雙碳背景下重型商用車能效提升的途徑

◆文/天津 霍永占

中國提出的“雙碳”目標正在深刻影響著內燃機行業(yè)的發(fā)展與變革。車用內燃機作為我國碳排放“大戶”以及交通運輸?shù)闹饕獎恿Γ峭苿赢a業(yè)落實“雙碳”目標的有力抓手。重型商用車目前面臨即將實施的四階段油耗標準，目前正在開展商用車雙積分政策的相關研究，未來提高車輛燃油經濟性仍是降低汽車碳排放的重要方式，著力提升重型商用車的能效是當務之急。

從內燃機的熱平衡考慮，用于動力輸出的機械功率一般只占燃油燃燒總熱量的30%～45%(柴油機)或20%～30%(汽油機)。以余熱形式釋放到環(huán)境的熱量占燃燒總能量的55%～70%(柴油機)或80%～70%(汽油機)，主要包括缸套冷卻水帶走的熱量和排氣帶走的熱量。開展內燃機余熱能回收利用可以提升內燃機的熱效率，對內燃機功率比油耗的降低作用顯著。

國內外相關學者和企業(yè)近年來在內燃機余熱能回收利用方面做了大量卓有成效的工作。內燃機余熱能回收利用主要有以下幾條技術路線：一是利用熱電模塊熱電材料的塞貝克效應直接實現(xiàn)熱電轉換，但是其熱電轉換效率較低；二是采用布雷頓循環(huán)的復合渦輪利用排氣動能發(fā)電或輸出機械功，但易使得發(fā)動機排氣背壓增大影響燃燒性能；三是采用有機朗肯循環(huán)(圖1)，基于朗肯循環(huán)采用有機工質實現(xiàn)熱功轉換。有機朗肯循環(huán)技術被證明是一種高效率回收余熱的方式，被認為是應用于重型商用車以期提升燃油經濟性和碳排放的重要技術路線。

由于需要加置余熱回收系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)重量、布置，系統(tǒng)復雜性等因素，各大企業(yè)基本不太看好其在輕型車上的應用。即使是在重型商用車上布置另外一套加置的余熱回收系統(tǒng)，可利用的空間也十分有限，也面臨著系統(tǒng)集成及與原有熱管理系統(tǒng)、排放控制系統(tǒng)的協(xié)同設計方面的挑戰(zhàn)。

美國康明斯公司開展了余熱回收系統(tǒng)在重型商用車上的集成設計與應用，協(xié)同考慮了余熱回收系統(tǒng)各部件與原有內燃機系統(tǒng)的集成設計，盡可能地減少系統(tǒng)的空間并考慮其重量的削減，如圖2所示。康明斯的余熱回收系統(tǒng)，基于低全球變暖潛能值GWP和低臭氧破壞潛能值ODP的環(huán)保工作介質。從后處理下游的排氣系統(tǒng)和EGR冷卻器回收熱量，并聯(lián)回路回收發(fā)動機冷卻液和潤滑油的熱量，轉換為機械功，與發(fā)動機曲軸以機械耦合形式輸出功率。余熱回收系統(tǒng)還包含一個回熱器，用于回收冷凝器前的工質的熱量，這樣可以降低冷凝器的熱負荷和提升系統(tǒng)的熱效率。此余熱回收系統(tǒng)最大可以提升3.6%的發(fā)動機制動熱效率。

美國博格華納公司使用重型柴油機開展了基于有機朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的開發(fā)工作，系統(tǒng)同時回收廢氣和EGR熱量，采用有機工質。系統(tǒng)的架構圖如圖3所示，充分考慮了渦輪機、發(fā)電機、工質泵的一體化集成設計，總重量小于10kg，渦輪機最大功率為13kW，最大等熵效率為65%。換熱器采用模塊化設計，依托博格華納先進的EGR冷卻器設計能力，充分考慮布置空間，實現(xiàn)與內燃機的協(xié)同集成設計，結構緊湊，排氣換熱器效率高于60%，EGR換熱器效率高于80%。

“雙碳”背景下，動力、能源多元化是大勢所趨，重型商用車面臨日益嚴苛的油耗和排放法規(guī)，將來還面臨著碳排放和商用車雙積分政策的挑戰(zhàn)。筆者認為，在技術路線選擇上要保持技術中立，既要在新能源電動化、混合動力方向發(fā)力，也要在內燃機本身熱效率提升上下功夫，內燃機余熱回收技術尤其是基于有機朗肯循環(huán)的系統(tǒng)已經表現(xiàn)出較為優(yōu)異的性能，高效匹配熱力學性能、集成優(yōu)化重型商用車空間布置、協(xié)同排氣后處理的設計，應該會成為提升重型商用車能效的關鍵技術路徑。