【日】 T.SAKUMA M.YOSHIHARA T.KAWAGUCHI T.HAMADA H.MIZUNO D.KIMURA

0 前言

在混合動力汽車中，由于在電動機的輔助下發(fā)動機的使用頻率下降，在冷起動或使用車內(nèi)加熱器時，車輛的可用熱能不足，在冬季尤為如此。廢熱回收(EHR)系統(tǒng)可以重新利用廢氣中的熱能，對發(fā)動機冷卻液進行加熱，從而改善燃油經(jīng)濟性和車內(nèi)舒適性[1-5]。如圖1所示，多數(shù)傳統(tǒng)EHR系統(tǒng)由采用疊層冷卻板結(jié)構(gòu)的換熱器、旁通管，并考慮到帶有熱執(zhí)行器的旁通閥組成，體積和質(zhì)量都很大。含有熱執(zhí)行器的旁通結(jié)構(gòu)占用了非常大的空間。這類系統(tǒng)的這些物理特性使其很難被大多數(shù)的汽車所采用。此外，由于EHR系統(tǒng)質(zhì)量會以熱質(zhì)量的形式消耗換熱器回收的熱量，EHR系統(tǒng)的質(zhì)量會對瞬態(tài)工況下的廢熱回收性能產(chǎn)生負面影響。為實現(xiàn)燃油經(jīng)濟性改善，并考慮到EHR系統(tǒng)被大多數(shù)汽車所采用的目標，縮減EHR系統(tǒng)質(zhì)量，包括旁通結(jié)構(gòu)的尺寸是絕對必要的。

為使EHR系統(tǒng)的尺寸最小化，測試人員提出了2種采用高導(dǎo)熱碳化硅(SiC)蜂窩結(jié)構(gòu)的EHR系統(tǒng)，并介紹了采用這些系統(tǒng)原型和傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)車輛的試驗結(jié)果。1種系統(tǒng)是設(shè)計用于實現(xiàn)緊湊旁通結(jié)構(gòu)的共軸旁通系統(tǒng)(圖2)。在該種系統(tǒng)中，將SiC換熱器芯體改造成環(huán)形結(jié)構(gòu)，這樣換熱器芯體就可與安裝在換熱器中心的旁通管實現(xiàn)共軸結(jié)構(gòu)。原型EHR系統(tǒng)的長、寬、高尺寸分別約為100 mm、80 mm和60 mm，質(zhì)量為1 kg(包含電動執(zhí)行器)。相較于傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)，該種系統(tǒng)具有更高的燃油經(jīng)濟性。另1種系統(tǒng)是設(shè)計用于實現(xiàn)超緊湊和超輕EHR系統(tǒng)的非旁通系統(tǒng)。該種系統(tǒng)(筒形)的直徑為70 mm，長度為40 mm，質(zhì)量為0.4 kg。由于剔除了EHR系統(tǒng)中的旁通結(jié)構(gòu)，這種非旁通系統(tǒng)的設(shè)計比共軸系統(tǒng)更簡單緊湊。但是，由于非旁通系統(tǒng)回收的熱量設(shè)定為不能超過散熱器的冷卻能力，因此必須增加低冷卻液溫度下的回收熱量并減少高發(fā)動機負荷，以提高冷卻液溫度下的回收熱量。本研究提出了1種取代旁通閥機構(gòu)的非旁通EHR系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙層冷卻液通道結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)冷卻液溫度或發(fā)動機負荷自動限制回收熱量。此外，還介紹了在高熱負荷下針對該原型、傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)和采用SiC蜂窩結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)3種結(jié)構(gòu)的車輛測試結(jié)果及廢熱回收評價。

圖1 傳統(tǒng)EHR系統(tǒng)實例

圖2 采用SiC蜂窩結(jié)構(gòu)的EHR系統(tǒng)

1 傳統(tǒng)非旁通設(shè)計

傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)由SiC蜂窩結(jié)構(gòu)、金屬殼(不銹鋼管)和冷卻液殼體組成。通過可實現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)與金屬殼之間低界面熱阻的過盈配合實現(xiàn)金屬殼與蜂窩結(jié)構(gòu)緊密貼合。通過焊接，換熱器芯體可輕易附著在冷卻液殼體上。圖3為傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)廢熱回收效率與廢氣流量的關(guān)系曲線。一方面，在城市行駛過程中，當廢氣流量低時能獲得高的廢熱回收效率；另一方面，當廢氣流量增大時，廢熱回收效率快速下降。該系統(tǒng)的廢熱回收效率在不需要熱量的高負荷工況時會降低。此外，由于采用蜂窩結(jié)構(gòu)的原因，在高廢氣流量時產(chǎn)生的壓力損失也較低。該非旁通系統(tǒng)具有有利于EHR系統(tǒng)廢熱回收效率和壓力損失的特點。圖4為非旁通系統(tǒng)的設(shè)計要點。其中，橫軸表示廢氣能量，縱軸表示非旁通系統(tǒng)回收的熱量。當增大設(shè)計點的回收熱量用于快速預(yù)熱發(fā)動機時，最大回收熱量也增大，超過冷卻能力極限的風險也增大。因此，在設(shè)計傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)的廢熱回收性能時，必須同時考慮發(fā)動機預(yù)熱和防止連續(xù)廢熱回收導(dǎo)致車輛過熱2個方面的因素。為了應(yīng)對傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)的這些設(shè)計挑戰(zhàn)，需要在以下方面實現(xiàn)技術(shù)突破，即改善低熱負荷或低冷卻液溫度下的廢熱回收，以及限制高熱負荷或高冷卻液溫度下的廢熱回收。

圖3 非旁通系統(tǒng)的廢熱回收

圖4 非旁通系統(tǒng)的設(shè)計要點

2 先進非旁通EHR系統(tǒng)

為了改善廢熱回收性能，開發(fā)了不帶旁通機構(gòu)的先進非旁通EHR系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠限制高發(fā)動機負荷或高冷卻液溫度下的廢熱回收。圖5為先進非旁通系統(tǒng)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)具有能根據(jù)冷卻液溫度或廢氣熱負荷自動限制廢熱回收的雙層冷卻液通道結(jié)構(gòu)。帶小間隙的子通道(中間層)附著在SiC換熱器芯體的金屬殼上，中間層的間隙由冷卻液可滲透隔離層和隔壁組成。主冷卻液通道的冷卻液殼體附著在含有子通道的SiC換熱器芯體上，冷卻液沿子通道流動。如圖5(a)所示，當冷卻液溫度或廢氣中的熱能很低時，靜止的冷卻液流體經(jīng)過冷卻液可滲透隔離層填充到子通道的中間層內(nèi)，廢氣中的熱能經(jīng)由中間層傳遞給主通道內(nèi)的冷卻液。另一方面，當冷卻液溫度或廢氣中的熱能變高時，中間層內(nèi)的冷卻液氣化，中間層內(nèi)的蒸汽會阻塞廢氣中熱能的流動(圖5(b))。當冷卻液的狀態(tài)由液態(tài)變成氣態(tài)時，其導(dǎo)熱性顯著下降。以水為例，氣態(tài)水的導(dǎo)熱系數(shù)不到液態(tài)水的0.05。因此，來自SiC蜂窩結(jié)構(gòu)的熱能流幾乎全被由蒸汽填充的中間層所阻斷。也就是說，根據(jù)冷卻液溫度和廢氣的熱負荷，子通道可發(fā)揮導(dǎo)熱層或散熱層的作用。

圖5 先進非旁通EHR系統(tǒng)的工作模式

3 概念驗證

3.1 穩(wěn)態(tài)工況下的評價裝置

圖6所示為穩(wěn)態(tài)工況下評價廢熱回收效率采用的裝置。在該裝置中，利用電加熱器將干燥空氣加熱至700 ℃，加熱后的廢氣能以最高144 g/h的速率流動。此外，冷卻液的流量范圍為2～20 L/min，將冷卻液由室溫加熱至95 ℃。采用高精度鉑電阻溫度傳感器對冷卻液溫度進行了測量。廢熱回收效率為EHR系統(tǒng)回收的熱量與廢氣中熱量的比值。根據(jù)EHR系統(tǒng)進口和出口的冷卻液溫度差、冷卻液的比熱容和冷卻液質(zhì)量流量計算回收的熱量。根據(jù)廢氣和冷卻液的溫度差、廢氣的比熱容和廢氣的質(zhì)量流量計算廢氣中的熱量。

圖6 廢熱回收性能的評價

3.2 系統(tǒng)評價

下文評價了傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)和含有雙層冷卻液通道結(jié)構(gòu)的先進非旁通系統(tǒng)的廢熱回收性能。除雙層冷卻液通道結(jié)構(gòu)外，先進非旁通系統(tǒng)具有與傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)相同的SiC蜂窩結(jié)構(gòu)和主冷卻液通道結(jié)構(gòu)。圖7為在低冷卻液溫度下相對廢氣流量的廢熱回收效率。測量條件為：進口廢氣溫度400 ℃、進口冷卻液溫度和流量分別為40 ℃和10 L/min。對于先進非旁通系統(tǒng)，由于中間層添加在主冷卻液通道內(nèi)廢氣與冷卻液之間的熱通道上，熱通道的熱阻通常高于傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)。盡管如此，當廢氣流量不高于40 kg/h時，先進非旁通系統(tǒng)的廢熱回收效率與傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)接近，而中間層并未對低冷卻液溫度下的廢熱回收性能產(chǎn)生較大的影響。圖8為回收熱量與冷卻液溫度的關(guān)系曲線。此次測量的條件如下：進口廢氣溫度和流量分別為700 ℃和72 kg/h，進口冷卻液流量為10 L/min，同時提高冷卻液溫度。對于先進非旁通系統(tǒng)，隨冷卻液溫度上升，尤其在溫度上升至80 ℃以上，相較于傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)，回收的熱量快速減少。這意味著從SiC蜂窩結(jié)構(gòu)到冷卻液之間的熱流受到中間層的限制。由于中間層內(nèi)冷卻液的狀態(tài)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，中間層起到了隔離層的作用。經(jīng)過上述試驗的驗證表明，先進非旁通系統(tǒng)能夠減少高冷卻液溫度下的回收熱量，并且不會降低需要熱量的低冷卻液溫度下的廢熱回收性能。

圖7 低冷卻液溫度下的廢熱回收效率

根據(jù)上述先進非旁通系統(tǒng)的散熱特性研究，先進非旁通系統(tǒng)在低冷卻液溫度和低熱負荷下的廢熱回收效率得到了改善。但是，當增加SiC蜂窩結(jié)構(gòu)的長度來改善廢熱回收效率時，蜂窩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力損失也隨之增大。因此，為使先進系統(tǒng)的壓力損失與傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)的相同，對SiC蜂窩結(jié)構(gòu)的直徑進行了增大處理。圖9為根據(jù)冷卻液溫度和廢氣流量繪制的廢熱回收效率等高線圖。此次測量的條件如下：進口廢氣溫度和流量分別為700 ℃和72 kg/h，進口冷卻液流量為10 L/min。隨著冷卻液溫度升高或廢氣流量增大，廢熱回收效率急劇下降。結(jié)果表明，根據(jù)冷卻液溫度和廢氣中熱能分別發(fā)揮導(dǎo)熱層或散熱層功能的雙層冷卻液通道的有效性。

圖8 高冷卻液溫度下的廢熱回收效率

圖9 作為冷卻液溫度和廢氣流量函數(shù)的廢熱回收效率等高線圖

4 車輛測試

為了評價所提出系統(tǒng)對燃油經(jīng)濟性的影響，對分別安裝有非旁通原型、先進非旁通原型和市場上傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)的車輛進行了測試。表1為試樣的具體規(guī)格。在表1中，效率指的是穩(wěn)態(tài)工況(廢氣流量為36 kg/h，廢氣流量為10 L/min，冷卻液溫度為40 ℃)下的廢熱回收效率。在所有試樣中，傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)的廢熱回收效率最高，但是其質(zhì)量和尺寸要比其他試樣大很多。圖10為測試車輛和車輛測試條件。測試車輛采用傳統(tǒng)1.3 L汽油機的緊湊型乘用車。試樣安裝在車輛底板下催化轉(zhuǎn)化器的下游。對于冷卻液回路，試樣安裝在發(fā)動機艙加熱器芯體的下游，流出的冷卻液經(jīng)由EHR系統(tǒng)加熱后流回發(fā)動機。在世界統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)(WLTC)工況下進行了車輛測試，該測試包含4種車速階段：低速(階段1)、中速(階段2)、高速(階段3)和超高速(階段4)。車輛測試是在10 ℃的環(huán)境溫度下進行的，在測試循環(huán)過程中將發(fā)動機艙加熱器設(shè)置成最大功率。采用車載診斷(OBD)掃描工具經(jīng)由控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線對發(fā)動機冷卻液溫度進行測量。根據(jù)碳質(zhì)量平衡法確定燃油耗數(shù)據(jù)。

表1 試樣的具體規(guī)格

圖10 車輛測試

5 對燃油經(jīng)濟性的影響

圖11為每一種試樣在WLTC每一個階段所獲得的燃油經(jīng)濟性總體改善情況。每一項結(jié)果都是相對于未采用EHR系統(tǒng)的基準車輛的燃油經(jīng)濟性改善，試驗數(shù)據(jù)均取2次車輛試驗結(jié)果的平均值。與基準車輛相比，尤其當發(fā)動機冷卻液在階段1和階段2仍處于低溫時，所有試樣的燃油經(jīng)濟性都得到了改善。在所有的試樣中，先進非旁通原型具有最高的燃油經(jīng)濟性，盡管其廢熱回收效率低于傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)。

圖12為發(fā)動機冷卻液在車輛試驗過程中的溫度特性。盡管冷卻液和機油溫度在車輛試驗起始階段存在一些誤差，但是先進非旁通原型對冷卻液溫度的提升速度要比其他試樣快。由于對冷卻液進行提前預(yù)熱會影響燃油經(jīng)濟性。在所有試樣中，先進非旁通原型具有最高的燃油經(jīng)濟性。冷卻液的提前預(yù)熱取決于EHR系統(tǒng)的廢熱回收性能和熱質(zhì)量。由于先進非旁通系統(tǒng)未消耗EHR系統(tǒng)回收的熱量進而未增加熱質(zhì)量，因此其熱質(zhì)量要低于傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)，從而其廢熱回收效率更高。

圖11 車輛試驗獲得的燃油經(jīng)濟性結(jié)果

圖12 冷卻液的溫度特性

6 散熱性能

為了驗證散熱性能，在高熱負荷下利用液化石油氣(LPG)燃燒器對每一種試樣的回收熱量進行了測量。圖13為試驗條件及每一種試樣的回收熱量結(jié)果。試驗進行的條件為：進口廢氣溫度和流量分別為800 ℃和324 kg/h，進口冷卻液溫度和流量分別為95 ℃和10 L/min。在旁通模式下對傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)進行了測試。盡管未采用旁通機構(gòu)，先進非旁通系統(tǒng)比傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)具有更好的散熱性能。結(jié)果表明，先進非旁通系統(tǒng)在高熱負荷下具有良好的散熱性能。

圖13 高熱負荷下的回收熱量

7 結(jié)論

采用高導(dǎo)熱SiC蜂窩結(jié)構(gòu)的先進非旁通系統(tǒng)可同時實現(xiàn)發(fā)動機預(yù)熱階段的高效廢熱回收及高發(fā)動機負荷下的高效散熱。該系統(tǒng)未采用任何運動件的雙層冷卻液通道即可自動防止發(fā)動機冷卻液過熱。對于車輛試驗的結(jié)果表明，與采用金屬換熱器的傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)及傳統(tǒng)非旁通系統(tǒng)相比，先進的非旁通系統(tǒng)具有更好的燃油經(jīng)濟性。通過燃燒器的試驗結(jié)果表明，先進非旁通系統(tǒng)在高熱負荷下的散熱性能要優(yōu)于傳統(tǒng)旁通系統(tǒng)。