排气热量回收装置的整车试验研究

方泽军，王斌，刘欣，刘学柱，马相明

(北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 101300)

0 引言

汽车保有量的大幅增加，使得燃油消耗急剧增长。随着时间的推移，石油的供需矛盾必将越来越突出，节能减排已成为当前内燃机发展的难点和方向，出现了许多新的汽车动力形式和内燃机技术，其原因主要有：(1)汽车结构和功能改革，应用新技术来改善燃烧性能，如发动机新型电喷技术、稀薄燃烧技术等；(2)寻找新能源代替石油燃料，如氢燃料、甲醇、乙醇燃料、电动汽车等；(3)发动机热量回收技术，如涡轮增压技术、排气回收再利用等[1]。相关研究表明：发动机转变为有效功的热当量占燃料燃烧发热量的30%～45%(柴油机)或20%～30%(汽油机)，以废气形式排出到车外的能量占燃烧总能量的55%～70%(柴油机)或70%～80%(汽油机)[2]，汽车燃料燃烧释放的能力，高达三分之一的能量通过汽车排气损失了。因此，排气热量回收的利用空间巨大，如果能充分利用这部分能量，对于汽车节能大有益处，是降低汽车能耗的有效途径之一。其中热导热技术(Exhaust Heat Recovery System，EHRS)具有热量回收效率高、经济性好等优点，具有很好的应用前景。

1 排气热量回收技术研究现状

依据热力学第二定律：功热转化不可逆，即热不可能全部无条件转化为功[3]。由于汽车排气的热量较低，为较低级能量，可转化为功的部分有限，利用起来非常困难。目前汽车行业对排气热量回收利用主要有以下几种技术路线：涡轮增压技术、热导热技术(Exhaust Heat Recovery System，EHRS)、热导电技术(Thermal Conductivity Technology，TEG)、有机郎肯循环技术(Organic Rankine Cycle，ORC)、空调制冷等。

涡轮增压技术。发动机热量回收利用最成功的技术是涡轮增压，排气推动涡轮高速运转并通过压气机压缩空气，提高了气缸的进气量，从而使发动机输出功率增大，发动机动力性、经济性、排放性得到改善，是新时代发动机节能减排的核心关键技术之一[4]。

热导电技术(TEG)。利用排气热量发电的方法基本有3种：利用半导体温差发电、蒸汽动力发电和废气涡轮发电。其中利用塞贝克效应实现温差发电研究较广泛，在使用热电材料的余热回收系统中，没有运动部件，结构简单，质量轻。通过把无用的热能转化为电能实现热量再利用，TEG技术受制于其极低的热电转化效率和昂贵的成本，目前大多处于实验中,日本Nissan公司[5]研制的一种排气温差发电器可回收11%的排气余热，美国Hi-Z公司[6]对康明斯柴油机进行了排气余热温差发电研究，并从中得到2 000～4 000 W的功率。

有机郎肯循环技术(ORC)。有机郎肯循环使用有机物作为工质，吸收排气热量，蒸发汽化后进入膨胀机输出机械功，该机械功可以驱动发电机发电，也可以通过传动装置将有用功叠加到发动机曲轴上。宝马公司开发的汽油机内置蒸汽机构、本田公司在车上进行了有机郎肯循环余热利用试验、康明斯也在进行余热驱动有机郎肯循环发电的研究[7]。通过郎肯循环实现将热能转化为机械能或电能，控制过程复杂、体积庞大，更适合商用车。

空调制冷。代替传统发动机驱动压缩机制冷，通过排气余热驱动制冷，文献[8]中对国外发动机排气热量制冷技术的研究情况进行了介绍，其中相对比较成熟的技术包括固体吸附式、溶液吸附式和金属氢化物制冷技术，在排气热量利用方面具有前景。

热导热技术(EHRS)。将排气的余热直接以热能的形式回收，将排气余热导入发动机，改善发动机冷启动性能，加快发动机暖机速度，改善整车燃油经济性和排放。热导热技术由于热能直接利用，其回收效率高，同时，利用热交换器进行热量回收。阀门控制方式分3种：真空泵、电控马达、自适应石蜡。热导热技术成熟，应用难度降低。这种余热利用技术优点是不需要在汽车上增加热源，不增加发动机本身热量消耗，成本较低，经济性好，具有很大的实际应用意义[8]。目前EHRS技术在标志雪铁龙、韩国现代、日本丰田等车型上有应用。

2 EHRS装置介绍

此排气热量回收装置(EHRS)为热导热技术，结构示意图如图1所示。

基本原理为一个气液热交换器，串联于排气管之间，高热发动机排气进入管道，通过热交换器对EHRS进出水介质进行加热，余热回收持续进行，加热后的水进入发动机外循环能加快发动机温升，当冷却液温度达到发动机的需求温度后，回收的排气热量对发动机冷却系统来说成为有害热负荷，所以需要控制EHRS装置热回收利用的开启或关闭，中间通过自适应石蜡阀门来控制EHRS的两种不同工作模式：当阀门关闭时，进入热量交换回收工作模式，提高发动机外循环的水温；当EHRS进水管冷却液水温达到一定温度时，阀门开启，进行旁通工作模式不再进行热量回收。石蜡控制的阀门由于易于集成、成本低，应用广泛，石蜡阀门的开启与冷却液温度有关，该装置设定进水温度达到80～85 ℃时阀门开启进入旁通模式。

图2为EHRS系统连接原理图。EHRS装置气态端与发动机排气串联，EHRS装置液态端与发动机冷却水外循环水路串联。通过EHRS装置的排气温度越高回收热量越多，热利用效率更高，因此在整车布置空间容许情况下装置尽量靠近发动机，为了避免EHRS装置对发动机催化器启燃的不良影响，装置需布置在催化器总成之后。

3 整车试验研究

3.1 试验准备、样车改制

此次试验基于一台乘用车进行整车EHRS搭载验证，原车发动机参数图见表1，EHRS装置安装于排气系统催化器后，EHRS进水管、出水管与发动机外循环出水管串联，通过橡胶软管连接，使用卡箍和密封胶保证管路密封性，温度监测布点在4处，如图3所示，分别为EHRS装置进水温度、EHRS装置出水温度、发动机外循环出水温度、发动机外循环回水温度，另外通过发动机EMS读取发动机温升数据。

表1 汽油发动机基本参数

图3 温度监测布点

3.2 试验方法

整车试验采用NEDC标准工况，在常温和低温(-7 ℃)分别进行，测试整车油耗和排放，并对相关温度监控点温度数据进行采集。

常温试验：即按照GB 18352.5-2013 Ⅰ型试验，常温下冷启动后排气污染物排放试验、油耗试验，采用NEDC工况循环，验证EHRS在常温环境下对整车排放、油耗的影响。原车试验时监测发动机内循环出水温度，发动机外循环出水、进水温度；搭载EHRS后试验监测发动机内循环出水温度、发动机外循环出水、回水温度、EHRS系统进水、出水温度。

低温试验：即按照GB 18352.5-2013 Ⅵ型试验，低温(-7 ℃)下冷启动CO和THC排放、油耗试验，采用NEDC工况循环，验证EHRS在低温环境下对整车排放、油耗的影响。原车试验时监测发动机内循环出水温度，发动机外循环出水、进水温度；搭载EHRS后试验监测发动机内循环出水温度、发动机外循环出水、回水温度、EHRS系统进水、出水温度。

4 试验结果

4.1 整车油耗、排放

如表2所示：在常温环境下，安装EHRS后，整车油耗降低1.81%、THC排放量降低13.73%、NMHC排放量降低11.63%、NOx排放量降低26.19%、CO排放量增加7.06%。如表3所示：在低温环境下，安装EHRS后，整车油耗降低3.6%，CO排放量降低18.42%，THC排放量降低25.31%。

表2 整车油耗排放(常温试验)

表3 整车油耗排放(低温试验)

4.2 发动机温升

图4所示为常温试验发动机温升情况，以水温达到80 ℃作为暖机标准，搭载EHRS比原车暖机时间减少约18 s；NEDC第155 s左右，EHRS对温升影响开始逐步增加，EHRS关闭前(EHRS进水温度达到80～85 ℃关闭)，NEDC工况平均水温比原车高2 ℃左右。

图5所示为低温试验发动机温升情况， 以水温达到80 ℃作为暖机标准，搭载EHRS比原车暖机时间减少约80 s；NEDC第150 s左右，EHRS温升影响开始显现，EHRS整个冷机循环均未关闭，平均水温比原车高6 ℃左右。

4.3 EHRS水温

如图6所示：在常温NEDC试验时，EHRS出水、进水温度差(温升)平均值为18.5 ℃。如图7所示：在低温NEDC试验时，EHRS出水、进水温度差(温升)平均值为15.1 ℃。试验表明EHRS装置通过气液热交换，对发动机外循环水进行了加热，余热进行了回收利用，在常温和低温NEDC试验下，水温分别平均提高18.5 ℃和15.1 ℃。

5 结论

(1)安装EHRS装置后，整车油耗在常温和低温试验中，节油率分别为1.81%和3.6%，尾气排放得到改善。

(2)安装EHRS装置后，常温试验时，发动机比原车暖机时间减少约18 s，NEDC工况平均水温比原车高2 ℃左右；低温试验时，发动机比原车暖机时间减少约80 s，平均水温比原车高6 ℃左右。

(3)EHRS装置本身：在常温试验时，出水、进水温度差(温升)平均值为18.5 ℃；在低温试验时，出水、进水温度差(温升)平均值为15.1 ℃。

(4)在NEDC工况下，EHRS能降低整车油耗、改善整车排放，加快发动机的温升速度，能加热外循环水温，起到排气热量回收再利用作用。但EHRS装置搭载整车的综合耐久性能有待进一步验证，该系统对排气背压的影响、发动机冷却系统及整车热平衡性能的影响都有待进一步研究。