晏娟，邵傳剛，羅錦潔，鄧正華

(1.重慶三峽學(xué)院，重慶 404000；2.天津中恒動(dòng)力研究院有限公司，天津 300000；3.重慶市輕合金材料與加工工程技術(shù)研究中心，重慶 404000)

近年來(lái)，能源短缺和環(huán)境污染已成為全球面臨的兩大問(wèn)題[1-4]。在我國(guó)，從國(guó)四到國(guó)五，再到現(xiàn)在的國(guó)六a，排放法規(guī)對(duì)CO排放加嚴(yán)了50%，國(guó)六b的THC，NMHC和NOx限值分別下降了50%，50%和42%，國(guó)六雖然沒(méi)有CO2的限值要求，但要求企業(yè)申報(bào)CO2的實(shí)際水平。而汽車內(nèi)燃機(jī)(ICE)有35%～40%的燃料能量通過(guò)排氣系統(tǒng)作為廢熱排出[5]，這樣不僅消耗了大量的燃料，而且產(chǎn)生了很多的有害污染排放[6-7]。排氣余熱回收系統(tǒng)(EHRS)既可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，又可以改善整車的油耗和排放，是適應(yīng)全球碳排放形勢(shì)下的一種新的技術(shù)路線。目前汽車行業(yè)內(nèi)對(duì)排氣余熱的利用有3種不同技術(shù)路線，分別是熱導(dǎo)熱技術(shù)、熱導(dǎo)電技術(shù)[8](TEG)和有機(jī)郎肯循環(huán)技術(shù)[9](ORC)。熱導(dǎo)熱就是發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣余熱直接以熱量的形式回收利用，也就是EHRS。熱導(dǎo)電技術(shù)是利用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電，當(dāng)半導(dǎo)體兩端有溫差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生載流子，從而產(chǎn)生電能[10]。有機(jī)朗肯循環(huán)是使用低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，有機(jī)工質(zhì)從尾氣余熱流中吸收熱量，生成具一定壓力和溫度的蒸氣，它的能量有兩種輸出形式，一種是將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，另外一種是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能輸出。雖然通過(guò)熱電發(fā)電機(jī)直接將排氣余熱轉(zhuǎn)化成電能已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于汽車行業(yè)[11-12]，但熱電轉(zhuǎn)化效率低且成本高，使得它的投入和產(chǎn)出可能不成正比，到目前為止，大多數(shù)處于試驗(yàn)之中。有機(jī)朗肯循環(huán)的效率也比較低，目前主要在商用車上應(yīng)用。采用EHRS技術(shù)最高可回收汽車排氣系統(tǒng)大約40%的廢氣熱能，是3種汽車余熱回收技術(shù)路線中熱量回收效率最高的。在大多數(shù)情況下，車輛是在冷起動(dòng)條件下運(yùn)行的，但是在冷起動(dòng)條件下，車輛的尾氣排放非常惡劣，尤其是HC排放。排氣余熱經(jīng)過(guò)冷卻液以熱量的形式帶回發(fā)動(dòng)機(jī)，就可以加快發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)，有效降低油耗和排放。如果回收的熱量用作乘員艙取暖，則可以迅速提高乘員艙的溫度，改善整車的采暖舒適性。EHRS技術(shù)直接利用排氣余熱，其回收效率高，同時(shí)結(jié)合成熟且應(yīng)用廣泛的熱交換器來(lái)回收排氣余熱，裝置簡(jiǎn)單、輕便，極大地降低它的應(yīng)用難度。鑒于汽車的廢氣余熱能量占總能量比例很大，而且面對(duì)未來(lái)越來(lái)越嚴(yán)苛的汽車排放和油耗法規(guī)，汽車排氣余熱回收系統(tǒng)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

本研究對(duì)整車搭載EHRS裝置的排氣系統(tǒng)進(jìn)行整車油耗試驗(yàn)、排放試驗(yàn)和空調(diào)采暖試驗(yàn)，探討排氣余熱回收對(duì)整車油耗、排放和空調(diào)采暖的影響。分別控制試驗(yàn)環(huán)境溫度為-20 ℃，-7 ℃以及25 ℃。在NEDC(-20 ℃)工況下對(duì)有無(wú)EHRS作用下乘座艙平均溫度以及乘座艙內(nèi)溫度達(dá)到26 ℃所需的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析；在NEDC(-7 ℃和25 ℃)兩種工況下分別對(duì)有無(wú)EHRS作用下燃油消耗量、HC、CO和NOx排放進(jìn)行對(duì)比分析。

1 EHRS的工作原理和工作模式

EHRS實(shí)際上是一個(gè)氣液熱交換器。通過(guò)它的排氣溫度越高，回收的熱量越多，熱回收效率越高[13]。任何能量的轉(zhuǎn)化都需要依托于介質(zhì)。汽車排氣余熱的回收可以通過(guò)冷卻液，也可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)(潤(rùn)滑)油或變速箱油。排氣余熱經(jīng)冷卻液再以熱量的形式帶回到發(fā)動(dòng)機(jī)。

EHRS有兩種工作模式(見(jiàn)圖1)：一是旁通模式，該模式下?lián)Q熱翅片通道關(guān)閉，廢氣直接從旁通道經(jīng)排氣管排出，不與冷卻液產(chǎn)生熱量交換；二是余熱回收模式，在這種模式下，廢氣經(jīng)過(guò)換熱翅片通道與冷卻液產(chǎn)生熱量交換，將排氣余熱以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液為媒質(zhì)進(jìn)行熱量再回收。切換EHRS的工作模式有兩種方法：一種是根據(jù)冷卻液溫度，比如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫達(dá)到正常工作溫度(80～85 ℃)時(shí)，就不需要進(jìn)入余熱回收模式，可以切換為旁通模式；另一種是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體流量，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)有很大的功率輸出需要時(shí)，就切換為旁通模式。在余熱回收裝置上有一個(gè)控制閥門(mén)，控制裝置回收熱量的開(kāi)閉，目前佛吉亞公司提供3種不同的閥門(mén)動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)：第一種是真空泵；第二種是電控馬達(dá)；第三種是自適應(yīng)石蠟，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度達(dá)到一定值時(shí)，石蠟就會(huì)膨脹，把閥門(mén)推開(kāi)，進(jìn)入余熱回收模式[14]。

圖1 EHRS工作模式

2 試驗(yàn)裝置及方案

2.1 EHRS布置位置及樣車改裝

EHRS布置位置見(jiàn)圖2。該裝置需要布置在三元催化器之后[15]，主要原因是當(dāng)它切換至余熱回收模式時(shí)，廢氣與冷卻液產(chǎn)生熱量交換而溫度降低，進(jìn)而影響到催化器的起燃時(shí)間，從而達(dá)不到最佳的催化效果。EHRS裝置應(yīng)盡可能地靠近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)，因?yàn)榕艢鉁囟仍礁?，回收的熱量越多，熱回收效率越高?/p>

圖2 EHRS布置

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

通過(guò)底盤(pán)測(cè)功機(jī)整車試驗(yàn)來(lái)探討EHRS裝置對(duì)整車油耗、排放和空調(diào)采暖的影響。試驗(yàn)在封閉的人工氣候室中進(jìn)行，將試驗(yàn)樣車固定在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上，模擬車輛行駛周期的實(shí)際運(yùn)行情況。試驗(yàn)對(duì)象為搭載EHRS裝置的某改裝樣車。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)和試驗(yàn)樣車主要參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。為測(cè)得整車在不同行駛工況下的油耗和排放，采用相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備和傳感器進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)主要設(shè)備見(jiàn)表3。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表2 樣車主要參數(shù)

表3 試驗(yàn)主要設(shè)備

2.3 試驗(yàn)方案

為使試驗(yàn)結(jié)果更具代表性和普遍性，選擇國(guó)際上廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)車輛測(cè)試工況——新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)，該循環(huán)由市區(qū)循環(huán)(UDC)和郊區(qū)循環(huán)(EUDC)兩個(gè)部分組成，包括加速、恒速、減速和怠速4種工況，能夠反映車輛的實(shí)際運(yùn)行情況。試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試原理及傳感器的布置見(jiàn)圖3。

1—主消聲器；2—輪胎；3—排氣分析儀；4—副消聲器；5—油箱；6—第二催化器；7—油耗儀；8—油泵；9—底盤(pán)測(cè)功機(jī)；10—冷卻液入口端；11—溫度傳感器；12—EHRS；13—冷卻液出口端；14—傳動(dòng)泵；15—發(fā)動(dòng)機(jī)；16—空燃比儀；17—主控制系統(tǒng)；18—氧傳感器；19—第一催化器；20—渦輪；21—空氣濾清器；22—中冷器。圖3 試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試原理

由圖3可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛上安裝了各種儀器和傳感器，測(cè)得的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)記錄儀系統(tǒng)進(jìn)行處理。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性，試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照車輛試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在測(cè)試之前，各種傳感器都已經(jīng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定，誤差均在可接受的范圍之內(nèi)。試驗(yàn)樣車在氣候室中靜置24 h以確保測(cè)試剛開(kāi)始時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷起動(dòng)狀態(tài)。在所有準(zhǔn)備工作都完成之后，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行整車油耗試驗(yàn)和排放試驗(yàn)。測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)NEDC的特點(diǎn)，底盤(pán)測(cè)功機(jī)對(duì)車速進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，相對(duì)誤差在2%以內(nèi)，同時(shí)要保證樣車前方有變速風(fēng)機(jī)來(lái)模擬汽車行駛時(shí)的氣流。整車油耗由油耗計(jì)連續(xù)測(cè)試，車輛尾氣中的HC，CO和 NOx排放由排氣分析儀得出。采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，分析有無(wú)EHRS對(duì)整車油耗和排放的影響。EHRS余熱回收模式閥門(mén)控制溫度設(shè)定為發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度85 ℃，試驗(yàn)主要工況見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)主要工況

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 EHRS對(duì)整車油耗的影響

控制氣候室中的環(huán)境溫度分別為25 ℃和-7 ℃，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行冷起動(dòng)NEDC循環(huán)工況下整車油耗試驗(yàn)。得到的整車油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度分別見(jiàn)圖4和圖5。從圖4可以看出：在城市循環(huán)中，搭載EHRS裝置的樣車比未搭載EHRS裝置的樣車節(jié)油，其中在25 ℃環(huán)境下，搭載EHRS裝置節(jié)油率大約為2.8%，而在-7 ℃環(huán)境下節(jié)油率大約為4.8%；在郊區(qū)循環(huán)中，不管是在25 ℃還是-7 ℃環(huán)境下，搭載EHRS裝置幾乎沒(méi)有節(jié)油效果；在總循環(huán)中，搭載EHRS裝置的樣車比未搭載EHRS裝置的樣車節(jié)油，其中在25 ℃環(huán)境下節(jié)油率大約為1.9%，而在-7 ℃環(huán)境下節(jié)油率大約為2.8%。由此可見(jiàn)，EHRS裝置能夠使車輛省油，但是整個(gè)NEDC循環(huán)下的節(jié)油效應(yīng)幾乎都是由城市循環(huán)貢獻(xiàn)的，且環(huán)境溫度越低節(jié)油效果越明顯。這是因?yàn)樵囼?yàn)中EHRS余熱回收模式閥門(mén)控制溫度設(shè)定為發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度85 ℃，試驗(yàn)樣車在城市循環(huán)下需要經(jīng)歷冷起動(dòng)過(guò)程。

從圖5可以看出：在25 ℃的城市循環(huán)工況下，搭載EHRS裝置的樣車?yán)鋮s液溫度比未搭載EHRS裝置的樣車?yán)鋮s液溫度提前100 s左右達(dá)到85 ℃；而在-7 ℃的城市循環(huán)工況下，搭載EHRS的樣車?yán)鋮s液溫度比未搭載EHRS的樣車?yán)鋮s液溫度提前200 s左右達(dá)到85 ℃，在這種情況下EHRS裝置進(jìn)入余熱回收模式，使得冷卻液溫度迅速提高，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)時(shí)間，從而降低了整車的油耗，且環(huán)境溫度越低縮短暖機(jī)時(shí)間的效果越明顯。在郊區(qū)循環(huán)工況下，由于冷卻液溫度處于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度范圍內(nèi)，故此過(guò)程中EHRS裝置不起作用。除此之外，整車的油耗還與試驗(yàn)工況有關(guān)系，顯然城市循環(huán)比郊區(qū)循環(huán)運(yùn)行工況更復(fù)雜且車輛行駛速度更低，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率更低，燃油消耗率更高，油耗更大[16]。

圖4 不同溫度冷起動(dòng)NEDC循環(huán)下整車油耗

圖5 不同溫度冷起動(dòng)NEDC循環(huán)下冷卻液溫度

3.2 EHRS對(duì)整車排放的影響

環(huán)境溫度越低，車輛冷起動(dòng)經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，尾氣排放越惡劣。為了得到更佳的試驗(yàn)效果，研究冷起動(dòng)NEDC(-7 ℃)循環(huán)下EHRS裝置對(duì)整車排放的影響。測(cè)試得到的樣車整個(gè)NEDC循環(huán)下廢氣中HC，CO，NOx排放見(jiàn)圖6。

圖6 冷起動(dòng)(-7 ℃)NEDC循環(huán)下整車排放

從圖6的HC排放體積分?jǐn)?shù)可以看出：第一個(gè)城市循環(huán)工況下，HC排放體積分?jǐn)?shù)在冷起動(dòng)后大概20 s迅速達(dá)到最大，約670×10-6，后又迅速衰減，且搭載EHRS樣車的HC排放始終低于未搭載EHRS裝置樣車的HC排放。在冷起動(dòng)后140 s，兩者出現(xiàn)最大濃度差，約為70×10-6，在后續(xù)循環(huán)工況中，HC排放略有波動(dòng)，但始終保持在一個(gè)很低的水平。這是因?yàn)椋涸贜EDC冷起動(dòng)過(guò)程中，靠近壁面的氣體受壁面低溫的影響，使氣缸壁面形成不燃燒或是不完全燃燒的火焰淬熄層，從而產(chǎn)生大量的HC；另外在冷起動(dòng)過(guò)程中，混合氣的濃度相較于其他過(guò)程更濃，而燃燒室溫度卻很低，燃料不易蒸發(fā)，從而使混合氣燃燒不完全，也導(dǎo)致HC排放急劇增加。這與文獻(xiàn)[17-18]一致。另外，整個(gè)NEDC測(cè)試循環(huán)過(guò)程中車輛會(huì)經(jīng)歷加速、勻速、減速、怠速4種不同的工況，這就造成了HC排放的波動(dòng)。而EHRS裝置在車輛冷起動(dòng)過(guò)程中可以將回收的尾氣余熱以冷卻液熱量的形式重新帶回到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，迅速提高冷卻液溫度，進(jìn)而提高壁面溫度，改善燃燒環(huán)境，降低HC排放。

從圖6的CO排放曲線可以看出：與HC排放趨勢(shì)類似，CO排放在第一個(gè)城市循環(huán)工況下波動(dòng)比較大，且大約在冷起動(dòng)后30 s，搭載EHRS裝置樣車與未搭載EHRS裝置樣車的CO排放體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到各自的最大值，約為1 000×10-6和1 650×10-6，此刻兩者的差值也最大，為650×10-6。在后續(xù)的循環(huán)工況過(guò)程中，雖然兩條曲線略有重疊，但從總體上看，搭載EHRS裝置樣車的CO排放低于未搭載EHRS裝置樣車的CO排放。這是因?yàn)椋篊O是一種不完全燃燒的產(chǎn)物，它的生成主要受混合氣濃度的影響。在NEDC冷起動(dòng)過(guò)程中，混合氣的濃度相較于其他過(guò)程更濃，此時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)φa<1，由于缺少氧氣，燃料中的碳不能完全氧化成CO2，CO作為未燃產(chǎn)物生成[19]。雖然在冷起動(dòng)過(guò)程中EHRS裝置不能改變?chǔ)誥，但是它可以迅速提高冷卻液的溫度，改善氣缸內(nèi)的燃燒環(huán)境，使較濃的混合氣燃燒得更加充分，從而降低CO排放。

從圖6中NOx排放曲線可以看出：搭載EHRS裝置樣車與未搭載EHRS裝置樣車的NOx排放在冷起動(dòng)后20 s左右分別達(dá)到各自的最大值，約為95×10-6和115×10-6，此刻兩者的差值也最大，為20×10-6。在后續(xù)的循環(huán)工況過(guò)程中，NOx排放略有波動(dòng)，但始終保持在一個(gè)很低的水平。這與文獻(xiàn)[20]中提到的NOx主要在高溫富氧環(huán)境下產(chǎn)生的結(jié)論不一致。在此階段產(chǎn)生的NOx可以用Fenimore等提出的激發(fā)NO機(jī)理[21]來(lái)解釋。該機(jī)理指出：首先碳?xì)浠衔镌谌紵辛呀獬鯟H和CH2(見(jiàn)式(1)和式(2))，CH和CH2與N2反應(yīng)，生成HCN和NH等中間產(chǎn)物，HCN和NH進(jìn)一步反應(yīng)生成NO。

(1)

(2)

與高溫環(huán)境下生成的NO相比，激發(fā)NO的生成過(guò)程是由一系列活化能不高的反應(yīng)組成，因此不需要很高的溫度就可以進(jìn)行；且激發(fā)NO生成速率主要受混合氣濃度的影響，而車輛冷起動(dòng)下混合氣的濃度較高，且HC化合物的生成量很大，這就為冷起動(dòng)過(guò)程過(guò)生成大量NOx創(chuàng)造了條件。而在車輛冷起動(dòng)過(guò)程中，EHRS裝置可以非常有效地降低HC排放，故間接地降低了NOx排放。

為了更直觀地比較EHRS裝置對(duì)整車排放的影響，將試驗(yàn)樣車NEDC循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)折算為單位里程排放量，結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7可以看出：在冷起動(dòng)NEDC(25 ℃)工況下，使用EFRS裝置后，HC，CO，NOx的減排量分別約為13.9%，1.9%和0.1%。而在-7 ℃環(huán)境下，HC，CO，NOx的減排量分別約為25.9%，13.9%和18.2%。由此可知：在冷起動(dòng)工況下，EHRS裝置可以非常有效地改善車輛尾氣排放，且環(huán)境溫度越低，減排效果越明顯。

圖7 不同溫度冷起動(dòng)NEDC循環(huán)下整車單位里程排放

3.3 EHRS對(duì)空調(diào)采暖的影響

對(duì)樣車進(jìn)行冷起動(dòng)(-20 ℃)空調(diào)采暖試驗(yàn)，為了使試驗(yàn)盡可能接近車輛實(shí)際運(yùn)行工況下空調(diào)采暖的使用情況，選擇如下試驗(yàn)工況：在-20 ℃氣候室中，樣車在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上先以40 km/h的速度行駛60 min，然后以60 km/h的速度行駛20 min，最后怠速行駛30 min。試驗(yàn)測(cè)得的座艙溫度曲線見(jiàn)圖8。由圖8可知：在有EHRS裝置作用下座艙內(nèi)溫度可以提前13 min左右作用達(dá)到26 ℃，且座艙內(nèi)的平均溫度也升高了10 ℃左右。這是因?yàn)樵囼?yàn)中EHRS余熱回收模式閥門(mén)控制溫度設(shè)定為發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度85 ℃，試驗(yàn)樣車從-20 ℃進(jìn)行冷起動(dòng)到達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始暖機(jī)的溫度60 ℃，此段過(guò)程中冷卻液溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度，在這種情況下有EHRS裝置的冷卻液溫度迅速升高，相較于無(wú)EHRS裝置冷卻液溫度可以提前3 min左右達(dá)到60 ℃，這就縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)時(shí)間，使發(fā)動(dòng)機(jī)更快地進(jìn)入正常工作溫度狀態(tài)，從而使得座艙內(nèi)溫度相較于無(wú)EHRS裝置作用下更快地達(dá)到人適宜溫度26 ℃，且平均溫度提高了約10 ℃。

圖8 座艙溫度曲線

4 結(jié)論

a) 在冷起動(dòng)NEDC循環(huán)整車油耗試驗(yàn)中，尤其在車輛冷起動(dòng)階段，EHRS裝置能使冷卻液溫度迅速提高，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)時(shí)間，從而降低了整車的油耗；整個(gè)NEDC循環(huán)下城市循環(huán)的節(jié)油效率最好，且環(huán)境溫度越低節(jié)油效果越明顯；

b) 在冷起動(dòng)NEDC循環(huán)工況下，EHRS裝置可以將回收的尾氣余熱以冷卻液熱量的形式重新帶回到發(fā)動(dòng)機(jī)，迅速提高冷卻液溫度，進(jìn)而提高壁面溫度，減小壁面淬熄效應(yīng)，改善燃燒環(huán)境，從而降低HC，CO，NOx排放，且環(huán)境溫度越低減排效果越明顯；

c) 在-20 ℃低溫空調(diào)采暖試驗(yàn)中，使用EHRS裝置能夠迅速提高冷卻液的溫度，加快發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)，從而使得乘座艙內(nèi)溫度提前達(dá)到26 ℃，且座艙內(nèi)的平均溫度也升高了10 ℃左右。