发动机排气废热利用方法的探讨

赵升吨，崔敏超，贲宁宇，陈超

（西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049）

发动机排气废热利用方法的探讨

赵升吨，崔敏超，贲宁宇，陈超

（西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049）

在汽车工业向着节能、环保的方向发展的背景下，汽车中废热的有效利用受到各国学者和企业的高度关注。内燃机仅能利用燃料燃烧放出的总能量的三分之一左右，其余三分之二均以废热的形式耗散掉；随着全球汽车保有量越来越大，废热对环境和能源造成的影响不容忽视。近年来，出现了许多正在研制和实验阶段的汽车废热利用的新技术，本文分别介绍了利用汽车尾气废热制冷技术、利用热电材料回收废热能量、温差发电与三元催化器一体化设计、螺旋管式蓄热换热器四种新技术，为其他学者研究汽车废热利用提供参考。

汽车；废热；节能；新技术

CLC NO.: U461.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-11-04

引言

随着国内经济的快速发展，汽车保有量越来越大，根据中国社科院发布的《中国城市发展报告》蓝皮书介绍，目前我国汽车保有量为1.3亿辆，预计在未来十几年里我国的汽车保有量至少还需再新增两倍，达到4亿辆。由于汽车保有量越来越大，对能源带来的压力也越来越大，在全球能源日益紧缺的背景下，汽车节能受到了各国的高度重视，成为汽车工业本世纪发展的主题。研究表明，内燃机由于自身热力循环的限制，只能将燃料燃烧释放出总能量的约1/3转化为机械能，其余的2/3都以热能的形式耗散掉了[1]，这造成了能源的巨大浪费，因此有效的利用内燃机所不能利用的废热成为了各国学者研究的热点，这也是降低汽车能源消耗的一条有效途径。

1、汽车中的废热能源

目前汽车仍以内燃机驱动为绝大多数，内燃机在额定工况下用于动力输出的能量仅占燃料燃烧释放总能量的30%～45%（柴油机）或20%～30%（汽油机）[2,3]。其余能量均以废热的形式排到周围环境中，所占的比例为燃烧释放总能量的55%～70%（柴油机）或70%～80%（汽油机），一般认为能够被有效利用的废热能主要包括冷却水中的热量和汽车尾气中的热量。表1是额定工况下内燃机的热平衡表，汽车上的内燃机在实际工作时，由于并非时时都处于额定工况，因此实际能量的利用效率要比30%～45%（柴油机）或20%～30%（汽油机）低。

表1 内燃机额定工况下热平衡表

2、汽车中废热利用的难点

汽车上的内燃机工况比较恶劣，内燃机工作在行驶的汽车上，需要承受离心力、震动等因素，因此汽车的废热利用也具有特殊的要求和特点，具体如下[4]：

（1）由于汽车发动机和底盘紧凑性要求，废热利用装置必须要结构简单、体积小、重量轻、效率高；

（2）汽车废热的品位较低，尾气温度一般低于1000℃，冷却水温度仅为100℃以下，这种低品位的能量回收较困难；

（3）废热利用装置要能够承受汽车行驶时的震动、冲击，适应汽车运行的各种环境；

（4）废热利用的同时还要保证汽车使用的安全性，不能有发生爆炸、燃烧的可能性；

（5）废热利用装置应尽可能不影响发动机的现有结构和工作特性，避免增加排气背压，降低发动机动力性和经济性。

3、废热利用的新技术

近年来，随着汽车节能的呼声越来越高，大量学者从各方面对汽车废热利用进行了研究，其中出现了一些十分有应用前景的技术，有的已经在汽车上大量应用，如废气涡轮增压技术，有的仍处于研制和试验阶段。下面具体介绍几种仍处于研究阶段的汽车废热利用新技术。

3.1 利用汽车尾气废热制冷技术

目前的车载空调从发动机输出中获得动力，一般要消耗8%～12%的发动机动力。传统车载空调主要存在如下问题：一是增加的发动机的油耗，使发动机的排放增加，经济性下降；二是压缩式空调采用的工质氟利昂类化合物，对大气层造成严重的破坏；三是空调消耗发动机输出功率，使得发动机负载增加，造成冷却水温度升高，影响整车的动力性[5]。通过有效回收和利用发动机排气中的热量来驱动制冷系统，是未来车载空调发展的理想节能方案，目前提出的利用汽车废热制冷主要有吸收式、吸附式和喷射式三种[6]，其中喷射式系统适用工质广泛，可以选用对环境破坏程度低甚至是完全无害的制冷剂，因此具有突出的研究前景。

喷射式制冷系统的主要特点是以喷射器代替空调压缩机，以消耗热能作为补偿来实现制冷的。喷射式制冷系统除了循环泵外没有其它的运动部件，而且系统中的工作蒸汽和制冷剂是同一种物质，不需要制冷剂分离设备，耗功量较少[7]。

图1是利用汽车尾气废热驱动的喷射式制冷系统示意图。发动机排出的废气经过螺旋换热器后加热制冷剂液体，使制冷剂温度和压力升高，高温高压的工作蒸汽进入喷射器后从喷嘴告诉喷出形成低压，将蒸发器中的闪发蒸汽吸入喷射器；经过了在喷射器中的混合和增压后，混合气体进入冷凝器凝结，成为制冷剂液体，一部分制冷剂液体经节流降压后进入蒸发器，在蒸发器中发生的制冷剂气化吸热过程产生了制冷效应；剩余的制冷剂液体经过循环泵增压后回到螺旋换热器[8,9,10]。

3.2 利用热电材料回收废热能量

利用热电材料回收废热能量，主要是依靠热电材料的塞贝克效应，热电材料能够在温差作用下产生载流子，从而产生电能[11]。在使用热电材料的尾气废热回收系统中，没有运动部件，整个装置结构简单，重量轻，装置工作可靠，使用费用极低[12]，是未来废热回收系统的理想发展方向，然而目前已制成的热电材料转化效率都比较低，仅为10%～15%左右，因此利用热电材料的尾气废热回收系统还得不到大规模应用[13]。尽管热电材料方面还没有取得突破，但已经有学者对于使用热电材料的汽车尾气废热回收系统结构做了相关研究，这些研究是十分有意义的。

图2是一种串联结构的汽车尾气热电发电系统，汽车发动机的排气管与第1、2集热器的公共入口相连，每个集热器的上、下表面各贴放一层低温型Bi2Te3基热电器件，每层热电器件的冷端与冷却水箱表面紧贴，冷却水箱、集热器和热电器件通过夹紧装置固定，以保证良好的传热性能[14]。

图3是一种并联结构的汽车尾气热电发电系统，汽车发动机的排气管做成了空心六棱柱结构，热电发电组建通过蝶形弹簧和固定螺栓紧压在排气管表面保证传热性[15]。

3.3 温差发电与三元催化器一体化设计

三元催化器是汽车控制排放的重要部件，它一方面有汽车尾气流经时传递的热量，另一方面有气体在其中发生催化反应放出的热量，研究表明，废气经三元催化反应后，温度仍高达600～800℃，其中的热能可以被有效利用。因此有学者考虑将三元催化器和温差发电系统进行一体化设计[16]，使新结构同时具有催化净化和温差发电功能，这样有两个方面的优点，一是能够最大限度地利用汽车尾气的热能，节约布置空间并有效降低发动机排气系统背压，减小温差发电系统对发动机动力性和经济性的影响；二是解决了温差发电系统对三元催化器工作温度的影响[17]。

一体化设计的关键就在于装置的结构设计，必须设计一种结构，使其尽可能同时满足温差发电系统和三元催化转化的使用要求。桶式结构的废热气箱横截面为正多边形，结构上更接近与原有的圆截面的三元催化器，废气流过装置时径向的流速是基本均匀的，气箱内部的催化反应能在载体上较均匀的发生，这样气箱每个表面上的温度分布都是一致的，便于热能的回收和利用[18,19]。

图4是桶式温差发电催化净化系统结构示意图，箱体结构横截面呈正六边形，其外表六个平面上铺设热电模块，主体部分分为三段，第1、3段为催化载体，二者之间隔着空隙段2。汽车尾气流经系统时，在催化剂的作用下发生催化反应放出热量，热电材料贴附在箱体表面将热量转化为电能加以回收使用[20]。

3.4 螺旋管式蓄热换热器

在重型汽车尾气废热回收中，由于热源热量很大同时又存在间断、不连续行等特点，有一个十分重要的问题就是如何在不增加发动机排气系统背压的情况下尽可能多的利用尾气的热量同时又能保证废热回收系统连续工作，换热器是完成这一任务的重要设备，其性能的好坏直接影响系统的整体效率。

重卡发动机在实际运行中具有间断、不连续性，导致重卡尾气间歇、不稳定地排放，为了解决这一问题对废热回收系统的影响，有学者提出了一种螺旋管式蓄热换热器，采用管束与螺旋盘管结合的形式，使制冷剂在螺旋盘管内向前流动时连续的改变方向，从而在横截面上引起二次环流而强化传热，同时在以熔融盐作为蓄热工质，保证系统的连续工作。

图5是螺旋管式蓄热换热器结构示意图。它具有三个通道，主管道为流动的重卡尾气的多根管子，辅助管道为流动的制冷工质的螺旋盘管，还有盛装相变材料（HITEC 熔盐）的壳层。多个流动汽车尾气的管子彼此间相互平行且固定于前端盖和后端盖上，流动制冷剂的螺旋盘管缠绕在多个流动汽车尾气的管子外侧；在多个汽车尾气的管子与流动汽车尾气的管子彼此之间、流动制冷剂的螺旋盘管之间以及流动制冷剂的螺旋盘管与筒壁之间均为盛装相变材料熔熔盐的壳层[21,22]。

4、结论

（1）汽车中的废热能源所占比例很大，在全球能源形势日益严峻的背景下，汽车废热能源回收系统必将成为未来汽车的必备系统，越来越多的学者、企业将投入精力对汽车废热回收系统进行研究。

（2）利用汽车尾气废热制冷技术，直接利用废热来加热制冷循环中的工质，来减少制冷工作过程中所需要消耗的机械功，实现废热的回收利用，这是一种很有前景的废热利用方案。

（3）将汽车尾气中的废热能量通过热电元件转化为电能加以利用和储存，这样能量的回收和利用更加灵活，是未来汽车废热回收的理想发展方向。一旦热电材料的制备和研究取得较大进展，在汽车排气管路上将出现各种各样的热电器件回收系统，同时也会出现多个系统协同匹配的整车废热回收利用系统。

[1] 朱智富. 汽车废热利用的有效途径[J].黑龙江工程学院学报（自然科学版），2005，19（2）：51-53.

[2] 梁和平,梁桂森. 高效低成本柴油机余热利用暖空调设计[J]. 柴油机 diesel Engine,2002,（1）：46-49.

[3] 张铁柱,张洪信. 汽车安全、节能与环保[M] 北京:国防工业出版社,2004.

[4] 刘士轩. 利用汽车冷却废热驱动的喷射式制冷装置理论研究[D].西安:长安大学,2007.

[5] 松鹏. 汽车废热驱动新型喷射制冷系统研究[D].杭州:浙江大学,2012.

[6] 李树江,陈亮,桂君等.蒸汽喷射制冷的现状及发展趋势.制冷与空调.2007,7(6):6-10.

[7] 茅以惠,余国和.吸收式与蒸汽喷射式制冷机.北京:机械工业出版社,1985.

[8] L.T.Chen. A new ejector -absorber cycle to improve the COP of an absorption system. Applied Energy, 1988, 30(1):37-51.

[9] H.Chung.Domestic heating application of an absorption heat pump. Directly fired heat pumps,Proc.Int.Conf.Univ,of Bristol, 1984,9.

[10] E.索科洛夫,H.M.津格尔(著),黄秋云(译).喷射器.北京科学出版社,1977.

[11] 赵付舟,汪秀敏,梁荣,姚焕新. 汽车热电废热回收的现状及关键技术分析[J].小型内燃机与摩托车,2013,42(2):93-96.

[12] 董桂田. 汽车发动机排气废热的温差发电[J]. 北京节能,1997(4):7-9.

[13] 柳长昕. 半导体温差发电系统实验研究及其应用[D] 大连:大连理工大学,2013.

[14] 全睿,唐新峰,全书海,黄亮. 串联式汽车尾气热电发电系统台架试验[J].上海交通大学学报,2012,46(5):677-682.

[15] 靳鹏. 汽车尾气热电发电技术研究及应用仿真[D].长春:吉林大学,2011.

[16] 许玉曼. 汽车尾气废热温差发电系统与三元催化器兼容性研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[17] 王奇. 某微型车三元催化转化器匹配技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[18] Y.Y.Hsiao,W.C.Chang,S.L.Chen. A mathematic model of thermoelectric module with applications on waste heat recovery from automobile engine[J]. Energy 35(2010):1447-1454.

[19] K.M.SAQR,M.K.MANSOUR,M.N.MUSA. Thermal design of automobile exhaust based thermoelectric generators:objectives and challengesfjj.lntemational Journal of AutomotiveTechnology,2008, 9 (2): 155-160.

[20] 郭询.汽车排气废热温差发电系统与发动机消声器一体化设计研究[D].武汉:武汉理工大学,2011.

[21] 孟超. 重卡尾气余热回收换热器性能的研究[D].北京:北京工业大学,2013.

[22] K.Ermis, A.Erek. Heat Transfer Analysis of Phase Change Process in Finned-tube Thermal Energy Storage System Using Artificial Neura Network[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2007, 50(15):3163-3175.

The Design and Analysis of Flux Switching Integrated-Starter-Generator

Zhao Shengdun, Cui Minchao, Ben Ningyu, Chen Chao
(School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Shaanxi Xi'an 710049)

On the background of the development trend of energy saving, the wasted heat in car causes the attention of scholars and enterprise. Internal combustion engine can only using about a third of the total energy emitted by fuel burning, the remaining two-thirds in the form of heat dissipation; As the global car ownership is more and more big, the wasted heat to the environment and the impact of energy cannot be ignored. In recent years, there are being developed and the experiment stage of automobile waste heat utilization of new technology.This paper introduces the use of car exhaust waste heat cooling technology, the use of thermoelectric materials recycling waste heat energy, thermoelectric power generation and three parts catalysts integration design, spiral tube heat exchanger.And it provide the reference for other scholars to research the automobile waste heat utilization.

Automobile; Wasted Heat; Energy Saving; New Technology

U461.8

A

1671-7988(2015)02-11-04

赵升吨，西安交通大学教授，博士生导师，研究方向为汽车节能机电一体化设备开发。

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室开放研究项目（编号：1991DA105206）。