雙碳背景下重型商用車能效提升的途徑

◆文/天津 霍永占

中國提出的“雙碳”目標(biāo)正在深刻影響著內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的發(fā)展與變革。車用內(nèi)燃機(jī)作為我國碳排放“大戶”以及交通運輸?shù)闹饕獎恿?，是推動產(chǎn)業(yè)落實“雙碳”目標(biāo)的有力抓手。重型商用車目前面臨即將實施的四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)，目前正在開展商用車雙積分政策的相關(guān)研究，未來提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性仍是降低汽車碳排放的重要方式，著力提升重型商用車的能效是當(dāng)務(wù)之急。

從內(nèi)燃機(jī)的熱平衡考慮，用于動力輸出的機(jī)械功率一般只占燃油燃燒總熱量的30%～45%(柴油機(jī))或20%～30%(汽油機(jī))。以余熱形式釋放到環(huán)境的熱量占燃燒總能量的55%～70%(柴油機(jī))或80%～70%(汽油機(jī))，主要包括缸套冷卻水帶走的熱量和排氣帶走的熱量。開展內(nèi)燃機(jī)余熱能回收利用可以提升內(nèi)燃機(jī)的熱效率，對內(nèi)燃機(jī)功率比油耗的降低作用顯著。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和企業(yè)近年來在內(nèi)燃機(jī)余熱能回收利用方面做了大量卓有成效的工作。內(nèi)燃機(jī)余熱能回收利用主要有以下幾條技術(shù)路線：一是利用熱電模塊熱電材料的塞貝克效應(yīng)直接實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，但是其熱電轉(zhuǎn)換效率較低；二是采用布雷頓循環(huán)的復(fù)合渦輪利用排氣動能發(fā)電或輸出機(jī)械功，但易使得發(fā)動機(jī)排氣背壓增大影響燃燒性能；三是采用有機(jī)朗肯循環(huán)(圖1)，基于朗肯循環(huán)采用有機(jī)工質(zhì)實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)被證明是一種高效率回收余熱的方式，被認(rèn)為是應(yīng)用于重型商用車以期提升燃油經(jīng)濟(jì)性和碳排放的重要技術(shù)路線。

由于需要加置余熱回收系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)重量、布置，系統(tǒng)復(fù)雜性等因素，各大企業(yè)基本不太看好其在輕型車上的應(yīng)用。即使是在重型商用車上布置另外一套加置的余熱回收系統(tǒng)，可利用的空間也十分有限，也面臨著系統(tǒng)集成及與原有熱管理系統(tǒng)、排放控制系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計方面的挑戰(zhàn)。

美國康明斯公司開展了余熱回收系統(tǒng)在重型商用車上的集成設(shè)計與應(yīng)用，協(xié)同考慮了余熱回收系統(tǒng)各部件與原有內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的集成設(shè)計，盡可能地減少系統(tǒng)的空間并考慮其重量的削減，如圖2所示。康明斯的余熱回收系統(tǒng)，基于低全球變暖潛能值GWP和低臭氧破壞潛能值ODP的環(huán)保工作介質(zhì)。從后處理下游的排氣系統(tǒng)和EGR冷卻器回收熱量，并聯(lián)回路回收發(fā)動機(jī)冷卻液和潤滑油的熱量，轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，與發(fā)動機(jī)曲軸以機(jī)械耦合形式輸出功率。余熱回收系統(tǒng)還包含一個回?zé)崞?，用于回收冷凝器前的工質(zhì)的熱量，這樣可以降低冷凝器的熱負(fù)荷和提升系統(tǒng)的熱效率。此余熱回收系統(tǒng)最大可以提升3.6%的發(fā)動機(jī)制動熱效率。

美國博格華納公司使用重型柴油機(jī)開展了基于有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的開發(fā)工作，系統(tǒng)同時回收廢氣和EGR熱量，采用有機(jī)工質(zhì)。系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖3所示，充分考慮了渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、工質(zhì)泵的一體化集成設(shè)計，總重量小于10kg，渦輪機(jī)最大功率為13kW，最大等熵效率為65%。換熱器采用模塊化設(shè)計，依托博格華納先進(jìn)的EGR冷卻器設(shè)計能力，充分考慮布置空間，實現(xiàn)與內(nèi)燃機(jī)的協(xié)同集成設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，排氣換熱器效率高于60%，EGR換熱器效率高于80%。

“雙碳”背景下，動力、能源多元化是大勢所趨，重型商用車面臨日益嚴(yán)苛的油耗和排放法規(guī)，將來還面臨著碳排放和商用車雙積分政策的挑戰(zhàn)。筆者認(rèn)為，在技術(shù)路線選擇上要保持技術(shù)中立，既要在新能源電動化、混合動力方向發(fā)力，也要在內(nèi)燃機(jī)本身熱效率提升上下功夫，內(nèi)燃機(jī)余熱回收技術(shù)尤其是基于有機(jī)朗肯循環(huán)的系統(tǒng)已經(jīng)表現(xiàn)出較為優(yōu)異的性能，高效匹配熱力學(xué)性能、集成優(yōu)化重型商用車空間布置、協(xié)同排氣后處理的設(shè)計，應(yīng)該會成為提升重型商用車能效的關(guān)鍵技術(shù)路徑。