混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術集成探討

摘要：隨著節(jié)能減排要求的不斷提高，混合動力汽車憑借優(yōu)異的燃油經(jīng)濟性逐漸普及，但發(fā)動機散熱造成的大量熱能無法利用，存在著能源浪費問題。針對混合動力汽車發(fā)動機熱能再生及廢熱利用技術進行了系統(tǒng)研究：首先分析了混合動力汽車熱管理的重要性，概述了熱再生和廢熱利用技術路線；其次詳細分析了混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術集成路徑。該研究為混合動力汽車提高能源利用效率、降低燃料消耗提供了一定的技術支持和理論指導。

關鍵詞：混合動力汽車；發(fā)動機熱再生；廢熱利用；技術集成

中圖分類號：U464收稿日期：2024-10-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.024

1前言

混合動力汽車因其集發(fā)動機和電力驅動于一體的特點，不僅可以有效提高能源利用效率，降低燃料消耗和排放，而且可以為熱能再生和廢熱利用提供了新的機遇[1]。傳統(tǒng)汽車中，發(fā)動機熱能以廢熱形式排放，造成巨大的能源浪費和溫室氣體排放，相較而言，混合動力車輛在保證動力性的同時，發(fā)動機工作時長和負荷發(fā)生了較大變化，同時產生了復雜多變的溫度場和熱流，并伴隨著不同時間尺度和溫度等級的廢熱能量。

因此，對混合動力車輛發(fā)動機熱能進行有效利用具有重要意義，通過對廢熱能量的高效再生和利用，可大幅提升系統(tǒng)熱效率和整車能源利用率，從而進一步優(yōu)化燃油經(jīng)濟性和減少排放，實現(xiàn)節(jié)能減排目標。

本文圍繞發(fā)動機散熱熱量再生利用展開研究，系統(tǒng)地闡述各類熱再生及廢熱利用技術的原理、特點及適用性，以期為混合動力汽車熱能綜合利用提供技術參考。

2混合動力汽車熱管理的重要性

混合動力汽車作為一種集內燃機和電動機于一體的復合動力系統(tǒng)，其熱管理的效率和效果對于整車性能、能效以及乘員舒適性具有非常重要的影響。良好的熱管理系統(tǒng)能夠確保發(fā)動機和電池組在最佳的溫度范圍內工作，從而提高能源利用效率，延長部件壽命，并保證駕駛安全。

在混合動力汽車中，熱管理不僅關乎動力系統(tǒng)的效率，還直接影響到乘客的舒適性。車輛內部的溫度調節(jié)需要依賴于有效的熱管理系統(tǒng)，包括適當?shù)目照{和加熱系統(tǒng)來處理由電池和電機產生的多余熱量[2]。例如，通過使用集成熱管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可以將電池產生的熱量回收利用來為車內加熱提供熱源，從而減少能源消耗。系統(tǒng)的過熱還可能導致安全風險，特別是電池組如果因散熱不良而過熱，可能會引起熱失控，因此，發(fā)展高效的熱管理技術不僅可以提升車輛的經(jīng)濟性和環(huán)保性，還直接關系到乘客的安全和舒適體驗。

總之，混合動力汽車的熱管理系統(tǒng)是提升車輛性能、增加駕駛范圍、提升乘客舒適和保障行車安全的關鍵技術。隨著技術的進步和新材料的應用，未來混合動力汽車的熱管理系統(tǒng)將更加高效和智能，以適應更廣泛的環(huán)境變化和更嚴苛的性能要求。

3混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術

混合動力汽車在提升能效和降低排放方面具有顯著的優(yōu)勢，其發(fā)動機熱再生和廢熱利用技術是實現(xiàn)這些優(yōu)勢的關鍵技術之一，高效地回收和利用發(fā)動機及排氣系統(tǒng)中的廢熱可以提升燃油經(jīng)濟性，還能增加整車的動力性能。

在混合動力汽車中，發(fā)動機熱再生技術主要集中在通過捕獲發(fā)動機產生的廢熱并轉換為有用能量的策略上[3]。一種常見的方法是使用熱電發(fā)生器（TEG），它能夠將發(fā)動機排放的熱能轉換成電能。熱電發(fā)生器通常安裝在排氣系統(tǒng)中，利用溫差電效應將排氣熱能直接轉換為電能，這種電能可以用于電池充電或供應車輛的電子系統(tǒng)。研究人員還可以通過改進冷卻系統(tǒng)設計，使冷卻液在通過發(fā)動機時回收更多的熱能。例如，采用高效率的熱交換器和調節(jié)冷卻液流速的控制系統(tǒng)，可以最大化地從發(fā)動機吸收熱量，并將此熱量用于加熱車內或預熱發(fā)動機，從而提高發(fā)動機啟動時的效率和降低排放。這些技術的應用不僅提高了能源的綜合利用效率，還有助于降低因溫度變化導致的機械磨損。

混合動力汽車的廢熱利用技術不僅限于電能的回收，還包括使用廢熱為車輛系統(tǒng)提供熱能，特別是在冷氣候條件下的應用，研究人員通過安裝廢熱回收系統(tǒng)，可以將排氣熱通過熱交換器傳遞給冷卻液或空調系統(tǒng)的制熱循環(huán)，這可以提高空調的熱泵效率，減少對電池的依賴，提高乘客舒適度和減少能源消耗[4]。更先進的廢熱利用系統(tǒng)甚至可以將這些廢熱轉換為機械能或化學能，如通過有機朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)。ORC系統(tǒng)可以將低溫廢熱轉換為高壓蒸汽，驅動渦輪發(fā)電，進一步增強系統(tǒng)的整體能效，這類系統(tǒng)特別適合于長途運輸或重載應用，其中廢熱量大且持續(xù)時間長，能效提升潛力巨大。

混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術是提高車輛能效和環(huán)境可持續(xù)性的重要技術手段，這些技術能有效提升能源的利用率，降低能源消耗，優(yōu)化車輛的環(huán)境性能指標，進一步的研究和技術革新將繼續(xù)推動這些系統(tǒng)的效率和實用性，以適應未來對汽車性能和環(huán)保要求的不斷提升。

4混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術集成路徑

根據(jù)上述分析可知，熱再生及廢熱利用技術憑借其可回收熱源的優(yōu)勢在業(yè)界備受關注。因此，研究制定一條有效的混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術集成路徑，對于推進我國汽車產業(yè)的綠色智能化轉型和可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

4.1工況分析與熱量測算

混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術集成過程中，首要步驟是進行工況分析與熱量測算。這一步驟是基礎且關鍵的，因為它涉及對車輛在不同行駛條件下的熱能特性進行詳細評估，以確保廢熱回收系統(tǒng)設計的適應性和效率。

工況分析：這一階段的目的是全面理解混合動力汽車在實際運行中的各種工況，包括城市行駛、高速行駛和爬坡等不同條件下的行駛模式。通過收集和分析這些數(shù)據(jù)，可以確定發(fā)動機的運行特性，如功率輸出、燃料消耗率和發(fā)動機負荷周期，工況分析還需要包括環(huán)境因素的考慮，如溫度、濕度以及海拔等，這些都會影響發(fā)動機的熱效率和廢熱產生量。例如，高溫環(huán)境或高負荷運行模式下，發(fā)動機產生的廢熱將會增多，對廢熱回收系統(tǒng)的設計提出更高的要求。

在了解了混合動力汽車的各種工況后，下一步是進行熱量測算，這一步驟涉及不同工況下發(fā)動機及其排氣系統(tǒng)產生廢熱總量的計算。熱量測算不僅需要精確的溫度和熱流數(shù)據(jù)，還需考慮發(fā)動機效率和熱損失，通常這一過程會使用熱量傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實時監(jiān)測發(fā)動機和排氣系統(tǒng)的溫度變化，以及通過排氣管的熱流。收集到的數(shù)據(jù)將被用于評估不同工況下的熱能回收潛力，并為后續(xù)的廢熱利用系統(tǒng)設計提供科學依據(jù)。表1簡述了在一次典型的工況分析與熱量測算過程中，不同行駛條件下的發(fā)動機熱輸出和熱回收潛力估計。

工況分析與熱量測算可以為混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供準確的數(shù)據(jù)支持，確保系統(tǒng)的高效性和適應性，這樣的分析不僅有助于研究人員選擇合適的廢熱回收技術，也為后續(xù)的系統(tǒng)集成和實驗驗證提供了基礎。

4.2規(guī)劃熱再生和廢熱利用技術路線

在混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術集成路徑中，繼完成工況分析與熱量測算之后，下一步是規(guī)劃熱再生和廢熱利用技術路線。這一階段是整個技術集成過程的核心，關鍵在于選擇和設計最適合當前車輛模型和工況需求的熱能回收解決方案。

基于前期的熱量測算結果，決定使用哪種廢熱回收技術（如熱電發(fā)電、有機朗肯循環(huán)（ORC）、汽輪機系統(tǒng)等），選擇適當?shù)募夹g需要考慮多個因素，包括廢熱的溫度級別、可回收熱量的大小、系統(tǒng)的體積與重量、成本以及對車輛性能的影響。例如，如果廢熱溫度較高，則更適合使用汽輪機系統(tǒng)；對于中低溫廢熱，熱電發(fā)電或ORC可能更為合適。

在選擇了合適的廢熱回收技術后，接下來的任務是設計具體的廢熱回收系統(tǒng)，并將其與車輛的其他系統(tǒng)（如動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等）進行有效整合，包括確定系統(tǒng)的布局、配置熱交換器、優(yōu)化熱流路徑和控制策略。此階段也需考慮系統(tǒng)的可靠性和維護需求，確保新開發(fā)的廢熱回收系統(tǒng)不會降低車輛的總體運行效率和安全性。系統(tǒng)設計還應包括模擬和預測廢熱系統(tǒng)在實際運行中的表現(xiàn)，以便提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進行調整。表2展示了不同廢熱回收技術的選擇標準和系統(tǒng)設計要點。

通過這些步驟的細致規(guī)劃和執(zhí)行，可以確保混合動力汽車的廢熱回收系統(tǒng)不僅技術上可行，同時也能在經(jīng)濟上帶來益處，從而提升整車的能效和環(huán)保標準。這種系統(tǒng)性的技術集成和優(yōu)化，是實現(xiàn)可持續(xù)汽車發(fā)展的關鍵路徑之一。

4.3系統(tǒng)集成

在混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術集成路徑中，最后一步是“系統(tǒng)集成”。這一階段是確保廢熱回收技術與汽車其他系統(tǒng)協(xié)調運作的關鍵，涉及將設計好的廢熱回收方案與車輛的動力總成、電氣系統(tǒng)以及控制策略有效整合。

在此階段，主要任務是確保廢熱回收系統(tǒng)能夠無縫集成到現(xiàn)有的動力系統(tǒng)中，包括與發(fā)動機、電動機和電池管理系統(tǒng)的協(xié)調，這需要對廢熱回收系統(tǒng)進行調整，以適應動力系統(tǒng)的負載需求和操作特性。例如，廢熱回收系統(tǒng)在發(fā)動機冷啟動時可能需要暫停工作，或者在電動模式下調整其能量輸出以優(yōu)化電池的使用效率。研究人員需評估廢熱回收系統(tǒng)在全車能耗和性能中的作用，以及其對車輛加速性能、燃油經(jīng)濟性和排放水平的影響，并通過先進的控制算法，實現(xiàn)廢熱回收系統(tǒng)與動力系統(tǒng)之間的能量流動優(yōu)化，從而提升整車的能效和駕駛體驗。

廢熱回收系統(tǒng)的集成不僅涉及硬件層面的適配，還需開發(fā)專門的控制策略以管理系統(tǒng)的運行，包括實時監(jiān)控廢熱的溫度、流量和可用性，以及調整廢熱回收系統(tǒng)的操作以最大化能量回收效率。控制系統(tǒng)還需要與車輛的其他電子系統(tǒng)（如車載診斷系統(tǒng)、動力控制模塊等）進行通信，以確保在各種行駛條件下的安全和穩(wěn)定性。開發(fā)這樣的控制策略通常需要使用模擬和實車測試來驗證其性能，確保在實際應用中能夠實現(xiàn)預期的節(jié)能效果并保障系統(tǒng)的可靠性。表3概述了系統(tǒng)集成階段的關鍵焦點和考慮因素。

上述系統(tǒng)集成步驟的詳細規(guī)劃和實施，可以確?；旌蟿恿ζ囍械膹U熱回收技術不僅技術上可行，而且能夠在實際運行中達到提升能效和環(huán)保的目標，這種綜合性的技術整合是實現(xiàn)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的核心部分，對于推動未來交通工具的能效革命具有重要意義。

5結語

混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術的集成是一個系統(tǒng)工程，需要全面分析各類工況下的熱量特征，科學規(guī)劃熱再生和廢熱利用路線，并將選定的技術方案與動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制策略等有機融合，通過協(xié)同優(yōu)化確保整車能效的最大化。這一集成路徑的實施，不僅為解決汽車廢熱利用難題提供了技術支撐，更標志著節(jié)能環(huán)保理念在汽車產業(yè)的融合應用，有望推動汽車產業(yè)向更高能效水平邁進，減少化石燃料消耗及溫室氣體排放，為綠色出行和可持續(xù)發(fā)展貢獻汽車力量。

參考文獻：

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[2]趙升噸，崔敏超，賁寧宇，等.發(fā)動機排氣廢熱利用方法的探討[J].汽車實用技術，2015（2）：11-14.

[3]朱亞明.機械故障診斷技術在汽車發(fā)動機維護中的應用研究[J].汽車維修技師，2024（20）：29-30.

[4]王寧，孫新凱，劉玉寶.汽車發(fā)動機廢熱吸收式制冷系統(tǒng)[J].河北農機，2018（9）：14.

作者簡介：

朱付勇，男，1990年生，助教（汽車檢測維修工程師），研究方向為新能源汽車技術。