方澤軍，王斌，劉欣，劉學(xué)柱，馬相明

(北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300)

0 引言

汽車保有量的大幅增加，使得燃油消耗急劇增長。隨著時間的推移，石油的供需矛盾必將越來越突出，節(jié)能減排已成為當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的難點(diǎn)和方向，出現(xiàn)了許多新的汽車動力形式和內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，其原因主要有：(1)汽車結(jié)構(gòu)和功能改革，應(yīng)用新技術(shù)來改善燃燒性能，如發(fā)動機(jī)新型電噴技術(shù)、稀薄燃燒技術(shù)等；(2)尋找新能源代替石油燃料，如氫燃料、甲醇、乙醇燃料、電動汽車等；(3)發(fā)動機(jī)熱量回收技術(shù)，如渦輪增壓技術(shù)、排氣回收再利用等[1]。相關(guān)研究表明：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒岙?dāng)量占燃料燃燒發(fā)熱量的30%～45%(柴油機(jī))或20%～30%(汽油機(jī))，以廢氣形式排出到車外的能量占燃燒總能量的55%～70%(柴油機(jī))或70%～80%(汽油機(jī))[2]，汽車燃料燃燒釋放的能力，高達(dá)三分之一的能量通過汽車排氣損失了。因此，排氣熱量回收的利用空間巨大，如果能充分利用這部分能量，對于汽車節(jié)能大有益處，是降低汽車能耗的有效途徑之一。其中熱導(dǎo)熱技術(shù)(Exhaust Heat Recovery System，EHRS)具有熱量回收效率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

1 排氣熱量回收技術(shù)研究現(xiàn)狀

依據(jù)熱力學(xué)第二定律：功熱轉(zhuǎn)化不可逆，即熱不可能全部無條件轉(zhuǎn)化為功[3]。由于汽車排氣的熱量較低，為較低級能量，可轉(zhuǎn)化為功的部分有限，利用起來非常困難。目前汽車行業(yè)對排氣熱量回收利用主要有以下幾種技術(shù)路線：渦輪增壓技術(shù)、熱導(dǎo)熱技術(shù)(Exhaust Heat Recovery System，EHRS)、熱導(dǎo)電技術(shù)(Thermal Conductivity Technology，TEG)、有機(jī)郎肯循環(huán)技術(shù)(Organic Rankine Cycle，ORC)、空調(diào)制冷等。

渦輪增壓技術(shù)。發(fā)動機(jī)熱量回收利用最成功的技術(shù)是渦輪增壓，排氣推動渦輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)并通過壓氣機(jī)壓縮空氣，提高了氣缸的進(jìn)氣量，從而使發(fā)動機(jī)輸出功率增大，發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性得到改善，是新時代發(fā)動機(jī)節(jié)能減排的核心關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。

熱導(dǎo)電技術(shù)(TEG)。利用排氣熱量發(fā)電的方法基本有3種：利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電、蒸汽動力發(fā)電和廢氣渦輪發(fā)電。其中利用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電研究較廣泛，在使用熱電材料的余熱回收系統(tǒng)中，沒有運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕。通過把無用的熱能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)現(xiàn)熱量再利用，TEG技術(shù)受制于其極低的熱電轉(zhuǎn)化效率和昂貴的成本，目前大多處于實(shí)驗中,日本Nissan公司[5]研制的一種排氣溫差發(fā)電器可回收11%的排氣余熱，美國Hi-Z公司[6]對康明斯柴油機(jī)進(jìn)行了排氣余熱溫差發(fā)電研究，并從中得到2 000～4 000 W的功率。

有機(jī)郎肯循環(huán)技術(shù)(ORC)。有機(jī)郎肯循環(huán)使用有機(jī)物作為工質(zhì)，吸收排氣熱量，蒸發(fā)汽化后進(jìn)入膨脹機(jī)輸出機(jī)械功，該機(jī)械功可以驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，也可以通過傳動裝置將有用功疊加到發(fā)動機(jī)曲軸上。寶馬公司開發(fā)的汽油機(jī)內(nèi)置蒸汽機(jī)構(gòu)、本田公司在車上進(jìn)行了有機(jī)郎肯循環(huán)余熱利用試驗、康明斯也在進(jìn)行余熱驅(qū)動有機(jī)郎肯循環(huán)發(fā)電的研究[7]。通過郎肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能，控制過程復(fù)雜、體積龐大，更適合商用車。

空調(diào)制冷。代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)制冷，通過排氣余熱驅(qū)動制冷，文獻(xiàn)[8]中對國外發(fā)動機(jī)排氣熱量制冷技術(shù)的研究情況進(jìn)行了介紹，其中相對比較成熟的技術(shù)包括固體吸附式、溶液吸附式和金屬氫化物制冷技術(shù)，在排氣熱量利用方面具有前景。

熱導(dǎo)熱技術(shù)(EHRS)。將排氣的余熱直接以熱能的形式回收，將排氣余熱導(dǎo)入發(fā)動機(jī)，改善發(fā)動機(jī)冷啟動性能，加快發(fā)動機(jī)暖機(jī)速度，改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。熱導(dǎo)熱技術(shù)由于熱能直接利用，其回收效率高，同時，利用熱交換器進(jìn)行熱量回收。閥門控制方式分3種：真空泵、電控馬達(dá)、自適應(yīng)石蠟。熱導(dǎo)熱技術(shù)成熟，應(yīng)用難度降低。這種余熱利用技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是不需要在汽車上增加熱源，不增加發(fā)動機(jī)本身熱量消耗，成本較低，經(jīng)濟(jì)性好，具有很大的實(shí)際應(yīng)用意義[8]。目前EHRS技術(shù)在標(biāo)志雪鐵龍、韓國現(xiàn)代、日本豐田等車型上有應(yīng)用。

2 EHRS裝置介紹

此排氣熱量回收裝置(EHRS)為熱導(dǎo)熱技術(shù)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

基本原理為一個氣液熱交換器，串聯(lián)于排氣管之間，高熱發(fā)動機(jī)排氣進(jìn)入管道，通過熱交換器對EHRS進(jìn)出水介質(zhì)進(jìn)行加熱，余熱回收持續(xù)進(jìn)行，加熱后的水進(jìn)入發(fā)動機(jī)外循環(huán)能加快發(fā)動機(jī)溫升，當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到發(fā)動機(jī)的需求溫度后，回收的排氣熱量對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)來說成為有害熱負(fù)荷，所以需要控制EHRS裝置熱回收利用的開啟或關(guān)閉，中間通過自適應(yīng)石蠟閥門來控制EHRS的兩種不同工作模式：當(dāng)閥門關(guān)閉時，進(jìn)入熱量交換回收工作模式，提高發(fā)動機(jī)外循環(huán)的水溫；當(dāng)EHRS進(jìn)水管冷卻液水溫達(dá)到一定溫度時，閥門開啟，進(jìn)行旁通工作模式不再進(jìn)行熱量回收。石蠟控制的閥門由于易于集成、成本低，應(yīng)用廣泛，石蠟閥門的開啟與冷卻液溫度有關(guān)，該裝置設(shè)定進(jìn)水溫度達(dá)到80～85 ℃時閥門開啟進(jìn)入旁通模式。

圖2為EHRS系統(tǒng)連接原理圖。EHRS裝置氣態(tài)端與發(fā)動機(jī)排氣串聯(lián)，EHRS裝置液態(tài)端與發(fā)動機(jī)冷卻水外循環(huán)水路串聯(lián)。通過EHRS裝置的排氣溫度越高回收熱量越多，熱利用效率更高，因此在整車布置空間容許情況下裝置盡量靠近發(fā)動機(jī)，為了避免EHRS裝置對發(fā)動機(jī)催化器啟燃的不良影響，裝置需布置在催化器總成之后。

3 整車試驗研究

3.1 試驗準(zhǔn)備、樣車改制

此次試驗基于一臺乘用車進(jìn)行整車EHRS搭載驗證，原車發(fā)動機(jī)參數(shù)圖見表1，EHRS裝置安裝于排氣系統(tǒng)催化器后，EHRS進(jìn)水管、出水管與發(fā)動機(jī)外循環(huán)出水管串聯(lián)，通過橡膠軟管連接，使用卡箍和密封膠保證管路密封性，溫度監(jiān)測布點(diǎn)在4處，如圖3所示，分別為EHRS裝置進(jìn)水溫度、EHRS裝置出水溫度、發(fā)動機(jī)外循環(huán)出水溫度、發(fā)動機(jī)外循環(huán)回水溫度，另外通過發(fā)動機(jī)EMS讀取發(fā)動機(jī)溫升數(shù)據(jù)。

表1 汽油發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

圖3 溫度監(jiān)測布點(diǎn)

3.2 試驗方法

整車試驗采用NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況，在常溫和低溫(-7 ℃)分別進(jìn)行，測試整車油耗和排放，并對相關(guān)溫度監(jiān)控點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

常溫試驗：即按照GB 18352.5-2013 Ⅰ型試驗，常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗、油耗試驗，采用NEDC工況循環(huán)，驗證EHRS在常溫環(huán)境下對整車排放、油耗的影響。原車試驗時監(jiān)測發(fā)動機(jī)內(nèi)循環(huán)出水溫度，發(fā)動機(jī)外循環(huán)出水、進(jìn)水溫度；搭載EHRS后試驗監(jiān)測發(fā)動機(jī)內(nèi)循環(huán)出水溫度、發(fā)動機(jī)外循環(huán)出水、回水溫度、EHRS系統(tǒng)進(jìn)水、出水溫度。

低溫試驗：即按照GB 18352.5-2013 Ⅵ型試驗，低溫(-7 ℃)下冷啟動CO和THC排放、油耗試驗，采用NEDC工況循環(huán)，驗證EHRS在低溫環(huán)境下對整車排放、油耗的影響。原車試驗時監(jiān)測發(fā)動機(jī)內(nèi)循環(huán)出水溫度，發(fā)動機(jī)外循環(huán)出水、進(jìn)水溫度；搭載EHRS后試驗監(jiān)測發(fā)動機(jī)內(nèi)循環(huán)出水溫度、發(fā)動機(jī)外循環(huán)出水、回水溫度、EHRS系統(tǒng)進(jìn)水、出水溫度。

4 試驗結(jié)果

4.1 整車油耗、排放

如表2所示：在常溫環(huán)境下，安裝EHRS后，整車油耗降低1.81%、THC排放量降低13.73%、NMHC排放量降低11.63%、NOx排放量降低26.19%、CO排放量增加7.06%。如表3所示：在低溫環(huán)境下，安裝EHRS后，整車油耗降低3.6%，CO排放量降低18.42%，THC排放量降低25.31%。

表2 整車油耗排放(常溫試驗)

表3 整車油耗排放(低溫試驗)

4.2 發(fā)動機(jī)溫升

圖4所示為常溫試驗發(fā)動機(jī)溫升情況，以水溫達(dá)到80 ℃作為暖機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，搭載EHRS比原車暖機(jī)時間減少約18 s；NEDC第155 s左右，EHRS對溫升影響開始逐步增加，EHRS關(guān)閉前(EHRS進(jìn)水溫度達(dá)到80～85 ℃關(guān)閉)，NEDC工況平均水溫比原車高2 ℃左右。

圖5所示為低溫試驗發(fā)動機(jī)溫升情況， 以水溫達(dá)到80 ℃作為暖機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，搭載EHRS比原車暖機(jī)時間減少約80 s；NEDC第150 s左右，EHRS溫升影響開始顯現(xiàn)，EHRS整個冷機(jī)循環(huán)均未關(guān)閉，平均水溫比原車高6 ℃左右。

4.3 EHRS水溫

如圖6所示：在常溫NEDC試驗時，EHRS出水、進(jìn)水溫度差(溫升)平均值為18.5 ℃。如圖7所示：在低溫NEDC試驗時，EHRS出水、進(jìn)水溫度差(溫升)平均值為15.1 ℃。試驗表明EHRS裝置通過氣液熱交換，對發(fā)動機(jī)外循環(huán)水進(jìn)行了加熱，余熱進(jìn)行了回收利用，在常溫和低溫NEDC試驗下，水溫分別平均提高18.5 ℃和15.1 ℃。

5 結(jié)論

(1)安裝EHRS裝置后，整車油耗在常溫和低溫試驗中，節(jié)油率分別為1.81%和3.6%，尾氣排放得到改善。

(2)安裝EHRS裝置后，常溫試驗時，發(fā)動機(jī)比原車暖機(jī)時間減少約18 s，NEDC工況平均水溫比原車高2 ℃左右；低溫試驗時，發(fā)動機(jī)比原車暖機(jī)時間減少約80 s，平均水溫比原車高6 ℃左右。

(3)EHRS裝置本身：在常溫試驗時，出水、進(jìn)水溫度差(溫升)平均值為18.5 ℃；在低溫試驗時，出水、進(jìn)水溫度差(溫升)平均值為15.1 ℃。

(4)在NEDC工況下，EHRS能降低整車油耗、改善整車排放，加快發(fā)動機(jī)的溫升速度，能加熱外循環(huán)水溫，起到排氣熱量回收再利用作用。但EHRS裝置搭載整車的綜合耐久性能有待進(jìn)一步驗證，該系統(tǒng)對排氣背壓的影響、發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)及整車熱平衡性能的影響都有待進(jìn)一步研究。