車輛發(fā)動機尾氣余熱回收利用技術探討

李昌亭 白帆 趙海龍

摘? 要：隨著中國經(jīng)濟快速發(fā)展，國內(nèi)機動車數(shù)量急劇增加，隨之而來的是能源緊缺和環(huán)境污染問題，本文從車輛發(fā)動機尾氣回收利用技術的角度進行論述，對熱電轉化和有機朗肯循環(huán)兩種技術手段的原理與特點進行了分析，最后闡述了余熱回收利用技術在車輛領域將有很廣闊的發(fā)展空間，將會給科技進步帶來革命性的進展。

關鍵詞：車輛工程;發(fā)動機;尾氣;余熱利用

引言

隨著中國經(jīng)濟不斷發(fā)展，人民生活水平和生活質(zhì)量日益提高，車輛工程領域迅速崛起，截止到2019年上半年，全國機動車保有量達3.4億輛，成為世界上最大的機動車生產(chǎn)與消費國。國內(nèi)機動車數(shù)量如此龐大，一方面反映了國內(nèi)生產(chǎn)制造技術的飛速提高，另一方面也致使了能源緊缺和環(huán)境污染等一系列問題。相關研究表明，對于效率較高的柴油機，燃料燃燒后僅有約42%的有效功輸出，其它的能量以熱的形式損失，其中柴油機運轉過程中摩擦損失約占8%，通過冷卻系統(tǒng)的傳熱損失約占25%，通過車輛尾氣帶走的排氣損失約占25%，如圖1所示。在發(fā)動機進排氣系統(tǒng)中，當發(fā)動機氣缸做功完成后，需將廢氣排出，此時殘余廢氣的溫度約在700-900℃[1]。

由此可見，在柴油機排出的廢氣中蘊藏著很大部分的熱量，如果應用相關的技術對廢氣中的熱量進行回收利用，將極大的提高機動車的動力性能和燃油經(jīng)濟性能，不僅可以解決能源緊缺問題，還會為社會帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。

1 余熱回收利用技術

根據(jù)目前國內(nèi)外相關研究進展，在機動車發(fā)動機上應用余熱回收利用的技術主要有兩種，一是利用熱電轉化（簡稱TEG）技術;二是利用有機朗肯循環(huán)技術（簡稱ORC）。

1.1 熱電轉化技術

熱電轉化技術的原理非常簡單，應用的是塞貝克效應溫差發(fā)電，如圖2所示，在半導體的上下兩端溫度不同，會產(chǎn)生溫度差，進而在兩端產(chǎn)生電壓[2]。

圖2? 溫差發(fā)電原理圖

溫差發(fā)電的概念早在20世紀60年代就已經(jīng)被提出，限于當時技術水平，溫差發(fā)電裝置的熱電轉化效率非常低，主要體現(xiàn)在溫差發(fā)電的材料選擇和研制。隨著科學技術水平的不斷提高，迫于環(huán)境保護、能源緊缺和經(jīng)濟效益的需要，各國政府和公司對熱電轉化技術投入越來越多的金錢和精力，但由于熱電轉化技術成本昂貴，以及轉化效率較低，仍未被廣泛使用。如圖3所示，是本田公司利用熱電轉化技術研發(fā)的發(fā)動機余熱回收利用系統(tǒng)，可以為車輛的LED燈組發(fā)電，當兩側溫差達30℃的時候，可以為車輛提供20W的功率。

目前，熱電轉化技術還可以與熱管進行結合使用，可以在一定程度上提高熱電轉化的效率。當熱管兩端溫差達20℃時，發(fā)電功率可以達到28W。雖然目前熱電轉化效率相比于起步時有了很大提高，但仍然達不到廠商以及用戶的要求，因此大部分熱電轉化技術仍在實驗室中進行研制開發(fā)。

1.2 有機朗肯循環(huán)

顧名思義，朗肯循環(huán)的工質(zhì)為有機物，稱之為有機朗肯循環(huán)。有機朗肯循環(huán)是目前余熱回收利用技術中轉換效率最高的一種手段，被人們期望于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用[3]。

有機朗肯循環(huán)的工作原理如圖4所示，吸收余熱的工作介質(zhì)為低沸點的有機物（如氯乙烷等），吸熱后的低沸點有機物蒸發(fā)氣化，進入膨脹機做功，輸出的機械功可以驅動發(fā)電機發(fā)電，也可將機械功疊加到發(fā)動機曲軸上，增加機動車的機動性能和燃料經(jīng)濟性能。

有機朗肯循環(huán)技術最早應用在廢熱發(fā)電領域，隨著能源緊缺和環(huán)境污染等突出問題的出現(xiàn)，該技術逐步在車輛領域進行研發(fā)，可以作為提高車輛發(fā)動機效率的重要手段。目前，中國、美國以及一些歐洲國家都對該技術進行了廣泛的研究與論證，同時擁有很多在研項目。由于該技術工質(zhì)為有機物，密度比水大，所有該技術的相應裝置體積相對較小。但車用有機朗肯循環(huán)技術仍然存在很多技術難題，比如發(fā)動機的排氣溫度是不斷變化的，通常在200-900℃范圍內(nèi)，同時發(fā)動機冷卻液的溫度要求在96-100℃之間，所有選用什么樣的工質(zhì)對該技術的發(fā)展具有非常重要的作用。

在美國，以能源部為首開展了很多超級商用車項目，其中Cummins、Diamler、Volvo及Navistar四家商用車公司，為了提高柴油機有效熱效率，都選擇了有機朗肯循環(huán)的余熱回收利用技術。據(jù)資料顯示，Cummins公司通過該技術的研發(fā)，可以將柴油機原有效率相對提高7.4%，研究成果非常顯著。

2 兩種技術對比分析

目前，關于車輛發(fā)動機尾氣余熱回收利用的技術主要是基于熱電轉化和有機朗肯循環(huán)兩種原理。這兩種技術各有優(yōu)缺點，其中熱電轉化技術在車輛應用方向，不要求車輛具有很大的安裝空間，對于車輛的結構空間要求較低，同時系統(tǒng)原理簡單，具有非常大的應用前景，但是該技術受限于轉化材料的選擇，所以轉化材料一直是制約熱電轉化技術發(fā)展的關鍵難點。另外，該技術目前成本昂貴，轉化效率低，仍然存在著很大的發(fā)展和研制空間。

有機朗肯循環(huán)技術，目前在車輛領域應用最為廣泛，因為該技術的余熱回收利用效率最高，且有很大的產(chǎn)業(yè)化前景。但是，該技術應用同樣存在幾個主要限制：一是成本限制;二是對排氣溫度有一定要求;三是對車輛布置空間有一定要求。所以，該技術如果要有所發(fā)展，就必須逐步克服這幾個限制條件，才有可能被產(chǎn)業(yè)化應用。

3 結論及展望

本文對余熱回收利用技術應用背景進行論述，主要針對兩種技術手段展開探討，分析了熱電轉化技術和有機朗肯循環(huán)技術的工作原理、應用特點以及制約其發(fā)展的因素。通過本文的論述，對余熱回收利用技術的應用前景進行展望。

在車輛發(fā)動機尾氣系統(tǒng)中應用余熱回收利用技術，可以很大程度的提高車輛的機動性能和燃料經(jīng)濟性能。通過研究車輛發(fā)動機尾氣余熱回收利用技術，可以在車輛上進行應用的方面主要有：

1、在寒區(qū)冬季條件下，利用車輛發(fā)動機尾氣余熱回收利用技術，對發(fā)動機動力艙或者發(fā)動機進行保溫，能夠極大的提高車輛在低溫條件下的冷啟動性能，尤其對于在寒區(qū)冬季條件下的重型車輛尤為重要。

2、利用車輛發(fā)動機尾氣余熱回收利用技術，為車輛蓄電池進行充電，也可作為車輛的輔助電源為其它需要供電的裝置供電，可在一定程度上提高車輛的續(xù)航能力。

3、利用車輛發(fā)動機尾氣余熱回收利用技術，可提高發(fā)動機的有效功率輸出，將輸出功率疊加到曲軸上，將會在一定程度上提高車輛的機動性能。

關于車輛發(fā)動機尾氣余熱回收利用技術，目前各國仍在研究階段，雖然該技術距離成熟應用還有很大的進步空間，但是該技術在成熟應用后，將會給社會帶來巨大的變革。

參考文獻

[1]? 王錦艷，陳龍華，李波等.基于排氣余熱回收技術的整車性能優(yōu)化[J].汽車實用技術，2017，（21）78-81.

[2]? 靳鵬.汽車尾氣熱電發(fā)電技術研究及應用仿真[D].吉林：吉林工業(yè)大學，2011.

[3]? 趙剛，李富或，朱建良.汽車尾氣余熱發(fā)電的原理與實現(xiàn)[J].信息技術，2005，10：107—108.