汽車余熱利用技術(shù)研究

康芹，施紹寧

（陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

汽車余熱利用技術(shù)研究

康芹，施紹寧

（陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

汽車余熱利用技術(shù)以其環(huán)保、節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)在汽車上具有廣闊的應(yīng)用前景，是解決能源問題的一個(gè)有效途徑。文章全面介紹了廢氣渦輪增壓、汽車余熱制冷、汽車余熱溫差發(fā)電、汽車余熱采暖、汽車余熱制氫、汽車余熱儲(chǔ)存等相關(guān)技術(shù)及其特點(diǎn)，有效指導(dǎo)并推進(jìn)汽車余熱利用從技術(shù)層面邁向產(chǎn)業(yè)化。

渦輪增壓；溫差發(fā)電；余熱制氫

CLC NO.:U472.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-89-03

引言

汽車行駛消耗了約30%的能量，70%的能量轉(zhuǎn)化成廢熱，且排氣溫度最高可達(dá)600—700℃；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)通過大小循環(huán)將來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的部分熱量排到大氣中。 這兩方面都造成了熱能的極大浪費(fèi)。通過余熱能量分析，確定合適的余熱利用技術(shù)，有效減少能量損失，可達(dá)到最好的節(jié)能效果。

1、廢氣渦輪增壓

利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量驅(qū)動(dòng)廢氣渦輪增壓器實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓。廢氣渦輪增壓器主要由渦輪機(jī)和壓縮機(jī)等組成，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫高速?gòu)U氣經(jīng)排氣管引入渦輪機(jī)，利用廢氣的能量推動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，渦輪再帶動(dòng)與它同軸的壓縮機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)將吸入的空氣壓縮，增壓后的空氣進(jìn)入氣缸。增壓后空氣壓力和密度增大，可以燃燒更多的燃料，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。

圖1 廢氣渦輪增壓器

2、汽車余熱制冷

由于太陽(yáng)的輻射熱、車外熱空氣、乘員密度大、發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱等使得汽車空調(diào)負(fù)荷大，用于空調(diào)消費(fèi)的汽車動(dòng)力較大。充分利用余熱制冷，可有效提高汽車動(dòng)力性能。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車余熱制冷技術(shù)的研究主要包括三個(gè)方面。

圖2 汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷裝置

2.1 汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷技術(shù)

吸收式制冷是一種以熱能為動(dòng)力的制冷技術(shù)。利用汽車尾氣作為熱源，如圖2所示，加熱發(fā)生器中一定濃度的溶液并使之蒸發(fā)，于是溶液中作為制冷劑的低沸點(diǎn)組分大部分被蒸發(fā)出來(lái)，進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中凝結(jié)成液體，經(jīng)節(jié)流閥降至蒸發(fā)壓力，然后進(jìn)入蒸發(fā)器中進(jìn)行蒸發(fā)制冷，把車廂內(nèi)的部分空氣冷卻后再送回車廂。在蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的低壓制冷劑蒸汽直接進(jìn)入吸收器。另外，在發(fā)生器中，發(fā)生過程剩余的吸收劑經(jīng)溶液熱交換器冷卻后進(jìn)入吸收器，與從蒸發(fā)器來(lái)的低壓制冷劑蒸汽混合并吸收這些蒸汽，而恢復(fù)了原來(lái)溶液的濃度。吸收器中的濃溶液再通過溶液泵升壓后送入發(fā)生器，這樣完成了吸收式制冷的基本循環(huán)。

圖3 汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的金屬氫化物制冷裝置

圖4 噴射式制冷系統(tǒng)工作原理圖

2.2 汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的金屬氫化物制冷技術(shù)

金屬氫化物制冷系統(tǒng)屬于固體吸附式制冷系統(tǒng)，是一種以熱能為動(dòng)力的制冷系統(tǒng)。利用儲(chǔ)氫合金可大量、可逆地吸氫和放氫的能力，在釋放氫氣時(shí)吸收熱量實(shí)現(xiàn)制冷。兩種金屬氫化物即低壓貯氫化合物A與高壓貯氫化合物B密封在管道容器內(nèi)，如圖3所示，當(dāng)B受汽車尾氣余熱加熱時(shí)，釋放出氫氣被金屬氫化物A吸收，A由于吸氫放出的熱量由散熱器帶走。B釋放完氫氣后，聯(lián)動(dòng)閥門M和N自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)開啟閥門D，則尾氣余熱供熱系統(tǒng)關(guān)閉，吸熱器吸熱系統(tǒng)開啟，由于B不再被加熱，溫度逐漸降回到環(huán)境溫度，此時(shí)A的氫壓高于B的氫壓，B開始吸收氫氣，A則釋放氫氣的同時(shí)吸收外界的熱量，實(shí)現(xiàn)制冷降溫。

2.3 汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)

利用汽車尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是以噴射器代替壓縮機(jī)，以消耗熱能作為補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。如圖4，由汽車尾氣作為加熱器的熱源，來(lái)自加熱器的高溫高壓工作蒸汽，通過噴管進(jìn)行絕熱膨脹，形成低壓、高速氣流，從而將蒸發(fā)器內(nèi)的低壓氣體制冷劑吸入噴射器內(nèi)與之混合，在擴(kuò)壓器內(nèi)增壓后進(jìn)入冷凝器，被冷凝成液體。然后一部分凝結(jié)液作為制冷劑通過節(jié)流閥降壓降溫，在蒸發(fā)器中吸熱氣化變成低溫低壓蒸汽，另一部分則通過循環(huán)泵提高壓力后送回加熱器，用作工作蒸汽，完成整個(gè)噴射式制冷循環(huán)。

2、汽車余熱溫差發(fā)電

將發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣通過特定裝置將余熱轉(zhuǎn)換成電能給蓄電池充電，可提供汽車行駛輔助動(dòng)力，同時(shí)可提高汽車的燃料利用率，減少汽車尾氣排放和空氣污染，從而提升整車綜合性能。

溫差發(fā)電裝置由兩種不同類型的半導(dǎo)體構(gòu)成回路，當(dāng)半導(dǎo)體的一端處于高溫狀態(tài)，另一端置于低溫狀態(tài)時(shí)，兩端便形成溫差，從而產(chǎn)生直流電。將半導(dǎo)體材料制成的熱電模塊布置在汽車排氣管上，位于三元催化裝置之后和尾管消聲器之前如圖5示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，排氣管變熱，利用尾氣的高熱量給發(fā)電片的一個(gè)端面加熱，另一端面利用冷卻液進(jìn)行散熱，使發(fā)電片兩端面形成溫度差，產(chǎn)生電能。將汽車尾氣溫差發(fā)電裝置應(yīng)用在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上，配合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車已有的電力裝置進(jìn)行輔助充電，以延長(zhǎng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，增強(qiáng)其實(shí)用性。

圖5 汽車尾氣余熱發(fā)電裝置

3、汽車余熱采暖

水暖式采暖裝置以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水為熱源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，已在轎車和貨車中廣泛應(yīng)用。但由于冬季發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度低、散熱量小、升溫慢，該供暖裝置無(wú)法滿足大客車需要。

圖7 氣暖式暖風(fēng)裝置示意圖

圖8 廢氣水暖式加熱系統(tǒng)

氣暖式采暖裝置以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣作為熱源，如圖7示，利用換熱器收集發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的熱量給汽車車廂供暖并給前、側(cè)擋風(fēng)玻璃除霜。氣暖式暖風(fēng)裝置由于漏氣、增加發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力、供暖能力有限等原因，現(xiàn)在已很少使用。

廢氣水暖式采暖裝置，如圖8示，利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣加熱冷卻水，被加熱之后的冷卻水流經(jīng)加熱器，放熱并使其溫度降低，然后流回發(fā)動(dòng)機(jī)；冷空氣被加熱器鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)制流經(jīng)加熱器，在加熱器中被加熱后由不同的出風(fēng)口吹入車廂內(nèi)，進(jìn)行采暖和除霜。廢氣水暖式采暖裝置不僅克服了氣暖式空氣溫度高、干燥、舒適性差的缺點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，產(chǎn)熱量高，不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，是一種非常有發(fā)展前景的采暖裝置。

4、汽車余熱制氫

氫可再生、熱值高、燃燒后生成物是水，是理想的代用燃料。余熱制氫發(fā)動(dòng)機(jī)以甲醇代替氫氣隨車攜帶，并利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱將甲醇裂解為氫，解決了難于將氫燃料直接在汽車上儲(chǔ)存和安全性問題。如圖9示，甲醇進(jìn)入氫發(fā)生器，在廢氣余熱和催化劑作用下裂解生成氫氣并與霧化的汽油混合，作為混合燃料。氫氣除代燃之外，還能幫助混合燃料中的汽油燃燒得更徹底，節(jié)省燃料并改善了發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放。

5、汽車余熱儲(chǔ)存

汽車余熱的現(xiàn)采現(xiàn)用，容易出現(xiàn)熱能供給與需求失配的矛盾，從而引出余熱儲(chǔ)存問題。相變蓄能是能量存儲(chǔ)技術(shù)中最具有良好前景的一項(xiàng)技術(shù)，它利用相變蓄熱材料如六水氯化鈣、三水醋酸鈉 、有機(jī)醇等在凝固/熔化、凝結(jié)/氣化、凝華/升華以及其他形式的相變過程中，常伴有較大能量的吸收或釋放的原理，進(jìn)行能量的蓄存和釋放。

相變蓄能利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行余熱蓄能。以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液作為熱源，如圖10時(shí)示，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將冷卻液攜帶的間歇性熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱器中，停機(jī)后保溫一定時(shí)間，供汽車再次啟動(dòng)時(shí)暖風(fēng)、暖車、除霜等應(yīng)用。車用相變余熱蓄熱過程是一個(gè)復(fù)雜多變的動(dòng)態(tài)傳熱傳質(zhì)過程，受多種因素的作用和影響。目前，進(jìn)行相變傳熱的分析研究也是蓄能領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

圖9 氫發(fā)生器制氫工藝流程示意圖

圖10 汽車余熱儲(chǔ)存原理圖

6、小結(jié)

各種余熱利用技術(shù)均可將通過冷卻液和排氣浪費(fèi)的熱量加以回收再利用，但同時(shí)也都存在著不同程度的不足或困難。廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，目前存在的最大問題是很難實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)的全工況匹配；余熱制冷，無(wú)論是吸收式還是吸附式，存在COP值較小(對(duì)壓縮式)、 體積過大不適應(yīng)汽車運(yùn)行狀況等致命缺陷；余熱溫差發(fā)電，尚未發(fā)現(xiàn)高效率的熱電轉(zhuǎn)換材料；在嚴(yán)寒地區(qū)利用廢氣余熱供暖存在著明顯的季節(jié)性，廢氣能量的利用不充分；余熱制氫經(jīng)濟(jì)性較差；余熱儲(chǔ)存所用的相變蓄熱材料以及蓄熱過程效率有待于進(jìn)一步提高。

綜上所述，將廢氣能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能，對(duì)廢氣能量的利用率較高，且通過轉(zhuǎn)換得來(lái)的電能可靈活方便地使用，更重要的是這種方法不需對(duì)原有汽車設(shè)備做較大改動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，可作為廢氣能量利用的主要研究方向。此外合理解決氫燃料儲(chǔ)存、運(yùn)輸問題，以氫氣作為代用燃料必將會(huì)為人類的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步帶來(lái)意想不到的收獲！

[1] 國(guó)際能源會(huì)議,世界能源展望報(bào)告2012[R].

[2] 周東一,石楚平.利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的溴化鋰吸收式制冷研究[J].節(jié)能,2008(6);23.

[3] 錢衛(wèi)強(qiáng).低品位熱源半導(dǎo)體小溫差發(fā)電器性能研究[D].大連:大連理工大學(xué),2006.

[4] 潘偉榮.汽車空調(diào)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5] 馮馴.有機(jī)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)理論研究[D].上海:上海交通大學(xué),2001:6-28.

[6] 何茂剛.車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收的新型聯(lián)合熱力循環(huán)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009(11):2-4.

[7] 劉敬平,付建勤,馮康.發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的能量流研究[A].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),20-38(5):48-53.

[8] DIS R,GEORGE J．The suspension system of the 2009 cooperunion FSAE vehicle: A comprehensive design review[Z].SAE Pa-per, 2010-01-0311.

Automobile waste heat utilization technology research

Kang Qin, Shi Shaoning
( Shaanxi institute of mechanical engineering college, Shaanxi Hanzhong 723003 )

With its environmental protection, energy saving, and many other advantages, the utilization technology of automobile waste heat has a broad application prospect. Which is a potential way to solve the problem of energy. It is introducedrelated technologies and their characteristics of the waste gas turbine booster, waste heat cooling, thermoelectric generator, waste heat heating, waste heat for hydrogen production and waste heat storage in the paper.It can effectively guide and promote to the industrialization of the waste heat utilization from the technical level.

waste gas turbine booster; thermoelectric generator; waste heat for hydrogen production

U472.2

A

1671-7988(2016)07-89-03

康芹，講師，就職于陜西理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院。主要從事工作或研究方向：主要從事汽車電子技術(shù)及汽車余熱利用方面的工作。項(xiàng)目基金：漢中市科技計(jì)劃項(xiàng)目。項(xiàng)目號(hào)：2013hzzx-56。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.028