汽车废热利用的途径和现状分析

张勇斌（郑州铁路技师学院　河南 郑州　450041）

·综述·

汽车废热利用的途径和现状分析

张勇斌
（郑州铁路技师学院河南 郑州450041）

汽车燃料燃烧所发出的能量只有三分之一左右被有效利用，其他的能量被排放到大气中。因此，充分利用汽车废热能量是汽车节能的有效途径之一。首先对废热的利用空间进行了说明，进而对废热利用的特点进行了阐述，最后对当前废热利用的途径、方法及现状进行了论述。

汽车废热 利用途径 现状分析

引言

随着社会经济的发展，汽车保有量大幅度增加，使得能源消耗量急剧增加。汽车消耗燃油的数量巨大，随着汽车数量的增加，石油的供应压力大增。随着时间的推移石油的供需矛盾必然会越来越大，能源问题是汽车工业发展的瓶颈，目前很多国家都在关注这个难题，许多的汽车工业新方法和新模式的出现都和这个原因有关。为了解决这个难题目前的方案主要分为三个方面：一是对汽车的结构和功能进行改革，应用新技术来节省燃油，如发动机电喷技术；二是寻找新能源来代替石油燃料，如氢燃料，电动汽车，醇类乳化燃料，混合动力汽车等；三是回收散失的能量，如涡轮增压，废气的利用等［1-4］。经过调查研究汽车废热的利用空间很大，燃料燃烧所放出的能量被内燃机转换成机械能的部分只占全部能力的三分之一左右，大部分被汽车废气所带走被释放到大气中，一方面大量的温室气体的排放造成了环境的污染，世界气候的变化，另一方面如果能够充分利用汽车废热供汽车所用，对于汽车节能大有益处，是降低汽车能耗的有效途径之一。

1　汽车废热的利用空间

根据内燃机的热平衡情况可以看出，除去冷却水带走的热量外，汽油机废热带走大约40%，柴油机废热带走的热量大约35%，这部分能量基本和内燃机转换为有效功的能量大致相当。可见，汽车废热的利用空间巨大，如果能充分地利用这部分能量，对于汽车节能具有重大意义。

2　汽车废热利用的特点

汽车废热的利用具有一些鲜明的特点［5-6］，可以概括如下：一是汽车在各种不同的工况下工作，废热的排放量经常变化，加上废热的品位较低，回收利用比较困难；二是废热利用装置布置在汽车发动机排气筒的位置，底盘下部，如果体积过大会影响汽车的通过性，因此必须体积小、质量轻和效率高；三是要抗震动，抗冲击，具有一定的防水功能，能够适应汽车的运行环境；四是在汽车底盘中位置的布置，和排气管道对接必须能够保证汽车的行驶安全性；五是废热利用装置对内燃机的工作特性及速度特性必然有一定的影响，要避免降低汽车的动力性和经济性。由于汽车废热的利用有以上的约束条件，所以目前虽然研究的成果很多，利用废热的途径也很多，方法多样，但是真正投入商业运作的却很少。

3　汽车废热利用的途径

汽车废热的利用方法多样，单从用途上大致有利用废热取暖；利用废热制冷空调；利用废热发电；利用废热环境转变燃料和废气增压等。从热源上可以分为利用排气废热和利用冷却液余温等。下面介绍当前汽车废热利用的现状。

3.1涡轮增压技术

废气涡轮增压技术是借助废气中的部分能量来提高内燃机的进气压力进而增加充气量，以改善内燃机的动力性和经济性。废气涡轮增压是当前废气能量利用较为广泛的一种途径，但这种方法只能利用废气中的部分能量，且由于内燃机与涡轮增压装置联合工作时能量传递的特点，给增压内燃机的使用增加了一些强制附加条件，造成使用不便。此外，这种装置在汽油机与小型柴油机上使用较少，目前，多在大型柴油机上使用，使用范围受到一定限制。

3.2利用废热制冷和驱动空调

轿车空调一般要消耗8%～12%的轿车发动机动力，这个方面增加了油耗，加大了废气排放量，加剧了空气的污染；另一方面易引起水箱过热，影响轿车动力性；同时，由于压缩式空调系统采用的制冷工质为氟利昂类化合物，导致温室效应加剧。因此，通过回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统，实现轿车空调是理想的节能方案，也是目前世界各国都在研究的课题。目前，提出的利用汽车废热方式主要有吸收式和吸附式两种。

3.2.1吸收式制冷［4］

吸收式制冷的原理是以热能为动力来完成制冷循环的，在吸收制冷循环系统中，所采用的工质有水—溴化锂及氨水等。山东科技大学的李见波对废热驱动吸收式制冷的试验、工质及系统部件等进行了分析，吸收式制冷系统的cop（简称能效比）高于吸附式，但远低于蒸汽压缩式，结构复杂，体积大，造价高，而且四器（发生器，冷凝器，吸收器，蒸发器）需要自由水平面，不太适用于经常处于颠簸运动状态下的汽车。

3.2.2吸附式制冷［7］

吸附式制冷是利用某些固体物质在一定温度和压力下能吸附某种气体或蒸汽。在另一种温度和压力下又能把它释放出来的特性来实现制冷。这种吸附与解吸附过程导致压力变化，从而起到了压缩机的作用。吸附式系统结构简单，造价低，单吸附式制冷的cop不高，需要较长的预备时间，单位质量的吸附剂产生的制冷功率较小，系统笨重，废热利用率不高，而汽车空调要体积小，制冷量大，性能可靠，这就限制了它的应用和发展。要达到以上的要求，必须提高系统cop值及单位质量吸附剂制冷功率。目前，在吸附式制冷系统中，常用的吸附质有氢气，水，甲醇及氨气等。

3.2.3喷射式制冷［5］

喷射式制冷系统的主要特点是以喷射器代替压缩机，以消耗热能作为补偿来实现制冷的。浙江大学制冷与低温研究所提出的用水代替氟利昂类物质为介质回收汽车废热喷射制冷技术得到关注，氟利昂类工质在发生器高温受热时存在风险高的热解风险，加上氟利昂具有温室效应，而水是自热工质，利用U型管作为节流装置风冷两级喷射制冷系统效果也较好。喷射式制冷系统除了循环泵外没有其他运动部件，而且系统中的工作蒸汽与制冷剂是同一种物质，不需要类似吸收式制冷机中的制冷剂分离设备，因而结构简单，耗功量少，但这种装置噪音较大，影响汽车运行的舒适性。

3.3利用废气能量发电

利用废气能量发电的方法基本有三种，分别为利用半导体温差发电，氟龙透平发电和废气涡轮发电。

3.3.1半导体温差发电［6］

温差发电依靠塞贝克效应，由于半导体温差发电材料的效果比金属的高得多，所以有实用价值的温差发电材料都是用半导体材料制成的。半导体温差发电的效率能达到3.3%，可高到7%，吉林大学的董桂平通过试验证明利用内燃机的排气废热温差发电能量能够取代传统汽车发电机，可见发电量较高。宁波工程学院对热物性、换热优化、模块布置及负载特性等都进行了说明。按照模块单元布置来实现热电材料回收废热具备优势，赵付舟等利用试验有限元分析了模块在排气管上的布置，根据排气管和热电模块接触处的大热斑轮廓得出热电模块之间的最佳布置间隙为6.6 mm并计算了模块的内阻。温差发电使得排气温度降低，排气压力减小，有利于噪声的降低，消声器的结构也可以优化，变得紧凑。温差发电只需布置半导体线网即可转换，不需传动系统。但目前电热转换的效率还很低，只能利用一小部分的内燃机废热能量，有待于提高转换效率和找到高效率的材料。

3.3.2氟龙透平发电

氟龙透平发电装置是利用一种在较低的温度能成为高压气体的低沸点物质作为介质，当其吸收了内燃机废热后田液体变为高压气体从而推动透平机发电。这种装置在利用低品位热能方面有很大的优势。

3.3.3废气涡轮发电［8-10］

废气涡轮发电是利用内燃机的废气来推动涡轮机转动并带动发电机发电的装置。日本的吉田佑曾做过这方面的试验，证明利用废热发电得到的电能足以提供汽车上电气设备所需电能。郑州铁路技校的张勇斌以东风EQ6100型内燃机为例，通过计算大致确定了废气的能量和涡轮机的功率及发电机的型号等的数据，但需要试验来进一步的证实。

3.4利用余热取暖［2］

利用余热取暖是指利用汽车内燃机的废热供暖，成本很低，经济性好，不需要对原有机构进行大的改造等。缺点是发热量的大小由于内燃机工况的变化不一，取暖效果一般，只有在冬季起作用，废气能量利用不充分。此外，利用废气取暖时，热转换装置对发动机排气有干涉，会影响发动机的工作性能。

3.5改良燃料［3，8］

对发动机排气系统进行改造，设计化学反应系统，采集排气高温热能用于硫碘循环热化学水解制氢，并使得氢气和氧气反馈到内燃机燃烧，内燃机的热效率高达43.5%，直接降低发动机油耗6.6%以上，排气温度也降低到650℃左右。利用发动机排气废热能量来制氢气等可燃气体，提高了燃烧热值，降低油耗并使得排气温度压力降低。目前对于利用废热改良燃料主要用于改良甲醇，对其他燃料的改良涉及不多。

4　结论

综上所述，认为将废气能量转换成机械能进而转换成电能可作为废气能量利用的主要研究方向之一。此种方法对废气能量利用率较高，且通过转换得来的电能可灵活方便地使用，更重要的是这种方法不需要对原有汽车设备做较大改动，易于实现产业化。但这种方法需要解决的问题有：一是加装能量回收装置后会对发动机工作性能产生影响，如何尽量减少甚至消除这种影响是非常重要的；二是能量转换装置的转换效率能够达到多少需要通过试验来验证，转换效率决定其实用性；三是选择何种能量回收装置才能达到较高的效率，需要通过试验进一步证明。

1梁和平，梁桂森.高效低成本柴油机余热利用暖空调设计［J］.柴油机，2002（1）：46-49

2杨锋，林贵平.热管换热器在汽车尾气采暖中的应用［J］.汽车工程，2002（2）：157-159

3徐正好，常健，杨宗栋，等.余热制氢发动机的开发研究［J］.小型内燃机与摩托车，2003（3）：11-13

4李见波.汽车废热吸收式制冷技术研究进展 ［J］.制冷与空调，2015，（6）：93-100

5余志强，松鹏，何一坚.一种以水为工质的两级喷射制冷系统回收汽车废热研究［J］.价值工程，2013（8）：18-20

6赵付舟，王俊席，崔教林，等.汽车尾气废热回收的热电模块布置特性研究［J］.兵工学报，2013（5）：1-4

7杨涛，倪久建，陈江平，等.汽车尾气废热驱动的金属氢化物空调［J］.流体机械，2004（11）：46-49

8朱景建.汽车发动机废热化学水解制氢系统结构设计与分析［J］.湖州职业技术学院学报，2012（3）：10-12，16

9张勇斌.汽车废气涡轮发电之涡轮机功率的确定［J］.汽车维修，2014（10）：4-7

10张勇斌.汽车废气涡轮发电之涡轮机的匹配 ［J］.汽车实用技术，2015（1）：110-113

Analysis on the Ways and Situation of Automobile Waste Heat Utilization

Zhang Yongbin
Technician College of Zhengzhou Railway（Zhengzhou，Henan，450041，China）

Only about a third of the automobile fuel combustion energy is effectively used，the rest is emitted into the atmosphere.Therefore，the full use of the waste heat energy of the car is one of the effective ways of energy saving.The space of waste heat utilization is described，and then the characteristics of the waste heat utilization are described.Finally the current situation of the ways and means of waste heat utilization is discussed.

Automobile waste heat，Utilization，Situation analysis

U491.9+2

A

2095-8234（2016）01-0062-03

张勇斌（1983-），男，讲师，主要研究方向为设备综合工程学和汽车节能。

2015-12-03）