基于排氣余熱回收技術的整車性能優化

王錦艷，陳龍華，李波，顏偉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于排氣余熱回收技術的整車性能優化

王錦艷，陳龍華，李波，顏偉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著我國汽車保有量的快速增長，在即將到來的嚴苛的汽車油耗限值法規背景下，汽車節能是成為近代汽車工業的重要課題。汽車排氣余熱中有高達三分之一的能量損失，排氣余熱回收成為必然。文章介紹了排氣余熱回收的三種技術路線，并詳細闡述了 EHRS技術的應用要點及該技術應用帶來的整車暖機、采暖和降油耗三方面的提升，為其他研發者研究EHRS技術提供參考。

汽車；排氣余熱回收；節能；EHRS技術

隨著我國經濟的高速發展，汽車保有量越來越大，根據公安部交管局發布的汽車保有量的相關報告顯示，截止2016年底，全國的汽車保有量為1.94億輛，其中私家車總量達1.46億輛，與2015年相比，私家車保有量增加2208萬輛，增長15.08%[1]。與汽車保有量快速增長相對的是全球能源的日益緊缺。面對即將到來的嚴苛的汽車排放和油耗限值的法規，汽車節能受到各國汽車廠商的重要關注。相關研究表明，發動機轉變為有效功的熱當量占燃料燃燒發熱量的30%～45%（柴油機）或20%～30%（汽油機）。以廢熱形式排出車外的能量占燃燒總能量的55%～70%（柴油機）或70%～80%（汽油機）[2]。汽車燃料燃燒所發出的能量，高達三分之一的能量通過汽車排氣損失掉了。因此，排氣余熱回收成為了一條節能降耗的行之有效的途徑。

1 排氣余熱回收的技術路線

熱力學第二定律表明：功熱轉化不可逆，即熱不可能全部無條件地轉化為功[3]。由于汽車排氣的熱量?值較低，為低級能量，可轉換為功的部分有限，利用起來非常困難。

目前汽車行業內對于排氣余熱的利用有三種技術路線：熱導熱、熱導電、朗肯循環。

1.1 熱導熱技術（EHRS技術）

將排氣的余熱直接以熱能的形式，用冷卻液進行回收，縮短發動機的暖機時間，提升燃油經濟性。回收的熱量如果用于暖風回路，則可以加速乘員艙溫升，提升整車的采暖舒適性，而對于增加了PTC輔助加熱器的采暖系統來說，回收排氣余熱的能量可以降低PTC的功率甚至可以取代PTC加熱，從而達到節能降耗的目的。

熱導熱技術由于回收熱能直接利用，其回收效率高，同時，利用熱交換器進行熱量回收，熱交換器的技術成熟，應用難度大大降低。

目前，國外主流車企已有量產產品，國內多家自主車企也對該技術進行預研。

1.2 熱導電技術（TEG技術）

利用熱導電技術（TEG技術）回收汽車排氣余熱能量，利用塞貝克效應實現溫差發電，如下圖所示，當圖示半導體上下兩端有溫差，就會產生載流子，從而產生電能。在使用熱電材料的余熱回收系統中，沒有運動部件，整個裝置結構簡單，重量輕，裝置工作可靠[4]，很多汽車廠商對TEG技術興趣濃厚，做了很多嘗試，圖2是本田制造的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℃的時候可以達到20W的發電功率。

然而 TEG技術受制于其極低的熱電轉化效率和高昂的成本，目前大多處于實驗室中。

圖1 塞貝克效應原理圖[5]

圖2 本田制造的TEG系統[5]

1.3 有機朗肯循環技術（ORC技術）

有機朗肯循環就是使用有機物作為工質的朗肯循環，它使用低沸點的有機物作為工質來吸收排氣余熱能，蒸發氣化后進入膨脹機做機械功，該機械功可以驅動發電機發電，也可以通過傳動裝置將有用功疊加到發動機曲軸上。

該技術最早利用的領域是廢熱發電，近幾年在商用車的節能技術中作為重要的效率提升手段而被廣泛應用研究，在美國能源部超級卡車項目中，康明斯、戴姆勒、沃爾沃、納威司達四家重卡公司，在55%柴油機有效熱效率的項目目標前，都不約而同的選擇了有機朗肯循環的余熱回收利用技術。圖3是康明斯的余熱回收利用系統布置圖，在開發中，通過余熱利用可以將原有的效率提升7.4%。

圖3 康明斯的朗肯循環系統[6]

通過對排氣余熱回收的三種技術路線的應用現狀進行研究分析，得出，熱導熱的技術（EHRS技術）在乘用車上的應用具備較強的產品應用性。因此，本文重點對EHRS技術的應用進行詳細闡述。

2 EHRS技術在乘用車上的應用

EHRS技術在標致雪鐵龍、韓國現代、日本豐田、美國福特上都有應用。該技術利用安裝在整車排氣管路上的余熱回收裝置，將排氣余熱中的熱能回收到發動機冷卻水中，在汽車冷啟動階段有顯著作用，回收的熱能可用于加熱發動機流體介質（冷卻液、機油），加快暖機，快速提升水溫和機油溫度，降低摩擦功，達到節油的效果。同時，將回收熱量的冷卻液進入暖風回路進行循環，可加快乘員艙溫升，提高乘員艙采暖舒適性。

EHRS技術的布置方案如圖4所示，EHRS回收裝置實質上是一個氣液熱交換器，通過裝置的排氣溫度越高，回收的熱量越多，越能得到更高的熱回收效率。因此，該裝置越接近發動機排氣管路越好，但為了避免熱量回收對發動機催化器起燃的不良影響，裝置需要布置在催化器后緊靠催化器的位置。

圖4 EHRS技術的應用[7]

在EHRS技術應用過程中由于排氣溫度始終高于冷卻液溫度，如余熱回收裝置的熱量回收一直持續，當冷卻液溫度達到發動機工作的適宜溫度后，裝置回收的熱量對于冷卻系統來說反而是一個有害的熱負荷。因此，在余熱回收裝置上有一個控制閥門，控制裝置回收熱量的開閉。圖5是其中一種EHRS裝置控制閥，通過閥門的切換控制高溫排氣氣體的走向，熱回收模式時，高溫排氣氣體進入裝置換熱芯體進行熱量回收，旁通模式時，高溫排氣氣體進入整車排氣管路。

圖5 EHRS裝置控制閥[7]

閥門的控制有兩種方式：傳統石蠟控制和電子控制。兩種方式的對比見下表：

表1

石蠟控制的EHRS裝置由于其易集成、成本低的優勢，應用廣泛。但由于石蠟閥門的開啟與冷卻液溫度有關，在旁通模式時，熱回收管路閥門的不完全關閉導致部分高溫排氣氣體仍然進入裝置換熱芯體，帶來難以忽視的寄生熱損失（parasitic loss），因此，在EHRS技術應用過程中，需要在產品研發前期開發冷卻系統時考慮回收裝置的寄生熱損失對冷卻系統的帶來的熱負荷影響。

3 EHRS技術的應用對乘用車性能的優化

EHRS技術在汽車上應用已不算罕見，該技術的應用對整車采暖以及油耗方面都有較為理想的提升。接下來本文將以試驗數據對EHRS技術應用對乘用車性能優化進行說明。

3.1 縮短發動機暖機時間

對一款2.0NA發動機進行NEDC循環測試，對比應用EHRS技術前后的發動機水溫。水溫曲線見圖在汽車上應用已不算罕見圖6所示，應用EHRS技術，發動機在試驗開始后400s左右達到80℃，而為應用EHRS技術，發動機水溫達到80℃的時間推遲約200s。

圖6 NEDC循環下的發動機水溫曲線[7]

3.2 提升乘員艙采暖舒適性

雪鐵龍C4畢加索應用EHRS技術用于乘員艙采暖，該車搭載的是一款2.0的柴油機。對該車進行-18℃工況下勻速30km/h的采暖試驗，對比應用EHRS技術前后的整車乘員艙的采暖溫升。溫度曲線見圖7，應用EHRS技術后，乘員艙平均溫度上升到20℃所用的時間縮短了13min。

圖7 乘員艙平均溫度曲線[8]

3.3 提升整車燃油經濟性

以一款重混車型為例，該車的發動機工作策略與發動機水溫有關：當水溫達到65℃時發動機停止工作，水溫低于60℃時發動機啟動工作。在應用 EHRS技術后，對該車進行NEDC循環下的油耗測試，溫度曲線見圖 8所示，在 350s時發動機水溫第一次達到65℃，發動機停止工作，當發動機停止工作后，水溫下降，下降到 60℃時發動機再次啟動。EHRS技術的應用，延長了發動機停止工作的時間，從而給整車在NEDC循環前800s內，帶來了8%的節油效果，在整個NEDC循環則帶來6%的節油效果。

圖8 發動機水溫曲線[8]

4 結語

（1）汽車的排氣余熱所占比例很大，面對未來嚴苛的汽車油耗限值法規，汽車排氣余熱回收系統必將成為汽車的必備系統，將會有更多的汽車廠商對排氣余熱回收技術投入研發。

（2）EHRS的排氣余熱回收技術在發動機暖機、乘員艙采暖的提升以及混動車上優異的節油表現，意味著EHRS技術的應用將會越來越廣泛，在該技術應用過程中，需重點考慮汽車排氣系統的NVH、EHRS回收裝置寄生熱損失以及熱回收模式的控制策略。

[1] 人民汽車網.全國機動車保有量達 2.9億 2017年新規你造嗎[E]http://auto.people.com.cn/n1/2017/0124/c1005-29045960.html. 最后訪問時間:2017-06-22.

[2] 朱智富.汽車廢熱利用的有效途徑[J].黑龍江工程學院學報, 2005(2):52～53.

[3] 沈維道,童鈞耕.工程熱力學[M]北京:高等教育出版社,2007.6.

[4] 趙升噸,崔敏超,賁寧宇,陳超.發動機排氣廢熱利用方法探討[J].汽車實用技術,2015(2):11～14.

[5] B.Orr、A.Akbarzadeh、M.Mochizuki、R.Singh.A review of car waste heat recovery systems utilising thermoelectric generators and heat pipes.[J].Applied Thermal Engineering,25 May 2016:Pages 490～495.

[6] CCJ電子期刊網.Waste heat recovery:An old theory finds new life -but will it work for every trucking application?[E]http://www.ccjd-igital.com/waste-heat-recovery-an-old-theory-finds-new-life-but-wi ll-it-work-for-every-trucking-application/.最后訪問時間:2017-06-26.

[7] Lee Chiew, Michael W. Clegg, Robin H. Willats, Gilbert Delplanque and Edouard Barrieu.Waste Heat Energy Harvesting for Improving Vehicle Efficiency.[J].SAE International,2011:Page 1211～1220.

[8] 搜狐網.汽車尾氣余熱熱量回收系統技術解析[E]http://www.sohu.com/a/116006702_180520.最后訪問時間:2017-06-26.

Title Optimization of vehicle performance based on exhaust heat recovery technology

Wang Jinyan, Chen Longhua, Li Bo, Yan Wei
( Anhui JiangHuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

With the fast growth of car ownership, in the context of upcoming strict and harsh fuel consumption limits,automobile energy saving has become an important subject of automobile industry in recent times. There is an energy loss of up to 1/3 in the exhaust heat of the car, so exhaust heat recovery becomes inevitable. Three routes of exhaust heat energy were introduced in this paper. It also expounds the application points of EHRS technology and the promotion of the three aspects of vehicle warming, heating and fuel consumption. Also, provide reference for others to study EHRS technology.

automobile; exhaust heat recovery; energy saving; EHRS technology

U472.7

A

1671-7988 (2017)21-78-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.027

CLC NO.: U472.7

A

1671-7988 (2017)21-78-04

王錦艷（1988-），女，本科，研究方向：汽車新技術。