一種發(fā)動機(jī)尾氣再利用裝置探究

楊武 馬福龍 王凱

摘要：介紹了一種在重型汽車上運(yùn)用的發(fā)動機(jī)尾氣加熱乘員艙溫度調(diào)節(jié)裝置，并且根據(jù)重型汽車的實(shí)際運(yùn)用工況，設(shè)計(jì)了一種該裝置的主要部件—螺旋管式蓄熱換熱器。該螺旋管式蓄熱換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、排氣背壓小、能量存儲等諸多優(yōu)點(diǎn)，可為后續(xù)發(fā)動機(jī)尾氣利用技術(shù)提供重要參考。

關(guān)鍵詞：重型汽車；尾氣加熱；溫度調(diào)節(jié)裝置；螺旋管式蓄熱換熱器

中圖分類號：U464? 收稿日期：2024-01-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405008

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車保有量也日益增長，在全球石油能源越來越緊缺的背景下，汽車節(jié)能減排受到全世界各國政府的高度重視。經(jīng)研究表明，汽車內(nèi)燃機(jī)由于自身循環(huán)的原因，只能將燃料燃燒釋放出總能量的約33%，并將之轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其余的能量均以熱能的形式散耗在周圍環(huán)境中，這就造成了能源的巨大浪費(fèi)，因此如何有效地利用內(nèi)燃機(jī)所不能充分利用的廢氣熱能成為全世界各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)，這也是降低汽車能源消耗的有效途徑之一。

2 內(nèi)燃機(jī)額定工況下熱平衡

目前汽車仍以內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動為主，內(nèi)燃機(jī)分為柴油機(jī)和汽油機(jī)，其中柴油機(jī)在額定工況下用于動力輸出的能量（機(jī)械能）僅占燃料燃燒釋放總能量的30%～45%，而汽油機(jī)只能達(dá)到20%～30%。其余的能量均以廢熱的形式排放到周圍環(huán)境中，其中柴油機(jī)廢熱所占的比例為燃燒釋放總能量的55%～70%，汽油機(jī)這一比例可以達(dá)到70%～80%，一般認(rèn)為能夠被有效利用的廢熱主要包括發(fā)動機(jī)冷卻液中的熱量和汽車尾氣中的熱量。表1是額定工況下內(nèi)燃機(jī)的熱平衡表，汽車上的內(nèi)燃機(jī)在實(shí)際工作時，由于并非時時處于額定工況，因此實(shí)際能量的利用率比30%～45%（柴油機(jī)）或20%～30%（汽油機(jī)）還要低［1］。

3 發(fā)動機(jī)尾氣再利用裝置

如圖1所示，發(fā)動機(jī)尾氣再利用裝置由換熱轉(zhuǎn)換閥、換熱器、電子水泵、水箱、散熱器及相應(yīng)電控回路構(gòu)成。換熱轉(zhuǎn)換閥設(shè)置在發(fā)動機(jī)增壓器后的排氣管上，由安裝在駕駛室儀表臺上的翹板開關(guān)控制，在無需給乘員艙供暖時，轉(zhuǎn)換閥開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動機(jī)尾氣直接流向消聲器。當(dāng)需要給乘員艙加熱時，開啟轉(zhuǎn)換閥控制開關(guān)，發(fā)動機(jī)尾氣經(jīng)換熱器后再流向消聲器；同時起動電子水泵，熱循環(huán)液容器中的制冷劑經(jīng)過換熱器加熱后輸送至乘員艙下布置的暖風(fēng)機(jī)，暖風(fēng)機(jī)中風(fēng)機(jī)將乘員艙內(nèi)冷空氣與散熱器中的冷卻液進(jìn)行熱交換，加熱乘員艙內(nèi)的空氣［2］。乘員艙溫度的調(diào)節(jié)主要由換熱轉(zhuǎn)換閥的開度決定，開度越大，乘員艙溫度越高，轉(zhuǎn)換閥的開度設(shè)置有初開、半開、全開三個擋位，均由駕駛室內(nèi)的開關(guān)控制。

從發(fā)動機(jī)尾氣利用裝置工作原理可知，通過廢氣利用裝置給乘員艙持續(xù)加熱的難點(diǎn)在于換熱器的選擇。重卡尾氣余熱回收換熱器在整車上布置必須結(jié)構(gòu)緊湊，體積小；同時又不能增加發(fā)動機(jī)排氣背壓，在發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及間歇性運(yùn)行工作時換熱器又能連續(xù)性工作。因此設(shè)計(jì)合適的換熱器是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)尾氣利用的關(guān)鍵所在［3］。

4 換熱器

41 換熱器的選型

目前，換熱器有很多種類型，螺旋管式蓄熱換熱器是一種新型的換熱器，其螺旋管作為一種高效的傳熱強(qiáng)化管，與普通直管相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、單位空間利用率大、方便一體化布置等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地解決換熱器在整車布置上的難題。螺旋管式蓄熱換熱器中由于填充著蓄熱材料，可以解決發(fā)動機(jī)間歇性工作帶來的問題。鑒于此，本文在設(shè)計(jì)換熱器時采用螺旋管式蓄熱換熱器。

42 換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算時，要充分考慮到重型汽車的實(shí)際情況，尤其是將換熱器布置在汽車上時不能太大。余熱回收換熱器在正常傳熱工況下主要涉及兩個傳熱過程的耦合：尾氣向熔鹽的傳熱過程和熔鹽向制冷劑的傳熱過程。

a.尾氣與熔鹽傳熱的設(shè)計(jì)計(jì)算。

重型汽車的車架寬度一般為850 mm，所以換熱器在車架左右方向布置時不宜太長，本文設(shè)定換熱器內(nèi)布置的直管長500 mm，排氣管管徑為120 mm，根據(jù)換熱器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定換熱器內(nèi)部直管內(nèi)徑14 mm、厚2 mm、管子數(shù)量33；發(fā)動機(jī)在某低轉(zhuǎn)速工況下的尾氣質(zhì)量流量為02kg/s，發(fā)動機(jī)渦輪增壓器后尾氣溫度在200～500 ℃之間，本文按保守值200 ℃進(jìn)行計(jì)算。

①尾氣側(cè)換熱系數(shù)的確定。

尾氣側(cè)質(zhì)量流速：

[G=qn（0.25π×D2i）×10-6]=40 kg/m2·s

式中，n為直管數(shù)量；q為尾氣質(zhì)量流量。

尾氣側(cè)雷諾數(shù)：

[Ref=DiG0μ]=[0.014×4032.8×10-6]=17 000

尾氣側(cè)怒謝爾特?cái)?shù)：

[Nμ=f8Re-1 000Prf1+12.7f8（Prf23-1）[1+dl23]ct]=252

式中，[f=（1.82lgRe-1.64）-2]=0027。

尾氣側(cè)的換熱系數(shù)：

[α=NμλDi]==722 W/（m·K）

②熔鹽側(cè)換熱系數(shù)確定。

在余熱系統(tǒng)啟動以后，其熔鹽由尾氣吸熱，在逐漸熔化后處于全液態(tài)的時候，進(jìn)行有限空間內(nèi)的自然對流，并且可以與冷卻液進(jìn)行換熱。把排氣的管子與殼層之間填充的硝酸鹽等效成一個在長度H為500 mm、厚度δ為40 mm的腔體。當(dāng)自然對流發(fā)生在有限空間中時，流體運(yùn)動受到腔體的限制，流體的加熱與冷卻在腔體內(nèi)同時進(jìn)行，因此腔體的壁溫必然有高溫與低溫兩部分，設(shè)溫度分別為th、tc，此時，Gr數(shù)與牛頓冷卻公式中的溫差為th-tc，流體的定性溫度為（th+tc）/2，夾層內(nèi)的流動主要取決于以夾層厚度δ為特征值的格拉曉夫數(shù)Gr，已知管的長度為500 mm，尾氣進(jìn)口溫度為200 ℃，出口溫度為150 ℃，則：

Grδ=[gαv（th-tc）δ3v2]=274[×]104

式中，[αv]為體脹系數(shù)，它是在定壓下與溫度變化相對應(yīng)的密度相對變化的度量，計(jì)算如下：

[αv]=[1Tm]=[1（273+175）]=1/448

[Pr=να=cpμk]=0446

怒謝爾特?cái)?shù)：

[Nu=0.11（G0Pr）13]=422

熔鹽換熱系數(shù)：

[α=Nuλδ]=526

③尾氣管熱管長度。

以尾氣側(cè)傳熱面為基準(zhǔn)計(jì)算傳熱系數(shù)：

K[=11αodgidgo+dgi2λindgodgi+1αg+r0]=333

[r0=indgodgi2πλ]=53[×]10-5

式中，[αo]為熔鹽換熱的系數(shù)，W/（m2·K）；[dgo]為尾氣管子的外徑，mm；[dgi]為尾氣管子的內(nèi)徑，mm；[λ]為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[αg]為尾氣的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[r0]為尾氣的側(cè)熱阻，（m2·K）/W。

內(nèi)側(cè)傳熱面積為：

A=[QK?tm]=[1.7]

式中，[Q=Gρ氣c氣]（t1′-t1″）=10 000 W。

此時所需管長L=[1.733×3.14×0.03]m=054 m，與假定尾氣管子長500 mm基本一致。

b.熔鹽-制冷劑傳熱的設(shè)計(jì)計(jì)算。

熔鹽與冷卻液之間的換熱過程存在自然對流和導(dǎo)熱兩種形式。

①制冷劑側(cè)換熱系數(shù)的確定。

設(shè)定水管為內(nèi)徑30 mm的316 L不銹鋼管，厚度為2 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為17 W/（m·K）。水和熱空氣的換熱的熱流密度為q=15 000 W/m2，計(jì)算兩相取水側(cè)表面的傳熱系數(shù)［4］。已知水的流量Q=100 L/min=00016 m3/s，則：

[u=QA]=226 m/s

液態(tài)制冷劑雷諾數(shù)：

[Rel=udeνlo]=674×104

制冷劑液相表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

[αl=ReloPrlf2kldi1.07+12.7Pr23-1f20.5]=21 348 W/（m2·K）

[Bo=qGhlg]=42[×]10-3

[Frlo=μ2gde]=17373

[Co=ρgρl0.5（1-xx）0.8]=00245

②熔鹽側(cè)。

熔巖的導(dǎo)熱熱阻：

[R=indlidgo2πλ=0.00589]

兩相區(qū)制冷劑換熱系數(shù)：

[αtp=0.6683αlCo-0.225Ffl+1 058Bo0.7]=77 905 W/（m2·K）

以管外傳熱面為基準(zhǔn)計(jì)算的傳熱系數(shù)：

K=[11αtpdlodli+dlo2λindlodli+1αo+R=167]

式中，[αtp]為兩相區(qū)制冷劑的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[dlo]為制冷劑管子的外徑，mm；[dli]為制冷劑管子的內(nèi)徑，mm；[λ]為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[α0]為熔鹽的換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[R]為熔鹽的導(dǎo)熱熱阻，（m2·K）/W。

以外側(cè)面積為基準(zhǔn)的熱流密度q0來計(jì)算以內(nèi)表面為基準(zhǔn)的實(shí)際熱流密度：

[q、i]=[dodikeo?t]=13 721

式中，[do]為制冷劑管子的外徑，mm；[di]為制冷劑管子的內(nèi)徑，mm；[keo]為以管外傳熱面為基準(zhǔn)計(jì)算的傳熱系數(shù)W/（m2·K）；[?t]為兩相區(qū)制冷劑和熔鹽平均溫度差值，℃。

設(shè)定熱負(fù)荷Q值為10 kW，將制冷劑管繞成螺旋管，并固定在熔鹽套管與尾氣管之間，可以得出此時所需制冷劑換熱管長度L=[Qq、iA、]=773 m。

③尾氣流動阻力的計(jì)算。

此處尾氣管為直管流動，因此尾氣的流動阻力就是直管阻力。在計(jì)算直管阻力時采用發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速時的尾氣流速，已知額定轉(zhuǎn)速下尾氣的質(zhì)量流量為046 kg/s，則：

u=046/0748=0615 m/s

下面計(jì)算尾氣管子阻力。

尾氣的質(zhì)量流速：

[G=qn（0.25π×D2i）×10-6]=91 kg/m2·s

尾氣側(cè)雷諾數(shù)：

[Ref=DiG0μ]=38 841

尾氣的流動為湍流，則：

[λ=0.3164Re-14]=00225

阻力系數(shù)為：

[ε=λldi]=080325

管內(nèi)尾氣的流動阻力壓降為：

[?p=nερu22]=375 kPa

375[ kPa]的阻力對發(fā)動機(jī)影響不大，經(jīng)過傳熱的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，本文可以得到余熱回收換熱器的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果如表2所示。

5 結(jié)語

本文介紹了一種發(fā)動機(jī)尾氣加熱乘員艙溫度調(diào)節(jié)裝置，并對螺旋管式蓄熱換熱器做了闡述，最后從重型汽車實(shí)際工況出發(fā)，通過假定流進(jìn)、流出換熱器內(nèi)部直管的溫度及流過螺旋管冷卻劑的流速等主要參數(shù)計(jì)算出螺旋管長度和直徑、換熱器內(nèi)部排氣阻力等換熱器主要參數(shù)。由于篇幅所限，本文對發(fā)動尾氣利用裝置的電控部分、換熱器內(nèi)部熔鹽的傳熱暫未做詳細(xì)介紹。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世銘，陶文銓傳熱學(xué)[M]4版北京：高等教育出版社，2006

[2]沙拉，賽庫利克換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)[M]1版程林譯北京機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[3]趙升噸發(fā)動機(jī)排氣廢熱利用方法的探討[J]汽車實(shí)用技術(shù)，2015（2）：16-18

[4]孟超重卡尾氣余熱回收換熱器性能的研究[J]內(nèi)燃機(jī)工程，2016（2）：19-21

作者簡介：

楊武，男，1990年生，工程師，研究方向?yàn)檎囋O(shè)計(jì)。