摘要：隨著節(jié)能減排要求的不斷提高，混合動(dòng)力汽車(chē)憑借優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性逐漸普及，但發(fā)動(dòng)機(jī)散熱造成的大量熱能無(wú)法利用，存在著能源浪費(fèi)問(wèn)題。針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱能再生及廢熱利用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究：首先分析了混合動(dòng)力汽車(chē)熱管理的重要性，概述了熱再生和廢熱利用技術(shù)路線；其次詳細(xì)分析了混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑。該研究為混合動(dòng)力汽車(chē)提高能源利用效率、降低燃料消耗提供了一定的技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē)；發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生；廢熱利用；技術(shù)集成

中圖分類(lèi)號(hào)：U464收稿日期：2024-10-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.024

1前言

混合動(dòng)力汽車(chē)因其集發(fā)動(dòng)機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)于一體的特點(diǎn)，不僅可以有效提高能源利用效率，降低燃料消耗和排放，而且可以為熱能再生和廢熱利用提供了新的機(jī)遇[1]。傳統(tǒng)汽車(chē)中，發(fā)動(dòng)機(jī)熱能以廢熱形式排放，造成巨大的能源浪費(fèi)和溫室氣體排放，相較而言，混合動(dòng)力車(chē)輛在保證動(dòng)力性的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)和負(fù)荷發(fā)生了較大變化，同時(shí)產(chǎn)生了復(fù)雜多變的溫度場(chǎng)和熱流，并伴隨著不同時(shí)間尺度和溫度等級(jí)的廢熱能量。

因此，對(duì)混合動(dòng)力車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)熱能進(jìn)行有效利用具有重要意義，通過(guò)對(duì)廢熱能量的高效再生和利用，可大幅提升系統(tǒng)熱效率和整車(chē)能源利用率，從而進(jìn)一步優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

本文圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)散熱熱量再生利用展開(kāi)研究，系統(tǒng)地闡述各類(lèi)熱再生及廢熱利用技術(shù)的原理、特點(diǎn)及適用性，以期為混合動(dòng)力汽車(chē)熱能綜合利用提供技術(shù)參考。

2混合動(dòng)力汽車(chē)熱管理的重要性

混合動(dòng)力汽車(chē)作為一種集內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)于一體的復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)，其熱管理的效率和效果對(duì)于整車(chē)性能、能效以及乘員舒適性具有非常重要的影響。良好的熱管理系統(tǒng)能夠確保發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，從而提高能源利用效率，延長(zhǎng)部件壽命，并保證駕駛安全。

在混合動(dòng)力汽車(chē)中，熱管理不僅關(guān)乎動(dòng)力系統(tǒng)的效率，還直接影響到乘客的舒適性。車(chē)輛內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)需要依賴(lài)于有效的熱管理系統(tǒng)，包括適當(dāng)?shù)目照{(diào)和加熱系統(tǒng)來(lái)處理由電池和電機(jī)產(chǎn)生的多余熱量[2]。例如，通過(guò)使用集成熱管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可以將電池產(chǎn)生的熱量回收利用來(lái)為車(chē)內(nèi)加熱提供熱源，從而減少能源消耗。系統(tǒng)的過(guò)熱還可能導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是電池組如果因散熱不良而過(guò)熱，可能會(huì)引起熱失控，因此，發(fā)展高效的熱管理技術(shù)不僅可以提升車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，還直接關(guān)系到乘客的安全和舒適體驗(yàn)。

總之，混合動(dòng)力汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)是提升車(chē)輛性能、增加駕駛范圍、提升乘客舒適和保障行車(chē)安全的關(guān)鍵技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和新材料的應(yīng)用，未來(lái)混合動(dòng)力汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)將更加高效和智能，以適應(yīng)更廣泛的環(huán)境變化和更嚴(yán)苛的性能要求。

3混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用技術(shù)

混合動(dòng)力汽車(chē)在提升能效和降低排放方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生和廢熱利用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，高效地回收和利用發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)中的廢熱可以提升燃油經(jīng)濟(jì)性，還能增加整車(chē)的動(dòng)力性能。

在混合動(dòng)力汽車(chē)中，發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生技術(shù)主要集中在通過(guò)捕獲發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱并轉(zhuǎn)換為有用能量的策略上[3]。一種常見(jiàn)的方法是使用熱電發(fā)生器（TEG），它能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)排放的熱能轉(zhuǎn)換成電能。熱電發(fā)生器通常安裝在排氣系統(tǒng)中，利用溫差電效應(yīng)將排氣熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，這種電能可以用于電池充電或供應(yīng)車(chē)輛的電子系統(tǒng)。研究人員還可以通過(guò)改進(jìn)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使冷卻液在通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)回收更多的熱能。例如，采用高效率的熱交換器和調(diào)節(jié)冷卻液流速的控制系統(tǒng)，可以最大化地從發(fā)動(dòng)機(jī)吸收熱量，并將此熱量用于加熱車(chē)內(nèi)或預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的效率和降低排放。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了能源的綜合利用效率，還有助于降低因溫度變化導(dǎo)致的機(jī)械磨損。

混合動(dòng)力汽車(chē)的廢熱利用技術(shù)不僅限于電能的回收，還包括使用廢熱為車(chē)輛系統(tǒng)提供熱能，特別是在冷氣候條件下的應(yīng)用，研究人員通過(guò)安裝廢熱回收系統(tǒng)，可以將排氣熱通過(guò)熱交換器傳遞給冷卻液或空調(diào)系統(tǒng)的制熱循環(huán)，這可以提高空調(diào)的熱泵效率，減少對(duì)電池的依賴(lài)，提高乘客舒適度和減少能源消耗[4]。更先進(jìn)的廢熱利用系統(tǒng)甚至可以將這些廢熱轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或化學(xué)能，如通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)。ORC系統(tǒng)可以將低溫廢熱轉(zhuǎn)換為高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的整體能效，這類(lèi)系統(tǒng)特別適合于長(zhǎng)途運(yùn)輸或重載應(yīng)用，其中廢熱量大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，能效提升潛力巨大。

混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用技術(shù)是提高車(chē)輛能效和環(huán)境可持續(xù)性的重要技術(shù)手段，這些技術(shù)能有效提升能源的利用率，降低能源消耗，優(yōu)化車(chē)輛的環(huán)境性能指標(biāo)，進(jìn)一步的研究和技術(shù)革新將繼續(xù)推動(dòng)這些系統(tǒng)的效率和實(shí)用性，以適應(yīng)未來(lái)對(duì)汽車(chē)性能和環(huán)保要求的不斷提升。

4混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑

根據(jù)上述分析可知，熱再生及廢熱利用技術(shù)憑借其可回收熱源的優(yōu)勢(shì)在業(yè)界備受關(guān)注。因此，研究制定一條有效的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的綠色智能化轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

4.1工況分析與熱量測(cè)算

混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用技術(shù)集成過(guò)程中，首要步驟是進(jìn)行工況分析與熱量測(cè)算。這一步驟是基礎(chǔ)且關(guān)鍵的，因?yàn)樗婕皩?duì)車(chē)輛在不同行駛條件下的熱能特性進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估，以確保廢熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的適應(yīng)性和效率。

工況分析：這一階段的目的是全面理解混合動(dòng)力汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中的各種工況，包括城市行駛、高速行駛和爬坡等不同條件下的行駛模式。通過(guò)收集和分析這些數(shù)據(jù)，可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，如功率輸出、燃料消耗率和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷周期，工況分析還需要包括環(huán)境因素的考慮，如溫度、濕度以及海拔等，這些都會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和廢熱產(chǎn)生量。例如，高溫環(huán)境或高負(fù)荷運(yùn)行模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱將會(huì)增多，對(duì)廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出更高的要求。

在了解了混合動(dòng)力汽車(chē)的各種工況后，下一步是進(jìn)行熱量測(cè)算，這一步驟涉及不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)及其排氣系統(tǒng)產(chǎn)生廢熱總量的計(jì)算。熱量測(cè)算不僅需要精確的溫度和熱流數(shù)據(jù)，還需考慮發(fā)動(dòng)機(jī)效率和熱損失，通常這一過(guò)程會(huì)使用熱量傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)的溫度變化，以及通過(guò)排氣管的熱流。收集到的數(shù)據(jù)將被用于評(píng)估不同工況下的熱能回收潛力，并為后續(xù)的廢熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。表1簡(jiǎn)述了在一次典型的工況分析與熱量測(cè)算過(guò)程中，不同行駛條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)熱輸出和熱回收潛力估計(jì)。

工況分析與熱量測(cè)算可以為混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，確保系統(tǒng)的高效性和適應(yīng)性，這樣的分析不僅有助于研究人員選擇合適的廢熱回收技術(shù)，也為后續(xù)的系統(tǒng)集成和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)。

4.2規(guī)劃熱再生和廢熱利用技術(shù)路線

在混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑中，繼完成工況分析與熱量測(cè)算之后，下一步是規(guī)劃熱再生和廢熱利用技術(shù)路線。這一階段是整個(gè)技術(shù)集成過(guò)程的核心，關(guān)鍵在于選擇和設(shè)計(jì)最適合當(dāng)前車(chē)輛模型和工況需求的熱能回收解決方案。

基于前期的熱量測(cè)算結(jié)果，決定使用哪種廢熱回收技術(shù)（如熱電發(fā)電、有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）、汽輪機(jī)系統(tǒng)等），選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)需要考慮多個(gè)因素，包括廢熱的溫度級(jí)別、可回收熱量的大小、系統(tǒng)的體積與重量、成本以及對(duì)車(chē)輛性能的影響。例如，如果廢熱溫度較高，則更適合使用汽輪機(jī)系統(tǒng)；對(duì)于中低溫廢熱，熱電發(fā)電或ORC可能更為合適。

在選擇了合適的廢熱回收技術(shù)后，接下來(lái)的任務(wù)是設(shè)計(jì)具體的廢熱回收系統(tǒng)，并將其與車(chē)輛的其他系統(tǒng)（如動(dòng)力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等）進(jìn)行有效整合，包括確定系統(tǒng)的布局、配置熱交換器、優(yōu)化熱流路徑和控制策略。此階段也需考慮系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)需求，確保新開(kāi)發(fā)的廢熱回收系統(tǒng)不會(huì)降低車(chē)輛的總體運(yùn)行效率和安全性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)包括模擬和預(yù)測(cè)廢熱系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)，以便提前發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整。表2展示了不同廢熱回收技術(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

通過(guò)這些步驟的細(xì)致規(guī)劃和執(zhí)行，可以確?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的廢熱回收系統(tǒng)不僅技術(shù)上可行，同時(shí)也能在經(jīng)濟(jì)上帶來(lái)益處，從而提升整車(chē)的能效和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。這種系統(tǒng)性的技術(shù)集成和優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵路徑之一。

4.3系統(tǒng)集成

在混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑中，最后一步是“系統(tǒng)集成”。這一階段是確保廢熱回收技術(shù)與汽車(chē)其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作的關(guān)鍵，涉及將設(shè)計(jì)好的廢熱回收方案與車(chē)輛的動(dòng)力總成、電氣系統(tǒng)以及控制策略有效整合。

在此階段，主要任務(wù)是確保廢熱回收系統(tǒng)能夠無(wú)縫集成到現(xiàn)有的動(dòng)力系統(tǒng)中，包括與發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電池管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，這需要對(duì)廢熱回收系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)載需求和操作特性。例如，廢熱回收系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)可能需要暫停工作，或者在電動(dòng)模式下調(diào)整其能量輸出以?xún)?yōu)化電池的使用效率。研究人員需評(píng)估廢熱回收系統(tǒng)在全車(chē)能耗和性能中的作用，以及其對(duì)車(chē)輛加速性能、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放水平的影響，并通過(guò)先進(jìn)的控制算法，實(shí)現(xiàn)廢熱回收系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)之間的能量流動(dòng)優(yōu)化，從而提升整車(chē)的能效和駕駛體驗(yàn)。

廢熱回收系統(tǒng)的集成不僅涉及硬件層面的適配，還需開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的控制策略以管理系統(tǒng)的運(yùn)行，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控廢熱的溫度、流量和可用性，以及調(diào)整廢熱回收系統(tǒng)的操作以最大化能量回收效率?？刂葡到y(tǒng)還需要與車(chē)輛的其他電子系統(tǒng)（如車(chē)載診斷系統(tǒng)、動(dòng)力控制模塊等）進(jìn)行通信，以確保在各種行駛條件下的安全和穩(wěn)定性。開(kāi)發(fā)這樣的控制策略通常需要使用模擬和實(shí)車(chē)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證其性能，確保在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的節(jié)能效果并保障系統(tǒng)的可靠性。表3概述了系統(tǒng)集成階段的關(guān)鍵焦點(diǎn)和考慮因素。

上述系統(tǒng)集成步驟的詳細(xì)規(guī)劃和實(shí)施，可以確?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)中的廢熱回收技術(shù)不僅技術(shù)上可行，而且能夠在實(shí)際運(yùn)行中達(dá)到提升能效和環(huán)保的目標(biāo)，這種綜合性的技術(shù)整合是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的核心部分，對(duì)于推動(dòng)未來(lái)交通工具的能效革命具有重要意義。

5結(jié)語(yǔ)

混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱再生及廢熱利用技術(shù)的集成是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要全面分析各類(lèi)工況下的熱量特征，科學(xué)規(guī)劃熱再生和廢熱利用路線，并將選定的技術(shù)方案與動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制策略等有機(jī)融合，通過(guò)協(xié)同優(yōu)化確保整車(chē)能效的最大化。這一集成路徑的實(shí)施，不僅為解決汽車(chē)廢熱利用難題提供了技術(shù)支撐，更標(biāo)志著節(jié)能環(huán)保理念在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的融合應(yīng)用，有望推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)向更高能效水平邁進(jìn)，減少化石燃料消耗及溫室氣體排放，為綠色出行和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)汽車(chē)力量。

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作者簡(jiǎn)介：

朱付勇，男，1990年生，助教（汽車(chē)檢測(cè)維修工程師），研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)技術(shù)。