾十斤的點電機鐵芯就沒那麼容易了，弄沉了轉不動，輕了發電量又不夠多

第二種方法、如何將動力傳入系統是個大問題，要想讓能量儘可能多的傳入系統中，勢必要增加機械複雜度，況且渦輪能夠提供多少能量也是未知。

兩種方法都需要不止一個額外部件，不利於系統
小型化

加渦輪利用廢氣發電這種事情我想豐田工程師不會沒有考慮過，沒有進入系統中肯定是有某些原因的，比如效費比。

尾氣發電，樓主想法挺有意思的。尾氣怎麼利用不太懂，說幾個別的吧。
1.燃汽-蒸汽聯合循環算是用燃機尾氣(餘熱)燒水帶動汽輪機發電吧。
2.我還知道有華電萊州電廠是海水淡化作為循環水，然後循環水排水口改為水輪發電機房，安裝兩台800千瓦小型水輪機，依靠排水帶動水輪機發電，每年可多發電880萬度，相當於在火電廠里建起了水電站。也算是余物利用吧。
3.有一項新型風電技術，沒有扇葉，通過渦流產生振動，然後發電。詳見：（1）【能創】VORTEX——沒有葉片的風機就是這麼酷 - 能+ - 知乎專欄（2）【能創】Vortex——沒有葉片的風力發電機 - 能+ - 知乎專欄

我大膽提個問題。
突然腦洞大開。
把發動機的循環水換咯。換成沸點低於100度的水。
比如85度就會開咯就有蒸汽咯。這個我記得電腦里的熱管就是這樣的

然後這個蒸汽用來幹什麼大家都知道咯吧。

直接接到汽輪機上發電。然後中冷回收循環。

不知道這樣利用率。是不是比尾氣來的多。

在比如在把蒸汽到汽輪機之前再把尾氣引回來噴一下提升下蒸汽溫度。

這樣是不是都利用咯。

版權歸我所有。

請大家告訴這樣我是不是可以申請個專利什麼的。

從尾氣中獲取動能發電不如從尾氣中獲取熱能發電來的划算，畢竟熱能是直接被浪費的。
我之前有做過熱能回收的項目，還騙到了個專利呢~

先上結論，車機上的動力渦輪早就有，現在還在用!

這是底特律柴油機(DDEC)2007年生產的第一代DD15柴油機，功率475馬力，裝在美國常見的大鼻子半挂車上，技術來自於梅賽德斯賓士OM472。來看看它的動力渦輪長什麼樣

雖然其貌不揚，但最高功率達到31.7kW，可以帶小汽車跑高速了。和渦輪增壓器不同的是，動力渦輪是軸流式的，渦輪輸出軸不是帶動發電機，而是和曲軸直接相連，將做的功直接返回曲軸。當然由於沒有離合器在低速低負荷時還需要曲軸反拖它，o(╯□╰)o。實際上，確如大家所說，這個東西不能提高熱效率，它所利用的能量絕大多數來自於活塞推出廢氣的功，這個功來自於曲軸。。。完全死循環，真是吃飽了撐得。事實上，這個東西的意義在於提高EGR率。如果做過柴油機一般都會知道排氣背壓和進氣壓力倒掛的問題，啥意思呢，EGR就是把排氣渦輪前的高壓廢氣冷卻後導入到進氣壓氣機後，俗話說水往低處流，下一句是氣往低壓走，如果排氣背壓大於進氣壓力，廢氣就歡快的流向進氣了，但偏偏有許多工況進氣壓力高於排氣背壓，就是壓力倒掛，如此一來廢氣過不去了，新鮮空氣倒是過來了，還能不能愉快的工作了？那有這麼個傻玩意在這兒一擋，排氣背壓憋上去了，又可以愉快嗯玩耍了。有同學問我拿個閥門在排氣管上憋一下不就行了？工熱沒學好吧，閥門有節流損失，真這樣曲軸對廢氣白做的功就再也找不回來了，所以在不得不增加排氣背壓的時候動力渦輪是最好的選擇。這東西還有一個特性，還記得低速低負荷曲軸反拖動力渦輪嗎？相當於動力渦輪在向外抽氣，造成排氣背壓下降，而這個時候正好不需要那麼多的EGR氣體，皆大歡喜。當然，做可靠性的人肯定不喜歡這玩意，他們更喜歡VGT，背壓閥，非對稱流道增壓器，所以這個東西推廣的並不順利，甚至第二代DD15都不想要它了，但總得來說這個思路挺新穎的。

後有9.13更新，求贊！
3-8更新～首先，發動機能量的浪費是熱量，而不是所謂的排氣的氣流。發動機的60-70%都轉化為熱量通過排氣管和散熱器以及發動機自身流失了，而不是題主理解的排氣的氣流能量。
打個比方，題主發現踩著剎車跑汽車的剎車盤會產生熱量，於是題主發明了熱量回收裝置，把剎車盤的熱量轉化為電能，再於是題主每天都踩著剎車開車，為了提取剎車盤的熱量（如果有這裝置是應該裝到排氣筒上或者散熱器上是非常不錯的）
大家會問了，這不是傻嗎？
對，就是傻。
這個原理和題主想的一樣，利用曲軸推動活塞排氣的功率強行加上一個渦輪再帶動發電機，我天啊！！！發動機的內心是崩潰的，排氣不痛快了啊，曲軸負荷大了，油耗上去了。你提取錯了能量，流失的能量是熱量，你為什麼提速發動機的功？
渦輪增壓是依靠排氣的氣流來推動渦輪的，渦輪的動力帶動壓縮機輪壓縮空氣，增加進氣量

活塞有四個行程，吸氣，壓縮，做功，排氣

這四個行程除了做功有功率輸出的，其他三個都是行程都是在消耗

拿排氣來說，排氣推動渦輪，排氣需要用發動機做功出來的功率推動廢氣，再加上渦輪的負荷，那這就是耗損，為什麼要讓渦輪發電？遠不如動力穩定的皮帶傳遞。發電機的輸出功率越大，發電機需要的扭矩也就越大，渦輪功率如果太大，就相當於堵塞排氣管，使排氣不暢，增加發動機功耗，甚至損壞發動機。而且渦輪的壽命和成本絕不如皮帶傳動有優勢。
渦輪增壓的目的是：減輕發動機重量，減少發動機體積，減少發動機成本，增加發動機輸出功率，才有的發動機的渦輪增壓技術

照題主你說的，在發動機上吸取功率，然後儲存在蓄電池，然後再用蓄電池帶動電機跑車，得不償失啊！
第一功率的耗損，發電儲存再放電，耗損不少，渦輪機械磨損，氣體磨損，消耗不少
第二增加車重，車上多了渦輪和蓄電池，導致油耗增加。
我的解釋完畢
9.13更新
題外話，曾經看過一個新聞，老牛?了。奧迪說:發明了一個進氣降溫系統。
聽著挺霸氣還有點側漏的感覺。還申請了專利

奧迪解釋:由於渦輪增壓溫度太高使進氣溫度也上升到很高，空氣溫度高，密度就低了，進氣就少了，我們發明了一個側漏的裝置，進氣降溫。原理是這樣的，在空調蒸發器接個盆，空調水收集起來，再用泵接上一個噴霧嘴，安裝到渦輪增壓的進氣管里，往進氣管里的熱空氣噴霧，由於水蒸發後吸熱，溫度下降。目前面臨兩大技術難題，不開空調去哪兒弄水？水攢多了時間長了臭了怎麼辦？
哎！我當時我就信了，我就想啊奧迪的工程師真的好牛逼，這麼簡單的問題別的汽車廠商竟然沒想起來。
後來我無意間意識到，水蒸發？吸熱？我感覺我的智商收到史無前例的侮辱啊！！！
水蒸發是吸熱，可是水蒸發也體積膨脹啊！（關於膨脹的數據和對應降溫的空氣體積收縮數據有大牛知道的給指教下）我覺得睡蒸發的膨脹的體積，要比空氣降溫收縮那點體積大的多了。
感覺挺有意思，寫出來讓廣大知友看看

可以，反正是廢氣是沒用的，好主意啊！
我竟然想不出哪裡不對。
把發電機放到渦端，發動機動力也提升了，兩全齊美的好事！

渦輪增壓本來就回收不了太多能量，主要是強心針和起到穩定扭矩的作用！渦輪發電還不如自然吸氣，用混動來彌補發動機小扭矩工況下的低效！

發電不是問題，如何高效地存儲然後回饋給動力系統才是。F1賽車付出不小重量和體積的代價搭載了KERS，也僅僅能在出彎的時候提供幾秒的輔助加速能力。
如果能高效存儲電能，那內燃機已經可以靠邊站了，也就沒渦輪發電什麼事了

渦輪壓縮的空氣直接通過管路輸送到車身表面減弱高速時候的空氣阻力來降低油耗怎麼樣

可以在排氣加個斯特林發動機，利用尾氣熱量發電

在馬士基和地中海的大型船舶上是有渦輪發電的！這種渦輪機叫 power turbine，主機長時間高負荷運轉產生的廢氣對於主機渦輪來說並不能完全利用，（一般增壓器廢氣進氣殼都有旁通閥來泄掉這一部分廢氣），而這些廢氣正是發電渦輪的動力

如上圖，廢氣右端進入帶動轉子軸，而原本是壓氣葉輪的位置則連接發電機

渦輪增壓不是能量回收，而是以損失排氣效率為代價換取吸氣效率，從而提高整體功率的。所以渦輪發電的話，豈不是撿了芝麻丟了西瓜。。。

和我想到一塊去了，現在流行渦輪增壓，可以讓渦輪驅動發電機而不是驅動空氣壓縮機，發電機發的電可以直接驅動汽車，或者儲備在電池中。

先寫結論：渦輪增壓不能提高發動機熱效率，但是可以利用廢氣發電，前提是廢氣發電不影響排氣。

1.渦輪增壓就是為了提高氣缸充氣量，結果就是噴了更多的燃油，輸出更高的功率。熱效率並沒有提高，假如1.8自然吸氣和1.6T渦輪增壓發出的功率相同，那他們的燃油消耗應當是相差無幾的，輸出功率與燃油燃燒的產生的熱值之比就是熱效率，所以熱效率並沒有變。題主說渦輪增壓的費油，並不能代表效率低。1.6自然吸氣和1.6T渦輪增壓比，那當然是1.6T費油，可你輸出的功率提高了啊。

2.廢氣發電屬於廢物利用。廢氣具有很高的溫度和壓力，可以用來驅動發電機，或者將廢氣引入熱交換器回收熱量。廢氣發電的關鍵是不能影響排氣，因為廢氣發電導致排氣背壓過高就得不償失了。小型發動機的排氣量、壓力、溫度雖然看似很高，但要驅動發電機，還是要考慮成本的。由於發動機的轉速不穩定，排氣流量不可能保持恆定。而發出的電必須是恆頻率、恆電壓的，所以要求在發電機後部增加調節器，通過調節器將不穩定的電能轉換成直流電。如果將這部分電能計入熱效率公式中，熱效率就提高了。
花甲粉絲提到過船用渦輪發電機，沒錯，我隨手上網查了一下，ABB渦輪發電機，最大輸出電功率3200kW, 一般適用於配備20MW以上主機的船舶，可降低了4%的油耗。可以想像一下，車用發動機只有以數百計kW的輸出功率，而且這個節省的油耗應當是其他發電機少發了3200kW電換算來的燃油量，而不是因為加裝渦輪發電機導致主機少消耗了油。

排氣行程是耗功的，但為了提高換氣效率這是值得的，工程師連背壓都考慮到了就為了提高那幾個點的提高，你卻想用排氣動能發電而不顧換氣效率的降低。。。尾氣動能發電與內燃機曲軸直接驅動發電機並無區別，甚至是繞了彎效率更低。這只是原理上的，實際中渦輪轉速十幾甚至二十幾萬轉/min，用來發電你要輸出恆定轉速吧，還有機械負荷熱負荷怎麼解決，這些都是問題。

再說到利用尾氣餘熱。通俗地講，熱是有品質高低之分的，這裡的熱品質就很低。這種想法用在輪船重卡上還可以商榷，當然首選也不是用來發電。。。要是用在家用車上那完全就是想多了。

其實採用渦輪增壓更多是性能考量，它的效率和你理解的效率可能不是一回事

樓上的回答太正確了，先轉化成動能再轉化為電能，多此一舉~~

用渦輪發電是要帶負載的，會不會影響到正常的排氣？