發(fā)動機排氣廢熱利用方法的探討

趙升噸，崔敏超，賁寧宇，陳超

（西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

發(fā)動機排氣廢熱利用方法的探討

趙升噸，崔敏超，賁寧宇，陳超

（西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

在汽車工業(yè)向著節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展的背景下，汽車中廢熱的有效利用受到各國學(xué)者和企業(yè)的高度關(guān)注。內(nèi)燃機僅能利用燃料燃燒放出的總能量的三分之一左右，其余三分之二均以廢熱的形式耗散掉；隨著全球汽車保有量越來越大，廢熱對環(huán)境和能源造成的影響不容忽視。近年來，出現(xiàn)了許多正在研制和實驗階段的汽車廢熱利用的新技術(shù)，本文分別介紹了利用汽車尾氣廢熱制冷技術(shù)、利用熱電材料回收廢熱能量、溫差發(fā)電與三元催化器一體化設(shè)計、螺旋管式蓄熱換熱器四種新技術(shù)，為其他學(xué)者研究汽車廢熱利用提供參考。

汽車；廢熱；節(jié)能；新技術(shù)

CLC NO.: U461.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-11-04

引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車保有量越來越大，根據(jù)中國社科院發(fā)布的《中國城市發(fā)展報告》藍(lán)皮書介紹，目前我國汽車保有量為1.3億輛，預(yù)計在未來十幾年里我國的汽車保有量至少還需再新增兩倍，達(dá)到4億輛。由于汽車保有量越來越大，對能源帶來的壓力也越來越大，在全球能源日益緊缺的背景下，汽車節(jié)能受到了各國的高度重視，成為汽車工業(yè)本世紀(jì)發(fā)展的主題。研究表明，內(nèi)燃機由于自身熱力循環(huán)的限制，只能將燃料燃燒釋放出總能量的約1/3轉(zhuǎn)化為機械能，其余的2/3都以熱能的形式耗散掉了[1]，這造成了能源的巨大浪費，因此有效的利用內(nèi)燃機所不能利用的廢熱成為了各國學(xué)者研究的熱點，這也是降低汽車能源消耗的一條有效途徑。

1、汽車中的廢熱能源

目前汽車仍以內(nèi)燃機驅(qū)動為絕大多數(shù)，內(nèi)燃機在額定工況下用于動力輸出的能量僅占燃料燃燒釋放總能量的30%～45%（柴油機）或20%～30%（汽油機）[2,3]。其余能量均以廢熱的形式排到周圍環(huán)境中，所占的比例為燃燒釋放總能量的55%～70%（柴油機）或70%～80%（汽油機），一般認(rèn)為能夠被有效利用的廢熱能主要包括冷卻水中的熱量和汽車尾氣中的熱量。表1是額定工況下內(nèi)燃機的熱平衡表，汽車上的內(nèi)燃機在實際工作時，由于并非時時都處于額定工況，因此實際能量的利用效率要比30%～45%（柴油機）或20%～30%（汽油機）低。

表1 內(nèi)燃機額定工況下熱平衡表

2、汽車中廢熱利用的難點

汽車上的內(nèi)燃機工況比較惡劣，內(nèi)燃機工作在行駛的汽車上，需要承受離心力、震動等因素，因此汽車的廢熱利用也具有特殊的要求和特點，具體如下[4]：

（1）由于汽車發(fā)動機和底盤緊湊性要求，廢熱利用裝置必須要結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高；

（2）汽車廢熱的品位較低，尾氣溫度一般低于1000℃，冷卻水溫度僅為100℃以下，這種低品位的能量回收較困難；

（3）廢熱利用裝置要能夠承受汽車行駛時的震動、沖擊，適應(yīng)汽車運行的各種環(huán)境；

（4）廢熱利用的同時還要保證汽車使用的安全性，不能有發(fā)生爆炸、燃燒的可能性；

（5）廢熱利用裝置應(yīng)盡可能不影響發(fā)動機的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和工作特性，避免增加排氣背壓，降低發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性。

3、廢熱利用的新技術(shù)

近年來，隨著汽車節(jié)能的呼聲越來越高，大量學(xué)者從各方面對汽車廢熱利用進行了研究，其中出現(xiàn)了一些十分有應(yīng)用前景的技術(shù)，有的已經(jīng)在汽車上大量應(yīng)用，如廢氣渦輪增壓技術(shù)，有的仍處于研制和試驗階段。下面具體介紹幾種仍處于研究階段的汽車廢熱利用新技術(shù)。

3.1 利用汽車尾氣廢熱制冷技術(shù)

目前的車載空調(diào)從發(fā)動機輸出中獲得動力，一般要消耗8%～12%的發(fā)動機動力。傳統(tǒng)車載空調(diào)主要存在如下問題：一是增加的發(fā)動機的油耗，使發(fā)動機的排放增加，經(jīng)濟性下降；二是壓縮式空調(diào)采用的工質(zhì)氟利昂類化合物，對大氣層造成嚴(yán)重的破壞；三是空調(diào)消耗發(fā)動機輸出功率，使得發(fā)動機負(fù)載增加，造成冷卻水溫度升高，影響整車的動力性[5]。通過有效回收和利用發(fā)動機排氣中的熱量來驅(qū)動制冷系統(tǒng)，是未來車載空調(diào)發(fā)展的理想節(jié)能方案，目前提出的利用汽車廢熱制冷主要有吸收式、吸附式和噴射式三種[6]，其中噴射式系統(tǒng)適用工質(zhì)廣泛，可以選用對環(huán)境破壞程度低甚至是完全無害的制冷劑，因此具有突出的研究前景。

噴射式制冷系統(tǒng)的主要特點是以噴射器代替空調(diào)壓縮機，以消耗熱能作為補償來實現(xiàn)制冷的。噴射式制冷系統(tǒng)除了循環(huán)泵外沒有其它的運動部件，而且系統(tǒng)中的工作蒸汽和制冷劑是同一種物質(zhì)，不需要制冷劑分離設(shè)備，耗功量較少[7]。

圖1是利用汽車尾氣廢熱驅(qū)動的噴射式制冷系統(tǒng)示意圖。發(fā)動機排出的廢氣經(jīng)過螺旋換熱器后加熱制冷劑液體，使制冷劑溫度和壓力升高，高溫高壓的工作蒸汽進入噴射器后從噴嘴告訴噴出形成低壓，將蒸發(fā)器中的閃發(fā)蒸汽吸入噴射器；經(jīng)過了在噴射器中的混合和增壓后，混合氣體進入冷凝器凝結(jié)，成為制冷劑液體，一部分制冷劑液體經(jīng)節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中發(fā)生的制冷劑氣化吸熱過程產(chǎn)生了制冷效應(yīng)；剩余的制冷劑液體經(jīng)過循環(huán)泵增壓后回到螺旋換熱器[8,9,10]。

3.2 利用熱電材料回收廢熱能量

利用熱電材料回收廢熱能量，主要是依靠熱電材料的塞貝克效應(yīng)，熱電材料能夠在溫差作用下產(chǎn)生載流子，從而產(chǎn)生電能[11]。在使用熱電材料的尾氣廢熱回收系統(tǒng)中，沒有運動部件，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，裝置工作可靠，使用費用極低[12]，是未來廢熱回收系統(tǒng)的理想發(fā)展方向，然而目前已制成的熱電材料轉(zhuǎn)化效率都比較低，僅為10%～15%左右，因此利用熱電材料的尾氣廢熱回收系統(tǒng)還得不到大規(guī)模應(yīng)用[13]。盡管熱電材料方面還沒有取得突破，但已經(jīng)有學(xué)者對于使用熱電材料的汽車尾氣廢熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了相關(guān)研究，這些研究是十分有意義的。

圖2是一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的汽車尾氣熱電發(fā)電系統(tǒng)，汽車發(fā)動機的排氣管與第1、2集熱器的公共入口相連，每個集熱器的上、下表面各貼放一層低溫型Bi2Te3基熱電器件，每層熱電器件的冷端與冷卻水箱表面緊貼，冷卻水箱、集熱器和熱電器件通過夾緊裝置固定，以保證良好的傳熱性能[14]。

圖3是一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的汽車尾氣熱電發(fā)電系統(tǒng)，汽車發(fā)動機的排氣管做成了空心六棱柱結(jié)構(gòu)，熱電發(fā)電組建通過蝶形彈簧和固定螺栓緊壓在排氣管表面保證傳熱性[15]。

3.3 溫差發(fā)電與三元催化器一體化設(shè)計

三元催化器是汽車控制排放的重要部件，它一方面有汽車尾氣流經(jīng)時傳遞的熱量，另一方面有氣體在其中發(fā)生催化反應(yīng)放出的熱量，研究表明，廢氣經(jīng)三元催化反應(yīng)后，溫度仍高達(dá)600～800℃，其中的熱能可以被有效利用。因此有學(xué)者考慮將三元催化器和溫差發(fā)電系統(tǒng)進行一體化設(shè)計[16]，使新結(jié)構(gòu)同時具有催化凈化和溫差發(fā)電功能，這樣有兩個方面的優(yōu)點，一是能夠最大限度地利用汽車尾氣的熱能，節(jié)約布置空間并有效降低發(fā)動機排氣系統(tǒng)背壓，減小溫差發(fā)電系統(tǒng)對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的影響；二是解決了溫差發(fā)電系統(tǒng)對三元催化器工作溫度的影響[17]。

一體化設(shè)計的關(guān)鍵就在于裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須設(shè)計一種結(jié)構(gòu)，使其盡可能同時滿足溫差發(fā)電系統(tǒng)和三元催化轉(zhuǎn)化的使用要求。桶式結(jié)構(gòu)的廢熱氣箱橫截面為正多邊形，結(jié)構(gòu)上更接近與原有的圓截面的三元催化器，廢氣流過裝置時徑向的流速是基本均勻的，氣箱內(nèi)部的催化反應(yīng)能在載體上較均勻的發(fā)生，這樣氣箱每個表面上的溫度分布都是一致的，便于熱能的回收和利用[18,19]。

圖4是桶式溫差發(fā)電催化凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，箱體結(jié)構(gòu)橫截面呈正六邊形，其外表六個平面上鋪設(shè)熱電模塊，主體部分分為三段，第1、3段為催化載體，二者之間隔著空隙段2。汽車尾氣流經(jīng)系統(tǒng)時，在催化劑的作用下發(fā)生催化反應(yīng)放出熱量，熱電材料貼附在箱體表面將熱量轉(zhuǎn)化為電能加以回收使用[20]。

3.4 螺旋管式蓄熱換熱器

在重型汽車尾氣廢熱回收中，由于熱源熱量很大同時又存在間斷、不連續(xù)行等特點，有一個十分重要的問題就是如何在不增加發(fā)動機排氣系統(tǒng)背壓的情況下盡可能多的利用尾氣的熱量同時又能保證廢熱回收系統(tǒng)連續(xù)工作，換熱器是完成這一任務(wù)的重要設(shè)備，其性能的好壞直接影響系統(tǒng)的整體效率。

重卡發(fā)動機在實際運行中具有間斷、不連續(xù)性，導(dǎo)致重卡尾氣間歇、不穩(wěn)定地排放，為了解決這一問題對廢熱回收系統(tǒng)的影響，有學(xué)者提出了一種螺旋管式蓄熱換熱器，采用管束與螺旋盤管結(jié)合的形式，使制冷劑在螺旋盤管內(nèi)向前流動時連續(xù)的改變方向，從而在橫截面上引起二次環(huán)流而強化傳熱，同時在以熔融鹽作為蓄熱工質(zhì)，保證系統(tǒng)的連續(xù)工作。

圖5是螺旋管式蓄熱換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。它具有三個通道，主管道為流動的重卡尾氣的多根管子，輔助管道為流動的制冷工質(zhì)的螺旋盤管，還有盛裝相變材料（HITEC 熔鹽）的殼層。多個流動汽車尾氣的管子彼此間相互平行且固定于前端蓋和后端蓋上，流動制冷劑的螺旋盤管纏繞在多個流動汽車尾氣的管子外側(cè)；在多個汽車尾氣的管子與流動汽車尾氣的管子彼此之間、流動制冷劑的螺旋盤管之間以及流動制冷劑的螺旋盤管與筒壁之間均為盛裝相變材料熔熔鹽的殼層[21,22]。

4、結(jié)論

（1）汽車中的廢熱能源所占比例很大，在全球能源形勢日益嚴(yán)峻的背景下，汽車廢熱能源回收系統(tǒng)必將成為未來汽車的必備系統(tǒng)，越來越多的學(xué)者、企業(yè)將投入精力對汽車廢熱回收系統(tǒng)進行研究。

（2）利用汽車尾氣廢熱制冷技術(shù)，直接利用廢熱來加熱制冷循環(huán)中的工質(zhì)，來減少制冷工作過程中所需要消耗的機械功，實現(xiàn)廢熱的回收利用，這是一種很有前景的廢熱利用方案。

（3）將汽車尾氣中的廢熱能量通過熱電元件轉(zhuǎn)化為電能加以利用和儲存，這樣能量的回收和利用更加靈活，是未來汽車廢熱回收的理想發(fā)展方向。一旦熱電材料的制備和研究取得較大進展，在汽車排氣管路上將出現(xiàn)各種各樣的熱電器件回收系統(tǒng)，同時也會出現(xiàn)多個系統(tǒng)協(xié)同匹配的整車廢熱回收利用系統(tǒng)。

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The Design and Analysis of Flux Switching Integrated-Starter-Generator

Zhao Shengdun, Cui Minchao, Ben Ningyu, Chen Chao
(School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Shaanxi Xi'an 710049)

On the background of the development trend of energy saving, the wasted heat in car causes the attention of scholars and enterprise. Internal combustion engine can only using about a third of the total energy emitted by fuel burning, the remaining two-thirds in the form of heat dissipation; As the global car ownership is more and more big, the wasted heat to the environment and the impact of energy cannot be ignored. In recent years, there are being developed and the experiment stage of automobile waste heat utilization of new technology.This paper introduces the use of car exhaust waste heat cooling technology, the use of thermoelectric materials recycling waste heat energy, thermoelectric power generation and three parts catalysts integration design, spiral tube heat exchanger.And it provide the reference for other scholars to research the automobile waste heat utilization.

Automobile; Wasted Heat; Energy Saving; New Technology

U461.8

A

1671-7988(2015)02-11-04

趙升噸，西安交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為汽車節(jié)能機電一體化設(shè)備開發(fā)。

西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室開放研究項目（編號：1991DA105206）。