采用高導熱碳化硅蜂窩結構的先進非旁通廢熱回收系統的開發

【日】 T.SAKUMA M.YOSHIHARA T.KAWAGUCHI T.HAMADA H.MIZUNO D.KIMURA

0 前言

在混合動力汽車中，由于在電動機的輔助下發動機的使用頻率下降，在冷起動或使用車內加熱器時，車輛的可用熱能不足，在冬季尤為如此。廢熱回收(EHR)系統可以重新利用廢氣中的熱能，對發動機冷卻液進行加熱，從而改善燃油經濟性和車內舒適性[1-5]。如圖1所示，多數傳統EHR系統由采用疊層冷卻板結構的換熱器、旁通管，并考慮到帶有熱執行器的旁通閥組成，體積和質量都很大。含有熱執行器的旁通結構占用了非常大的空間。這類系統的這些物理特性使其很難被大多數的汽車所采用。此外，由于EHR系統質量會以熱質量的形式消耗換熱器回收的熱量，EHR系統的質量會對瞬態工況下的廢熱回收性能產生負面影響。為實現燃油經濟性改善，并考慮到EHR系統被大多數汽車所采用的目標，縮減EHR系統質量，包括旁通結構的尺寸是絕對必要的。

為使EHR系統的尺寸最小化，測試人員提出了2種采用高導熱碳化硅(SiC)蜂窩結構的EHR系統，并介紹了采用這些系統原型和傳統旁通系統車輛的試驗結果。1種系統是設計用于實現緊湊旁通結構的共軸旁通系統(圖2)。在該種系統中，將SiC換熱器芯體改造成環形結構，這樣換熱器芯體就可與安裝在換熱器中心的旁通管實現共軸結構。原型EHR系統的長、寬、高尺寸分別約為100 mm、80 mm和60 mm，質量為1 kg(包含電動執行器)。相較于傳統旁通系統，該種系統具有更高的燃油經濟性。另1種系統是設計用于實現超緊湊和超輕EHR系統的非旁通系統。該種系統(筒形)的直徑為70 mm，長度為40 mm，質量為0.4 kg。由于剔除了EHR系統中的旁通結構，這種非旁通系統的設計比共軸系統更簡單緊湊。但是，由于非旁通系統回收的熱量設定為不能超過散熱器的冷卻能力，因此必須增加低冷卻液溫度下的回收熱量并減少高發動機負荷，以提高冷卻液溫度下的回收熱量。本研究提出了1種取代旁通閥機構的非旁通EHR系統，該系統采用雙層冷卻液通道結構，能夠根據冷卻液溫度或發動機負荷自動限制回收熱量。此外，還介紹了在高熱負荷下針對該原型、傳統旁通系統和采用SiC蜂窩結構的傳統非旁通系統3種結構的車輛測試結果及廢熱回收評價。

圖1 傳統EHR系統實例

圖2 采用SiC蜂窩結構的EHR系統

1 傳統非旁通設計

傳統非旁通系統由SiC蜂窩結構、金屬殼(不銹鋼管)和冷卻液殼體組成。通過可實現蜂窩結構與金屬殼之間低界面熱阻的過盈配合實現金屬殼與蜂窩結構緊密貼合。通過焊接，換熱器芯體可輕易附著在冷卻液殼體上。圖3為傳統非旁通系統廢熱回收效率與廢氣流量的關系曲線。一方面，在城市行駛過程中，當廢氣流量低時能獲得高的廢熱回收效率；另一方面，當廢氣流量增大時，廢熱回收效率快速下降。該系統的廢熱回收效率在不需要熱量的高負荷工況時會降低。此外，由于采用蜂窩結構的原因，在高廢氣流量時產生的壓力損失也較低。該非旁通系統具有有利于EHR系統廢熱回收效率和壓力損失的特點。圖4為非旁通系統的設計要點。其中，橫軸表示廢氣能量，縱軸表示非旁通系統回收的熱量。當增大設計點的回收熱量用于快速預熱發動機時，最大回收熱量也增大，超過冷卻能力極限的風險也增大。因此，在設計傳統非旁通系統的廢熱回收性能時，必須同時考慮發動機預熱和防止連續廢熱回收導致車輛過熱2個方面的因素。為了應對傳統非旁通系統的這些設計挑戰，需要在以下方面實現技術突破，即改善低熱負荷或低冷卻液溫度下的廢熱回收，以及限制高熱負荷或高冷卻液溫度下的廢熱回收。

圖3 非旁通系統的廢熱回收

圖4 非旁通系統的設計要點

2 先進非旁通EHR系統

為了改善廢熱回收性能，開發了不帶旁通機構的先進非旁通EHR系統，該系統能夠限制高發動機負荷或高冷卻液溫度下的廢熱回收。圖5為先進非旁通系統的基本工作原理和結構。該系統具有能根據冷卻液溫度或廢氣熱負荷自動限制廢熱回收的雙層冷卻液通道結構。帶小間隙的子通道(中間層)附著在SiC換熱器芯體的金屬殼上，中間層的間隙由冷卻液可滲透隔離層和隔壁組成。主冷卻液通道的冷卻液殼體附著在含有子通道的SiC換熱器芯體上，冷卻液沿子通道流動。如圖5(a)所示，當冷卻液溫度或廢氣中的熱能很低時，靜止的冷卻液流體經過冷卻液可滲透隔離層填充到子通道的中間層內，廢氣中的熱能經由中間層傳遞給主通道內的冷卻液。另一方面，當冷卻液溫度或廢氣中的熱能變高時，中間層內的冷卻液氣化，中間層內的蒸汽會阻塞廢氣中熱能的流動(圖5(b))。當冷卻液的狀態由液態變成氣態時，其導熱性顯著下降。以水為例，氣態水的導熱系數不到液態水的0.05。因此，來自SiC蜂窩結構的熱能流幾乎全被由蒸汽填充的中間層所阻斷。也就是說，根據冷卻液溫度和廢氣的熱負荷，子通道可發揮導熱層或散熱層的作用。

圖5 先進非旁通EHR系統的工作模式

3 概念驗證

3.1 穩態工況下的評價裝置

圖6所示為穩態工況下評價廢熱回收效率采用的裝置。在該裝置中，利用電加熱器將干燥空氣加熱至700 ℃，加熱后的廢氣能以最高144 g/h的速率流動。此外，冷卻液的流量范圍為2～20 L/min，將冷卻液由室溫加熱至95 ℃。采用高精度鉑電阻溫度傳感器對冷卻液溫度進行了測量。廢熱回收效率為EHR系統回收的熱量與廢氣中熱量的比值。根據EHR系統進口和出口的冷卻液溫度差、冷卻液的比熱容和冷卻液質量流量計算回收的熱量。根據廢氣和冷卻液的溫度差、廢氣的比熱容和廢氣的質量流量計算廢氣中的熱量。

圖6 廢熱回收性能的評價

3.2 系統評價

下文評價了傳統非旁通系統和含有雙層冷卻液通道結構的先進非旁通系統的廢熱回收性能。除雙層冷卻液通道結構外，先進非旁通系統具有與傳統非旁通系統相同的SiC蜂窩結構和主冷卻液通道結構。圖7為在低冷卻液溫度下相對廢氣流量的廢熱回收效率。測量條件為：進口廢氣溫度400 ℃、進口冷卻液溫度和流量分別為40 ℃和10 L/min。對于先進非旁通系統，由于中間層添加在主冷卻液通道內廢氣與冷卻液之間的熱通道上，熱通道的熱阻通常高于傳統非旁通系統。盡管如此，當廢氣流量不高于40 kg/h時，先進非旁通系統的廢熱回收效率與傳統非旁通系統接近，而中間層并未對低冷卻液溫度下的廢熱回收性能產生較大的影響。圖8為回收熱量與冷卻液溫度的關系曲線。此次測量的條件如下：進口廢氣溫度和流量分別為700 ℃和72 kg/h，進口冷卻液流量為10 L/min，同時提高冷卻液溫度。對于先進非旁通系統，隨冷卻液溫度上升，尤其在溫度上升至80 ℃以上，相較于傳統非旁通系統，回收的熱量快速減少。這意味著從SiC蜂窩結構到冷卻液之間的熱流受到中間層的限制。由于中間層內冷卻液的狀態由液態轉變為氣態，中間層起到了隔離層的作用。經過上述試驗的驗證表明，先進非旁通系統能夠減少高冷卻液溫度下的回收熱量，并且不會降低需要熱量的低冷卻液溫度下的廢熱回收性能。

圖7 低冷卻液溫度下的廢熱回收效率

根據上述先進非旁通系統的散熱特性研究，先進非旁通系統在低冷卻液溫度和低熱負荷下的廢熱回收效率得到了改善。但是，當增加SiC蜂窩結構的長度來改善廢熱回收效率時，蜂窩結構產生的壓力損失也隨之增大。因此，為使先進系統的壓力損失與傳統非旁通系統的相同，對SiC蜂窩結構的直徑進行了增大處理。圖9為根據冷卻液溫度和廢氣流量繪制的廢熱回收效率等高線圖。此次測量的條件如下：進口廢氣溫度和流量分別為700 ℃和72 kg/h，進口冷卻液流量為10 L/min。隨著冷卻液溫度升高或廢氣流量增大，廢熱回收效率急劇下降。結果表明，根據冷卻液溫度和廢氣中熱能分別發揮導熱層或散熱層功能的雙層冷卻液通道的有效性。

圖8 高冷卻液溫度下的廢熱回收效率

圖9 作為冷卻液溫度和廢氣流量函數的廢熱回收效率等高線圖

4 車輛測試

為了評價所提出系統對燃油經濟性的影響，對分別安裝有非旁通原型、先進非旁通原型和市場上傳統旁通系統的車輛進行了測試。表1為試樣的具體規格。在表1中，效率指的是穩態工況(廢氣流量為36 kg/h，廢氣流量為10 L/min，冷卻液溫度為40 ℃)下的廢熱回收效率。在所有試樣中，傳統旁通系統的廢熱回收效率最高，但是其質量和尺寸要比其他試樣大很多。圖10為測試車輛和車輛測試條件。測試車輛采用傳統1.3 L汽油機的緊湊型乘用車。試樣安裝在車輛底板下催化轉化器的下游。對于冷卻液回路，試樣安裝在發動機艙加熱器芯體的下游，流出的冷卻液經由EHR系統加熱后流回發動機。在世界統一輕型車測試循環(WLTC)工況下進行了車輛測試，該測試包含4種車速階段：低速(階段1)、中速(階段2)、高速(階段3)和超高速(階段4)。車輛測試是在10 ℃的環境溫度下進行的，在測試循環過程中將發動機艙加熱器設置成最大功率。采用車載診斷(OBD)掃描工具經由控制器局域網絡(CAN)總線對發動機冷卻液溫度進行測量。根據碳質量平衡法確定燃油耗數據。

表1 試樣的具體規格

圖10 車輛測試

5 對燃油經濟性的影響

圖11為每一種試樣在WLTC每一個階段所獲得的燃油經濟性總體改善情況。每一項結果都是相對于未采用EHR系統的基準車輛的燃油經濟性改善，試驗數據均取2次車輛試驗結果的平均值。與基準車輛相比，尤其當發動機冷卻液在階段1和階段2仍處于低溫時，所有試樣的燃油經濟性都得到了改善。在所有的試樣中，先進非旁通原型具有最高的燃油經濟性，盡管其廢熱回收效率低于傳統旁通系統。

圖12為發動機冷卻液在車輛試驗過程中的溫度特性。盡管冷卻液和機油溫度在車輛試驗起始階段存在一些誤差，但是先進非旁通原型對冷卻液溫度的提升速度要比其他試樣快。由于對冷卻液進行提前預熱會影響燃油經濟性。在所有試樣中，先進非旁通原型具有最高的燃油經濟性。冷卻液的提前預熱取決于EHR系統的廢熱回收性能和熱質量。由于先進非旁通系統未消耗EHR系統回收的熱量進而未增加熱質量，因此其熱質量要低于傳統旁通系統，從而其廢熱回收效率更高。

圖11 車輛試驗獲得的燃油經濟性結果

圖12 冷卻液的溫度特性

6 散熱性能

為了驗證散熱性能，在高熱負荷下利用液化石油氣(LPG)燃燒器對每一種試樣的回收熱量進行了測量。圖13為試驗條件及每一種試樣的回收熱量結果。試驗進行的條件為：進口廢氣溫度和流量分別為800 ℃和324 kg/h，進口冷卻液溫度和流量分別為95 ℃和10 L/min。在旁通模式下對傳統旁通系統進行了測試。盡管未采用旁通機構，先進非旁通系統比傳統旁通系統具有更好的散熱性能。結果表明，先進非旁通系統在高熱負荷下具有良好的散熱性能。

圖13 高熱負荷下的回收熱量

7 結論

采用高導熱SiC蜂窩結構的先進非旁通系統可同時實現發動機預熱階段的高效廢熱回收及高發動機負荷下的高效散熱。該系統未采用任何運動件的雙層冷卻液通道即可自動防止發動機冷卻液過熱。對于車輛試驗的結果表明，與采用金屬換熱器的傳統旁通系統及傳統非旁通系統相比，先進的非旁通系統具有更好的燃油經濟性。通過燃燒器的試驗結果表明，先進非旁通系統在高熱負荷下的散熱性能要優于傳統旁通系統。