汽車廢熱利用的途徑和現狀分析

張勇斌（鄭州鐵路技師學院　河南 鄭州　450041）

·綜述·

汽車廢熱利用的途徑和現狀分析

張勇斌
（鄭州鐵路技師學院河南 鄭州450041）

汽車燃料燃燒所發出的能量只有三分之一左右被有效利用，其他的能量被排放到大氣中。因此，充分利用汽車廢熱能量是汽車節能的有效途徑之一。首先對廢熱的利用空間進行了說明，進而對廢熱利用的特點進行了闡述，最后對當前廢熱利用的途徑、方法及現狀進行了論述。

汽車廢熱 利用途徑 現狀分析

引言

隨著社會經濟的發展，汽車保有量大幅度增加，使得能源消耗量急劇增加。汽車消耗燃油的數量巨大，隨著汽車數量的增加，石油的供應壓力大增。隨著時間的推移石油的供需矛盾必然會越來越大，能源問題是汽車工業發展的瓶頸，目前很多國家都在關注這個難題，許多的汽車工業新方法和新模式的出現都和這個原因有關。為了解決這個難題目前的方案主要分為三個方面：一是對汽車的結構和功能進行改革，應用新技術來節省燃油，如發動機電噴技術；二是尋找新能源來代替石油燃料，如氫燃料，電動汽車，醇類乳化燃料，混合動力汽車等；三是回收散失的能量，如渦輪增壓，廢氣的利用等［1-4］。經過調查研究汽車廢熱的利用空間很大，燃料燃燒所放出的能量被內燃機轉換成機械能的部分只占全部能力的三分之一左右，大部分被汽車廢氣所帶走被釋放到大氣中，一方面大量的溫室氣體的排放造成了環境的污染，世界氣候的變化，另一方面如果能夠充分利用汽車廢熱供汽車所用，對于汽車節能大有益處，是降低汽車能耗的有效途徑之一。

1　汽車廢熱的利用空間

根據內燃機的熱平衡情況可以看出，除去冷卻水帶走的熱量外，汽油機廢熱帶走大約40%，柴油機廢熱帶走的熱量大約35%，這部分能量基本和內燃機轉換為有效功的能量大致相當?？梢姡噺U熱的利用空間巨大，如果能充分地利用這部分能量，對于汽車節能具有重大意義。

2　汽車廢熱利用的特點

汽車廢熱的利用具有一些鮮明的特點［5-6］，可以概括如下：一是汽車在各種不同的工況下工作，廢熱的排放量經常變化，加上廢熱的品位較低，回收利用比較困難；二是廢熱利用裝置布置在汽車發動機排氣筒的位置，底盤下部，如果體積過大會影響汽車的通過性，因此必須體積小、質量輕和效率高；三是要抗震動，抗沖擊，具有一定的防水功能，能夠適應汽車的運行環境；四是在汽車底盤中位置的布置，和排氣管道對接必須能夠保證汽車的行駛安全性；五是廢熱利用裝置對內燃機的工作特性及速度特性必然有一定的影響，要避免降低汽車的動力性和經濟性。由于汽車廢熱的利用有以上的約束條件，所以目前雖然研究的成果很多，利用廢熱的途徑也很多，方法多樣，但是真正投入商業運作的卻很少。

3　汽車廢熱利用的途徑

汽車廢熱的利用方法多樣，單從用途上大致有利用廢熱取暖；利用廢熱制冷空調；利用廢熱發電；利用廢熱環境轉變燃料和廢氣增壓等。從熱源上可以分為利用排氣廢熱和利用冷卻液余溫等。下面介紹當前汽車廢熱利用的現狀。

3.1渦輪增壓技術

廢氣渦輪增壓技術是借助廢氣中的部分能量來提高內燃機的進氣壓力進而增加充氣量，以改善內燃機的動力性和經濟性。廢氣渦輪增壓是當前廢氣能量利用較為廣泛的一種途徑，但這種方法只能利用廢氣中的部分能量，且由于內燃機與渦輪增壓裝置聯合工作時能量傳遞的特點，給增壓內燃機的使用增加了一些強制附加條件，造成使用不便。此外，這種裝置在汽油機與小型柴油機上使用較少，目前，多在大型柴油機上使用，使用范圍受到一定限制。

3.2利用廢熱制冷和驅動空調

轎車空調一般要消耗8%～12%的轎車發動機動力，這個方面增加了油耗，加大了廢氣排放量，加劇了空氣的污染；另一方面易引起水箱過熱，影響轎車動力性；同時，由于壓縮式空調系統采用的制冷工質為氟利昂類化合物，導致溫室效應加劇。因此，通過回收和利用發動機排氣余熱來驅動制冷系統，實現轎車空調是理想的節能方案，也是目前世界各國都在研究的課題。目前，提出的利用汽車廢熱方式主要有吸收式和吸附式兩種。

3.2.1吸收式制冷［4］

吸收式制冷的原理是以熱能為動力來完成制冷循環的，在吸收制冷循環系統中，所采用的工質有水—溴化鋰及氨水等。山東科技大學的李見波對廢熱驅動吸收式制冷的試驗、工質及系統部件等進行了分析，吸收式制冷系統的cop（簡稱能效比）高于吸附式，但遠低于蒸汽壓縮式，結構復雜，體積大，造價高，而且四器（發生器，冷凝器，吸收器，蒸發器）需要自由水平面，不太適用于經常處于顛簸運動狀態下的汽車。

3.2.2吸附式制冷［7］

吸附式制冷是利用某些固體物質在一定溫度和壓力下能吸附某種氣體或蒸汽。在另一種溫度和壓力下又能把它釋放出來的特性來實現制冷。這種吸附與解吸附過程導致壓力變化，從而起到了壓縮機的作用。吸附式系統結構簡單，造價低，單吸附式制冷的cop不高，需要較長的預備時間，單位質量的吸附劑產生的制冷功率較小，系統笨重，廢熱利用率不高，而汽車空調要體積小，制冷量大，性能可靠，這就限制了它的應用和發展。要達到以上的要求，必須提高系統cop值及單位質量吸附劑制冷功率。目前，在吸附式制冷系統中，常用的吸附質有氫氣，水，甲醇及氨氣等。

3.2.3噴射式制冷［5］

噴射式制冷系統的主要特點是以噴射器代替壓縮機，以消耗熱能作為補償來實現制冷的。浙江大學制冷與低溫研究所提出的用水代替氟利昂類物質為介質回收汽車廢熱噴射制冷技術得到關注，氟利昂類工質在發生器高溫受熱時存在風險高的熱解風險，加上氟利昂具有溫室效應，而水是自熱工質，利用U型管作為節流裝置風冷兩級噴射制冷系統效果也較好。噴射式制冷系統除了循環泵外沒有其他運動部件，而且系統中的工作蒸汽與制冷劑是同一種物質，不需要類似吸收式制冷機中的制冷劑分離設備，因而結構簡單，耗功量少，但這種裝置噪音較大，影響汽車運行的舒適性。

3.3利用廢氣能量發電

利用廢氣能量發電的方法基本有三種，分別為利用半導體溫差發電，氟龍透平發電和廢氣渦輪發電。

3.3.1半導體溫差發電［6］

溫差發電依靠塞貝克效應，由于半導體溫差發電材料的效果比金屬的高得多，所以有實用價值的溫差發電材料都是用半導體材料制成的。半導體溫差發電的效率能達到3.3%，可高到7%，吉林大學的董桂平通過試驗證明利用內燃機的排氣廢熱溫差發電能量能夠取代傳統汽車發電機，可見發電量較高。寧波工程學院對熱物性、換熱優化、模塊布置及負載特性等都進行了說明。按照模塊單元布置來實現熱電材料回收廢熱具備優勢，趙付舟等利用試驗有限元分析了模塊在排氣管上的布置，根據排氣管和熱電模塊接觸處的大熱斑輪廓得出熱電模塊之間的最佳布置間隙為6.6 mm并計算了模塊的內阻。溫差發電使得排氣溫度降低，排氣壓力減小，有利于噪聲的降低，消聲器的結構也可以優化，變得緊湊。溫差發電只需布置半導體線網即可轉換，不需傳動系統。但目前電熱轉換的效率還很低，只能利用一小部分的內燃機廢熱能量，有待于提高轉換效率和找到高效率的材料。

3.3.2氟龍透平發電

氟龍透平發電裝置是利用一種在較低的溫度能成為高壓氣體的低沸點物質作為介質，當其吸收了內燃機廢熱后田液體變為高壓氣體從而推動透平機發電。這種裝置在利用低品位熱能方面有很大的優勢。

3.3.3廢氣渦輪發電［8-10］

廢氣渦輪發電是利用內燃機的廢氣來推動渦輪機轉動并帶動發電機發電的裝置。日本的吉田佑曾做過這方面的試驗，證明利用廢熱發電得到的電能足以提供汽車上電氣設備所需電能。鄭州鐵路技校的張勇斌以東風EQ6100型內燃機為例，通過計算大致確定了廢氣的能量和渦輪機的功率及發電機的型號等的數據，但需要試驗來進一步的證實。

3.4利用余熱取暖［2］

利用余熱取暖是指利用汽車內燃機的廢熱供暖，成本很低，經濟性好，不需要對原有機構進行大的改造等。缺點是發熱量的大小由于內燃機工況的變化不一，取暖效果一般，只有在冬季起作用，廢氣能量利用不充分。此外，利用廢氣取暖時，熱轉換裝置對發動機排氣有干涉，會影響發動機的工作性能。

3.5改良燃料［3，8］

對發動機排氣系統進行改造，設計化學反應系統，采集排氣高溫熱能用于硫碘循環熱化學水解制氫，并使得氫氣和氧氣反饋到內燃機燃燒，內燃機的熱效率高達43.5%，直接降低發動機油耗6.6%以上，排氣溫度也降低到650℃左右。利用發動機排氣廢熱能量來制氫氣等可燃氣體，提高了燃燒熱值，降低油耗并使得排氣溫度壓力降低。目前對于利用廢熱改良燃料主要用于改良甲醇，對其他燃料的改良涉及不多。

4　結論

綜上所述，認為將廢氣能量轉換成機械能進而轉換成電能可作為廢氣能量利用的主要研究方向之一。此種方法對廢氣能量利用率較高，且通過轉換得來的電能可靈活方便地使用，更重要的是這種方法不需要對原有汽車設備做較大改動，易于實現產業化。但這種方法需要解決的問題有：一是加裝能量回收裝置后會對發動機工作性能產生影響，如何盡量減少甚至消除這種影響是非常重要的；二是能量轉換裝置的轉換效率能夠達到多少需要通過試驗來驗證，轉換效率決定其實用性；三是選擇何種能量回收裝置才能達到較高的效率，需要通過試驗進一步證明。

1梁和平，梁桂森.高效低成本柴油機余熱利用暖空調設計［J］.柴油機，2002（1）：46-49

2楊鋒，林貴平.熱管換熱器在汽車尾氣采暖中的應用［J］.汽車工程，2002（2）：157-159

3徐正好，常健，楊宗棟，等.余熱制氫發動機的開發研究［J］.小型內燃機與摩托車，2003（3）：11-13

4李見波.汽車廢熱吸收式制冷技術研究進展 ［J］.制冷與空調，2015，（6）：93-100

5余志強，松鵬，何一堅.一種以水為工質的兩級噴射制冷系統回收汽車廢熱研究［J］.價值工程，2013（8）：18-20

6趙付舟，王俊席，崔教林，等.汽車尾氣廢熱回收的熱電模塊布置特性研究［J］.兵工學報，2013（5）：1-4

7楊濤，倪久建，陳江平，等.汽車尾氣廢熱驅動的金屬氫化物空調［J］.流體機械，2004（11）：46-49

8朱景建.汽車發動機廢熱化學水解制氫系統結構設計與分析［J］.湖州職業技術學院學報，2012（3）：10-12，16

9張勇斌.汽車廢氣渦輪發電之渦輪機功率的確定［J］.汽車維修，2014（10）：4-7

10張勇斌.汽車廢氣渦輪發電之渦輪機的匹配 ［J］.汽車實用技術，2015（1）：110-113

Analysis on the Ways and Situation of Automobile Waste Heat Utilization

Zhang Yongbin
Technician College of Zhengzhou Railway（Zhengzhou，Henan，450041，China）

Only about a third of the automobile fuel combustion energy is effectively used，the rest is emitted into the atmosphere.Therefore，the full use of the waste heat energy of the car is one of the effective ways of energy saving.The space of waste heat utilization is described，and then the characteristics of the waste heat utilization are described.Finally the current situation of the ways and means of waste heat utilization is discussed.

Automobile waste heat，Utilization，Situation analysis

U491.9+2

A

2095-8234（2016）01-0062-03

張勇斌（1983-），男，講師，主要研究方向為設備綜合工程學和汽車節能。

2015-12-03）