車輛發動機尾氣余熱回收利用技術探討

李昌亭 白帆 趙海龍

摘? 要：隨著中國經濟快速發展，國內機動車數量急劇增加，隨之而來的是能源緊缺和環境污染問題，本文從車輛發動機尾氣回收利用技術的角度進行論述，對熱電轉化和有機朗肯循環兩種技術手段的原理與特點進行了分析，最后闡述了余熱回收利用技術在車輛領域將有很廣闊的發展空間，將會給科技進步帶來革命性的進展。

關鍵詞：車輛工程;發動機;尾氣;余熱利用

引言

隨著中國經濟不斷發展，人民生活水平和生活質量日益提高，車輛工程領域迅速崛起，截止到2019年上半年，全國機動車保有量達3.4億輛，成為世界上最大的機動車生產與消費國。國內機動車數量如此龐大，一方面反映了國內生產制造技術的飛速提高，另一方面也致使了能源緊缺和環境污染等一系列問題。相關研究表明，對于效率較高的柴油機，燃料燃燒后僅有約42%的有效功輸出，其它的能量以熱的形式損失，其中柴油機運轉過程中摩擦損失約占8%，通過冷卻系統的傳熱損失約占25%，通過車輛尾氣帶走的排氣損失約占25%，如圖1所示。在發動機進排氣系統中，當發動機氣缸做功完成后，需將廢氣排出，此時殘余廢氣的溫度約在700-900℃[1]。

由此可見，在柴油機排出的廢氣中蘊藏著很大部分的熱量，如果應用相關的技術對廢氣中的熱量進行回收利用，將極大的提高機動車的動力性能和燃油經濟性能，不僅可以解決能源緊缺問題，還會為社會帶來巨大的社會和經濟效益。

1 余熱回收利用技術

根據目前國內外相關研究進展，在機動車發動機上應用余熱回收利用的技術主要有兩種，一是利用熱電轉化（簡稱TEG）技術;二是利用有機朗肯循環技術（簡稱ORC）。

1.1 熱電轉化技術

熱電轉化技術的原理非常簡單，應用的是塞貝克效應溫差發電，如圖2所示，在半導體的上下兩端溫度不同，會產生溫度差，進而在兩端產生電壓[2]。

圖2? 溫差發電原理圖

溫差發電的概念早在20世紀60年代就已經被提出，限于當時技術水平，溫差發電裝置的熱電轉化效率非常低，主要體現在溫差發電的材料選擇和研制。隨著科學技術水平的不斷提高，迫于環境保護、能源緊缺和經濟效益的需要，各國政府和公司對熱電轉化技術投入越來越多的金錢和精力，但由于熱電轉化技術成本昂貴，以及轉化效率較低，仍未被廣泛使用。如圖3所示，是本田公司利用熱電轉化技術研發的發動機余熱回收利用系統，可以為車輛的LED燈組發電，當兩側溫差達30℃的時候，可以為車輛提供20W的功率。

目前，熱電轉化技術還可以與熱管進行結合使用，可以在一定程度上提高熱電轉化的效率。當熱管兩端溫差達20℃時，發電功率可以達到28W。雖然目前熱電轉化效率相比于起步時有了很大提高，但仍然達不到廠商以及用戶的要求，因此大部分熱電轉化技術仍在實驗室中進行研制開發。

1.2 有機朗肯循環

顧名思義，朗肯循環的工質為有機物，稱之為有機朗肯循環。有機朗肯循環是目前余熱回收利用技術中轉換效率最高的一種手段，被人們期望于實現產業化應用[3]。

有機朗肯循環的工作原理如圖4所示，吸收余熱的工作介質為低沸點的有機物（如氯乙烷等），吸熱后的低沸點有機物蒸發氣化，進入膨脹機做功，輸出的機械功可以驅動發電機發電，也可將機械功疊加到發動機曲軸上，增加機動車的機動性能和燃料經濟性能。

有機朗肯循環技術最早應用在廢熱發電領域，隨著能源緊缺和環境污染等突出問題的出現，該技術逐步在車輛領域進行研發，可以作為提高車輛發動機效率的重要手段。目前，中國、美國以及一些歐洲國家都對該技術進行了廣泛的研究與論證，同時擁有很多在研項目。由于該技術工質為有機物，密度比水大，所有該技術的相應裝置體積相對較小。但車用有機朗肯循環技術仍然存在很多技術難題，比如發動機的排氣溫度是不斷變化的，通常在200-900℃范圍內，同時發動機冷卻液的溫度要求在96-100℃之間，所有選用什么樣的工質對該技術的發展具有非常重要的作用。

在美國，以能源部為首開展了很多超級商用車項目，其中Cummins、Diamler、Volvo及Navistar四家商用車公司，為了提高柴油機有效熱效率，都選擇了有機朗肯循環的余熱回收利用技術。據資料顯示，Cummins公司通過該技術的研發，可以將柴油機原有效率相對提高7.4%，研究成果非常顯著。

2 兩種技術對比分析

目前，關于車輛發動機尾氣余熱回收利用的技術主要是基于熱電轉化和有機朗肯循環兩種原理。這兩種技術各有優缺點，其中熱電轉化技術在車輛應用方向，不要求車輛具有很大的安裝空間，對于車輛的結構空間要求較低，同時系統原理簡單，具有非常大的應用前景，但是該技術受限于轉化材料的選擇，所以轉化材料一直是制約熱電轉化技術發展的關鍵難點。另外，該技術目前成本昂貴，轉化效率低，仍然存在著很大的發展和研制空間。

有機朗肯循環技術，目前在車輛領域應用最為廣泛，因為該技術的余熱回收利用效率最高，且有很大的產業化前景。但是，該技術應用同樣存在幾個主要限制：一是成本限制;二是對排氣溫度有一定要求;三是對車輛布置空間有一定要求。所以，該技術如果要有所發展，就必須逐步克服這幾個限制條件，才有可能被產業化應用。

3 結論及展望

本文對余熱回收利用技術應用背景進行論述，主要針對兩種技術手段展開探討，分析了熱電轉化技術和有機朗肯循環技術的工作原理、應用特點以及制約其發展的因素。通過本文的論述，對余熱回收利用技術的應用前景進行展望。

在車輛發動機尾氣系統中應用余熱回收利用技術，可以很大程度的提高車輛的機動性能和燃料經濟性能。通過研究車輛發動機尾氣余熱回收利用技術，可以在車輛上進行應用的方面主要有：

1、在寒區冬季條件下，利用車輛發動機尾氣余熱回收利用技術，對發動機動力艙或者發動機進行保溫，能夠極大的提高車輛在低溫條件下的冷啟動性能，尤其對于在寒區冬季條件下的重型車輛尤為重要。

2、利用車輛發動機尾氣余熱回收利用技術，為車輛蓄電池進行充電，也可作為車輛的輔助電源為其它需要供電的裝置供電，可在一定程度上提高車輛的續航能力。

3、利用車輛發動機尾氣余熱回收利用技術，可提高發動機的有效功率輸出，將輸出功率疊加到曲軸上，將會在一定程度上提高車輛的機動性能。

關于車輛發動機尾氣余熱回收利用技術，目前各國仍在研究階段，雖然該技術距離成熟應用還有很大的進步空間，但是該技術在成熟應用后，將會給社會帶來巨大的變革。

參考文獻

[1]? 王錦艷，陳龍華，李波等.基于排氣余熱回收技術的整車性能優化[J].汽車實用技術，2017，（21）78-81.

[2]? 靳鵬.汽車尾氣熱電發電技術研究及應用仿真[D].吉林：吉林工業大學，2011.

[3]? 趙剛，李富或，朱建良.汽車尾氣余熱發電的原理與實現[J].信息技術，2005，10：107—108.