夏 旭 劉伍權(quán) 朱 巖 蔣齊秦 伏廣功

（1-陸軍軍事交通學(xué)院五大隊研究生隊 天津 300161 2-陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛系）

引言

近年來，為了改善內(nèi)燃機冷起動性能，國內(nèi)外專家和學(xué)者對冷起動過程中的著火過程、燃燒過程及排放問題進(jìn)行了深入研究，針對導(dǎo)致冷起動困難的主要因素，包括可燃混合氣形成、可燃混合氣燃燒溫度等方面提出了一系列輔助措施。常用的輔助措施包括進(jìn)氣預(yù)熱、安裝電熱塞、安裝燃油加熱器、噴射起動液等。其它輔助措施包括采用低溫燃油、低溫潤滑油、低溫蓄電池等。由于技術(shù)水平等多方面原因，這些輔助措施雖然能在一定程度上改善內(nèi)燃機的冷起動性能，但或多或少存在一些缺點：需要額外消耗燃油或電能；冷起動效果不佳，起動時間較長；起動效果好，但燃燒劇烈易發(fā)生爆震，不易控制；輔助設(shè)施結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本較高。

相比于常用的冷起動輔助措施存在一些弊端，相變儲熱技術(shù)通過回收內(nèi)燃機的余熱，代替外熱源預(yù)熱內(nèi)燃機，改善冷起動性能，顯示出廣闊的發(fā)展前景。

研究表明，內(nèi)燃機燃料中，2/3 左右的能量通過廢氣和冷卻液以廢熱的形式釋放到大氣中[1]。目前，學(xué)術(shù)界針對這部分熱量的回收主要是采用動力渦輪、朗肯循環(huán)、余熱鍋爐、熱電發(fā)電機等方式轉(zhuǎn)化為電能。在應(yīng)用于內(nèi)燃機冷起動方面，余熱是通過相變儲熱技術(shù)，以相變儲熱材料潛熱的形式直接儲存來，利用保溫材料減少熱量的輻射流失。在較低的環(huán)境溫度下，內(nèi)燃機需要暖機和冷起動時，回收余熱后的相變儲熱材料直接釋放熱量，加熱冷卻液，預(yù)熱內(nèi)燃機，改善冷起動性能。相比于其它冷起動措施，相變儲熱技術(shù)最大的優(yōu)勢在于內(nèi)燃機在較低的環(huán)境溫度下需要頻繁冷起動時，通過儲存的內(nèi)燃機余熱直接快速加熱冷卻液，預(yù)熱機體，不消耗額外的燃料，并且不產(chǎn)生任何額外的排放，在一定程度上起到了節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的雙重作用。

1 相變儲熱技術(shù)

早在20 世紀(jì)40 年代，Telkes 等人[2]對相變儲熱技術(shù)進(jìn)行了研究。但直到20 世紀(jì)70、80 年代的能源危機中，相變儲熱技術(shù)才被重視起來，并被廣泛應(yīng)用于太陽能儲能。自此之后，眾多專家和學(xué)者進(jìn)行了一系列研究來評估相變儲熱系統(tǒng)的整體熱性能，主要包括設(shè)計原理、系統(tǒng)和過程優(yōu)化、瞬態(tài)特性和使用性能等。研究范圍集中于特定相變儲熱材料問題的解決以及不同相變儲熱材料特性的研究，成果豐碩。

1.1 相變儲熱材料的分類和選取

儲熱材料按儲熱方式的不同可分為3 大類：顯熱儲熱材料、潛熱儲熱材料（相變儲熱材料）和化學(xué)反應(yīng)儲熱材料。顯熱儲熱材料利用材料自身溫度的變化來回收以及釋放熱量，儲熱密度比較小，雖然材料廉價易得，但在生活和工業(yè)中并不常用。化學(xué)反應(yīng)儲熱材料是利用材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來回收以及釋放熱量，反應(yīng)劇烈不易控制，使用條件要求較高。相變儲熱材料通過固、液、氣三態(tài)相變來回收以及釋放熱量，儲熱密度大，溫度區(qū)間廣，安全可靠，應(yīng)用范圍廣?；谏鲜鰞?yōu)點，相變儲熱材料成為儲熱領(lǐng)域研究的重點，并在生活和工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。相變儲熱材料按照不同的劃分方式可以分為不同類型的相變材料。具體劃分如圖1 所示[3]。

圖1 相變儲熱材料的分類

相變儲熱材料種類繁多，性能各異，在選擇時需遵循如下標(biāo)準(zhǔn)：化學(xué)穩(wěn)定性好、廉價易得、循環(huán)使用期間材料不嚴(yán)重劣化、熔化（或凝固）的溫度在適合的范圍內(nèi)、不腐蝕封裝材料、無毒、不易燃、非爆炸，以確保其使用的安全性[4]。此外，相變儲熱材料在相變過程中應(yīng)避免發(fā)生較大的體積變化，防止加重封裝材料的疲勞，降低使用壽命；結(jié)晶速度應(yīng)盡可能高，以產(chǎn)生足夠的熱回收率；潛熱值和密度應(yīng)盡可能高，以減少質(zhì)量和減小體積；導(dǎo)熱性良好，以便熱傳遞更加高效。

在滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的同時，結(jié)合內(nèi)燃機余熱溫度的范圍和實際應(yīng)用情況，儲熱裝置中的材料應(yīng)選擇固-液相變的中溫相變儲熱材料。滿足這些條件的相變儲熱材料可分為無機、有機、復(fù)合等3 大類。其中，無機相變儲熱材料主要是一些結(jié)晶水合鹽，這類材料儲熱密度大，導(dǎo)熱性良好，價格廉宜，應(yīng)用比較廣泛。缺陷是在脫水和結(jié)晶過程中存在過冷和相分離現(xiàn)象，降低了儲熱的效果，并且大多數(shù)水合鹽具有腐蝕性。其他還有一些熔融鹽，但是因為價格、導(dǎo)熱性、毒性等原因應(yīng)用并不廣泛。有機相變儲熱材料主要是石蠟和一些脂肪酸類，這類材料化學(xué)性能穩(wěn)定，無毒性和腐蝕性，不存在無機材料的過冷和相分離現(xiàn)象。特別是脂肪酸類材料還具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性，能長期應(yīng)用于熱循環(huán)[5]。盡管這類有機材料具有諸多優(yōu)勢，但因?qū)嵝圆睢⒚芏刃〉仍蛳拗屏怂鼈兊膽?yīng)用范圍。復(fù)合相變儲熱材料包括無機物與無機物復(fù)合、無機物與有機物復(fù)合、有機物與有機物復(fù)合等3個類別，這類復(fù)合材料能克服單一無機物或單一有機物相變儲熱材料的缺陷，具有良好的儲熱密度、導(dǎo)熱性、循環(huán)穩(wěn)定性。復(fù)合相變儲熱材料雖然匯聚了無機和有機材料的諸多優(yōu)點，但制備程序復(fù)雜，對技術(shù)手段要求高，而且熱物性參數(shù)測量不夠完整，各成分配比規(guī)律不夠清楚[6]。鑒于復(fù)合相變儲熱材料的這些特點，需要加大研究力度，以促進(jìn)其在儲熱方面的廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外專家和學(xué)者在研究儲熱裝置的性能時，為了便于分析，通常選用一些熱物性參數(shù)相對詳細(xì)、相變溫度合適的無機和有機材料。這些相變儲熱材料的熱物性參數(shù)如表1 所示[7-10]。

1.2 相變儲熱裝置的結(jié)構(gòu)

由于相變儲熱材料在換熱過程中處于兩相摻雜狀態(tài)，熱阻較大，導(dǎo)熱性低，提高相變儲熱裝置的換熱性能，對換熱過程的效率起著至關(guān)重要的作用。在確定了材料和體積的儲熱裝置內(nèi)，增大接觸面積是提高儲熱裝置換熱性能最常用的有效途徑。但儲熱裝置單位體積內(nèi)接觸面積過大，往往易堵塞，清洗不便，并且對工藝手段要求較高，價格昂貴。因此，在設(shè)計儲熱裝置的結(jié)構(gòu)時，要綜合考慮以下各方面的因素：

表1 相變儲熱材料的熱物性參數(shù)

1）安全可靠；

2）換熱面積大，傳熱性能好；

3）制造、維修、更換方便；

4）價格合理。

表2 為幾種常見的儲熱裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

其它的儲熱裝置結(jié)構(gòu)有翅片式、蛇形式、U 形管式等，大都是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改良加工，通過增加換熱面積來提高傳熱效率。經(jīng)實驗驗證，均有效提高了換熱效果。

表2 常見儲熱裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點

2 相變儲熱技術(shù)在冷起動中的應(yīng)用

1991 年，德國的Oskar Schatz[11]最早提出利用相變儲熱技術(shù)把內(nèi)燃機的余熱應(yīng)用于解決冷起動問題。后來，俄羅斯、芬蘭等一些高緯度寒冷國家的專家和學(xué)者相繼對相變儲熱技術(shù)在內(nèi)燃機冷起動上的應(yīng)用進(jìn)行了一系列相關(guān)研究。國內(nèi)對相變儲熱技術(shù)的研究起步相對較晚，目前主要應(yīng)用于太陽能儲能、電力調(diào)峰、工業(yè)熱能回收利用、空調(diào)采暖制冷以及新能源等領(lǐng)域。研究相變儲熱技術(shù)應(yīng)用在解決內(nèi)燃機冷起動問題方面的國內(nèi)專家和學(xué)者并不多見，成果相對缺乏。

2.1 換熱過程及影響因素

國內(nèi)外專家和學(xué)者通過對儲熱裝置換熱過程的深入研究，探究了影響儲熱和放熱效率的因素。得出如下結(jié)論：

1）在換熱過程中，流體和儲熱裝置之間的溫差與換熱效率成正比關(guān)系；

2）流體的流速在一定范圍內(nèi)與換熱效率成正比關(guān)系，超過一定限額，作用并不大，反而會增加水泵的負(fù)擔(dān)；

3）相變儲熱材料的熱物性能和儲熱裝置的結(jié)構(gòu)對換熱效果起著至關(guān)重要的作用。

沈衛(wèi)東等人[12]通過在球囊狀車用儲熱裝置中封裝一根熱電偶，研究了相變過程中材料的流動、儲熱和放熱特性，為修正及優(yōu)化儲熱裝置提供了可靠數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，流體在和相變材料換熱過程中，流體流量越大，達(dá)到相變溫度的速度越快，相變總時間越短，并且流體流量大小對儲熱過程的影響幅度大于對放熱過程的影響。但是結(jié)論沒有表明流體的流量與換熱速率是否存在最優(yōu)匹配以及最優(yōu)匹配值為多少。

高青等人[13]在一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊的板式儲熱裝置上利用CFD 模擬的方法，將儲熱裝置與相變儲熱材料耦合，進(jìn)行儲熱過程三維模擬計算分析，得出了固態(tài)顯熱升溫、相變儲熱、液態(tài)顯熱升溫和儲熱結(jié)束穩(wěn)定等4 個明顯的儲熱階段。此外，加熱流體的流速增大到一定值時，會與換熱速率趨于平衡，繼續(xù)增加流速對儲熱效率基本沒有影響，反而會加大水泵負(fù)擔(dān)，影響內(nèi)燃機的正常冷卻降溫。

高淳等人[14]通過比較分析兩種相變儲熱材料石蠟和八水氫氧化鋇在換熱過程中的儲熱和放熱效果，得出結(jié)論：相變儲熱材料性能對儲熱裝置的換熱效率和速率起著至關(guān)重要的作用。通過對放熱特性的研究，得出放熱強度在前3 min 內(nèi)處于較高水平，之后便逐漸降低。并且換熱物質(zhì)之間溫差越大，放熱強度越大。

Francis Agyenim 等人[15]等總結(jié)了各種相變儲熱系統(tǒng)的發(fā)展，對不同結(jié)構(gòu)的儲熱裝置進(jìn)行了一系列數(shù)值分析和實驗測試，評估了不同參數(shù)對儲熱性能的影響。最后通過數(shù)值模擬得出了適合換熱的幾何結(jié)構(gòu)為圓柱狀的管殼體。

Dheeraj Kishor Johar 等人[16]等設(shè)計了一種用來回收儲存內(nèi)燃機尾氣熱量的圓柱形儲熱裝置。該裝置的外殼用玻璃棉層和石膏層絕熱，內(nèi)含38 個封裝相變儲熱材料赤藻糖醇的小圓柱體，小圓柱體四周皆有4 個翅片，用來增強導(dǎo)熱性能。通過對幾組不同功率條件下熱回收效率的對比，得出該裝置熱回收效率在內(nèi)燃機負(fù)荷為4.4kW 時可達(dá)到69.53%。在放熱階段，通過鼓風(fēng)機吹風(fēng)的方式，得出放熱效率僅為38%，這可能與熱回收的方式有很大關(guān)系。此外，在儲熱的同時，該裝置對內(nèi)燃機的有效熱效率和有效燃油消耗率幾乎沒有影響。

2.2 預(yù)熱效果

通過大量的仿真和實驗驗證表明，在一定程度上，相變儲熱裝置能快速加熱冷卻液，有效改善內(nèi)燃機冷起動性能。具體的預(yù)熱效果因相變儲熱材料、儲熱裝置結(jié)構(gòu)、內(nèi)燃機型號、環(huán)境溫度等因素的不同各不相同。

Oskar Schatz 所提出的相變儲熱技術(shù)，用水合鹽Ba（OH）2·8H2O 回收儲存冷卻液的熱量，通過絕熱保溫手段，在一天之后，熱量以50～100kW 的初始功率預(yù)熱內(nèi)燃機，并用于冬季玻璃除冰霜，有效提高了車輛的舒適性和安全性。由于加熱功率較高，內(nèi)燃機可以在30 s 內(nèi)有效預(yù)熱，使車輛在冷起動時CO 排放減少了50%，HC 排放減少了30%[11]。

王永川等人[17]設(shè)計了一種內(nèi)置37 根同心套管的圓柱狀儲熱裝置，封裝硝酸鋰相變儲熱材料，回收儲存汽油機的高溫排氣余熱，改善內(nèi)燃機冷起動性能。該儲熱裝置在-11℃的環(huán)境下保溫8 h 后，采用流量為5 L/min 的循環(huán)水介質(zhì)加熱8 min，內(nèi)燃機溫度可以上升到60℃左右。在內(nèi)燃機預(yù)熱后啟動的20 s 之內(nèi)，平均燃油消耗率比不預(yù)熱狀態(tài)降低了約8.6%。

L.L.Vasiliev 等人[18]在添加鉻鎳的不銹鋼圓柱狀儲熱裝置中，采用多個聚乙烯管膠囊封裝一水合氫氧化鈉相變儲熱材料，儲存冷卻液熱量。該裝置質(zhì)量為65 kg，儲存熱量14 MJ，在－10℃的環(huán)境溫度下，可以使質(zhì)量為650 kg 的內(nèi)燃機溫度升高約30℃。通過在寒冷環(huán)境下安裝在客車上進(jìn)行實際運行，證明了該裝置可以有效加熱內(nèi)燃機水套中的冷卻液，提高了內(nèi)燃機冷起動性能。但缺少熱量流失和保溫方面的考慮。

M.Gumus 等人[19]在外套為銅的儲熱裝置中，用幾十個銅制膠囊封裝廉價的十水硫酸鈉相變儲熱材料，回收儲存冷卻液熱量。該裝置質(zhì)量為32.5 kg，儲存熱量2 000 kJ。在保溫12 h 后，加熱內(nèi)燃機過程中，最大熱效率為57.5%，儲熱和放熱時間分別約為500 s 和600 s。在環(huán)境溫度為2℃的條件下，可使內(nèi)燃機溫度上升17.4℃。在冷起動的200 s 之內(nèi)，CO 排放減少了64%，HC 排放減少了15%。

Pertti Kauranen 等人[20]采取廢氣余熱回收系統(tǒng)和潛熱儲熱裝置相結(jié)合的方式，利用十二水合磷酸三鈉相變儲熱材料回收儲存熱量，用不銹鋼真空杯保溫。經(jīng)實驗驗證，在室外溫度為-10℃的環(huán)境下，冷卻液溫度上升到20℃。車輛附加的加熱器需要200 s，而使用剛充滿的儲熱裝置只需要20 s。相比于附加的加熱器，儲熱裝置在冷起動的20min 內(nèi)，CO 和HC排放均減少了84%，NOx排放減少了53%。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種相變儲熱技術(shù)，概述了該技術(shù)在改善內(nèi)燃機冷起動性能方面的研究現(xiàn)狀。研究表明，這種相變儲熱技術(shù)通過回收內(nèi)燃機的余熱，能有效改善冷起動性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。為了優(yōu)化該儲熱裝置的預(yù)熱效果，加快在寒冷地區(qū)的應(yīng)用和普及，需要從以下幾個方面進(jìn)行深入研究。

1）相變儲熱材料循環(huán)壽命問題。相變儲熱材料在長期循環(huán)使用過程中，儲熱性能會呈下降趨勢。針對這一現(xiàn)象，要抓緊研究儲熱能力強、性能穩(wěn)定的新型相變儲熱材料。

2）封裝材料與相變儲熱材料相容性問題。抓緊研究導(dǎo)熱性良好、密封性強的封裝材料。

3）儲熱裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。在設(shè)計儲熱裝置結(jié)構(gòu)時，要權(quán)衡利弊，全面考慮不同的結(jié)構(gòu)類型對儲熱裝置換熱效率的影響，設(shè)計出與相變儲熱材料最優(yōu)匹配的儲熱裝置結(jié)構(gòu)。

4）儲熱期間的保溫問題。儲熱裝置在長時間保存熱量過程中，熱量會大量損失在周邊低溫環(huán)境中。要采用新型保溫材料或真空絕熱技術(shù)，加強保溫效果，減少能量損失。

5）在相變儲熱技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機冷起動的相關(guān)文獻(xiàn)中，所研究的環(huán)境溫度最低僅為-20℃，這與國家軍用標(biāo)準(zhǔn)所要求的-41℃仍有一定的差距，儲熱裝置在-41℃下的預(yù)熱效果有待進(jìn)一步研究驗證。