余熱回收系統對整車經濟性與排放影響的試驗研究

晏娟，邵傳剛，羅錦潔，鄧正華

(1.重慶三峽學院，重慶 404000；2.天津中恒動力研究院有限公司，天津 300000；3.重慶市輕合金材料與加工工程技術研究中心，重慶 404000)

近年來，能源短缺和環境污染已成為全球面臨的兩大問題[1-4]。在我國，從國四到國五，再到現在的國六a，排放法規對CO排放加嚴了50%，國六b的THC，NMHC和NOx限值分別下降了50%，50%和42%，國六雖然沒有CO2的限值要求，但要求企業申報CO2的實際水平。而汽車內燃機(ICE)有35%～40%的燃料能量通過排氣系統作為廢熱排出[5]，這樣不僅消耗了大量的燃料，而且產生了很多的有害污染排放[6-7]。排氣余熱回收系統(EHRS)既可以提高發動機的熱效率，又可以改善整車的油耗和排放，是適應全球碳排放形勢下的一種新的技術路線。目前汽車行業內對排氣余熱的利用有3種不同技術路線，分別是熱導熱技術、熱導電技術[8](TEG)和有機郎肯循環技術[9](ORC)。熱導熱就是發動機排出的廢氣余熱直接以熱量的形式回收利用，也就是EHRS。熱導電技術是利用塞貝克效應實現溫差發電，當半導體兩端有溫差時，就會產生載流子，從而產生電能[10]。有機朗肯循環是使用低沸點有機物為工質的朗肯循環，有機工質從尾氣余熱流中吸收熱量，生成具一定壓力和溫度的蒸氣，它的能量有兩種輸出形式，一種是將熱能轉化成機械能，另外一種是把機械能轉化成電能輸出。雖然通過熱電發電機直接將排氣余熱轉化成電能已經開始應用于汽車行業[11-12]，但熱電轉化效率低且成本高，使得它的投入和產出可能不成正比，到目前為止，大多數處于試驗之中。有機朗肯循環的效率也比較低，目前主要在商用車上應用。采用EHRS技術最高可回收汽車排氣系統大約40%的廢氣熱能，是3種汽車余熱回收技術路線中熱量回收效率最高的。在大多數情況下，車輛是在冷起動條件下運行的，但是在冷起動條件下，車輛的尾氣排放非常惡劣，尤其是HC排放。排氣余熱經過冷卻液以熱量的形式帶回發動機，就可以加快發動機暖機，有效降低油耗和排放。如果回收的熱量用作乘員艙取暖，則可以迅速提高乘員艙的溫度，改善整車的采暖舒適性。EHRS技術直接利用排氣余熱，其回收效率高，同時結合成熟且應用廣泛的熱交換器來回收排氣余熱，裝置簡單、輕便，極大地降低它的應用難度。鑒于汽車的廢氣余熱能量占總能量比例很大，而且面對未來越來越嚴苛的汽車排放和油耗法規，汽車排氣余熱回收系統將會有廣闊的應用市場。

本研究對整車搭載EHRS裝置的排氣系統進行整車油耗試驗、排放試驗和空調采暖試驗，探討排氣余熱回收對整車油耗、排放和空調采暖的影響。分別控制試驗環境溫度為-20 ℃，-7 ℃以及25 ℃。在NEDC(-20 ℃)工況下對有無EHRS作用下乘座艙平均溫度以及乘座艙內溫度達到26 ℃所需的時間進行對比分析；在NEDC(-7 ℃和25 ℃)兩種工況下分別對有無EHRS作用下燃油消耗量、HC、CO和NOx排放進行對比分析。

1 EHRS的工作原理和工作模式

EHRS實際上是一個氣液熱交換器。通過它的排氣溫度越高，回收的熱量越多，熱回收效率越高[13]。任何能量的轉化都需要依托于介質。汽車排氣余熱的回收可以通過冷卻液，也可以通過發動機(潤滑)油或變速箱油。排氣余熱經冷卻液再以熱量的形式帶回到發動機。

EHRS有兩種工作模式(見圖1)：一是旁通模式，該模式下換熱翅片通道關閉，廢氣直接從旁通道經排氣管排出，不與冷卻液產生熱量交換；二是余熱回收模式，在這種模式下，廢氣經過換熱翅片通道與冷卻液產生熱量交換，將排氣余熱以發動機冷卻液為媒質進行熱量再回收。切換EHRS的工作模式有兩種方法：一種是根據冷卻液溫度，比如當發動機水溫達到正常工作溫度(80～85 ℃)時，就不需要進入余熱回收模式，可以切換為旁通模式；另一種是根據發動機的氣體流量，當發動機有很大的功率輸出需要時，就切換為旁通模式。在余熱回收裝置上有一個控制閥門，控制裝置回收熱量的開閉，目前佛吉亞公司提供3種不同的閥門動作執行機構：第一種是真空泵；第二種是電控馬達；第三種是自適應石蠟，當發動機冷卻液溫度達到一定值時，石蠟就會膨脹，把閥門推開，進入余熱回收模式[14]。

圖1 EHRS工作模式

2 試驗裝置及方案

2.1 EHRS布置位置及樣車改裝

EHRS布置位置見圖2。該裝置需要布置在三元催化器之后[15]，主要原因是當它切換至余熱回收模式時，廢氣與冷卻液產生熱量交換而溫度降低，進而影響到催化器的起燃時間，從而達不到最佳的催化效果。EHRS裝置應盡可能地靠近發動機排氣側，因為排氣溫度越高，回收的熱量越多，熱回收效率越高。

圖2 EHRS布置

2.2 試驗設備

通過底盤測功機整車試驗來探討EHRS裝置對整車油耗、排放和空調采暖的影響。試驗在封閉的人工氣候室中進行，將試驗樣車固定在底盤測功機上，模擬車輛行駛周期的實際運行情況。試驗對象為搭載EHRS裝置的某改裝樣車。試驗發動機主要參數和試驗樣車主要參數分別見表1和表2。為測得整車在不同行駛工況下的油耗和排放，采用相應的測試設備和傳感器進行測試，試驗主要設備見表3。

表1 發動機主要參數

表2 樣車主要參數

表3 試驗主要設備

2.3 試驗方案

為使試驗結果更具代表性和普遍性，選擇國際上廣泛使用的標準車輛測試工況——新歐洲駕駛循環(NEDC)，該循環由市區循環(UDC)和郊區循環(EUDC)兩個部分組成，包括加速、恒速、減速和怠速4種工況，能夠反映車輛的實際運行情況。試驗臺架測試原理及傳感器的布置見圖3。

1—主消聲器；2—輪胎；3—排氣分析儀；4—副消聲器；5—油箱；6—第二催化器；7—油耗儀；8—油泵；9—底盤測功機；10—冷卻液入口端；11—溫度傳感器；12—EHRS；13—冷卻液出口端；14—傳動泵；15—發動機；16—空燃比儀；17—主控制系統；18—氧傳感器；19—第一催化器；20—渦輪；21—空氣濾清器；22—中冷器。圖3 試驗臺架測試原理

由圖3可以看出，發動機和車輛上安裝了各種儀器和傳感器，測得的數據由計算機控制的數據記錄儀系統進行處理。為保證試驗結果的可靠性和重復性，試驗過程嚴格按照車輛試驗標準進行。在測試之前，各種傳感器都已經經過標定，誤差均在可接受的范圍之內。試驗樣車在氣候室中靜置24 h以確保測試剛開始時發動機處于冷起動狀態。在所有準備工作都完成之后，在底盤測功機上進行整車油耗試驗和排放試驗。測試過程中，根據NEDC的特點，底盤測功機對車速進行精確調節，相對誤差在2%以內，同時要保證樣車前方有變速風機來模擬汽車行駛時的氣流。整車油耗由油耗計連續測試，車輛尾氣中的HC，CO和 NOx排放由排氣分析儀得出。采用對比試驗的方法，分析有無EHRS對整車油耗和排放的影響。EHRS余熱回收模式閥門控制溫度設定為發動機正常工作溫度85 ℃，試驗主要工況見表4。

表4 試驗主要工況

3 試驗結果與討論

3.1 EHRS對整車油耗的影響

控制氣候室中的環境溫度分別為25 ℃和-7 ℃，在底盤測功機上進行冷起動NEDC循環工況下整車油耗試驗。得到的整車油耗、發動機冷卻液溫度分別見圖4和圖5。從圖4可以看出：在城市循環中，搭載EHRS裝置的樣車比未搭載EHRS裝置的樣車節油，其中在25 ℃環境下，搭載EHRS裝置節油率大約為2.8%，而在-7 ℃環境下節油率大約為4.8%；在郊區循環中，不管是在25 ℃還是-7 ℃環境下，搭載EHRS裝置幾乎沒有節油效果；在總循環中，搭載EHRS裝置的樣車比未搭載EHRS裝置的樣車節油，其中在25 ℃環境下節油率大約為1.9%，而在-7 ℃環境下節油率大約為2.8%。由此可見，EHRS裝置能夠使車輛省油，但是整個NEDC循環下的節油效應幾乎都是由城市循環貢獻的，且環境溫度越低節油效果越明顯。這是因為試驗中EHRS余熱回收模式閥門控制溫度設定為發動機正常工作溫度85 ℃，試驗樣車在城市循環下需要經歷冷起動過程。

從圖5可以看出：在25 ℃的城市循環工況下，搭載EHRS裝置的樣車冷卻液溫度比未搭載EHRS裝置的樣車冷卻液溫度提前100 s左右達到85 ℃；而在-7 ℃的城市循環工況下，搭載EHRS的樣車冷卻液溫度比未搭載EHRS的樣車冷卻液溫度提前200 s左右達到85 ℃，在這種情況下EHRS裝置進入余熱回收模式，使得冷卻液溫度迅速提高，縮短了發動機的暖機時間，從而降低了整車的油耗，且環境溫度越低縮短暖機時間的效果越明顯。在郊區循環工況下，由于冷卻液溫度處于發動機正常工作溫度范圍內，故此過程中EHRS裝置不起作用。除此之外，整車的油耗還與試驗工況有關系，顯然城市循環比郊區循環運行工況更復雜且車輛行駛速度更低，從而造成發動機的負荷率更低，燃油消耗率更高，油耗更大[16]。

圖4 不同溫度冷起動NEDC循環下整車油耗

圖5 不同溫度冷起動NEDC循環下冷卻液溫度

3.2 EHRS對整車排放的影響

環境溫度越低，車輛冷起動經歷的時間越長，尾氣排放越惡劣。為了得到更佳的試驗效果，研究冷起動NEDC(-7 ℃)循環下EHRS裝置對整車排放的影響。測試得到的樣車整個NEDC循環下廢氣中HC，CO，NOx排放見圖6。

圖6 冷起動(-7 ℃)NEDC循環下整車排放

從圖6的HC排放體積分數可以看出：第一個城市循環工況下，HC排放體積分數在冷起動后大概20 s迅速達到最大，約670×10-6，后又迅速衰減，且搭載EHRS樣車的HC排放始終低于未搭載EHRS裝置樣車的HC排放。在冷起動后140 s，兩者出現最大濃度差，約為70×10-6，在后續循環工況中，HC排放略有波動，但始終保持在一個很低的水平。這是因為：在NEDC冷起動過程中，靠近壁面的氣體受壁面低溫的影響，使氣缸壁面形成不燃燒或是不完全燃燒的火焰淬熄層，從而產生大量的HC；另外在冷起動過程中，混合氣的濃度相較于其他過程更濃，而燃燒室溫度卻很低，燃料不易蒸發，從而使混合氣燃燒不完全，也導致HC排放急劇增加。這與文獻[17-18]一致。另外，整個NEDC測試循環過程中車輛會經歷加速、勻速、減速、怠速4種不同的工況，這就造成了HC排放的波動。而EHRS裝置在車輛冷起動過程中可以將回收的尾氣余熱以冷卻液熱量的形式重新帶回到發動機內，迅速提高冷卻液溫度，進而提高壁面溫度，改善燃燒環境，降低HC排放。

從圖6的CO排放曲線可以看出：與HC排放趨勢類似，CO排放在第一個城市循環工況下波動比較大，且大約在冷起動后30 s，搭載EHRS裝置樣車與未搭載EHRS裝置樣車的CO排放體積分數分別達到各自的最大值，約為1 000×10-6和1 650×10-6，此刻兩者的差值也最大，為650×10-6。在后續的循環工況過程中，雖然兩條曲線略有重疊，但從總體上看，搭載EHRS裝置樣車的CO排放低于未搭載EHRS裝置樣車的CO排放。這是因為：CO是一種不完全燃燒的產物，它的生成主要受混合氣濃度的影響。在NEDC冷起動過程中，混合氣的濃度相較于其他過程更濃，此時過量空氣系數φa<1，由于缺少氧氣，燃料中的碳不能完全氧化成CO2，CO作為未燃產物生成[19]。雖然在冷起動過程中EHRS裝置不能改變φa，但是它可以迅速提高冷卻液的溫度，改善氣缸內的燃燒環境，使較濃的混合氣燃燒得更加充分，從而降低CO排放。

從圖6中NOx排放曲線可以看出：搭載EHRS裝置樣車與未搭載EHRS裝置樣車的NOx排放在冷起動后20 s左右分別達到各自的最大值，約為95×10-6和115×10-6，此刻兩者的差值也最大，為20×10-6。在后續的循環工況過程中，NOx排放略有波動，但始終保持在一個很低的水平。這與文獻[20]中提到的NOx主要在高溫富氧環境下產生的結論不一致。在此階段產生的NOx可以用Fenimore等提出的激發NO機理[21]來解釋。該機理指出：首先碳氫化合物在燃燒中裂解出CH和CH2(見式(1)和式(2))，CH和CH2與N2反應，生成HCN和NH等中間產物，HCN和NH進一步反應生成NO。

(1)

(2)

與高溫環境下生成的NO相比，激發NO的生成過程是由一系列活化能不高的反應組成，因此不需要很高的溫度就可以進行；且激發NO生成速率主要受混合氣濃度的影響，而車輛冷起動下混合氣的濃度較高，且HC化合物的生成量很大，這就為冷起動過程過生成大量NOx創造了條件。而在車輛冷起動過程中，EHRS裝置可以非常有效地降低HC排放，故間接地降低了NOx排放。

為了更直觀地比較EHRS裝置對整車排放的影響，將試驗樣車NEDC循環測試數據折算為單位里程排放量，結果見圖7。從圖7可以看出：在冷起動NEDC(25 ℃)工況下，使用EFRS裝置后，HC，CO，NOx的減排量分別約為13.9%，1.9%和0.1%。而在-7 ℃環境下，HC，CO，NOx的減排量分別約為25.9%，13.9%和18.2%。由此可知：在冷起動工況下，EHRS裝置可以非常有效地改善車輛尾氣排放，且環境溫度越低，減排效果越明顯。

圖7 不同溫度冷起動NEDC循環下整車單位里程排放

3.3 EHRS對空調采暖的影響

對樣車進行冷起動(-20 ℃)空調采暖試驗，為了使試驗盡可能接近車輛實際運行工況下空調采暖的使用情況，選擇如下試驗工況：在-20 ℃氣候室中，樣車在底盤測功機上先以40 km/h的速度行駛60 min，然后以60 km/h的速度行駛20 min，最后怠速行駛30 min。試驗測得的座艙溫度曲線見圖8。由圖8可知：在有EHRS裝置作用下座艙內溫度可以提前13 min左右作用達到26 ℃，且座艙內的平均溫度也升高了10 ℃左右。這是因為試驗中EHRS余熱回收模式閥門控制溫度設定為發動機正常工作溫度85 ℃，試驗樣車從-20 ℃進行冷起動到達到發動機開始暖機的溫度60 ℃，此段過程中冷卻液溫度遠遠低于發動機正常工作溫度，在這種情況下有EHRS裝置的冷卻液溫度迅速升高，相較于無EHRS裝置冷卻液溫度可以提前3 min左右達到60 ℃，這就縮短了發動機的暖機時間，使發動機更快地進入正常工作溫度狀態，從而使得座艙內溫度相較于無EHRS裝置作用下更快地達到人適宜溫度26 ℃，且平均溫度提高了約10 ℃。

圖8 座艙溫度曲線

4 結論

a) 在冷起動NEDC循環整車油耗試驗中，尤其在車輛冷起動階段，EHRS裝置能使冷卻液溫度迅速提高，縮短了發動機的暖機時間，從而降低了整車的油耗；整個NEDC循環下城市循環的節油效率最好，且環境溫度越低節油效果越明顯；

b) 在冷起動NEDC循環工況下，EHRS裝置可以將回收的尾氣余熱以冷卻液熱量的形式重新帶回到發動機，迅速提高冷卻液溫度，進而提高壁面溫度，減小壁面淬熄效應，改善燃燒環境，從而降低HC，CO，NOx排放，且環境溫度越低減排效果越明顯；

c) 在-20 ℃低溫空調采暖試驗中，使用EHRS裝置能夠迅速提高冷卻液的溫度，加快發動機的暖機，從而使得乘座艙內溫度提前達到26 ℃，且座艙內的平均溫度也升高了10 ℃左右。