汽車動力傳動系的冷卻潤滑和排氣系熱能回收

魏兆平

（中國汽車技術研究中心；汽車試驗研究所）

隨著新能源技術的普及利用，駕乘人員對車內溫濕度、空氣質量和生態環境的要求提高了，某些動植物和食品等在運輸過程中也有溫濕度的要求。要實現高效利用車內有限的能源資源，保證發電、取暖和制冷，實現節能、低碳和降噪等功能，首先要求汽車要有優秀熱力學性能、熱平衡能力[1]、密封性、保溫和隔聲性能；其次要挖掘動力、傳動和排氣系統潛能，保證冷卻及潤滑系統工作在最佳溫度和壓力狀態，降低摩擦副間阻力，提高內燃機熱效率，有效利用冷卻系統熱能，使之轉化為除霜除霧和冷啟動等所需能量。

1 汽車冷卻系統

汽車冷卻系統主要指內燃機冷卻系統。內燃機冷卻系統性能屬于汽車熱力學的一部分，由散熱器、膨脹水箱、防凍液、車內散熱器、水濾器、風扇、水泵、水溫和水壓傳感器、水道、水管及節溫器等組成，作用是防沸、防凍、防腐、防銹、防垢、潤滑系統機油降溫和升溫以及汽車除霜除霧等。降低工作的內燃機和潤滑油溫度，可以提高內燃機工作質量（減少粗暴燃燒引起的爆振、噪聲和電磁干擾等）、經濟性和輸出功率；低溫時還必須具有防凍性能和預熱內燃機能力。

1.1 傳熱功率[2]

換熱效率的計算是根據進出口防凍液溫度、進出側的氣流溫度以及對應的壓力和流速等參數進行的；可以利用計算機模擬完成這些計算，汽車上常用流體相交的冷卻方式。

如把“1”作為放熱端，“2”作為吸熱端，“e”代表流入，“a”代表流出，溫度差為：

基本的傳熱功率為：

進入端的溫差為：ΔTe=T1e-T2e≥0

式中：T1e，T1a——放熱端流入、流出溫度，K；

T2e，T2a——吸熱端流入、流出溫度，K；

ΔT1，ΔT2——放熱端流入與流出溫度差、吸熱端流出與流入溫度差，K；

1.2 傳遞給冷卻介質的熱量[3]

內燃機傳遞給冷卻介質的熱量包括工作循環中的工質向氣缸壁及燃燒室的傳熱損失、廢氣通過排氣道時傳給冷卻介質的熱量、活塞與氣缸壁磨擦產生而又傳給冷卻介質的熱量以及從潤滑油傳給冷卻介質的熱量等，用公式表示為：

式中：Qs——傳遞給冷卻介質的熱量，kJ/h；

Gs——通過內燃機冷卻介質每小時的流量，kJ/h；

cs——冷卻介質比熱，kJ/kg·℃；

t1，t2——內燃機上冷卻介質的入口和出口溫度，℃。

1.3 防凍液散發的最大熱量和相應的最大允許溫差

《德國汽車理論》統計的防凍液所能散發的最大熱量值和相應的最大允許溫差，如表1 所示[2]。

表1 防凍液所能散發的最大熱量值和相應的最大允許溫差

2 汽車潤滑系統

2.1 內燃機潤滑系統

根據燃料類型和工作環境溫度等不同，選擇不同型號和品牌的機油。為提高潤滑效果，需測量機油溫度、黏度、壓力和使用量，使機油黏度在最佳點和摩擦表面間油膜的摩擦阻力最小。在汽車可靠性行駛試驗（或內燃機耐久性臺架實驗）時需加裝潤滑油溫度、壓力和粘度傳感器，以便測量在不同載荷、地區、氣候和路況等嚴酷行駛工況（如南極地區）下，潤滑系統機油溫度與行駛車速的關系曲線，測量機油消耗量，保證潤滑油黏度在高效利用區，以期獲得高性能機油，取得最佳潤滑、冷卻效能和經濟性。同時要根據摩擦副之間工作溫度、負荷、金相和材料組織等環境條件正確選用潤滑脂，現在汽車上多數選用鋰基潤滑脂。

2.2 變速箱（分動器）和驅動橋的潤滑[4]

2.2.1 機械式傳動系統齒輪油

設計、制造水平的提高，使變速箱（分動器）和驅動橋的轉速及扭矩分配得到了精確控制，傳動效能提升很快。但是優秀的潤滑方法和高品質潤滑、冷卻用齒輪油是不可忽視的，精確地掌握齒輪油用量、溫度和使用期限，對減少傳動摩擦副間嚙合阻力、高溫及噪聲，提高傳動效率和齒輪使用壽命仍很關鍵。根據變速箱形式和承受的工作負荷等正確選用齒輪油，提高測量技術和增加幾個齒輪的油溫度及粘度傳感器，會減少傳動事故和損失，提高動力學性能和傳動系統效率。

2.2.2 自動變速器液力傳動油

液力傳動油又叫汽車自動變速器油（ATF），是液力變矩器和液力耦合器的工作介質；作用是傳遞動力，對齒輪和軸承等摩擦副進行潤滑以及在伺服機構中起到液壓自動控制的作用。

使用性能：1）適當的黏度和黏溫性；2）良好的熱氧化安定性；3）良好的抗磨性；4）良好的抗泡沫性。根據車型不同，選擇不同型號的液力傳動油，使用過程中經常檢查油面高度、黏度和油溫是否在正常范圍，定期更換，且不同型號不能混用。

2.3 驅動電機的潤滑

新能源汽車的利用，使得驅動電機扮演的角色也越來越重要，驅動電機要具有很好的絕緣系統及軸承系統等[5]。驅動電機轉速高，電機軸及軸承系統承受的負荷很大，軸和軸承之間滾動摩擦阻力不可忽視，使用的材料性能（潤滑、冷卻及密封性）要求苛刻。軸承等潤滑阻力減小，會減小振動及噪聲，提高電機功率和可靠性；驅動電機軸承潤滑結構使用的是循環供油潤滑，散熱效果更好。

3 汽車排氣系統

3.1 排氣系統簡介

汽車上使用的液冷式內燃機，其輸出的機械能占燃料燃燒總能量約34%，冷卻系統約占33%，且只有小部分得到使用，排氣系統損失的熱能約占總能量的33%。南方地區幾乎全年及北方地區的夏季，汽車冷卻及排氣系統的熱能都白白損失掉了。局部高溫引起內燃機燃料供給系統燃油蒸發、產生氣阻（汽油機），使夏天駕乘艙溫度過高，電子線束等高分子零部件過熱老化，絕緣能力、潤滑功能和效率下降等，造成了環境污染及氣候惡化，少數零部件早期損壞以及安全性下降等。冬天東北寒冷地區，客車單靠冷卻系統余熱功率供應暖風有些不足，增設獨立附加取暖裝置不經濟，因此理論計算排氣系統熱能，并研發裝置使用，是節能和減排的重點。

3.2排氣系統熱量計算[3]

內燃機排放的廢氣溫度很高且流量大，蘊含的熱量（QR/（kJ/h））巨大，計算公式為：

式中：Gr，Gk——每小時消耗的燃料量和空氣量，kg/h；

cpr，cp——廢氣和空氣的定壓比熱，kJ/kg·℃；

t2——靠近排氣門處的廢氣溫度，℃；

t1——進氣管入口處的工質溫度，℃。

3.3 排氣系統熱能的開發利用

排氣系統的熱能冬天可用于汽車取暖及除霜除霧等調節車內環境溫度，將熱能通過蒸汽機技術等轉化成機械能及電能等，輔助車上發動機、燈、加濕器及媒體播放器等設備；或將熱能儲存起來，提高廢氣熱能的利用率，促進產品升級，提高內燃機升功率和經濟性，降低環境溫度以及抑制氣候惡化。利用裝置增加熱能回收，會增加成本及汽車質量，但可以夏季不使用時拆掉，冬天使用時再裝上。增設內燃機排氣系統熱能回收，利用裝置的理論、技術分析和計算能力研究，使進入催化轉換器和消聲器的廢氣溫度及能量下降，排氣污染物排放、噪聲及電磁干擾等有望進一步降低。

一輛安裝凈功率78 kW、排量1.5 L 四缸汽油機的轎車，轉速2 500 r/min 左右時排氣歧管處廢氣溫度約700 ℃，壓力約115 kPa，歧管內徑40 mm，排除廢氣約1 875 L/min，高溫廢氣密度約為1.012 kg/m3，排除廢氣的質量流量為1.898 kg/min；設計發明的熱能利用裝置，出口溫度在160 ℃左右、溫差360 ℃左右的熱能可以利用，有效使用廢氣30%的熱能將成為可能，相當于汽車凈功率增加了約1/4 大于安裝增壓裝置提高和獨立暖風回收的功率。

利用內燃機臺架試驗研發排氣系統的熱能回收裝置，可以縮短研發周期、減少成本，技術成熟后可以普及到汽車上。

4 冷卻潤滑和排氣系技術性能提升對環境的改善

內燃機冷卻及潤滑效率的提高，提升了熱效率、汽車除霜除霧能力以及乘車環境舒適性和安全性，其故障率、能耗和成本下降，汽車之間的電磁干擾減少，可靠性和耐久性延長，維修及保養費用降低且更趨規范化，綜合能耗下降約2%。另外燃燒科學化（氧傳感器、直噴分層充分燃燒、增壓裝置及點火技術等），會使內燃機的電磁輻射、排氣污染物排放和工作噪聲降低，排氣控污成本和消聲損失功率下降。不完全統計能減排、降噪7%左右，環境改善貢獻率至少提高2%。

粗略統計，如果1.2 億輛汽車有效使用排氣系統熱能回收技術、裝置，每年將為國家節約大約1 000 萬噸煤，創造50 萬個就業崗位，霧霾天氣將不存在。環保技術標準的提升為國家GDP、個人收入增長以及國人接受教育、培訓和健康指數貢獻各提高0.2%，勞動者技能和效率將得到有效提升，延緩和控制環境溫度升高造成的生態惡化，實現研發技術轉化為生產力強國夢。

5 結論

文章理論分析了汽車冷卻系統的傳熱功率和排氣系統蘊含的熱量，檢測冷卻及潤滑系統溫度和壓力，確定汽車最優冷卻及潤滑方法，提高了防凍液及潤滑油質量且降低了消耗量；提升了內燃機燃燒熱效率、輸出功率和經濟性，同時獲得除霜和除霧性能要求，降低了電磁波損害、碳排放和噪聲。排氣系統熱能回收技術與裝置利用，將提高駕乘艙環境舒適性和能源利用率，利于安全行車并為社會創造財富。