◆文/天津 霍永占

中國提出的“雙碳”目標正在深刻影響著內燃機行業(yè)的發(fā)展與變革。車用內燃機作為我國碳排放“大戶”以及交通運輸?shù)闹饕獎恿Γ峭苿赢a(chǎn)業(yè)落實“雙碳”目標的有力抓手。重型商用車目前面臨即將實施的四階段油耗標準，目前正在開展商用車雙積分政策的相關研究，未來提高車輛燃油經(jīng)濟性仍是降低汽車碳排放的重要方式，著力提升重型商用車的能效是當務之急。

從內燃機的熱平衡考慮，用于動力輸出的機械功率一般只占燃油燃燒總熱量的30%～45%(柴油機)或20%～30%(汽油機)。以余熱形式釋放到環(huán)境的熱量占燃燒總能量的55%～70%(柴油機)或80%～70%(汽油機)，主要包括缸套冷卻水帶走的熱量和排氣帶走的熱量。開展內燃機余熱能回收利用可以提升內燃機的熱效率，對內燃機功率比油耗的降低作用顯著。

國內外相關學者和企業(yè)近年來在內燃機余熱能回收利用方面做了大量卓有成效的工作。內燃機余熱能回收利用主要有以下幾條技術路線：一是利用熱電模塊熱電材料的塞貝克效應直接實現(xiàn)熱電轉換，但是其熱電轉換效率較低；二是采用布雷頓循環(huán)的復合渦輪利用排氣動能發(fā)電或輸出機械功，但易使得發(fā)動機排氣背壓增大影響燃燒性能；三是采用有機朗肯循環(huán)(圖1)，基于朗肯循環(huán)采用有機工質實現(xiàn)熱功轉換。有機朗肯循環(huán)技術被證明是一種高效率回收余熱的方式，被認為是應用于重型商用車以期提升燃油經(jīng)濟性和碳排放的重要技術路線。

由于需要加置余熱回收系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)重量、布置，系統(tǒng)復雜性等因素，各大企業(yè)基本不太看好其在輕型車上的應用。即使是在重型商用車上布置另外一套加置的余熱回收系統(tǒng)，可利用的空間也十分有限，也面臨著系統(tǒng)集成及與原有熱管理系統(tǒng)、排放控制系統(tǒng)的協(xié)同設計方面的挑戰(zhàn)。

美國康明斯公司開展了余熱回收系統(tǒng)在重型商用車上的集成設計與應用，協(xié)同考慮了余熱回收系統(tǒng)各部件與原有內燃機系統(tǒng)的集成設計，盡可能地減少系統(tǒng)的空間并考慮其重量的削減，如圖2所示?？得魉沟挠酂峄厥障到y(tǒng)，基于低全球變暖潛能值GWP和低臭氧破壞潛能值ODP的環(huán)保工作介質。從后處理下游的排氣系統(tǒng)和EGR冷卻器回收熱量，并聯(lián)回路回收發(fā)動機冷卻液和潤滑油的熱量，轉換為機械功，與發(fā)動機曲軸以機械耦合形式輸出功率。余熱回收系統(tǒng)還包含一個回熱器，用于回收冷凝器前的工質的熱量，這樣可以降低冷凝器的熱負荷和提升系統(tǒng)的熱效率。此余熱回收系統(tǒng)最大可以提升3.6%的發(fā)動機制動熱效率。

美國博格華納公司使用重型柴油機開展了基于有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的開發(fā)工作，系統(tǒng)同時回收廢氣和EGR熱量，采用有機工質。系統(tǒng)的架構圖如圖3所示，充分考慮了渦輪機、發(fā)電機、工質泵的一體化集成設計，總重量小于10kg，渦輪機最大功率為13kW，最大等熵效率為65%。換熱器采用模塊化設計，依托博格華納先進的EGR冷卻器設計能力，充分考慮布置空間，實現(xiàn)與內燃機的協(xié)同集成設計，結構緊湊，排氣換熱器效率高于60%，EGR換熱器效率高于80%。

“雙碳”背景下，動力、能源多元化是大勢所趨，重型商用車面臨日益嚴苛的油耗和排放法規(guī)，將來還面臨著碳排放和商用車雙積分政策的挑戰(zhàn)。筆者認為，在技術路線選擇上要保持技術中立，既要在新能源電動化、混合動力方向發(fā)力，也要在內燃機本身熱效率提升上下功夫，內燃機余熱回收技術尤其是基于有機朗肯循環(huán)的系統(tǒng)已經(jīng)表現(xiàn)出較為優(yōu)異的性能，高效匹配熱力學性能、集成優(yōu)化重型商用車空間布置、協(xié)同排氣后處理的設計，應該會成為提升重型商用車能效的關鍵技術路徑。