蓄能式汽車發動機余熱空調系統的優化設計

陳一帆，龍澤鏈，林明松，謝軍，蔣金明

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

汽車發動機有接近70%的熱能是以廢熱被直接排放到環境中，造成了巨大的能源浪費和空氣污染，因此，高熱效率和低排放的汽車發動機系統一直以來都是發動機技術研究的重要方向。理論上通過提高壓縮比、工質絕熱指數、燃燒等容度、燃燒方式、燃料組合等方法可以將汽車發動機的熱效率達到較高的水平，然而受制于材料技術、工作原理和應用環境等多方面的原因，汽車發動機熱效率一直難以獲得較大的突破。

從功能的耗用的角度來說，在燃油車上，傳統的空調和車載電器以發動機為動力源驅動，這將進一步降低的發動機的動力輸出性能。劉淼等人[1]以家用橋車為例，測試發現夏季車載空調制冷系統最高會占用到10% 耀20%的發動機功率。減少發動機在非動力方面的能量消耗技術和提高發動機熱效率的技術，對于汽車發動機技術有著同樣的意義。為此，穩定的汽車余熱能量回收，成為了當前發動機技術研究的重要方向。

1 汽車余熱利用技術

汽車發動機中存在余熱利用潛能且較為容易進行余熱利用的部件主要有冷卻系統中的高溫冷卻水和尾氣。從能源質量的角度來說，高溫冷卻水溫度較低屬于低效余熱熱源、而汽車尾氣溫度較高屬于高效的余熱利用熱源。當前汽車主要的余熱利用技術有：（1）吸收式或吸附式余熱空調系統；（2）TEG 熱導電技術；（3）EHRS 熱導熱的技術；（4）ORC 有機朗肯循環技術，通過余熱，利用膨脹機獲得機械能等。

1.1 發動機余熱驅動的吸收式制冷系統

余熱驅動的吸收式制冷空調系統，主要利用制冷劑的蒸發吸熱的原理實現制冷。發動機余熱驅動的吸收式制冷系統，通過余熱驅動吸收式制冷空調，減少發動機在機械式空調系統對功率的損耗實現節能的目的。基于該原理，大連理工大學路明[2]等人利用溴化鋰溶液，通過對車載吸收式制冷空調系統研究，基于載客量55 人的客車，開發出余熱驅動的車載吸收式制冷系統，功率最高可以達到27 kW，COP 可以達到0.5548。

1.2 發動機余熱驅動的吸附式制冷系統

吸附式制冷系統是利用某些固體對氣體的釋放與吸附過程中伴隨的吸放熱特性而達到制冷目的一種制冷方式。發動機余熱驅動的吸附式制冷系統，通過余熱驅動吸附式制冷空調，減少發動機在機械式空調系統對功率的損耗實現節能的目的。車載吸收式余熱空調基本原理是：利用汽車余熱作為吸附式制冷系統的高溫來源，通過吸附床與冷凝器、節流閥、蒸發器之間的作用實現蒸發、冷凝、膨脹、蒸發的功能，完成空調制冷循環。基于該原理，田宜聰[3]等人基于柴油機礦車開發出功率為3 kW 的吸附式制冷系統，COP 約0.2 耀0.25。

1.3 溫差發電技術

TEG 溫差發電技術基于塞貝克效應，利用由于溫差在導體內產生載流子，從而實現熱電現象的方法，實現發電功能。本田制造的TEG 余熱回收系統，它產生的能量用于給LED 燈組發電，該系統在兩側溫差30 益的時候可以達到20 W 的發電功率。張帥[4]等人基于溫差發電技術獲得輸出功率為37.9 W 的電能。

1.4 發動機余熱驅動的EHRS 熱導熱的技術

EHRS 熱導熱的技術，通過余熱加快暖機速度、穩定系統工作狀態，實現降低排放及油耗等功能。EHRS 熱導熱的技術較為簡單，節能減排效果也比較明顯，但是EHRS 熱導熱的技術只能改善發動機的運行工況，不能對熱能進行有效回收，這也制約了EHRS 熱導熱的技術的節能效益。

1.5 發動機余熱驅動的ORC 有機朗肯循環技術

有機朗肯循環（OrganicRankineCycle，簡稱ORC）是以低沸點有機物為工質的朗肯循環[5，6]。為了研究有機朗肯循環技術在發動機余熱回收的效率，日本本田和豐田公司、美國康明斯公司都分別針對旗下發動機進行過有機朗肯循環余熱回收改造，發現余熱回收效果明顯，可以提高4% ～ 10%的余熱回收效率。由于在實際行駛過程中，汽車會出現頻繁的起停以及怠速等狀態，汽車發動機的工況也隨之變化，從而導致余熱能量波動，從而影響ORC 循環的正常工作效能，為此，利用ORC 系統對汽車發動機余熱能量進行回收的應用研究當前也還處于研究階段。

2 汽車發動機余熱特性

2.1 發動機冷卻系統余熱溫度特性

發動機工作過程中約有33%的熱能是通過冷卻系統排出到車外。從發動機整個系統來看，發動機冷卻系統主作用在于保證發動機處于最佳工作溫度范圍內。為此，為了保證發動機工作在冷啟動前期，冷卻系統主要目的在于保障發動機系統溫度快速上升，即小循環。當發動機持續工作過程中，冷卻系統工作的主要作用在于將發動機工作過程中產生的余熱排出幾乎，保證發動機工作的穩定性，即大循環。為此，在發動機穩定工作過程中，通常汽車發動機冷卻系統最佳溫度為80 耀120 益，溫度過高或者溫度過低都會影響到發動機的工作性能。發動機余熱利用需要基于發動機最佳工況下開展研究[7]。

影響發動機冷卻系統溫度的影響因素有較多，主要有：（1）環境溫度；（2）發動機工作狀態；（3）汽車運行工況；（4）供暖系統對于溫度的需求；（5）冷卻系統工作狀態以及受海拔等影響的空氣密度。為了探索發動機冷卻系統的余熱利用，廣大科研工作者采用了實驗分析、CFD 模擬分析和數值模擬等多種方法開展了研究，其中謝沅沅等人[8]，通過結合整車風洞模型，通過Trim 網格分區域劃分法生成體的方法結合實驗分析，深入研究了發動機冷卻系統余熱溫度的特性。作為余熱利用的熱源，發動機冷卻系統余熱利用主要特點有：（1）余熱溫度穩定；（2）冷卻水溫可控；（3）熱容量大等優點。但是，夏季發動機冷卻系統與環境溫度的溫差較低通常只有50 耀70 益左右，作為余熱發電熱源還存在溫度值偏低、流量受發動機運行工況影響不穩定和溫度和流量受環境溫度影響較大等問題。因此，長期以來一直沒有在工程上對發動機冷卻系統余熱進行二次開發和利用[9]。

2.2 發動機尾氣余熱溫度特性

發動機尾氣通常在發動機工作過程中也會帶走發動機約有三分之一的熱能。通常，汽油車發動機排氣歧管最高溫度可以達到700 耀800 益，屬于良好的吸收、吸附式制冷系統和溫差發電的熱源[10]。

而影響發動機尾氣余熱利用的影響因素主要有：（1）尾氣催化處理對于溫度的需求（通常最佳溫度為400 耀800 益）；（2）環境溫度；（3）發動機工作狀態和汽車運行工況；（4）受海拔等影響的空氣密度；（5）尾氣壓力等。

2.3 汽車發動機余熱能量估算

汽車發動機的余熱能量的多少，直接影響到汽車發動機余熱回收的意義。天津大學的李廣華、劉子奇[11，12]等人分別對汽車發動機尾氣余熱能量進行了估算，發現2.0 L 的汽車發動機尾氣，在不同轉速下可以達到8.5 耀42 kW，尾氣能力利用效率最高超過46%，相當于汽油機輸出功率的35% 耀42.4%，大大超過夏季汽車空調2 耀4 kW 的功率[13，14]。

3 蓄能式汽車發動機余熱空調系統設計

3.1 汽車發動機余熱分析

研究汽車發動機余熱的基礎在于先了解不同工作狀態下汽車發動機余熱溫度和流量的特點。為此，論文針對某2.0T 內燃機在不同轉速下汽車發動機余熱溫度和流量之間的關系模擬研究結果進行了研究，其基本情況如圖1 所示[12]。發動機尾氣的溫度差異不大基本處于630 益 耀650 益之間，屬于良好的吸收式空調溫度工作范圍。而在尾氣流量方面，尾氣流量基本隨發動機轉速的增加而增加。在發動機轉速較低比較難以滿足極端環境下汽車空調的需求。

圖1 不同轉速下汽車發動機尾氣余熱溫度和流量之間關系圖

3.2 蓄能式汽車發動機余熱空調系統原理

吸收式制冷系統主要由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器、工作介質、循環泵、節流閥等部件組成。其中，工作介質包括制取冷量的制冷劑和吸收、解吸制冷劑的吸收劑，二者組成工質對，以溴化鋰吸收式制冷系統為例，工作介質為溴化鋰溶液。通過水在蒸發器內蒸發過程吸收大量的熱能實現制冷的目的，而水蒸發后由溴化鋰濃溶液吸收獲得溴化鋰稀溶液。溴化鋰稀溶液在蒸發器內蒸發后獲得溴化鋰濃溶液和水，實現制冷循環的目的[11-15]。

3.3 基于吸收式制冷原理的蓄能式汽車發動機余熱空調設計

相對于普通的吸收式制冷系統，蓄能式汽車發動機余熱空調系統主要在吸收器前端安裝兩個蓄能器，分別儲存制冷吸收劑和冷劑。蓄能器的作用是，當汽車發動機功率較大時，將多余的制冷吸收劑和冷劑儲存起來，當汽車發動機功率較小時，通過蓄能器補充吸收劑和冷劑。

從熱源的角度來說，汽車發動機余熱空調系統有3個部分的余熱：發動機冷卻液、發動機尾氣以及余熱空調蒸發器后高溫溶液。以溴化鋰吸收式汽車發動機預熱空調為例設計出的兩效蓄能式汽車發動機余熱空調，其基本結構如圖2 所示。當汽車發動機啟動后，發動機高溫冷卻液和溴化鋰稀溶液流入換熱器1進行換熱。加熱后的溴化鋰稀溶液在蒸發器2 內進行初次蒸發，初次蒸發后的水蒸氣流入收集器5。初次蒸發后的溴化鋰稀溶液進入尾氣換熱器4 進行加熱，然后流入蒸發器3 進行二次蒸發，二次蒸發后的水蒸氣與一次蒸發后的水蒸氣從收集器5 內流入散熱器6，冷卻成水后流入蓄能器7。而二次蒸發后的濃溴化鋰溶液則經散熱器6 冷卻后流入蓄能器8。空調系統啟動后蓄能器7 和8 內的溴化鋰濃溶液和水流入蒸發器9 進行制冷。吸收器內的溴化鋰稀溶液則通過換熱器11 流入換熱器1，完成制冷循環。換熱器11 內，通過對蒸發器3 后流出的溴化鋰濃溶液進行降溫，同時提高吸收器后溴化鋰稀溶液的溫度，進行熱能二次利用，換熱器1 內的發動機冷卻液則通過散熱器散熱后進行冷卻循環。

圖2 蓄能式汽車發動機余熱空調系統原理圖

3.4 蓄能式汽車發動機余熱空調系統性能對比

汽車發動機余熱約占汽車發動機燃油熱量的60% 耀70%。其中發動機尾氣熱量約占發動機工作熱量30%左右，溫度約90 益屬于中低品位的熱源。其中，發動機燃油熱量的15% 耀30%由發動機冷卻系統帶走，溫度處于630 耀650 益之間屬于高品位余熱熱源。考慮到汽車發動機冷卻系統溫度，而發動機尾氣的，再加上余熱熱源的不穩定性，帶來了余熱回收系統工作的不穩定性，通常研究的發動機余熱系統只采用其中一種熱源作為余熱回收熱源，效率較低、效果較差，較難實現工程應用。

為此，蓄能式汽車發動機余熱空調系統，相對于傳統的余熱空調系統對比如圖3 所示，通過利用低品位的熱源和高品位熱源的梯級利用，主要有以下3 點優勢：（1）通過能量梯級利用實現余熱利用的高效率；（2）通過蓄能器實現制冷效能的穩定性；（3）高溫熱源為后級熱源，便于多效余熱回收的實現，提高能源的利用效率。

圖3 發動機余熱空調系統特征對比圖

3.5 蓄能式汽車發動機余熱空調系統效益評價

盡管汽車發動機有充足的余熱，可以滿足汽車空調系統制冷的需求，然而在實際工作過程中，由于汽車發動機工作的狀態并不恒定不變，汽車空調系統功率需求卻較為恒定，這成為了汽車發動機余熱回收制冷的主要困難。此外，由于吸收式制冷系統的體積較大、質量較重也直接影響到余熱回收系統的使用。為此，通過蓄能器進行調節，進行吸收式汽車發動機余熱空調的方法來實現對汽車余熱進行回收的方案，相對于傳統的吸收式余熱空調系統，蓄能式汽車發動機余熱空調系統主要具有以下2個優點：（1）余熱回收效率高，通過發生器中的高溫濃溴化鋰溶液和高溫汽車發動機冷卻液二次加熱后的溴化鋰溶液再由發動機尾氣換熱器加熱，余熱回收效率大于發動機尾氣加熱回收效率。（2）空調系統工作不受發動機工況影響，更有利實際應用和商業推廣。

4 結語

盡管當前余熱利用技術得到了較快的發展，且汽車發動機余熱豐富，由于汽車工況的復雜性和質量等原因，當前尚無較好的汽車發動機余熱利用技術應用于實踐，這對于汽車技術發展、節能減排等都具有較大的負面的影響。

通過對汽車發動機余熱利用技術、汽車發動機余熱特性進行分析后，設計出一種蓄能式汽車發動機余熱空調系統，具有余熱回收效率高、高空調系統工作不受發動機工況影響、容易跟實際工程應用等優點。系統能在保證汽車發動機正常工作的前提下，能有效利用發動機的余熱，提高發動機熱效率，穩定的為汽車提供穩定的制冷效能，不僅有利于余熱利用技術的發展更有利于汽車發動機熱效率的提升，對于節能減排也具有非常重要的意義。