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發(fā)動機廢氣余熱利用技術(shù)的對比分析

文檔作者：馬俊達(dá) 盧小銳黎蘇文檔來源： 1河北工業(yè)大學(xué)能環(huán)學(xué)院 2．天津大學(xué)機械工程學(xué)院 3．河北工業(yè)大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年04月11日
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發(fā)動機廢氣余熱利用技術(shù)的對比分析
馬俊達(dá) 盧小銳 黎蘇。
(1河北工業(yè)大學(xué)能環(huán)學(xué)院河北300401；
2．天津大學(xué)機械工程學(xué)院天津300072；3．河北工業(yè)大學(xué)能環(huán)學(xué)院河北300401)
摘要：簡單分析了目前汽車余熱利用技術(shù)的現(xiàn)狀。介紹了余熱回收系統(tǒng)的特征，展示了各種余熱回收
系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。分別對余熱制冷技術(shù)和余熱發(fā)電技術(shù)的系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征進行了對比。根據(jù)兩種技
術(shù)存在的共同問題，提出了推動余熱利用發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵字：發(fā)動機；余熱回收；熱交換器；朗肯循環(huán)
Comparative Analysis of the Technology of W aste Heat Recovery Systems of Engine
MA iun-da LU xiao ru LI SU
(1．College ofE．E Hebei University ofTechology,Hebei，300401，China； 2．College ofEngineering Tianjin
University,Tianjin,300072，China；3．College of E．E Hebei University of Techology,Hebei，30040 1，China)
Abstract：The existing situation of the techniques used in car about recycling the exhaust energy is analyzed．Th e
paper introduces the characteristics of waste heat recovery systems and shows the basic structure of waste heat
recovery system．To waste heat refrigeration techn ology an d waste heat electric—power generation techn ology
parameters and the characteristics ofthe system are compared respectively．According to two kinds oftechnology in a
common problem，put forward the key technologies of waste heat recovery．
Key words： Engine；Waste heat recovery；Waste heat exchanger； Rankine cycle
前言
自2O世紀(jì)9O年代以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展很快，
年均增長率為10％一13％。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和汽車
保有量的增加，石油消費量急劇增加。在新能源汽車代
替?zhèn)鹘y(tǒng)石油燃料內(nèi)燃機作為動力的汽車之前，提高內(nèi)燃
機的效率是減少石油消耗、緩解能源危機的重要途徑。
廢熱是一種未被充分開發(fā)利用的能源，將廢熱充分的轉(zhuǎn)
化為可供自由使用的電能是未來最為有效的利用方式。
研究表明排氣能量品質(zhì)較高，有效回收利用這部分能
量，對于降低汽車能源消耗、降低CO2排放具有重要
的意義。若將廢熱充分轉(zhuǎn)化為電能可減少C02排放
3％～7％，而在典型的運行工況下能減少排放5％～10％。
國外實驗研究中將廢氣余熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在Ford 2．5L
的SUV車型上在高速工況下使功率提高348W 燃油經(jīng)
濟性提高1 5％，城市工況下使功率提高91W 燃油經(jīng)濟
性提高1．2％。試驗時為了減小排氣背壓限制流量在
40g／s。實驗證明一些附加性能可以通過材料和系統(tǒng)的
優(yōu)化來實現(xiàn)?！?J
如果能有效的回收部分排氣的能量使之轉(zhuǎn)化為有
用功，就可以進一步提高能源的利用率，從而提高了整
車的綜合性能。
1、廢氣余熱利用技術(shù)現(xiàn)狀
發(fā)動機排氣余熱回收利用技術(shù)主要包括廢氣渦輪
增壓、采暖、廢氣再循環(huán)、改良燃料、余熱制冷、余熱
函匠畫匝
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麟
發(fā)電等方式。目前廢氣渦輪增壓技術(shù)和廢氣再循環(huán)技術(shù)
相對比較成熟，采暖技術(shù)只在冬季能被有效利用，用來
改善車輛的舒適度和提高汽車的冷啟動性能對排氣熱
量利用不充分，而改良燃料只對固定的液體燃料有催化
轉(zhuǎn)換的作用，用途較為單一。雖然余熱制冷和余熱發(fā)電
技術(shù)尚不成熟，但能滿足全天候和全工況的使用條件。
兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有著很大的相似度，存在著若干共同問
題。
本文從余熱制冷和余熱發(fā)電技術(shù)的原理和結(jié)構(gòu)方
面進行比較，分析評價兩種余熱利用方式的特點和關(guān)鍵
技術(shù)。
1．1發(fā)動機的余熱制冷技術(shù)
通過回收發(fā)動機廢氣的余熱作為能量源來驅(qū)動汽
車的制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車的制冷來改善汽車的舒適程度
是理想的節(jié)能途徑。目前已經(jīng)提出的制冷方式主要有三
種：吸收式、吸附式、噴射式。
1．1．1吸收式制冷
吸收式制冷的原理是以熱能為驅(qū)動力，通過一種物
質(zhì)對另一種物質(zhì)的吸收和釋放，產(chǎn)生物質(zhì)的狀態(tài)變化，
并伴隨吸熱和放熱從而完成制冷循環(huán)的過程。簡單的吸
收式制冷系統(tǒng)如圖1在吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)中，所采用
的工質(zhì)主要有水一溴化鋰、氨．水、HFC．134a等，空調(diào)
系統(tǒng)中更多的是利用水．溴化鋰作為工質(zhì)。吸收式制冷
系統(tǒng)的COP(注：COP=~iJ冷量消耗功率) 】高于吸附式，
但遠(yuǎn)低于蒸汽壓縮式。 ‘
圖1水一溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)
Fig．1 water-libr absorption refrigeration system
1．1．2吸附式制冷
吸附式制冷系統(tǒng)是利用某些固態(tài)物質(zhì)在一定溫度
和壓力下能吸附某種氣體或者水蒸汽，在另一種溫度和
壓力下又能把它釋放出來，釋放和吸附的過程伴隨著吸
放熱的特性來完成制冷的。在吸附和釋放過程中伴隨著
壓力的變化起到了壓縮機的作用如圖2。所采用的工質(zhì)
有活性炭一氨氣，沸石．水，沸石．氨氣等。這些工質(zhì)具有
對環(huán)境無污染、可以直接利用一次能源等優(yōu)點，所以此
技術(shù)越來越受到人們的重視。吸附式系統(tǒng)運動部件少，
可靠性高。由于使用固體吸附材料，因此可用于振動場
合變化?！?】
圖2固體吸附式制冷體統(tǒng)
Fig．2 Solid adsorption refrigeration system
1．1．3噴射式制冷
噴射式制冷系統(tǒng)是一種熱能驅(qū)動的制冷系統(tǒng)，它可
利用工業(yè)廢熱、太陽能等低品位熱能進行制冷。另外，
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不存在潤滑、密封等問題，新的無污
染工質(zhì)很容易用于該系統(tǒng)。其工作循環(huán)如圖3示：被加
熱器1加熱的高溫高壓工作蒸汽，通過噴管2時進行絕
熱膨脹，形成一股低壓、高速的氣流，將蒸發(fā)器3內(nèi)的
低壓氣態(tài)制冷劑抽吸到噴射器2內(nèi)，并與之混合，混合
后的工作蒸汽在擴壓器內(nèi)增壓后進入冷凝器4，被冷卻
介質(zhì)冷凝成液體；然后，部分凝結(jié)液作為制冷劑，通過
節(jié)流閥5降壓降溫，在蒸發(fā)器3中吸熱氣化成為低溫低
壓蒸汽；另一部分則通過循環(huán)泵6被提高壓力后送回加
熱器，用作工作蒸汽。噴射式制冷系統(tǒng)除了循環(huán)泵外沒
有其它的運動部件，而且制冷系統(tǒng)中的工作蒸汽與制冷
劑是同一種物質(zhì)，不需要吸收式制冷機中的制冷劑分離
設(shè)備，因此結(jié)構(gòu)簡單，耗功少；加上可以利用低品位熱
能，因此適用于有余熱可供利用的汽車空調(diào)器。但是這
種系統(tǒng)中，噴射氣流會產(chǎn)生較大的噪聲，從而影響汽車
運行的舒適性，因此需要在噴射器出口處安裝高效消聲
裝置。
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圖3 噴射式制冷系統(tǒng)
Fig．3 Ejecter Refrigeration System
1．加熱器2．噴射器3．蒸發(fā)器4．冷凝器5．膨脹閥6．循環(huán)泵
1．Heater 2．Ejector 3．Evaporater 4．Condenser 5．Expansion 6．Cycle pump
1．2發(fā)動機的余熱發(fā)電技術(shù)
1．2．1半導(dǎo)體溫差發(fā)電
溫差發(fā)電通過將兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料N型半
導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，其一端相接于同一導(dǎo)電體上被置
于廢氣流經(jīng)的高溫端，另一端開路相接于不同的導(dǎo)電
體上被置于冷端。因熱電轉(zhuǎn)換材料的兩端存在溫差，通
過其內(nèi)部空穴、電子的擴散在低溫開路中形成電勢差，
即在A，B端分別形成正、負(fù)電壓，直接將熱能轉(zhuǎn)化為
電能．如圖4所示。
圖4溫差發(fā)電系統(tǒng)
Fig．4 Thermoelectric Generator
圖5不同溫度范圍內(nèi)的熱電材料
Fig．5 Diferent temperature mnge of thermoelectric materials
溫差發(fā)電的效率與熱電模塊的性能、兩端的溫差及
其在廢氣通道箱體上的布置形式有關(guān)。目前用于溫差發(fā)
電的熱電材料大多是半導(dǎo)體。在不同的溫度范圍內(nèi)熱電
轉(zhuǎn)換效率較高的材料主要有以下幾種，如圖5所示?！?]
1．2．2渦輪發(fā)電
廢氣渦輪發(fā)電是利用燃料燃燒排出的高溫廢氣來
推動渦輪機高速旋轉(zhuǎn)，與此同時帶動與其同軸的永磁發(fā)
電機轉(zhuǎn)動來發(fā)電，產(chǎn)生的電能分別存儲于蓄電池中或者
帶動車用電器工作，如圖6所示。與渦輪機同軸相連
的有壓氣機和永磁發(fā)電機，既能達(dá)到增壓的作用，也能
發(fā)電起到進一步節(jié)能的作用，如圖7(a)所示。有些車
型則取消了壓氣機，渦輪機只帶動永磁發(fā)電機進行發(fā)
電，如圖7(b)所示。日本的吉田佑作曾作過這方面
的實驗，證明利用廢氣能量驅(qū)動渦輪發(fā)電所發(fā)出的電能
足以提供汽車運行所需電能。廢氣渦輪發(fā)電結(jié)構(gòu)簡單，
安裝方便，但是由于可能會提高排氣背壓，因此可能會
對發(fā)動機性能產(chǎn)生負(fù)面影響，而且渦輪回收廢氣能量有
限，不能充分利用廢氣能量。
l空氣、燃料I
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空氣 l 電能 l
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蓄電池、車用電器
圖6渦輪增壓發(fā)電系統(tǒng)
Fig．6 Turbocharged power generation system
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圖7廢氣渦輪發(fā)電機
Fig．7 Turbine generator
1．2．3朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)
朗肯循環(huán)是一種簡單的蒸汽動力循環(huán)，將朗肯循環(huán)
系統(tǒng)整合到發(fā)動機排氣系統(tǒng)中，即以廢氣熱能驅(qū)動朗肯
循環(huán)，從而實現(xiàn)用低品熱能提供高品位能量(電能或機
西匠 匭
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械能)。利用發(fā)動機余熱做功的研究始于20世紀(jì)80年
代，主要的研究機構(gòu)有日本Honda公司、日本Mitsui工
程造船有限公司、美國康明斯公司和德國公司等。德國
寶馬公司最近開發(fā)出了汽油機內(nèi)置蒸汽機構(gòu)”TurboStea
m et”
，在寶馬3系列汽車使用的1．8L 4缸發(fā)動機的基礎(chǔ)
上，試制了增加蒸汽機構(gòu)的發(fā)動機。在此系統(tǒng)中，采用了
高溫和低溫兩個做功循環(huán)，工質(zhì)分別是水和乙醇。研究
結(jié)果表明，發(fā)動機燃油效率、輸出功率及扭矩分別提高
了l5％，10kW和20Nm，如圖8所示。
燕 發(fā)=生豢／低瀑過煞囂
襄
一離遴循環(huán)
纛低濺錘環(huán)
黛冷卻糸鐮環(huán)
纛
圖8寶馬雙朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)
Fig．8 Double rankine circulation waste heat recovery sy~em
2、余熱利用系統(tǒng)對比分析
發(fā)動機余熱制冷技術(shù)對比分析
制冷方式 制冷工質(zhì) 性能系 結(jié)構(gòu)特征
數(shù)
自由水平布置不適用
吸收式制冷 水。溴化鋰 0．6-0．7 于常處于顛簸的運動
狀態(tài)
吸附式制冷 (沸石) O_3 體積小、重量輕、無運
分子篩一水 動部件、無噪聲
噴射式制冷 氟利昂 小于 0 無運動部件、造價低、
．3 噪聲大
、影響舒適性
發(fā)動機余熱發(fā)電技術(shù)對比分析
發(fā)電方式 熱電轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)化效 結(jié)構(gòu)特征
工質(zhì) 益
半導(dǎo)體溫差發(fā) 熱電轉(zhuǎn)換 無化學(xué)反應(yīng)、發(fā)電無噪
材料 熱電 聲
、電技術(shù) 3‰ l1％ 無污染、體積小、
重量輕
廢氣膨脹 功率 結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、
渦輪發(fā)電技術(shù) 做功 3％ 銅材消耗少、發(fā)電率
～ 8％ 高
、排氣背壓高
朗肯循環(huán)余熱 水、乙醇或 功率 換熱效率低、產(chǎn)汽量
發(fā)電技術(shù) 環(huán)戊烷 5％一12％ 小、體積大、承壓低、
3、系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)要求
3．1高效的換熱設(shè)備
(1)承受高溫高壓的工作環(huán)境(800。C、5 MPa)
制備高溫高壓的工作蒸汽。【2】
(2)具有高的傳熱系數(shù)，便于小型化設(shè)備，使其
結(jié)構(gòu)緊湊，便于布置安裝對發(fā)動機的改動小。
(3)合理的控制流動阻力，以保證發(fā)動機的背壓
不會太高。
(4)抗擊振動性能好，耐腐蝕性好，有吸音降噪
作用。
3．2高熱轉(zhuǎn)換效率的循環(huán)工質(zhì)
工質(zhì)應(yīng)具備無毒、無污染、無腐蝕性、沸點低、潛
熱大、合理的冰點等物性。一般工質(zhì)都處于高溫狀態(tài)，
必須具備良好的熱穩(wěn)定性，保持穩(wěn)定的傳熱效率或熱轉(zhuǎn)
化率，成本低。采用熱管技術(shù)實現(xiàn)無溫差傳熱，減小余
熱利用系統(tǒng)中的熱量損失。
3．3高效絕熱膨脹機
充分利用高溫高壓的蒸汽，提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效
率。開發(fā)可變幾何參數(shù)渦輪膨脹機(VGT)，這種渦輪
可以實現(xiàn)在低速時減小渦輪噴嘴面積以提高增壓壓力，
提高低速轉(zhuǎn)矩，高速時擴大渦輪噴嘴面積，降低排氣壓
力。滿足發(fā)動機負(fù)荷變化的要求，縮短發(fā)動機的響應(yīng)時
間。
3．4設(shè)備匹配技術(shù)
(1)能量利用設(shè)備應(yīng)有良好的幾何結(jié)構(gòu)特征，能
與排氣系統(tǒng)進行良好匹配，減小傳熱熱阻，保證低得發(fā)
動機排氣背壓。
(2)以發(fā)動機排氣為基礎(chǔ)參數(shù)，確定工質(zhì)的蒸發(fā)、
冷凝溫度與壓力、流量、儲量等保證熱量的有效傳遞和
利用。如：排氣溫度高時，水作為循環(huán)工質(zhì)，廢熱回收
系統(tǒng)的總效率高，而排氣溫度低時，R245ca作為循環(huán)
工質(zhì)，系統(tǒng)的總效率高。
(3)換熱器與能量轉(zhuǎn)換設(shè)備(膨脹機、噴射器、
熱點模塊等)的匹配，確保換熱器產(chǎn)生的高溫高壓的蒸
汽能被能量轉(zhuǎn)換設(shè)備有效的利用避免出現(xiàn)過度膨脹的
現(xiàn)象。
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4、展望
(1)隨著人們對汽車舒適性要求的提高，余熱利
用技術(shù)的應(yīng)用將會在各種車輛中得到普及。如：汽車室
內(nèi)溫度、座椅的加熱和通風(fēng)、車載冰箱、后視鏡加熱等。
(2)余熱利用技術(shù)有望利用在發(fā)動機的保溫上，
來解決寒冷地區(qū)汽車?yán)鋯拥膯栴}。改善汽車燃油經(jīng)濟
性和排放性。如寶馬公司利用廢氣余熱為蓄熱裝置蓄熱
實現(xiàn)對發(fā)動機的保溫，使其在8小時候能保持在40~C
左右。
(3)將溫差發(fā)電技術(shù)與熱管技術(shù)相結(jié)合，能進一
步的減少熱量的損失，使冷熱端產(chǎn)生較大的溫差，提高
熱電轉(zhuǎn)換效率。能促進混合動力汽車的發(fā)展。
5、總結(jié)
(1)通過對比明確了余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要以體積
小、重量輕、承壓高、效率高、滿足舒適性為主要設(shè)計
原則。
(2)通過余熱利用方式的對比分析明確了余熱利
用方式的適用性，指明了促進該技術(shù)發(fā)展的努力方向。
(3)提高系統(tǒng)的匹配性合理的匹配系統(tǒng)內(nèi)部外部
的參數(shù)，減小發(fā)動機和余熱回收系統(tǒng)工作過程中的相互
影響，可以實現(xiàn)余熱回收系統(tǒng)的小型化，使系統(tǒng)在車輛
上使用成為現(xiàn)實
參考文獻
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