汽車發動機排氣余熱回收節能低碳項目探索與研究

劉福貴

（牡丹江電業局，黑龍江 牡丹江 157005）

1 項目引出

項目消音原理：a、將噪音氣流通過擴張收縮斷面；b、分割氣流，將一束氣流分割成多束氣流；c、改變氣流流通方向；d、降低氣流溫度和換熱“四理論”[a、有溫差；b換熱面積；c導熱材料厚度；d換熱系數（導熱系數、放熱系數、吸熱系數）]中，薄螺旋片結構組成的消音換熱器，同時滿足上述“四原理”和“四理論”。

它實現了噪音氣流四級擴張收縮流動；實現了氣流粗分割和細分割再粗分割的三次分割形式；實現了氣流流動過程的3600以上流通方向變化；實現了氣流螺旋擾動湍流，提高放熱（吸熱）系數的功效。

2 汽車發動機消聲器應用及螺旋消音換熱器構成

消聲器是發動機排放系統重要組成部分。先進的消聲性能，既滿足乘駕車舒適性、環境和安靜，又適應汽車的動力性能及排放。現應用的消聲器是傳統的管板殼組成的阻型、抗型及阻抗復合型，使排氣聲波經過此結構組成障礙進行衰減，不但沒有隨工況可變的主動消聲式，更沒有排氣余熱回收功能。

螺旋消聲換熱器（L－XH型）項目實現了：

提高乘駕車舒適性，降低噪聲；內部結構簡單，與同類回收熱能配件相比，體積和質量都降低；適合功率不同發動機的需要，配件為標準部件；換熱器裝置不影響發動機動力性能，提高動力性，有助于降低排放；實現熱能回收，用在取暖和燃燒進氣溫度最佳恒定以及發電和制冷等，提高不可再生能源利用效率。

項目可應用于內燃機（發動機）排氣系統。回收的熱量提高內燃機進氣溫度，將熱能循環利用，進而提高燃燒效率和能源利用率，減少溫室氣體排放，使內燃機達到低排放、低油耗及高功率的節能減排效果，可以在乘用車內取暖、制冷和發電，提高乘用車的經濟舒適性。

項目技術特點：利用薄螺旋片，依據消音量和換熱量設計成不同結構的交替螺旋通道；冷熱工質在各自通道內進行擴張、收縮、分割、加速、減速等螺旋流動產生切向分速，尤其是靠近外壁處剪切應力增加、工質的混合及擾動增強以及工質“水力”直徑的降低，使傳熱系數急劇增加，達到非常理想適用熱傳遞效果。

3 項目應用領域及對相應產業的沖擊影響

3.1 現用車輛空調應用現狀

3.1.1 乘用車取暖系統現狀

在使用ICIs過程中，肌鈣蛋白升高的患者要進一步明確有無心臟病史，必要時停止ICIs使用并對癥處理。對于肌鈣蛋白變化輕微、心電圖和超聲心動圖正常的無癥狀患者，可1～2周重復檢查進行密切監測。這種方法可以早預防、早期診斷和治療心臟并發癥，可以防止過早中斷治療，達到更好的療效。

冬季乘用車取暖主要靠發動機缸體冷卻系統帶出熱量，其只能滿足轎車等小型車輛，對于中型及大型客車該熱量遠遠不能滿足供暖需求，需加裝另一套獨立燃燒加熱取暖系統，針對零下20度以下地區，小型轎車取暖大風量將造成發動機缸體冷卻溫度過低（在60－70度以下）而影響發動機運行特性。

3.1.2 乘用車制冷系統（冷風），主要以內燃機為動力源。

1）小轎車、中小型面包車采用直連式，即驅動壓縮機運轉發動機為汽車主發動機，沒有其他動力源，冷氣裝置消耗主發動機動力；2）大中型面包車、大客車、旅游車等乘人較多車輛，制冷系統采用獨立式驅動，另增設專用發動機，制冷效果不受車輛行使性能影響；3）目前座位少的小型車輛制冷系統，均采用先進的變量壓縮機和VSD變速傳動，即用改變供電頻率的方法，控制電動機（壓縮機）轉速，以期達到能量控制和與車室負荷匹配的變速傳動。其動力源主要是內燃機帶的發電機及蓄電池。

以上制冷、制熱系統用動力源，在冷熱負荷用量小時均采用發動機帶動（熱負荷是冷卻系統帶動）；冷熱負荷用量較大時，均采用獨立系統供給，也靠獨立消耗能源實現。而目前發動機為動力的機動車排氣系統，除進行尾氣凈化及消音兩種功能外，無其他任何功能，即排氣余熱沒有得到開發應用，近40%的燃料熱能白白排放大氣中。

3.2 項目應用前景

項目適用于內燃機（發動機）排氣系統中，以消除排氣噪音，將排氣余熱回收。回收余熱工質可用空氣也可用液體（如導熱母工質：26.5%的聯苯 (C8H5)2和73.5%的聯苯醚(C6H5)2的共溶點混合物），具體依應用設計綜合研究。回收熱量可以應用以下方面。

3.2.1 用于乘用車內取暖及恒溫

主要取暖熱源，另以發動機缸體冷卻液取暖補充為輔，尤其是大中型乘用車和水果蔬菜保溫運輸車、軍用載人運輸車等，不需額外加裝獨立燃燒燃料取暖裝置，節約能源并減少車體自重，適合北方冬季乘用車低碳環保；

3.2.2 用于乘用車制冷系統；

3.2.3 用于余熱發電；

3.2.4 用于提高燃燒進氣溫度。

目前，發動機進氣溫度不允許太高，但利用尾氣余熱回收熱量，使進氣溫度控制在最佳允許最高溫度范圍內，能將熱能循環利用，特別是燃氣發動機溫度對其燃燒特性影響很大。

上述應用最終目的提高能源利用效率，減少熱能向大氣排放，提高駕乘人員舒適性，使內燃機達到低排放、低油耗、高功率的節能減排效果。

3.3 項目應用對現實相關產業的沖擊影響：

我國已成為世界第一大汽車生產國和新車消費市場，2009年全年產銷量雙超1300萬輛。巨大的產銷市場帶動了汽車零部件生產供應企業快速發展。汽車消音器是發動機汽車必須裝配的零部件，現這一零部件無一具有熱回收功能，目前上百家發動機用消音器生產企業均在引進外來技術的基礎上，通過獨資合資公司為不同型號發動機及整車組裝企業生產配套消音器產品，其結構原理均由管、板、殼及部份管板沖孔分別組成阻式、抗式和阻抗復合式消音器，其生產設備也不同程度達到了系列標準，成熟度較高。

而螺旋消音換熱器，該元件具有兩種功能；一是消音、二是換熱，其內部結構與原用只有消音功能消音器相比，所生產新的消音換熱器所需設備和工藝不相同，如若生產首先勢必對原生產消音器企業產生沖擊；二是對整車組裝原有模具產生沖擊。由于現車不考慮排氣余熱回收，大部份消音器被安裝在車后底部（卡車在中部），有多節組成排氣系統并通過管路連接，若考慮余熱回收勢必將消音換熱器部件向發動機前移（后置發動機不用），以減少延程連接管路的散熱損失，故此，將考慮整車組裝（底盤系統）模具的改變和相應部件的移位調整；

其三是該產品若能鑒定應用，則將帶動其熱量應用的相關產業（空調系統和發電系統），特別是促進高進氣溫度發動機研發，將有十分重要的節能減排意義。

4 項目產業化路線圖

螺旋消聲換熱器易采用導熱性好，耐一定高溫、耐腐蝕，具有一定強度并易于加工的較高韌性鋁合金材料。中間螺旋通道用鋁合金半固態成形技術及設備模具一次擠壓成形，兩端內部件及端蓋用專用模具壓鑄成形，最后組合成完整配件。非等比通道生產工藝較同比通道生產工藝復雜，但也易于大批量系列生產。