王錦艷，陳龍華，李波，顏偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于排氣余熱回收技術(shù)的整車性能優(yōu)化

王錦艷，陳龍華，李波，顏偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著我國(guó)汽車保有量的快速增長(zhǎng)，在即將到來(lái)的嚴(yán)苛的汽車油耗限值法規(guī)背景下，汽車節(jié)能是成為近代汽車工業(yè)的重要課題。汽車排氣余熱中有高達(dá)三分之一的能量損失，排氣余熱回收成為必然。文章介紹了排氣余熱回收的三種技術(shù)路線，并詳細(xì)闡述了 EHRS技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)及該技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)的整車暖機(jī)、采暖和降油耗三方面的提升，為其他研發(fā)者研究EHRS技術(shù)提供參考。

汽車；排氣余熱回收；節(jié)能；EHRS技術(shù)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車保有量越來(lái)越大，根據(jù)公安部交管局發(fā)布的汽車保有量的相關(guān)報(bào)告顯示，截止2016年底，全國(guó)的汽車保有量為1.94億輛，其中私家車總量達(dá)1.46億輛，與2015年相比，私家車保有量增加2208萬(wàn)輛，增長(zhǎng)15.08%[1]。與汽車保有量快速增長(zhǎng)相對(duì)的是全球能源的日益緊缺。面對(duì)即將到來(lái)的嚴(yán)苛的汽車排放和油耗限值的法規(guī)，汽車節(jié)能受到各國(guó)汽車廠商的重要關(guān)注。相關(guān)研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒岙?dāng)量占燃料燃燒發(fā)熱量的30%～45%（柴油機(jī)）或20%～30%（汽油機(jī)）。以廢熱形式排出車外的能量占燃燒總能量的55%～70%（柴油機(jī)）或70%～80%（汽油機(jī)）[2]。汽車燃料燃燒所發(fā)出的能量，高達(dá)三分之一的能量通過(guò)汽車排氣損失掉了。因此，排氣余熱回收成為了一條節(jié)能降耗的行之有效的途徑。

1 排氣余熱回收的技術(shù)路線

熱力學(xué)第二定律表明：功熱轉(zhuǎn)化不可逆，即熱不可能全部無(wú)條件地轉(zhuǎn)化為功[3]。由于汽車排氣的熱量?值較低，為低級(jí)能量，可轉(zhuǎn)換為功的部分有限，利用起來(lái)非常困難。

目前汽車行業(yè)內(nèi)對(duì)于排氣余熱的利用有三種技術(shù)路線：熱導(dǎo)熱、熱導(dǎo)電、朗肯循環(huán)。

1.1 熱導(dǎo)熱技術(shù)（EHRS技術(shù)）

將排氣的余熱直接以熱能的形式，用冷卻液進(jìn)行回收，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)時(shí)間，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。回收的熱量如果用于暖風(fēng)回路，則可以加速乘員艙溫升，提升整車的采暖舒適性，而對(duì)于增加了PTC輔助加熱器的采暖系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，回收排氣余熱的能量可以降低PTC的功率甚至可以取代PTC加熱，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

熱導(dǎo)熱技術(shù)由于回收熱能直接利用，其回收效率高，同時(shí)，利用熱交換器進(jìn)行熱量回收，熱交換器的技術(shù)成熟，應(yīng)用難度大大降低。

目前，國(guó)外主流車企已有量產(chǎn)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)多家自主車企也對(duì)該技術(shù)進(jìn)行預(yù)研。

1.2 熱導(dǎo)電技術(shù)（TEG技術(shù)）

利用熱導(dǎo)電技術(shù)（TEG技術(shù)）回收汽車排氣余熱能量，利用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電，如下圖所示，當(dāng)圖示半導(dǎo)體上下兩端有溫差，就會(huì)產(chǎn)生載流子，從而產(chǎn)生電能。在使用熱電材料的余熱回收系統(tǒng)中，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，裝置工作可靠[4]，很多汽車廠商對(duì)TEG技術(shù)興趣濃厚，做了很多嘗試，圖2是本田制造的TEG余熱回收系統(tǒng)，它產(chǎn)生的能量用于給LED燈組發(fā)電。該系統(tǒng)在兩側(cè)溫差30℃的時(shí)候可以達(dá)到20W的發(fā)電功率。

然而 TEG技術(shù)受制于其極低的熱電轉(zhuǎn)化效率和高昂的成本，目前大多處于實(shí)驗(yàn)室中。

圖1 塞貝克效應(yīng)原理圖[5]

圖2 本田制造的TEG系統(tǒng)[5]

1.3 有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)（ORC技術(shù)）

有機(jī)朗肯循環(huán)就是使用有機(jī)物作為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，它使用低沸點(diǎn)的有機(jī)物作為工質(zhì)來(lái)吸收排氣余熱能，蒸發(fā)氣化后進(jìn)入膨脹機(jī)做機(jī)械功，該機(jī)械功可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，也可以通過(guò)傳動(dòng)裝置將有用功疊加到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上。

該技術(shù)最早利用的領(lǐng)域是廢熱發(fā)電，近幾年在商用車的節(jié)能技術(shù)中作為重要的效率提升手段而被廣泛應(yīng)用研究，在美國(guó)能源部超級(jí)卡車項(xiàng)目中，康明斯、戴姆勒、沃爾沃、納威司達(dá)四家重卡公司，在55%柴油機(jī)有效熱效率的項(xiàng)目目標(biāo)前，都不約而同的選擇了有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱回收利用技術(shù)。圖3是康明斯的余熱回收利用系統(tǒng)布置圖，在開(kāi)發(fā)中，通過(guò)余熱利用可以將原有的效率提升7.4%。

圖3 康明斯的朗肯循環(huán)系統(tǒng)[6]

通過(guò)對(duì)排氣余熱回收的三種技術(shù)路線的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行研究分析，得出，熱導(dǎo)熱的技術(shù)（EHRS技術(shù)）在乘用車上的應(yīng)用具備較強(qiáng)的產(chǎn)品應(yīng)用性。因此，本文重點(diǎn)對(duì)EHRS技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 EHRS技術(shù)在乘用車上的應(yīng)用

EHRS技術(shù)在標(biāo)致雪鐵龍、韓國(guó)現(xiàn)代、日本豐田、美國(guó)福特上都有應(yīng)用。該技術(shù)利用安裝在整車排氣管路上的余熱回收裝置，將排氣余熱中的熱能回收到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水中，在汽車?yán)鋯?dòng)階段有顯著作用，回收的熱能可用于加熱發(fā)動(dòng)機(jī)流體介質(zhì)（冷卻液、機(jī)油），加快暖機(jī)，快速提升水溫和機(jī)油溫度，降低摩擦功，達(dá)到節(jié)油的效果。同時(shí)，將回收熱量的冷卻液進(jìn)入暖風(fēng)回路進(jìn)行循環(huán)，可加快乘員艙溫升，提高乘員艙采暖舒適性。

EHRS技術(shù)的布置方案如圖4所示，EHRS回收裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)氣液熱交換器，通過(guò)裝置的排氣溫度越高，回收的熱量越多，越能得到更高的熱回收效率。因此，該裝置越接近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路越好，但為了避免熱量回收對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)催化器起燃的不良影響，裝置需要布置在催化器后緊靠催化器的位置。

圖4 EHRS技術(shù)的應(yīng)用[7]

在EHRS技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中由于排氣溫度始終高于冷卻液溫度，如余熱回收裝置的熱量回收一直持續(xù)，當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作的適宜溫度后，裝置回收的熱量對(duì)于冷卻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)反而是一個(gè)有害的熱負(fù)荷。因此，在余熱回收裝置上有一個(gè)控制閥門，控制裝置回收熱量的開(kāi)閉。圖5是其中一種EHRS裝置控制閥，通過(guò)閥門的切換控制高溫排氣氣體的走向，熱回收模式時(shí)，高溫排氣氣體進(jìn)入裝置換熱芯體進(jìn)行熱量回收，旁通模式時(shí)，高溫排氣氣體進(jìn)入整車排氣管路。

圖5 EHRS裝置控制閥[7]

閥門的控制有兩種方式：傳統(tǒng)石蠟控制和電子控制。兩種方式的對(duì)比見(jiàn)下表：

表1

石蠟控制的EHRS裝置由于其易集成、成本低的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用廣泛。但由于石蠟閥門的開(kāi)啟與冷卻液溫度有關(guān)，在旁通模式時(shí)，熱回收管路閥門的不完全關(guān)閉導(dǎo)致部分高溫排氣氣體仍然進(jìn)入裝置換熱芯體，帶來(lái)難以忽視的寄生熱損失（parasitic loss），因此，在EHRS技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，需要在產(chǎn)品研發(fā)前期開(kāi)發(fā)冷卻系統(tǒng)時(shí)考慮回收裝置的寄生熱損失對(duì)冷卻系統(tǒng)的帶來(lái)的熱負(fù)荷影響。

3 EHRS技術(shù)的應(yīng)用對(duì)乘用車性能的優(yōu)化

EHRS技術(shù)在汽車上應(yīng)用已不算罕見(jiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)整車采暖以及油耗方面都有較為理想的提升。接下來(lái)本文將以試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)EHRS技術(shù)應(yīng)用對(duì)乘用車性能優(yōu)化進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 縮短發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間

對(duì)一款2.0NA發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行NEDC循環(huán)測(cè)試，對(duì)比應(yīng)用EHRS技術(shù)前后的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫。水溫曲線見(jiàn)圖在汽車上應(yīng)用已不算罕見(jiàn)圖6所示，應(yīng)用EHRS技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)開(kāi)始后400s左右達(dá)到80℃，而為應(yīng)用EHRS技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到80℃的時(shí)間推遲約200s。

圖6 NEDC循環(huán)下的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫曲線[7]

3.2 提升乘員艙采暖舒適性

雪鐵龍C4畢加索應(yīng)用EHRS技術(shù)用于乘員艙采暖，該車搭載的是一款2.0的柴油機(jī)。對(duì)該車進(jìn)行-18℃工況下勻速30km/h的采暖試驗(yàn)，對(duì)比應(yīng)用EHRS技術(shù)前后的整車乘員艙的采暖溫升。溫度曲線見(jiàn)圖7，應(yīng)用EHRS技術(shù)后，乘員艙平均溫度上升到20℃所用的時(shí)間縮短了13min。

圖7 乘員艙平均溫度曲線[8]

3.3 提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性

以一款重混車型為例，該車的發(fā)動(dòng)機(jī)工作策略與發(fā)動(dòng)機(jī)水溫有關(guān)：當(dāng)水溫達(dá)到65℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，水溫低于60℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作。在應(yīng)用 EHRS技術(shù)后，對(duì)該車進(jìn)行NEDC循環(huán)下的油耗測(cè)試，溫度曲線見(jiàn)圖 8所示，在 350s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫第一次達(dá)到65℃，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作后，水溫下降，下降到 60℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)。EHRS技術(shù)的應(yīng)用，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作的時(shí)間，從而給整車在NEDC循環(huán)前800s內(nèi)，帶來(lái)了8%的節(jié)油效果，在整個(gè)NEDC循環(huán)則帶來(lái)6%的節(jié)油效果。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫曲線[8]

4 結(jié)語(yǔ)

（1）汽車的排氣余熱所占比例很大，面對(duì)未來(lái)嚴(yán)苛的汽車油耗限值法規(guī)，汽車排氣余熱回收系統(tǒng)必將成為汽車的必備系統(tǒng)，將會(huì)有更多的汽車廠商對(duì)排氣余熱回收技術(shù)投入研發(fā)。

（2）EHRS的排氣余熱回收技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)、乘員艙采暖的提升以及混動(dòng)車上優(yōu)異的節(jié)油表現(xiàn)，意味著EHRS技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，在該技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，需重點(diǎn)考慮汽車排氣系統(tǒng)的NVH、EHRS回收裝置寄生熱損失以及熱回收模式的控制策略。

[1] 人民汽車網(wǎng).全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá) 2.9億 2017年新規(guī)你造嗎[E]http://auto.people.com.cn/n1/2017/0124/c1005-29045960.html. 最后訪問(wèn)時(shí)間:2017-06-22.

[2] 朱智富.汽車廢熱利用的有效途徑[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2005(2):52～53.

[3] 沈維道,童鈞耕.工程熱力學(xué)[M]北京:高等教育出版社,2007.6.

[4] 趙升噸,崔敏超,賁寧宇,陳超.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱利用方法探討[J].汽車實(shí)用技術(shù),2015(2):11～14.

[5] B.Orr、A.Akbarzadeh、M.Mochizuki、R.Singh.A review of car waste heat recovery systems utilising thermoelectric generators and heat pipes.[J].Applied Thermal Engineering,25 May 2016:Pages 490～495.

[6] CCJ電子期刊網(wǎng).Waste heat recovery:An old theory finds new life -but will it work for every trucking application?[E]http://www.ccjd-igital.com/waste-heat-recovery-an-old-theory-finds-new-life-but-wi ll-it-work-for-every-trucking-application/.最后訪問(wèn)時(shí)間:2017-06-26.

[7] Lee Chiew, Michael W. Clegg, Robin H. Willats, Gilbert Delplanque and Edouard Barrieu.Waste Heat Energy Harvesting for Improving Vehicle Efficiency.[J].SAE International,2011:Page 1211～1220.

[8] 搜狐網(wǎng).汽車尾氣余熱熱量回收系統(tǒng)技術(shù)解析[E]http://www.sohu.com/a/116006702_180520.最后訪問(wèn)時(shí)間:2017-06-26.

Title Optimization of vehicle performance based on exhaust heat recovery technology

Wang Jinyan, Chen Longhua, Li Bo, Yan Wei
( Anhui JiangHuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

With the fast growth of car ownership, in the context of upcoming strict and harsh fuel consumption limits,automobile energy saving has become an important subject of automobile industry in recent times. There is an energy loss of up to 1/3 in the exhaust heat of the car, so exhaust heat recovery becomes inevitable. Three routes of exhaust heat energy were introduced in this paper. It also expounds the application points of EHRS technology and the promotion of the three aspects of vehicle warming, heating and fuel consumption. Also, provide reference for others to study EHRS technology.

automobile; exhaust heat recovery; energy saving; EHRS technology

U472.7

A

1671-7988 (2017)21-78-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.027

CLC NO.: U472.7

A

1671-7988 (2017)21-78-04

王錦艷（1988-），女，本科，研究方向：汽車新技術(shù)。