主動排氣余熱回收系統(tǒng)解決方案

J.STANAVICH R.BELLARD B.KUNKEL

隨著溫室氣體法規(guī)持續(xù)收緊，出現(xiàn)了很多改善發(fā)動機(jī)效率的方案，其中包括廢氣余熱回收。冷起動時，發(fā)動機(jī)催化器下游的廢氣通過旁通閥導(dǎo)入熱交換器中，將其熱量傳遞給冷卻液以加速發(fā)動機(jī)暖機(jī)。這種方式有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括減少燃油消耗，隨溫度升高可提高發(fā)動機(jī)效率。此外，這種方式在較冷氣候條件下具有更大優(yōu)勢，能夠加速擋風(fēng)玻璃除霜，提高安全性和舒適性，特別是結(jié)合混合動力模式需求發(fā)動機(jī)單獨(dú)對車廂加熱時。這類產(chǎn)品推向市場已經(jīng)若干年，但是產(chǎn)品體積大、質(zhì)量大、價格昂貴，這些情況為有競爭力的替代產(chǎn)品留出了發(fā)展機(jī)會?？蛻粝Ｍ惶珡?fù)雜的設(shè)計就可減少外形尺寸、質(zhì)量和零件數(shù)量（即成本），同時保持或改善性能，包括集成1個主動式旁通控制閥。重點(diǎn)介紹了1種排氣余熱回收系統(tǒng)設(shè)計，包括與商用產(chǎn)品的對標(biāo)，通過建模、臺架和車輛測試等各方面進(jìn)行性能對比。此外，還關(guān)注了性能提高，得到1種輕量化、易于包裝、并且包含組件數(shù)量顯著降低的產(chǎn)品。應(yīng)用閥和執(zhí)行器均具有幾十年的主動和被動式排氣閥商業(yè)化經(jīng)驗，以確保耐久性并避免異響。因每年有數(shù)百萬個排氣閥使用執(zhí)行器，各種閥門技術(shù)元件的重合也可從供應(yīng)鏈中獲得商業(yè)利益，并正處于不斷改進(jìn)之中。例如，進(jìn)一步減少外形體積和系統(tǒng)成本，特別是在混合動力繼續(xù)加大空間和經(jīng)濟(jì)性限制時。余熱回收;廢氣;混合動力;發(fā)動機(jī)

0 前言

隨著溫室氣體法規(guī)持續(xù)收緊，汽車生產(chǎn)商對各種燃油經(jīng)濟(jì)性改善措施產(chǎn)生了濃厚興趣。由于大量熱量被釋放而不是再利用，廢氣余熱回收被認(rèn)為是效率改善措施的潛在來源。然而，冷起動過程中利用余熱已經(jīng)商業(yè)化，少數(shù)客戶已經(jīng)推出余熱回收系統(tǒng)（EHRS）[1]。將帶有旁通閥的冷卻液熱交換器集成到排氣系統(tǒng)中，以加快發(fā)動機(jī)預(yù)熱，并使其更快有效運(yùn)轉(zhuǎn)，在法定循環(huán)中使燃油經(jīng)濟(jì)性平均提高1%～2%，在冷環(huán)境循環(huán)（FTP20）中效益達(dá)到最高[2]。此外，這些產(chǎn)品不僅提高效率，而且加速除霜和車廂加熱，提高安全性和舒適性。這對混合動力在寒冷氣候下的應(yīng)用特別有利，因為需要運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)為乘客供暖，這樣不僅為乘客帶來舒適感，而且由于發(fā)動機(jī)運(yùn)行時間縮短，在非循環(huán)燃油經(jīng)濟(jì)性方面也有顯著改善。

如圖1所示，市場上的許多EHRS產(chǎn)品由于體積大、質(zhì)量大，但并非最優(yōu)。汽車生產(chǎn)商承認(rèn)緊湊設(shè)計的重要性，但須堅固耐用，無泄漏或噪聲，并且能夠在廣泛的熱邊界和振動頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。主動式閥門控制也很有意義，因為其對所需閥門位置進(jìn)行了必要的控制，而不僅僅依賴于冷卻液溫度。系統(tǒng)質(zhì)量和壓力降必須是最小的，因需要提高效率而不是惡化效率。最后，系統(tǒng)的復(fù)雜性必須最小化，因為保持零件數(shù)量最小化極大地影響了成本。本文提供了1種具有競爭力的高質(zhì)量解決方案。

1 設(shè)計

本研究EHRS包括1臺熱交換器、1個旁通閥和1個執(zhí)行器。熱交換器用于將廢氣熱量傳送到發(fā)動機(jī)冷卻液，旁通閥用于冷起動時將廢氣輸送到熱交換器，執(zhí)行器用于控制閥門位置。圖2給出了1套本研究提出的EHRS的不同部件，以及由沖壓上殼和下殼組成的外殼。熱交換器的大小取決于其效能及特定運(yùn)行條件下所需的傳熱。類似熱交換器，雖然比較大，仍然在廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)中應(yīng)用[3]。當(dāng)旁通閥開啟時，廢氣旁通不經(jīng)熱交換器管路。當(dāng)旁通閥關(guān)閉時，迫使廢氣流進(jìn)入熱交換器，旁通不起作用。旁通閥在2個位置的密封都重要，因為在不需要熱量的條件下將熱量傳遞到發(fā)動機(jī)冷卻液，或者在需要熱量時沒有將熱量潛在優(yōu)勢發(fā)揮最大化都是不可取的。類似閥門包括主動式閥門和被動式閥門，以多種形式商業(yè)化，已經(jīng)向市場投入上百萬臺[4]。閥門需要通過1臺執(zhí)行器進(jìn)行控制，電子執(zhí)行器能實(shí)現(xiàn)自動的主動式控制。這種電子執(zhí)行器是上述商業(yè)化閥門的部分之一。一旦氣缸停缸，將通過主動控制閥門調(diào)諧聲波，并在需要時打開氣流增加功率。對執(zhí)行器的電子器件來說，溫度是1種關(guān)鍵限值。由于排氣系統(tǒng)超出這些限值，如何集成是關(guān)鍵。這3個部件（熱交換器、旁通閥、閥門執(zhí)行器）共同構(gòu)成EHRS，但是熱交換器的大小對系統(tǒng)體積有很大影響，其所需的傳熱性能值得仔細(xì)研究。

熱交換器的大小取決于所需傳熱量，因此更多的傳熱量通常需要更大的體積。假設(shè)熱交換設(shè)計方法一致，如外殼、管路或平板。采用更小體積傳遞更多熱量一直是關(guān)注熱點(diǎn)，但是必須與2種流體的壓降相平衡。傳熱量取決于廢氣流量和溫度，這些高度依賴于工作循環(huán)，即車輛和發(fā)動機(jī)如何運(yùn)行。采用1輛豐田普銳斯測量循環(huán)和非循環(huán)下的進(jìn)氣質(zhì)量流量，輸出值如圖3所示，近似于廢氣流量。FTP20結(jié)果表明，95%時間質(zhì)量流量小于54 kg/h，盡管非循環(huán)結(jié)果幾乎增加了1倍，但數(shù)值仍相對較低。這些測量的質(zhì)量流量條件通過限制其預(yù)期運(yùn)行范圍限制了EHRS的預(yù)期使用，并且通過目標(biāo)尺寸來控制靈敏度。

EHRS應(yīng)用定位于使設(shè)備最大限度提高熱回收潛力，而不會對排放產(chǎn)生不利影響，比較適合置于催化器和顆粒捕集器的下游，及各聲學(xué)裝置的上游。設(shè)備大小適應(yīng)于大約300 hp①發(fā)動機(jī)，預(yù)計會在混合動力乘用車上應(yīng)用，這類車型將成為未來最大汽車市場[5]。熱交換器位于旁通閥管旁，保持較低輪廓，以使安置考慮閥門位置，廢氣可向下游流動，同時保持壓力降最低。試驗將執(zhí)行器連接到系統(tǒng)旁的閥軸上，熱交換器放置在頂部，執(zhí)行器放置在側(cè)面，這是因為如果執(zhí)行器放置在頂部，隨著熱量升高，更易受高溫影響;如果放置于底部，易受路面和石塊沖擊。旁通閥布置方式可使熱交換器旁通時，氣流直接通過，以盡量減少壓力降?？紤]到大多數(shù)時間旁通，僅在冷起動階段旁通閥發(fā)生動作。冷起動過程并不須關(guān)注背壓，因為發(fā)動機(jī)并不常處于高速和高負(fù)荷狀態(tài)。盡管如此，背壓也不宜過高。如果發(fā)動機(jī)在冷起動過程中偶爾有高負(fù)荷需求，主動閥將提供1種調(diào)節(jié)手段。

系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致成本增加，零件數(shù)量通常表明系統(tǒng)的復(fù)雜性。集成多功能組件有助于減少零件數(shù)量。簡單的設(shè)計和較少的組件能減少制造誤差，提供更具魯棒性的過程[6-7]。在設(shè)計中必須考慮到確保連接部位的可接近性，通過與其他對標(biāo)產(chǎn)品對比零件數(shù)量，顯示出產(chǎn)品的設(shè)計簡單性和和低成本潛力。圖4顯示，本研究提出EHRS總成和外形尺寸，并與對標(biāo)產(chǎn)品比較體積、質(zhì)量和零件數(shù)量。本產(chǎn)品體積均小于對標(biāo)產(chǎn)品，除了采用被動式執(zhí)行器而不是電子執(zhí)行器的對標(biāo)產(chǎn)品。本產(chǎn)品質(zhì)量比對標(biāo)產(chǎn)品降低超過25%，所有測量均不包括冷卻液和進(jìn)出口冷卻管路。同樣，本產(chǎn)品零件數(shù)量也比零件最少的對標(biāo)產(chǎn)品少25%，比零件最多的對標(biāo)產(chǎn)品少40%。將零部件設(shè)計納入排氣制造規(guī)范內(nèi)也是很有幫助的。使用鈑金沖壓件，以及包括熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）和激光焊在內(nèi)的焊接方式，實(shí)現(xiàn)制造設(shè)備和供應(yīng)商采供網(wǎng)絡(luò)。圖5為普銳斯排氣系統(tǒng)的EHRS，將本產(chǎn)品（圖5（a））與豐田商業(yè)化的基準(zhǔn)設(shè)計（圖5（b））進(jìn)行比較，本產(chǎn)品傳熱性能與基準(zhǔn)相同，但具有明顯的封裝收益。

在冷起動過程中，當(dāng)旁通閥關(guān)閉，熱交換作用時出現(xiàn)熱滲漏是不可接受的。由于減少了熱交換，一部分熱能從關(guān)閉的旁通閥旁散出。在旁通模式時熱滲漏也是不可接受的，因為這會引起發(fā)動機(jī)過熱。這取決于其重要性和工作循環(huán)，如夏季高溫天氣拖車牽引上山。因此，控制冷卻液吸收的熱量非常重要，特別是在旁通模式和極端條件下運(yùn)行時。

提高閥門密封性能的1項重要設(shè)計改進(jìn)工作是利用整體鑄造閥體保持與軸承的同軸度，該同軸度比現(xiàn)有多組件閥門總成同軸度要高（圖6（a））。與一體式鑄造閥體相比，多零件總成連接由于需要較小的組件公差和精密連接方法，導(dǎo)致成本升高。一體式鑄造除了降低零件和制造成本，也具有性能方面的優(yōu)勢。閥體設(shè)計為軸和閥門密封面之間提供更嚴(yán)格的定位公差，從而在旁通閥關(guān)閉時減少排氣滲漏，但不一定無滲漏。限定軸的軸向不重合度也可降低閥門旋轉(zhuǎn)阻力，這既提高噪聲-振動-平順性（NVH）性能，也可降低電子執(zhí)行器停轉(zhuǎn)的可能性。閥門軸承提供磨損保護(hù)，以及在運(yùn)行條件下適當(dāng)保持，從而避免異響，并確定相關(guān)軸承商業(yè)應(yīng)用和性能驗證。

在閥板總成中使用金屬絲網(wǎng)墊，提供經(jīng)濟(jì)的密封性能，并在閥門移動到其開啟和關(guān)閉位置時控制接觸噪聲。金屬絲網(wǎng)墊夾在閥板周圍，用1塊堅硬支撐板鉚接住。當(dāng)確定網(wǎng)格密度時，閥門滲漏率和NVH性能之間出現(xiàn)設(shè)計折中。閥板裝配方法也會影響閥門泄漏。1種常見的閥門構(gòu)造方法是將網(wǎng)組件摩擦焊到堅固的支撐板上。然而，在焊接點(diǎn)位置會出現(xiàn)局部組件變形，這導(dǎo)致鄰近焊接位置的網(wǎng)墊和支撐板之間形成間隙，或者由于形成焊點(diǎn)熔核導(dǎo)致網(wǎng)格密封表面積減少。二次滲漏路徑對整個系統(tǒng)性能的影響大小與焊接位置和數(shù)量相關(guān)。為了消除裝配方法產(chǎn)生的滲漏，開發(fā)了鉚接閥板總成，將網(wǎng)墊固定在支撐板上，且沒有測量到變形或密封表面積減少。網(wǎng)墊采用雙密度設(shè)計，鉚接板下區(qū)域密度更高，以防止壓緊力隨時間變化。

2 分析

了解集成EHRS后的應(yīng)用敏感性及其對收益的影響，有助于說明各種設(shè)計參數(shù)的重要性。車輛建模用于研究不同熱交換器尺寸、熱質(zhì)量、旁通閥滲漏對循環(huán)的影響。車輛建模還可以量化車輛應(yīng)用影響，如發(fā)動機(jī)大小、車輛質(zhì)量如何影響EHRS益處。

研究人員采用0/1D建模軟件GT Suite生成車輛模型，將2016款豐田普銳斯和自身EHRS設(shè)計作為基準(zhǔn)。帶有和不帶有EHRS的FTP20循環(huán)的結(jié)果顯示，帶有EHRS時發(fā)動機(jī)預(yù)熱冷卻液溫度達(dá)到60 ℃的時間有160 s的收益，這時車廂溫度為舒適的20 ℃。圖7為循環(huán)開始600 s內(nèi)的基準(zhǔn)點(diǎn)，并與熱交換器尺寸或者傳熱表面積加減小20%和40%的情況進(jìn)行對比。尺寸減小40%導(dǎo)致加熱時間增加83 s，但在600 s時溫度僅降低4 ℃。圖8為旁通閥滲漏對暖機(jī)性能的影響，包括0%、5%、10%和15%泄漏率。整個范圍內(nèi)熱差異較小，在600 s時低于3 ℃，加熱過程相差30 s。圖9給出了40%變化幅度熱質(zhì)量差異的影響，以模擬EHRS質(zhì)量影響。該差異引起的加熱時間差異小于5 s，且600 s時溫差可忽略。這表明質(zhì)量不是影響暖機(jī)性能的關(guān)鍵因素;另一方面，質(zhì)量仍是影響車輛質(zhì)量的重要因素，能夠影響燃油經(jīng)濟(jì)性。這些差異展示了對性能的影響，但收益重要性仍有待商榷，特別是當(dāng)權(quán)衡其他優(yōu)先事項時，如成本和外形空間。

除了普銳斯（小型車）以外，研究人員對另外3種車輛進(jìn)行建模，以評估車輛大小的影響，其中包括1輛中型車、1輛緊湊型多用途車（CUV）和1輛小型貨車。3種車輛均采用普銳斯基準(zhǔn)EHRS。圖10說明小型車和中型車的表現(xiàn)相似，CUV和小型貨車的預(yù)熱更快。這可能是由于較大的車輛質(zhì)量、更大的發(fā)動機(jī)和更大的風(fēng)阻系數(shù)導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在更大負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)?；谶@些敏感性模型，可減小熱交換器尺寸以改善外形而無顯著性能損失，較大車輛和發(fā)動機(jī)通常無需配備大熱交換器。

同時，本研究致力于了解混合動力運(yùn)行策略對集成EHRS收益的影響。研究人員再次使用GT Suite軟件搭建1臺車輛模型，應(yīng)用中型車輛P0拓?fù)淞炕\(yùn)行策略對發(fā)動機(jī)暖機(jī)時EHRS收益的影響。模型包括1個車輛，該車輛帶有內(nèi)燃機(jī)（排量1.5 L，功率110 kW，渦輪增壓直噴）、變速箱、電機(jī)、可荷電狀態(tài)監(jiān)測的電池，以及斷開發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的離合器。循環(huán)仍選擇FTP20，這是因為在20 °F（華氏溫度）較冷環(huán)境溫度時更激進(jìn)。應(yīng)用2個動力系統(tǒng)運(yùn)行策略，會影響到循環(huán)中的發(fā)動機(jī)起停。1種策略（策略A）允許在預(yù)熱階段使用發(fā)動機(jī)和電機(jī)，減小電池電量。另1種策略（策略B）僅允許預(yù)熱階段使用發(fā)電機(jī)，不使用電機(jī)，增大電池電量。圖11顯示電池在整個循環(huán)過程中的荷電狀態(tài)（SOC），說明預(yù)熱階段消耗（策略A）和存儲（策略B）電功率的影響。圖12說明整個循環(huán)電機(jī)功率響應(yīng)差異，顯示策略A早期使用電池，功率輸出為正。循環(huán)中發(fā)動機(jī)扭矩也說明運(yùn)行策略之間的差異，觀察到策略A在循環(huán)后段需要更多發(fā)動機(jī)操作（圖13）。

圖14總結(jié)了運(yùn)行策略對整個循環(huán)功率來源分布的影響，顯示策略B中僅使用電機(jī)運(yùn)行比僅使用內(nèi)燃機(jī)略少。然而，仔細(xì)觀察循環(huán)最初800 s（圖13）顯示策略B僅使用電機(jī)運(yùn)行要少得多。策略A的百公里燃油消耗為5.21 L，策略B的百公里燃油消耗為5.02 L，顯示出一些運(yùn)行策略敏感度。如圖15所示，無論如何，2種系統(tǒng)均顯示EHRS集成的收益。圖中繪制在循環(huán)過程中2種系統(tǒng)帶有和不帶有EHRS的發(fā)動機(jī)冷卻液溫度。節(jié)溫器在80 ℃時開啟，可作為對比性能的目標(biāo)溫度。在策略A中，EHRS使發(fā)動機(jī)暖機(jī)加快600 s，策略B中暖機(jī)加速300 s。當(dāng)2種系統(tǒng)均使用EHRS時，策略A中發(fā)動機(jī)暖機(jī)比策略B快125 s。在不帶有EHRS情況下，兩者之間的差異更大。2種運(yùn)行策略均通過EHRS加快暖機(jī)獲得了收益，但策略A從EHRS獲得的收益肯定比策略B更多，說明了EHRS對運(yùn)行策略的依賴。

3 測試和結(jié)果

研究人員在提出的EHRS及對標(biāo)產(chǎn)品上進(jìn)行了多種測試，在1個流動試驗臺上準(zhǔn)確量化EHRS部件特性，如壓力降和傳熱，分析排氣及發(fā)動機(jī)冷卻液這2種流體的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量和溫度以對比期望值。在有限環(huán)境條件范圍內(nèi)，研究人員在流動試驗臺上評估熱泄漏。圖16顯示了EHRS試驗臺設(shè)置。圖17顯示在350 ℃排氣溫度下EHRS傳熱性能對比。本研究提出EHRS的尺寸按照傳熱量類似于基準(zhǔn)普銳斯EHRS（樣品C）選取，進(jìn)行類似測試到50 kg/h。在較高排氣質(zhì)量流量下，實(shí)測傳熱減少是由于關(guān)閉的旁通閥周圍出現(xiàn)滲漏。然而，這些滲漏僅出現(xiàn)在高質(zhì)量流速條件下，在FTP20循環(huán)過程中出現(xiàn)時間少于5%。圖18顯示在350 ℃排氣溫度條件下樣品壓力降對比，表明壓力降取決于流量。同樣，超過50 kg/h能夠明顯看到熱滲漏影響。由于提出的EHRS使背壓沒有像其他樣品一樣顯著提高，樣品D表現(xiàn)異常出色，但這是以零件數(shù)量最多的狀態(tài)換來的。

在旁通模式下，系統(tǒng)的熱滲漏和壓力降是最重要的，因為這種模式最常用。圖19對比了旁通模式下的熱滲漏，量化了傳遞到冷卻液的熱量。本研究提出的EHRS最低，通過使用旁通閥板密封熱交換器入口，從而減少傳熱。此外，將閥門位置設(shè)計在流動路徑以外，限制流體作用力，從而最小化滲漏可能性。圖20比較了在600 ℃溫度下不同流量不同EHRS系統(tǒng)的背壓，表明了本研究提出的EHRS具有極低值，這是因為研究人員特意設(shè)計為氣流直接通過而沒有節(jié)流以最小化背壓。

在法定和非法定工作循環(huán)條件下，研究人員應(yīng)用車輛以測量發(fā)動機(jī)暖機(jī)響應(yīng)、車廂加熱和除霜定時，以及燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)FPT20進(jìn)行了2個在線循環(huán)排放試驗，以及車輛除霜測試。首先，研究人員3次測試帶有原廠EHRS的2016款豐田普銳斯，結(jié)果油耗平均值為46 mile/gal。隨后，禁用EHRS（旁通）用來驗證其在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的影響，油耗降低到42 mile/gal，證明原廠EHRS帶來10%左右的收益（表1）。安裝本研究提出的EHRS，取代OEM系統(tǒng)，并再次完成3次測試，結(jié)果油耗平均值為53 mile/gal。在禁用EHRS條件下重新進(jìn)行基準(zhǔn)車輛測試，結(jié)果燃油耗為45.5 mile/gal，顯示本研究提出的EHRS燃油經(jīng)濟(jì)性提高16%。2次車輛測試間隔時間超過了1年。盡管探究了多種可能性，但由于一些不確定因素，車輛燃油經(jīng)濟(jì)性有實(shí)質(zhì)性改善。然而，EHRS的收益是相對明確的，無論熱交換器尺寸、質(zhì)量或結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，燃油經(jīng)濟(jì)性提高10%以上。

4 結(jié)論

本文提出了優(yōu)化后的EHRS系統(tǒng)，并與已經(jīng)投放市場的其他產(chǎn)品進(jìn)行了若干特性的對比，驗證了整體性能改進(jìn)。研究人員完成對標(biāo)以量化當(dāng)前產(chǎn)品，并提取客戶反饋以確定設(shè)計約束優(yōu)先級，對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進(jìn)行量化分析并通過部件試驗臺和整車測試進(jìn)行確認(rèn)。本研究確定系統(tǒng)內(nèi)部件，包括熱交換器、旁通閥和閥門執(zhí)行器，認(rèn)識到復(fù)用的收益并從成功的商業(yè)化產(chǎn)品魯棒性中獲得信心。此外，通過強(qiáng)調(diào)設(shè)計中最小零件數(shù)量降低產(chǎn)品復(fù)雜性，這是成本設(shè)計的關(guān)鍵因素。本文詳細(xì)介紹和展示了1款先進(jìn)產(chǎn)品，與已有系統(tǒng)相比，在豐田普銳斯上更易于封裝。本研究確認(rèn)了系統(tǒng)收益，包括加速車廂加熱和除霜，以及加速發(fā)動機(jī)暖機(jī)，從而獲得實(shí)測油耗降低。

本研究建議對EHRS系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計，提出更緊湊的封裝、改善換熱效率，從而進(jìn)一步減少外形尺寸。微通道熱交換器可顯著減少體積，但成本暫時沒有競爭力，因為其制造過程需要蝕刻和擴(kuò)散粘結(jié)或3D打印。閥門密封也必須經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，將排氣滲漏減少到可忽略的數(shù)量級，增加啟用時傳遞熱量，減少旁通時的熱滲漏。研究考慮改善滲漏的成本與收益，權(quán)衡NVH等其他性能，考慮替代材料和規(guī)格優(yōu)化等。

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