蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳一帆，龍澤鏈，林明松，謝軍，蔣金明

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

汽車發(fā)動機(jī)有接近70%的熱能是以廢熱被直接排放到環(huán)境中，造成了巨大的能源浪費(fèi)和空氣污染，因此，高熱效率和低排放的汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)一直以來都是發(fā)動機(jī)技術(shù)研究的重要方向。理論上通過提高壓縮比、工質(zhì)絕熱指數(shù)、燃燒等容度、燃燒方式、燃料組合等方法可以將汽車發(fā)動機(jī)的熱效率達(dá)到較高的水平，然而受制于材料技術(shù)、工作原理和應(yīng)用環(huán)境等多方面的原因，汽車發(fā)動機(jī)熱效率一直難以獲得較大的突破。

從功能的耗用的角度來說，在燃油車上，傳統(tǒng)的空調(diào)和車載電器以發(fā)動機(jī)為動力源驅(qū)動，這將進(jìn)一步降低的發(fā)動機(jī)的動力輸出性能。劉淼等人[1]以家用橋車為例，測試發(fā)現(xiàn)夏季車載空調(diào)制冷系統(tǒng)最高會占用到10% 耀20%的發(fā)動機(jī)功率。減少發(fā)動機(jī)在非動力方面的能量消耗技術(shù)和提高發(fā)動機(jī)熱效率的技術(shù)，對于汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)有著同樣的意義。為此，穩(wěn)定的汽車余熱能量回收，成為了當(dāng)前發(fā)動機(jī)技術(shù)研究的重要方向。

1 汽車余熱利用技術(shù)

汽車發(fā)動機(jī)中存在余熱利用潛能且較為容易進(jìn)行余熱利用的部件主要有冷卻系統(tǒng)中的高溫冷卻水和尾氣。從能源質(zhì)量的角度來說，高溫冷卻水溫度較低屬于低效余熱熱源、而汽車尾氣溫度較高屬于高效的余熱利用熱源。當(dāng)前汽車主要的余熱利用技術(shù)有：（1）吸收式或吸附式余熱空調(diào)系統(tǒng)；（2）TEG 熱導(dǎo)電技術(shù)；（3）EHRS 熱導(dǎo)熱的技術(shù)；（4）ORC 有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)，通過余熱，利用膨脹機(jī)獲得機(jī)械能等。

1.1 發(fā)動機(jī)余熱驅(qū)動的吸收式制冷系統(tǒng)

余熱驅(qū)動的吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)，主要利用制冷劑的蒸發(fā)吸熱的原理實(shí)現(xiàn)制冷。發(fā)動機(jī)余熱驅(qū)動的吸收式制冷系統(tǒng)，通過余熱驅(qū)動吸收式制冷空調(diào)，減少發(fā)動機(jī)在機(jī)械式空調(diào)系統(tǒng)對功率的損耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的?；谠撛恚筮B理工大學(xué)路明[2]等人利用溴化鋰溶液，通過對車載吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)研究，基于載客量55 人的客車，開發(fā)出余熱驅(qū)動的車載吸收式制冷系統(tǒng)，功率最高可以達(dá)到27 kW，COP 可以達(dá)到0.5548。

1.2 發(fā)動機(jī)余熱驅(qū)動的吸附式制冷系統(tǒng)

吸附式制冷系統(tǒng)是利用某些固體對氣體的釋放與吸附過程中伴隨的吸放熱特性而達(dá)到制冷目的一種制冷方式。發(fā)動機(jī)余熱驅(qū)動的吸附式制冷系統(tǒng)，通過余熱驅(qū)動吸附式制冷空調(diào)，減少發(fā)動機(jī)在機(jī)械式空調(diào)系統(tǒng)對功率的損耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。車載吸收式余熱空調(diào)基本原理是：利用汽車余熱作為吸附式制冷系統(tǒng)的高溫來源，通過吸附床與冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器之間的作用實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)、冷凝、膨脹、蒸發(fā)的功能，完成空調(diào)制冷循環(huán)。基于該原理，田宜聰[3]等人基于柴油機(jī)礦車開發(fā)出功率為3 kW 的吸附式制冷系統(tǒng)，COP 約0.2 耀0.25。

1.3 溫差發(fā)電技術(shù)

TEG 溫差發(fā)電技術(shù)基于塞貝克效應(yīng)，利用由于溫差在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生載流子，從而實(shí)現(xiàn)熱電現(xiàn)象的方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。本田制造的TEG 余熱回收系統(tǒng)，它產(chǎn)生的能量用于給LED 燈組發(fā)電，該系統(tǒng)在兩側(cè)溫差30 益的時候可以達(dá)到20 W 的發(fā)電功率。張帥[4]等人基于溫差發(fā)電技術(shù)獲得輸出功率為37.9 W 的電能。

1.4 發(fā)動機(jī)余熱驅(qū)動的EHRS 熱導(dǎo)熱的技術(shù)

EHRS 熱導(dǎo)熱的技術(shù)，通過余熱加快暖機(jī)速度、穩(wěn)定系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)降低排放及油耗等功能。EHRS 熱導(dǎo)熱的技術(shù)較為簡單，節(jié)能減排效果也比較明顯，但是EHRS 熱導(dǎo)熱的技術(shù)只能改善發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況，不能對熱能進(jìn)行有效回收，這也制約了EHRS 熱導(dǎo)熱的技術(shù)的節(jié)能效益。

1.5 發(fā)動機(jī)余熱驅(qū)動的ORC 有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)

有機(jī)朗肯循環(huán)（OrganicRankineCycle，簡稱ORC）是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)[5，6]。為了研究有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)在發(fā)動機(jī)余熱回收的效率，日本本田和豐田公司、美國康明斯公司都分別針對旗下發(fā)動機(jī)進(jìn)行過有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收改造，發(fā)現(xiàn)余熱回收效果明顯，可以提高4% ～ 10%的余熱回收效率。由于在實(shí)際行駛過程中，汽車會出現(xiàn)頻繁的起停以及怠速等狀態(tài)，汽車發(fā)動機(jī)的工況也隨之變化，從而導(dǎo)致余熱能量波動，從而影響ORC 循環(huán)的正常工作效能，為此，利用ORC 系統(tǒng)對汽車發(fā)動機(jī)余熱能量進(jìn)行回收的應(yīng)用研究當(dāng)前也還處于研究階段。

2 汽車發(fā)動機(jī)余熱特性

2.1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)余熱溫度特性

發(fā)動機(jī)工作過程中約有33%的熱能是通過冷卻系統(tǒng)排出到車外。從發(fā)動機(jī)整個系統(tǒng)來看，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)主作用在于保證發(fā)動機(jī)處于最佳工作溫度范圍內(nèi)。為此，為了保證發(fā)動機(jī)工作在冷啟動前期，冷卻系統(tǒng)主要目的在于保障發(fā)動機(jī)系統(tǒng)溫度快速上升，即小循環(huán)。當(dāng)發(fā)動機(jī)持續(xù)工作過程中，冷卻系統(tǒng)工作的主要作用在于將發(fā)動機(jī)工作過程中產(chǎn)生的余熱排出幾乎，保證發(fā)動機(jī)工作的穩(wěn)定性，即大循環(huán)。為此，在發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作過程中，通常汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)最佳溫度為80 耀120 益，溫度過高或者溫度過低都會影響到發(fā)動機(jī)的工作性能。發(fā)動機(jī)余熱利用需要基于發(fā)動機(jī)最佳工況下開展研究[7]。

影響發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度的影響因素有較多，主要有：（1）環(huán)境溫度；（2）發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)；（3）汽車運(yùn)行工況；（4）供暖系統(tǒng)對于溫度的需求；（5）冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)以及受海拔等影響的空氣密度。為了探索發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的余熱利用，廣大科研工作者采用了實(shí)驗(yàn)分析、CFD 模擬分析和數(shù)值模擬等多種方法開展了研究，其中謝沅沅等人[8]，通過結(jié)合整車風(fēng)洞模型，通過Trim 網(wǎng)格分區(qū)域劃分法生成體的方法結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析，深入研究了發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)余熱溫度的特性。作為余熱利用的熱源，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)余熱利用主要特點(diǎn)有：（1）余熱溫度穩(wěn)定；（2）冷卻水溫可控；（3）熱容量大等優(yōu)點(diǎn)。但是，夏季發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)與環(huán)境溫度的溫差較低通常只有50 耀70 益左右，作為余熱發(fā)電熱源還存在溫度值偏低、流量受發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況影響不穩(wěn)定和溫度和流量受環(huán)境溫度影響較大等問題。因此，長期以來一直沒有在工程上對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)余熱進(jìn)行二次開發(fā)和利用[9]。

2.2 發(fā)動機(jī)尾氣余熱溫度特性

發(fā)動機(jī)尾氣通常在發(fā)動機(jī)工作過程中也會帶走發(fā)動機(jī)約有三分之一的熱能。通常，汽油車發(fā)動機(jī)排氣歧管最高溫度可以達(dá)到700 耀800 益，屬于良好的吸收、吸附式制冷系統(tǒng)和溫差發(fā)電的熱源[10]。

而影響發(fā)動機(jī)尾氣余熱利用的影響因素主要有：（1）尾氣催化處理對于溫度的需求（通常最佳溫度為400 耀800 益）；（2）環(huán)境溫度；（3）發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)和汽車運(yùn)行工況；（4）受海拔等影響的空氣密度；（5）尾氣壓力等。

2.3 汽車發(fā)動機(jī)余熱能量估算

汽車發(fā)動機(jī)的余熱能量的多少，直接影響到汽車發(fā)動機(jī)余熱回收的意義。天津大學(xué)的李廣華、劉子奇[11，12]等人分別對汽車發(fā)動機(jī)尾氣余熱能量進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)2.0 L 的汽車發(fā)動機(jī)尾氣，在不同轉(zhuǎn)速下可以達(dá)到8.5 耀42 kW，尾氣能力利用效率最高超過46%，相當(dāng)于汽油機(jī)輸出功率的35% 耀42.4%，大大超過夏季汽車空調(diào)2 耀4 kW 的功率[13，14]。

3 蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 汽車發(fā)動機(jī)余熱分析

研究汽車發(fā)動機(jī)余熱的基礎(chǔ)在于先了解不同工作狀態(tài)下汽車發(fā)動機(jī)余熱溫度和流量的特點(diǎn)。為此，論文針對某2.0T 內(nèi)燃機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下汽車發(fā)動機(jī)余熱溫度和流量之間的關(guān)系模擬研究結(jié)果進(jìn)行了研究，其基本情況如圖1 所示[12]。發(fā)動機(jī)尾氣的溫度差異不大基本處于630 益 耀650 益之間，屬于良好的吸收式空調(diào)溫度工作范圍。而在尾氣流量方面，尾氣流量基本隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低比較難以滿足極端環(huán)境下汽車空調(diào)的需求。

圖1 不同轉(zhuǎn)速下汽車發(fā)動機(jī)尾氣余熱溫度和流量之間關(guān)系圖

3.2 蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)原理

吸收式制冷系統(tǒng)主要由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、工作介質(zhì)、循環(huán)泵、節(jié)流閥等部件組成。其中，工作介質(zhì)包括制取冷量的制冷劑和吸收、解吸制冷劑的吸收劑，二者組成工質(zhì)對，以溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)為例，工作介質(zhì)為溴化鋰溶液。通過水在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)過程吸收大量的熱能實(shí)現(xiàn)制冷的目的，而水蒸發(fā)后由溴化鋰濃溶液吸收獲得溴化鋰稀溶液。溴化鋰稀溶液在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)后獲得溴化鋰濃溶液和水，實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的目的[11-15]。

3.3 基于吸收式制冷原理的蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)設(shè)計(jì)

相對于普通的吸收式制冷系統(tǒng)，蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)主要在吸收器前端安裝兩個蓄能器，分別儲存制冷吸收劑和冷劑。蓄能器的作用是，當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)功率較大時，將多余的制冷吸收劑和冷劑儲存起來，當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)功率較小時，通過蓄能器補(bǔ)充吸收劑和冷劑。

從熱源的角度來說，汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)有3個部分的余熱：發(fā)動機(jī)冷卻液、發(fā)動機(jī)尾氣以及余熱空調(diào)蒸發(fā)器后高溫溶液。以溴化鋰吸收式汽車發(fā)動機(jī)預(yù)熱空調(diào)為例設(shè)計(jì)出的兩效蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)啟動后，發(fā)動機(jī)高溫冷卻液和溴化鋰稀溶液流入換熱器1進(jìn)行換熱。加熱后的溴化鋰稀溶液在蒸發(fā)器2 內(nèi)進(jìn)行初次蒸發(fā)，初次蒸發(fā)后的水蒸氣流入收集器5。初次蒸發(fā)后的溴化鋰稀溶液進(jìn)入尾氣換熱器4 進(jìn)行加熱，然后流入蒸發(fā)器3 進(jìn)行二次蒸發(fā)，二次蒸發(fā)后的水蒸氣與一次蒸發(fā)后的水蒸氣從收集器5 內(nèi)流入散熱器6，冷卻成水后流入蓄能器7。而二次蒸發(fā)后的濃溴化鋰溶液則經(jīng)散熱器6 冷卻后流入蓄能器8。空調(diào)系統(tǒng)啟動后蓄能器7 和8 內(nèi)的溴化鋰濃溶液和水流入蒸發(fā)器9 進(jìn)行制冷。吸收器內(nèi)的溴化鋰稀溶液則通過換熱器11 流入換熱器1，完成制冷循環(huán)。換熱器11 內(nèi)，通過對蒸發(fā)器3 后流出的溴化鋰濃溶液進(jìn)行降溫，同時提高吸收器后溴化鋰稀溶液的溫度，進(jìn)行熱能二次利用，換熱器1 內(nèi)的發(fā)動機(jī)冷卻液則通過散熱器散熱后進(jìn)行冷卻循環(huán)。

圖2 蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)原理圖

3.4 蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)性能對比

汽車發(fā)動機(jī)余熱約占汽車發(fā)動機(jī)燃油熱量的60% 耀70%。其中發(fā)動機(jī)尾氣熱量約占發(fā)動機(jī)工作熱量30%左右，溫度約90 益屬于中低品位的熱源。其中，發(fā)動機(jī)燃油熱量的15% 耀30%由發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)帶走，溫度處于630 耀650 益之間屬于高品位余熱熱源?？紤]到汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度，而發(fā)動機(jī)尾氣的，再加上余熱熱源的不穩(wěn)定性，帶來了余熱回收系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定性，通常研究的發(fā)動機(jī)余熱系統(tǒng)只采用其中一種熱源作為余熱回收熱源，效率較低、效果較差，較難實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

為此，蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的余熱空調(diào)系統(tǒng)對比如圖3 所示，通過利用低品位的熱源和高品位熱源的梯級利用，主要有以下3 點(diǎn)優(yōu)勢：（1）通過能量梯級利用實(shí)現(xiàn)余熱利用的高效率；（2）通過蓄能器實(shí)現(xiàn)制冷效能的穩(wěn)定性；（3）高溫?zé)嵩礊楹蠹墴嵩矗阌诙嘈в酂峄厥盏膶?shí)現(xiàn)，提高能源的利用效率。

圖3 發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)特征對比圖

3.5 蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)效益評價

盡管汽車發(fā)動機(jī)有充足的余熱，可以滿足汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷的需求，然而在實(shí)際工作過程中，由于汽車發(fā)動機(jī)工作的狀態(tài)并不恒定不變，汽車空調(diào)系統(tǒng)功率需求卻較為恒定，這成為了汽車發(fā)動機(jī)余熱回收制冷的主要困難。此外，由于吸收式制冷系統(tǒng)的體積較大、質(zhì)量較重也直接影響到余熱回收系統(tǒng)的使用。為此，通過蓄能器進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)行吸收式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)的方法來實(shí)現(xiàn)對汽車余熱進(jìn)行回收的方案，相對于傳統(tǒng)的吸收式余熱空調(diào)系統(tǒng)，蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)主要具有以下2個優(yōu)點(diǎn)：（1）余熱回收效率高，通過發(fā)生器中的高溫濃溴化鋰溶液和高溫汽車發(fā)動機(jī)冷卻液二次加熱后的溴化鋰溶液再由發(fā)動機(jī)尾氣換熱器加熱，余熱回收效率大于發(fā)動機(jī)尾氣加熱回收效率。（2）空調(diào)系統(tǒng)工作不受發(fā)動機(jī)工況影響，更有利實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)推廣。

4 結(jié)語

盡管當(dāng)前余熱利用技術(shù)得到了較快的發(fā)展，且汽車發(fā)動機(jī)余熱豐富，由于汽車工況的復(fù)雜性和質(zhì)量等原因，當(dāng)前尚無較好的汽車發(fā)動機(jī)余熱利用技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐，這對于汽車技術(shù)發(fā)展、節(jié)能減排等都具有較大的負(fù)面的影響。

通過對汽車發(fā)動機(jī)余熱利用技術(shù)、汽車發(fā)動機(jī)余熱特性進(jìn)行分析后，設(shè)計(jì)出一種蓄能式汽車發(fā)動機(jī)余熱空調(diào)系統(tǒng)，具有余熱回收效率高、高空調(diào)系統(tǒng)工作不受發(fā)動機(jī)工況影響、容易跟實(shí)際工程應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)能在保證汽車發(fā)動機(jī)正常工作的前提下，能有效利用發(fā)動機(jī)的余熱，提高發(fā)動機(jī)熱效率，穩(wěn)定的為汽車提供穩(wěn)定的制冷效能，不僅有利于余熱利用技術(shù)的發(fā)展更有利于汽車發(fā)動機(jī)熱效率的提升，對于節(jié)能減排也具有非常重要的意義。