排氣熱量回收裝置的整車試驗研究

方澤軍，王斌，劉欣，劉學柱，馬相明

(北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300)

0 引言

汽車保有量的大幅增加，使得燃油消耗急劇增長。隨著時間的推移，石油的供需矛盾必將越來越突出，節能減排已成為當前內燃機發展的難點和方向，出現了許多新的汽車動力形式和內燃機技術，其原因主要有：(1)汽車結構和功能改革，應用新技術來改善燃燒性能，如發動機新型電噴技術、稀薄燃燒技術等；(2)尋找新能源代替石油燃料，如氫燃料、甲醇、乙醇燃料、電動汽車等；(3)發動機熱量回收技術，如渦輪增壓技術、排氣回收再利用等[1]。相關研究表明：發動機轉變為有效功的熱當量占燃料燃燒發熱量的30%～45%(柴油機)或20%～30%(汽油機)，以廢氣形式排出到車外的能量占燃燒總能量的55%～70%(柴油機)或70%～80%(汽油機)[2]，汽車燃料燃燒釋放的能力，高達三分之一的能量通過汽車排氣損失了。因此，排氣熱量回收的利用空間巨大，如果能充分利用這部分能量，對于汽車節能大有益處，是降低汽車能耗的有效途徑之一。其中熱導熱技術(Exhaust Heat Recovery System，EHRS)具有熱量回收效率高、經濟性好等優點，具有很好的應用前景。

1 排氣熱量回收技術研究現狀

依據熱力學第二定律：功熱轉化不可逆，即熱不可能全部無條件轉化為功[3]。由于汽車排氣的熱量較低，為較低級能量，可轉化為功的部分有限，利用起來非常困難。目前汽車行業對排氣熱量回收利用主要有以下幾種技術路線：渦輪增壓技術、熱導熱技術(Exhaust Heat Recovery System，EHRS)、熱導電技術(Thermal Conductivity Technology，TEG)、有機郎肯循環技術(Organic Rankine Cycle，ORC)、空調制冷等。

渦輪增壓技術。發動機熱量回收利用最成功的技術是渦輪增壓，排氣推動渦輪高速運轉并通過壓氣機壓縮空氣，提高了氣缸的進氣量，從而使發動機輸出功率增大，發動機動力性、經濟性、排放性得到改善，是新時代發動機節能減排的核心關鍵技術之一[4]。

熱導電技術(TEG)。利用排氣熱量發電的方法基本有3種：利用半導體溫差發電、蒸汽動力發電和廢氣渦輪發電。其中利用塞貝克效應實現溫差發電研究較廣泛，在使用熱電材料的余熱回收系統中，沒有運動部件，結構簡單，質量輕。通過把無用的熱能轉化為電能實現熱量再利用，TEG技術受制于其極低的熱電轉化效率和昂貴的成本，目前大多處于實驗中,日本Nissan公司[5]研制的一種排氣溫差發電器可回收11%的排氣余熱，美國Hi-Z公司[6]對康明斯柴油機進行了排氣余熱溫差發電研究，并從中得到2 000～4 000 W的功率。

有機郎肯循環技術(ORC)。有機郎肯循環使用有機物作為工質，吸收排氣熱量，蒸發汽化后進入膨脹機輸出機械功，該機械功可以驅動發電機發電，也可以通過傳動裝置將有用功疊加到發動機曲軸上。寶馬公司開發的汽油機內置蒸汽機構、本田公司在車上進行了有機郎肯循環余熱利用試驗、康明斯也在進行余熱驅動有機郎肯循環發電的研究[7]。通過郎肯循環實現將熱能轉化為機械能或電能，控制過程復雜、體積龐大，更適合商用車。

空調制冷。代替傳統發動機驅動壓縮機制冷，通過排氣余熱驅動制冷，文獻[8]中對國外發動機排氣熱量制冷技術的研究情況進行了介紹，其中相對比較成熟的技術包括固體吸附式、溶液吸附式和金屬氫化物制冷技術，在排氣熱量利用方面具有前景。

熱導熱技術(EHRS)。將排氣的余熱直接以熱能的形式回收，將排氣余熱導入發動機，改善發動機冷啟動性能，加快發動機暖機速度，改善整車燃油經濟性和排放。熱導熱技術由于熱能直接利用，其回收效率高，同時，利用熱交換器進行熱量回收。閥門控制方式分3種：真空泵、電控馬達、自適應石蠟。熱導熱技術成熟，應用難度降低。這種余熱利用技術優點是不需要在汽車上增加熱源，不增加發動機本身熱量消耗，成本較低，經濟性好，具有很大的實際應用意義[8]。目前EHRS技術在標志雪鐵龍、韓國現代、日本豐田等車型上有應用。

2 EHRS裝置介紹

此排氣熱量回收裝置(EHRS)為熱導熱技術，結構示意圖如圖1所示。

基本原理為一個氣液熱交換器，串聯于排氣管之間，高熱發動機排氣進入管道，通過熱交換器對EHRS進出水介質進行加熱，余熱回收持續進行，加熱后的水進入發動機外循環能加快發動機溫升，當冷卻液溫度達到發動機的需求溫度后，回收的排氣熱量對發動機冷卻系統來說成為有害熱負荷，所以需要控制EHRS裝置熱回收利用的開啟或關閉，中間通過自適應石蠟閥門來控制EHRS的兩種不同工作模式：當閥門關閉時，進入熱量交換回收工作模式，提高發動機外循環的水溫；當EHRS進水管冷卻液水溫達到一定溫度時，閥門開啟，進行旁通工作模式不再進行熱量回收。石蠟控制的閥門由于易于集成、成本低，應用廣泛，石蠟閥門的開啟與冷卻液溫度有關，該裝置設定進水溫度達到80～85 ℃時閥門開啟進入旁通模式。

圖2為EHRS系統連接原理圖。EHRS裝置氣態端與發動機排氣串聯，EHRS裝置液態端與發動機冷卻水外循環水路串聯。通過EHRS裝置的排氣溫度越高回收熱量越多，熱利用效率更高，因此在整車布置空間容許情況下裝置盡量靠近發動機，為了避免EHRS裝置對發動機催化器啟燃的不良影響，裝置需布置在催化器總成之后。

3 整車試驗研究

3.1 試驗準備、樣車改制

此次試驗基于一臺乘用車進行整車EHRS搭載驗證，原車發動機參數圖見表1，EHRS裝置安裝于排氣系統催化器后，EHRS進水管、出水管與發動機外循環出水管串聯，通過橡膠軟管連接，使用卡箍和密封膠保證管路密封性，溫度監測布點在4處，如圖3所示，分別為EHRS裝置進水溫度、EHRS裝置出水溫度、發動機外循環出水溫度、發動機外循環回水溫度，另外通過發動機EMS讀取發動機溫升數據。

表1 汽油發動機基本參數

圖3 溫度監測布點

3.2 試驗方法

整車試驗采用NEDC標準工況，在常溫和低溫(-7 ℃)分別進行，測試整車油耗和排放，并對相關溫度監控點溫度數據進行采集。

常溫試驗：即按照GB 18352.5-2013 Ⅰ型試驗，常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗、油耗試驗，采用NEDC工況循環，驗證EHRS在常溫環境下對整車排放、油耗的影響。原車試驗時監測發動機內循環出水溫度，發動機外循環出水、進水溫度；搭載EHRS后試驗監測發動機內循環出水溫度、發動機外循環出水、回水溫度、EHRS系統進水、出水溫度。

低溫試驗：即按照GB 18352.5-2013 Ⅵ型試驗，低溫(-7 ℃)下冷啟動CO和THC排放、油耗試驗，采用NEDC工況循環，驗證EHRS在低溫環境下對整車排放、油耗的影響。原車試驗時監測發動機內循環出水溫度，發動機外循環出水、進水溫度；搭載EHRS后試驗監測發動機內循環出水溫度、發動機外循環出水、回水溫度、EHRS系統進水、出水溫度。

4 試驗結果

4.1 整車油耗、排放

如表2所示：在常溫環境下，安裝EHRS后，整車油耗降低1.81%、THC排放量降低13.73%、NMHC排放量降低11.63%、NOx排放量降低26.19%、CO排放量增加7.06%。如表3所示：在低溫環境下，安裝EHRS后，整車油耗降低3.6%，CO排放量降低18.42%，THC排放量降低25.31%。

表2 整車油耗排放(常溫試驗)

表3 整車油耗排放(低溫試驗)

4.2 發動機溫升

圖4所示為常溫試驗發動機溫升情況，以水溫達到80 ℃作為暖機標準，搭載EHRS比原車暖機時間減少約18 s；NEDC第155 s左右，EHRS對溫升影響開始逐步增加，EHRS關閉前(EHRS進水溫度達到80～85 ℃關閉)，NEDC工況平均水溫比原車高2 ℃左右。

圖5所示為低溫試驗發動機溫升情況， 以水溫達到80 ℃作為暖機標準，搭載EHRS比原車暖機時間減少約80 s；NEDC第150 s左右，EHRS溫升影響開始顯現，EHRS整個冷機循環均未關閉，平均水溫比原車高6 ℃左右。

4.3 EHRS水溫

如圖6所示：在常溫NEDC試驗時，EHRS出水、進水溫度差(溫升)平均值為18.5 ℃。如圖7所示：在低溫NEDC試驗時，EHRS出水、進水溫度差(溫升)平均值為15.1 ℃。試驗表明EHRS裝置通過氣液熱交換，對發動機外循環水進行了加熱，余熱進行了回收利用，在常溫和低溫NEDC試驗下，水溫分別平均提高18.5 ℃和15.1 ℃。

5 結論

(1)安裝EHRS裝置后，整車油耗在常溫和低溫試驗中，節油率分別為1.81%和3.6%，尾氣排放得到改善。

(2)安裝EHRS裝置后，常溫試驗時，發動機比原車暖機時間減少約18 s，NEDC工況平均水溫比原車高2 ℃左右；低溫試驗時，發動機比原車暖機時間減少約80 s，平均水溫比原車高6 ℃左右。

(3)EHRS裝置本身：在常溫試驗時，出水、進水溫度差(溫升)平均值為18.5 ℃；在低溫試驗時，出水、進水溫度差(溫升)平均值為15.1 ℃。

(4)在NEDC工況下，EHRS能降低整車油耗、改善整車排放，加快發動機的溫升速度，能加熱外循環水溫，起到排氣熱量回收再利用作用。但EHRS裝置搭載整車的綜合耐久性能有待進一步驗證，該系統對排氣背壓的影響、發動機冷卻系統及整車熱平衡性能的影響都有待進一步研究。