余熱回收系統(tǒng)對整車經(jīng)濟性與排放影響的試驗研究

晏娟，邵傳剛，羅錦潔，鄧正華

(1.重慶三峽學(xué)院，重慶 404000；2.天津中恒動力研究院有限公司，天津 300000；3.重慶市輕合金材料與加工工程技術(shù)研究中心，重慶 404000)

近年來，能源短缺和環(huán)境污染已成為全球面臨的兩大問題[1-4]。在我國，從國四到國五，再到現(xiàn)在的國六a，排放法規(guī)對CO排放加嚴(yán)了50%，國六b的THC，NMHC和NOx限值分別下降了50%，50%和42%，國六雖然沒有CO2的限值要求，但要求企業(yè)申報CO2的實際水平。而汽車內(nèi)燃機(ICE)有35%～40%的燃料能量通過排氣系統(tǒng)作為廢熱排出[5]，這樣不僅消耗了大量的燃料，而且產(chǎn)生了很多的有害污染排放[6-7]。排氣余熱回收系統(tǒng)(EHRS)既可以提高發(fā)動機的熱效率，又可以改善整車的油耗和排放，是適應(yīng)全球碳排放形勢下的一種新的技術(shù)路線。目前汽車行業(yè)內(nèi)對排氣余熱的利用有3種不同技術(shù)路線，分別是熱導(dǎo)熱技術(shù)、熱導(dǎo)電技術(shù)[8](TEG)和有機郎肯循環(huán)技術(shù)[9](ORC)。熱導(dǎo)熱就是發(fā)動機排出的廢氣余熱直接以熱量的形式回收利用，也就是EHRS。熱導(dǎo)電技術(shù)是利用塞貝克效應(yīng)實現(xiàn)溫差發(fā)電，當(dāng)半導(dǎo)體兩端有溫差時，就會產(chǎn)生載流子，從而產(chǎn)生電能[10]。有機朗肯循環(huán)是使用低沸點有機物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，有機工質(zhì)從尾氣余熱流中吸收熱量，生成具一定壓力和溫度的蒸氣，它的能量有兩種輸出形式，一種是將熱能轉(zhuǎn)化成機械能，另外一種是把機械能轉(zhuǎn)化成電能輸出。雖然通過熱電發(fā)電機直接將排氣余熱轉(zhuǎn)化成電能已經(jīng)開始應(yīng)用于汽車行業(yè)[11-12]，但熱電轉(zhuǎn)化效率低且成本高，使得它的投入和產(chǎn)出可能不成正比，到目前為止，大多數(shù)處于試驗之中。有機朗肯循環(huán)的效率也比較低，目前主要在商用車上應(yīng)用。采用EHRS技術(shù)最高可回收汽車排氣系統(tǒng)大約40%的廢氣熱能，是3種汽車余熱回收技術(shù)路線中熱量回收效率最高的。在大多數(shù)情況下，車輛是在冷起動條件下運行的，但是在冷起動條件下，車輛的尾氣排放非常惡劣，尤其是HC排放。排氣余熱經(jīng)過冷卻液以熱量的形式帶回發(fā)動機，就可以加快發(fā)動機暖機，有效降低油耗和排放。如果回收的熱量用作乘員艙取暖，則可以迅速提高乘員艙的溫度，改善整車的采暖舒適性。EHRS技術(shù)直接利用排氣余熱，其回收效率高，同時結(jié)合成熟且應(yīng)用廣泛的熱交換器來回收排氣余熱，裝置簡單、輕便，極大地降低它的應(yīng)用難度。鑒于汽車的廢氣余熱能量占總能量比例很大，而且面對未來越來越嚴(yán)苛的汽車排放和油耗法規(guī)，汽車排氣余熱回收系統(tǒng)將會有廣闊的應(yīng)用市場。

本研究對整車搭載EHRS裝置的排氣系統(tǒng)進(jìn)行整車油耗試驗、排放試驗和空調(diào)采暖試驗，探討排氣余熱回收對整車油耗、排放和空調(diào)采暖的影響。分別控制試驗環(huán)境溫度為-20 ℃，-7 ℃以及25 ℃。在NEDC(-20 ℃)工況下對有無EHRS作用下乘座艙平均溫度以及乘座艙內(nèi)溫度達(dá)到26 ℃所需的時間進(jìn)行對比分析；在NEDC(-7 ℃和25 ℃)兩種工況下分別對有無EHRS作用下燃油消耗量、HC、CO和NOx排放進(jìn)行對比分析。

1 EHRS的工作原理和工作模式

EHRS實際上是一個氣液熱交換器。通過它的排氣溫度越高，回收的熱量越多，熱回收效率越高[13]。任何能量的轉(zhuǎn)化都需要依托于介質(zhì)。汽車排氣余熱的回收可以通過冷卻液，也可以通過發(fā)動機(潤滑)油或變速箱油。排氣余熱經(jīng)冷卻液再以熱量的形式帶回到發(fā)動機。

EHRS有兩種工作模式(見圖1)：一是旁通模式，該模式下?lián)Q熱翅片通道關(guān)閉，廢氣直接從旁通道經(jīng)排氣管排出，不與冷卻液產(chǎn)生熱量交換；二是余熱回收模式，在這種模式下，廢氣經(jīng)過換熱翅片通道與冷卻液產(chǎn)生熱量交換，將排氣余熱以發(fā)動機冷卻液為媒質(zhì)進(jìn)行熱量再回收。切換EHRS的工作模式有兩種方法：一種是根據(jù)冷卻液溫度，比如當(dāng)發(fā)動機水溫達(dá)到正常工作溫度(80～85 ℃)時，就不需要進(jìn)入余熱回收模式，可以切換為旁通模式；另一種是根據(jù)發(fā)動機的氣體流量，當(dāng)發(fā)動機有很大的功率輸出需要時，就切換為旁通模式。在余熱回收裝置上有一個控制閥門，控制裝置回收熱量的開閉，目前佛吉亞公司提供3種不同的閥門動作執(zhí)行機構(gòu)：第一種是真空泵；第二種是電控馬達(dá)；第三種是自適應(yīng)石蠟，當(dāng)發(fā)動機冷卻液溫度達(dá)到一定值時，石蠟就會膨脹，把閥門推開，進(jìn)入余熱回收模式[14]。

圖1 EHRS工作模式

2 試驗裝置及方案

2.1 EHRS布置位置及樣車改裝

EHRS布置位置見圖2。該裝置需要布置在三元催化器之后[15]，主要原因是當(dāng)它切換至余熱回收模式時，廢氣與冷卻液產(chǎn)生熱量交換而溫度降低，進(jìn)而影響到催化器的起燃時間，從而達(dá)不到最佳的催化效果。EHRS裝置應(yīng)盡可能地靠近發(fā)動機排氣側(cè)，因為排氣溫度越高，回收的熱量越多，熱回收效率越高。

圖2 EHRS布置

2.2 試驗設(shè)備

通過底盤測功機整車試驗來探討EHRS裝置對整車油耗、排放和空調(diào)采暖的影響。試驗在封閉的人工氣候室中進(jìn)行，將試驗樣車固定在底盤測功機上，模擬車輛行駛周期的實際運行情況。試驗對象為搭載EHRS裝置的某改裝樣車。試驗發(fā)動機主要參數(shù)和試驗樣車主要參數(shù)分別見表1和表2。為測得整車在不同行駛工況下的油耗和排放，采用相應(yīng)的測試設(shè)備和傳感器進(jìn)行測試，試驗主要設(shè)備見表3。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

表2 樣車主要參數(shù)

表3 試驗主要設(shè)備

2.3 試驗方案

為使試驗結(jié)果更具代表性和普遍性，選擇國際上廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)車輛測試工況——新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)，該循環(huán)由市區(qū)循環(huán)(UDC)和郊區(qū)循環(huán)(EUDC)兩個部分組成，包括加速、恒速、減速和怠速4種工況，能夠反映車輛的實際運行情況。試驗臺架測試原理及傳感器的布置見圖3。

1—主消聲器；2—輪胎；3—排氣分析儀；4—副消聲器；5—油箱；6—第二催化器；7—油耗儀；8—油泵；9—底盤測功機；10—冷卻液入口端；11—溫度傳感器；12—EHRS；13—冷卻液出口端；14—傳動泵；15—發(fā)動機；16—空燃比儀；17—主控制系統(tǒng)；18—氧傳感器；19—第一催化器；20—渦輪；21—空氣濾清器；22—中冷器。圖3 試驗臺架測試原理

由圖3可以看出，發(fā)動機和車輛上安裝了各種儀器和傳感器，測得的數(shù)據(jù)由計算機控制的數(shù)據(jù)記錄儀系統(tǒng)進(jìn)行處理。為保證試驗結(jié)果的可靠性和重復(fù)性，試驗過程嚴(yán)格按照車輛試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在測試之前，各種傳感器都已經(jīng)經(jīng)過標(biāo)定，誤差均在可接受的范圍之內(nèi)。試驗樣車在氣候室中靜置24 h以確保測試剛開始時發(fā)動機處于冷起動狀態(tài)。在所有準(zhǔn)備工作都完成之后，在底盤測功機上進(jìn)行整車油耗試驗和排放試驗。測試過程中，根據(jù)NEDC的特點，底盤測功機對車速進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，相對誤差在2%以內(nèi)，同時要保證樣車前方有變速風(fēng)機來模擬汽車行駛時的氣流。整車油耗由油耗計連續(xù)測試，車輛尾氣中的HC，CO和 NOx排放由排氣分析儀得出。采用對比試驗的方法，分析有無EHRS對整車油耗和排放的影響。EHRS余熱回收模式閥門控制溫度設(shè)定為發(fā)動機正常工作溫度85 ℃，試驗主要工況見表4。

表4 試驗主要工況

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 EHRS對整車油耗的影響

控制氣候室中的環(huán)境溫度分別為25 ℃和-7 ℃，在底盤測功機上進(jìn)行冷起動NEDC循環(huán)工況下整車油耗試驗。得到的整車油耗、發(fā)動機冷卻液溫度分別見圖4和圖5。從圖4可以看出：在城市循環(huán)中，搭載EHRS裝置的樣車比未搭載EHRS裝置的樣車節(jié)油，其中在25 ℃環(huán)境下，搭載EHRS裝置節(jié)油率大約為2.8%，而在-7 ℃環(huán)境下節(jié)油率大約為4.8%；在郊區(qū)循環(huán)中，不管是在25 ℃還是-7 ℃環(huán)境下，搭載EHRS裝置幾乎沒有節(jié)油效果；在總循環(huán)中，搭載EHRS裝置的樣車比未搭載EHRS裝置的樣車節(jié)油，其中在25 ℃環(huán)境下節(jié)油率大約為1.9%，而在-7 ℃環(huán)境下節(jié)油率大約為2.8%。由此可見，EHRS裝置能夠使車輛省油，但是整個NEDC循環(huán)下的節(jié)油效應(yīng)幾乎都是由城市循環(huán)貢獻(xiàn)的，且環(huán)境溫度越低節(jié)油效果越明顯。這是因為試驗中EHRS余熱回收模式閥門控制溫度設(shè)定為發(fā)動機正常工作溫度85 ℃，試驗樣車在城市循環(huán)下需要經(jīng)歷冷起動過程。

從圖5可以看出：在25 ℃的城市循環(huán)工況下，搭載EHRS裝置的樣車?yán)鋮s液溫度比未搭載EHRS裝置的樣車?yán)鋮s液溫度提前100 s左右達(dá)到85 ℃；而在-7 ℃的城市循環(huán)工況下，搭載EHRS的樣車?yán)鋮s液溫度比未搭載EHRS的樣車?yán)鋮s液溫度提前200 s左右達(dá)到85 ℃，在這種情況下EHRS裝置進(jìn)入余熱回收模式，使得冷卻液溫度迅速提高，縮短了發(fā)動機的暖機時間，從而降低了整車的油耗，且環(huán)境溫度越低縮短暖機時間的效果越明顯。在郊區(qū)循環(huán)工況下，由于冷卻液溫度處于發(fā)動機正常工作溫度范圍內(nèi)，故此過程中EHRS裝置不起作用。除此之外，整車的油耗還與試驗工況有關(guān)系，顯然城市循環(huán)比郊區(qū)循環(huán)運行工況更復(fù)雜且車輛行駛速度更低，從而造成發(fā)動機的負(fù)荷率更低，燃油消耗率更高，油耗更大[16]。

圖4 不同溫度冷起動NEDC循環(huán)下整車油耗

圖5 不同溫度冷起動NEDC循環(huán)下冷卻液溫度

3.2 EHRS對整車排放的影響

環(huán)境溫度越低，車輛冷起動經(jīng)歷的時間越長，尾氣排放越惡劣。為了得到更佳的試驗效果，研究冷起動NEDC(-7 ℃)循環(huán)下EHRS裝置對整車排放的影響。測試得到的樣車整個NEDC循環(huán)下廢氣中HC，CO，NOx排放見圖6。

圖6 冷起動(-7 ℃)NEDC循環(huán)下整車排放

從圖6的HC排放體積分?jǐn)?shù)可以看出：第一個城市循環(huán)工況下，HC排放體積分?jǐn)?shù)在冷起動后大概20 s迅速達(dá)到最大，約670×10-6，后又迅速衰減，且搭載EHRS樣車的HC排放始終低于未搭載EHRS裝置樣車的HC排放。在冷起動后140 s，兩者出現(xiàn)最大濃度差，約為70×10-6，在后續(xù)循環(huán)工況中，HC排放略有波動，但始終保持在一個很低的水平。這是因為：在NEDC冷起動過程中，靠近壁面的氣體受壁面低溫的影響，使氣缸壁面形成不燃燒或是不完全燃燒的火焰淬熄層，從而產(chǎn)生大量的HC；另外在冷起動過程中，混合氣的濃度相較于其他過程更濃，而燃燒室溫度卻很低，燃料不易蒸發(fā)，從而使混合氣燃燒不完全，也導(dǎo)致HC排放急劇增加。這與文獻(xiàn)[17-18]一致。另外，整個NEDC測試循環(huán)過程中車輛會經(jīng)歷加速、勻速、減速、怠速4種不同的工況，這就造成了HC排放的波動。而EHRS裝置在車輛冷起動過程中可以將回收的尾氣余熱以冷卻液熱量的形式重新帶回到發(fā)動機內(nèi)，迅速提高冷卻液溫度，進(jìn)而提高壁面溫度，改善燃燒環(huán)境，降低HC排放。

從圖6的CO排放曲線可以看出：與HC排放趨勢類似，CO排放在第一個城市循環(huán)工況下波動比較大，且大約在冷起動后30 s，搭載EHRS裝置樣車與未搭載EHRS裝置樣車的CO排放體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到各自的最大值，約為1 000×10-6和1 650×10-6，此刻兩者的差值也最大，為650×10-6。在后續(xù)的循環(huán)工況過程中，雖然兩條曲線略有重疊，但從總體上看，搭載EHRS裝置樣車的CO排放低于未搭載EHRS裝置樣車的CO排放。這是因為：CO是一種不完全燃燒的產(chǎn)物，它的生成主要受混合氣濃度的影響。在NEDC冷起動過程中，混合氣的濃度相較于其他過程更濃，此時過量空氣系數(shù)φa<1，由于缺少氧氣，燃料中的碳不能完全氧化成CO2，CO作為未燃產(chǎn)物生成[19]。雖然在冷起動過程中EHRS裝置不能改變φa，但是它可以迅速提高冷卻液的溫度，改善氣缸內(nèi)的燃燒環(huán)境，使較濃的混合氣燃燒得更加充分，從而降低CO排放。

從圖6中NOx排放曲線可以看出：搭載EHRS裝置樣車與未搭載EHRS裝置樣車的NOx排放在冷起動后20 s左右分別達(dá)到各自的最大值，約為95×10-6和115×10-6，此刻兩者的差值也最大，為20×10-6。在后續(xù)的循環(huán)工況過程中，NOx排放略有波動，但始終保持在一個很低的水平。這與文獻(xiàn)[20]中提到的NOx主要在高溫富氧環(huán)境下產(chǎn)生的結(jié)論不一致。在此階段產(chǎn)生的NOx可以用Fenimore等提出的激發(fā)NO機理[21]來解釋。該機理指出：首先碳?xì)浠衔镌谌紵辛呀獬鯟H和CH2(見式(1)和式(2))，CH和CH2與N2反應(yīng)，生成HCN和NH等中間產(chǎn)物，HCN和NH進(jìn)一步反應(yīng)生成NO。

(1)

(2)

與高溫環(huán)境下生成的NO相比，激發(fā)NO的生成過程是由一系列活化能不高的反應(yīng)組成，因此不需要很高的溫度就可以進(jìn)行；且激發(fā)NO生成速率主要受混合氣濃度的影響，而車輛冷起動下混合氣的濃度較高，且HC化合物的生成量很大，這就為冷起動過程過生成大量NOx創(chuàng)造了條件。而在車輛冷起動過程中，EHRS裝置可以非常有效地降低HC排放，故間接地降低了NOx排放。

為了更直觀地比較EHRS裝置對整車排放的影響，將試驗樣車NEDC循環(huán)測試數(shù)據(jù)折算為單位里程排放量，結(jié)果見圖7。從圖7可以看出：在冷起動NEDC(25 ℃)工況下，使用EFRS裝置后，HC，CO，NOx的減排量分別約為13.9%，1.9%和0.1%。而在-7 ℃環(huán)境下，HC，CO，NOx的減排量分別約為25.9%，13.9%和18.2%。由此可知：在冷起動工況下，EHRS裝置可以非常有效地改善車輛尾氣排放，且環(huán)境溫度越低，減排效果越明顯。

圖7 不同溫度冷起動NEDC循環(huán)下整車單位里程排放

3.3 EHRS對空調(diào)采暖的影響

對樣車進(jìn)行冷起動(-20 ℃)空調(diào)采暖試驗，為了使試驗盡可能接近車輛實際運行工況下空調(diào)采暖的使用情況，選擇如下試驗工況：在-20 ℃氣候室中，樣車在底盤測功機上先以40 km/h的速度行駛60 min，然后以60 km/h的速度行駛20 min，最后怠速行駛30 min。試驗測得的座艙溫度曲線見圖8。由圖8可知：在有EHRS裝置作用下座艙內(nèi)溫度可以提前13 min左右作用達(dá)到26 ℃，且座艙內(nèi)的平均溫度也升高了10 ℃左右。這是因為試驗中EHRS余熱回收模式閥門控制溫度設(shè)定為發(fā)動機正常工作溫度85 ℃，試驗樣車從-20 ℃進(jìn)行冷起動到達(dá)到發(fā)動機開始暖機的溫度60 ℃，此段過程中冷卻液溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)動機正常工作溫度，在這種情況下有EHRS裝置的冷卻液溫度迅速升高，相較于無EHRS裝置冷卻液溫度可以提前3 min左右達(dá)到60 ℃，這就縮短了發(fā)動機的暖機時間，使發(fā)動機更快地進(jìn)入正常工作溫度狀態(tài)，從而使得座艙內(nèi)溫度相較于無EHRS裝置作用下更快地達(dá)到人適宜溫度26 ℃，且平均溫度提高了約10 ℃。

圖8 座艙溫度曲線

4 結(jié)論

a) 在冷起動NEDC循環(huán)整車油耗試驗中，尤其在車輛冷起動階段，EHRS裝置能使冷卻液溫度迅速提高，縮短了發(fā)動機的暖機時間，從而降低了整車的油耗；整個NEDC循環(huán)下城市循環(huán)的節(jié)油效率最好，且環(huán)境溫度越低節(jié)油效果越明顯；

b) 在冷起動NEDC循環(huán)工況下，EHRS裝置可以將回收的尾氣余熱以冷卻液熱量的形式重新帶回到發(fā)動機，迅速提高冷卻液溫度，進(jìn)而提高壁面溫度，減小壁面淬熄效應(yīng)，改善燃燒環(huán)境，從而降低HC，CO，NOx排放，且環(huán)境溫度越低減排效果越明顯；

c) 在-20 ℃低溫空調(diào)采暖試驗中，使用EHRS裝置能夠迅速提高冷卻液的溫度，加快發(fā)動機的暖機，從而使得乘座艙內(nèi)溫度提前達(dá)到26 ℃，且座艙內(nèi)的平均溫度也升高了10 ℃左右。