汽車尾氣余熱回收系統的設計與應用

關鍵詞：尾氣余熱回收系統；換熱器；計算流體力學；冷啟動

0前言

近年來，隨著我國汽車工業高速發展，國家對汽車燃油耗和尾氣排放的要求越來越高，各大汽車制造企業正面臨著降低燃油耗和減少CO2 排放的巨大壓力［1］。有研究表明，汽車排氣所釋放的熱能占整車能耗的25％～32％，冷卻系統帶走的熱能僅占7％～14％［2］。近年來，隨著排放法規日益嚴格，發動機熱效率提升技術遇到了較大瓶頸，提升難度也越來越大［3］。

目前，尾氣余熱回收技術路線主要有3 種，分別是尾氣余熱回收系統（EHRS）技術、熱電轉換器（TEG）技術及熱能轉化成機械能技術，其中EHRS技術路線較為成熟，可最大限度地回收汽車尾氣余熱，且熱回收效率最高。EHRS 主要用于加熱發動機冷卻液，以及冬季工況下對汽車客艙進行加熱。

1方案設計

基于EHRS 技術路線，設計了一款乘用車用的緊湊型EHRS，該EHRS 的尺寸符合車型安裝要求。EHRS 有2 種工作模式，分別為熱回收模式和旁通模式，因此，在進行該款EHRS 設計時，除了需要設計1 臺耐高溫的換熱器外，還需要集成1 個耐高溫的旁通閥。

1. 1換熱器設計

換熱器是EHRS 的核心部件。為達到換熱器的設計目標，設定了設計工況的主要參數，見表1。

換熱器的使用工況與廢氣再循環（EGR）冷卻器相似，根據EGR 冷卻器設計經驗，本文采用板翅式換熱器。為強化傳熱作用，將翅片配置在汽車尾氣側。由于汽車在冷啟動工況下，其尾氣流量和壓降均較低，而發動機性能對壓降不敏感。因此，結合對流傳熱系數的影響因素，最終采用鋸齒形翅片板翅式換熱器。

在進行換熱器設計時，將其外形尺寸設計為：長度170 mm，寬度80 mm，高度58 mm。換熱器的冷、熱流體采用逆流方式布置，換熱器芯體由24 片傳熱扁管、24 片鋸齒形翅片和2 片端板組成。根據EGR 冷卻器設計經驗，傳熱扁管和鋸齒形翅片選用SUS316L 不銹鋼材質，端板、殼體等部件則選用SUS304L 不銹鋼材。換熱器裝配焊接時選用鎳基焊膏作為焊料，采用真空爐釬焊制造工藝進行加工。

1. 2換熱量仿真計算

運用計算流體動力學（CFD）仿真，對搭載該款EHRS 車輛的換熱量進行了仿真計算。將設計工況參數（見表1）作為輸入條件，出口邊界條件設置為0 Pa，換熱器與外界之間設置為絕熱條件。通過仿真分析，可得到尾氣流道流速分布云圖，如圖1所示；流體域溫度分布切片云圖，如圖2 所示。

由圖1 可以看出：換熱器內尾氣的平均流速為5～10 m/s，從強化傳熱角度分析，換熱器芯體截面布局合理，可提高氣體的對流傳熱效率。由圖2 可以看出：與流速垂直的每一處截面溫度都比較均勻，說明換熱面積得到了充分利用。經計算，冷卻液的平均出口溫度為46 ℃，換熱量仿真計算值約為3.3 kW，滿足設計要求。

2臺架試驗驗證

為驗證設計方案的可靠性，對該款EHRS 進行了臺架試驗。試驗選用1 臺汽油發動機提供恒流量、恒溫的尾氣，采用發動機進氣流量計和油耗儀對尾氣流量進行監控，采用4 支鉑電阻熱電偶對尾氣和發動機冷卻液進行測溫，采用1 臺電子水泵流量計和1 臺浮子式水流量計對冷卻液的流向和流量進行控制。臺架試驗得到的試驗數據見表2。

3應用價值

為進一步分析EHRS 的應用價值，對車輛的冷啟動工況進行了測試。測試基于整車實際路試工況展開，將EHRS 布置在整車的主催化器和前消聲器之間，車速控制在20～25 km/h。通過對比車輛在冷啟動階段的燃油耗和空調暖風出風溫度，驗證車輛搭載EHRS 的價值。指定工況測試條件見表3。

3. 1客艙溫升對比

車輛在冷啟動工況下，當空調暖風開啟且風速調到最大時，在EHRS 作用下，客艙平均溫度可提前6～8 min 達到25 ℃，溫升時間可壓縮30％左右，此時空調暖風出風溫度可達45 ℃，環境溫度為0～5 ℃。空調暖風出風口溫度對比如圖3 所示。

3. 2燃油耗對比

車輛在冷啟動階段不同工況下的燃油耗對比如圖4 所示。由圖4 可以看出：在冷啟動階段，當空調暖風不開啟時，搭載EHRS 的車輛比不搭載EHRS 的車輛可節油2.2％ ；當空調暖風開啟且風速調到最大時，搭載EHRS 的車輛比不搭載EHRS的車輛可節油4.7％。

4結語

基于EHRS 技術路線，設計了一款乘用車用的EHRS，經CFD 仿真計算及臺架試驗測試，驗證了設計方案能滿足設計要求。此外，在指定工況下，搭載了該款EHRS 的車輛在冷啟動階段可有效降低燃油耗，并能縮短客艙溫升時間，EHRS 的應用價值得到了驗證。