余热回收系统对整车经济性与排放影响的试验研究

晏娟，邵传刚，罗锦洁，邓正华

(1.重庆三峡学院，重庆 404000；2.天津中恒动力研究院有限公司，天津 300000；3.重庆市轻合金材料与加工工程技术研究中心，重庆 404000)

近年来，能源短缺和环境污染已成为全球面临的两大问题[1-4]。在我国，从国四到国五，再到现在的国六a，排放法规对CO排放加严了50%，国六b的THC，NMHC和NOx限值分别下降了50%，50%和42%，国六虽然没有CO2的限值要求，但要求企业申报CO2的实际水平。而汽车内燃机(ICE)有35%～40%的燃料能量通过排气系统作为废热排出[5]，这样不仅消耗了大量的燃料，而且产生了很多的有害污染排放[6-7]。排气余热回收系统(EHRS)既可以提高发动机的热效率，又可以改善整车的油耗和排放，是适应全球碳排放形势下的一种新的技术路线。目前汽车行业内对排气余热的利用有3种不同技术路线，分别是热导热技术、热导电技术[8](TEG)和有机郎肯循环技术[9](ORC)。热导热就是发动机排出的废气余热直接以热量的形式回收利用，也就是EHRS。热导电技术是利用塞贝克效应实现温差发电，当半导体两端有温差时，就会产生载流子，从而产生电能[10]。有机朗肯循环是使用低沸点有机物为工质的朗肯循环，有机工质从尾气余热流中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸气，它的能量有两种输出形式，一种是将热能转化成机械能，另外一种是把机械能转化成电能输出。虽然通过热电发电机直接将排气余热转化成电能已经开始应用于汽车行业[11-12]，但热电转化效率低且成本高，使得它的投入和产出可能不成正比，到目前为止，大多数处于试验之中。有机朗肯循环的效率也比较低，目前主要在商用车上应用。采用EHRS技术最高可回收汽车排气系统大约40%的废气热能，是3种汽车余热回收技术路线中热量回收效率最高的。在大多数情况下，车辆是在冷起动条件下运行的，但是在冷起动条件下，车辆的尾气排放非常恶劣，尤其是HC排放。排气余热经过冷却液以热量的形式带回发动机，就可以加快发动机暖机，有效降低油耗和排放。如果回收的热量用作乘员舱取暖，则可以迅速提高乘员舱的温度，改善整车的采暖舒适性。EHRS技术直接利用排气余热，其回收效率高，同时结合成熟且应用广泛的热交换器来回收排气余热，装置简单、轻便，极大地降低它的应用难度。鉴于汽车的废气余热能量占总能量比例很大，而且面对未来越来越严苛的汽车排放和油耗法规，汽车排气余热回收系统将会有广阔的应用市场。

本研究对整车搭载EHRS装置的排气系统进行整车油耗试验、排放试验和空调采暖试验，探讨排气余热回收对整车油耗、排放和空调采暖的影响。分别控制试验环境温度为-20 ℃，-7 ℃以及25 ℃。在NEDC(-20 ℃)工况下对有无EHRS作用下乘座舱平均温度以及乘座舱内温度达到26 ℃所需的时间进行对比分析；在NEDC(-7 ℃和25 ℃)两种工况下分别对有无EHRS作用下燃油消耗量、HC、CO和NOx排放进行对比分析。

1 EHRS的工作原理和工作模式

EHRS实际上是一个气液热交换器。通过它的排气温度越高，回收的热量越多，热回收效率越高[13]。任何能量的转化都需要依托于介质。汽车排气余热的回收可以通过冷却液，也可以通过发动机(润滑)油或变速箱油。排气余热经冷却液再以热量的形式带回到发动机。

EHRS有两种工作模式(见图1)：一是旁通模式，该模式下换热翅片通道关闭，废气直接从旁通道经排气管排出，不与冷却液产生热量交换；二是余热回收模式，在这种模式下，废气经过换热翅片通道与冷却液产生热量交换，将排气余热以发动机冷却液为媒质进行热量再回收。切换EHRS的工作模式有两种方法：一种是根据冷却液温度，比如当发动机水温达到正常工作温度(80～85 ℃)时，就不需要进入余热回收模式，可以切换为旁通模式；另一种是根据发动机的气体流量，当发动机有很大的功率输出需要时，就切换为旁通模式。在余热回收装置上有一个控制阀门，控制装置回收热量的开闭，目前佛吉亚公司提供3种不同的阀门动作执行机构：第一种是真空泵；第二种是电控马达；第三种是自适应石蜡，当发动机冷却液温度达到一定值时，石蜡就会膨胀，把阀门推开，进入余热回收模式[14]。

图1 EHRS工作模式

2 试验装置及方案

2.1 EHRS布置位置及样车改装

EHRS布置位置见图2。该装置需要布置在三元催化器之后[15]，主要原因是当它切换至余热回收模式时，废气与冷却液产生热量交换而温度降低，进而影响到催化器的起燃时间，从而达不到最佳的催化效果。EHRS装置应尽可能地靠近发动机排气侧，因为排气温度越高，回收的热量越多，热回收效率越高。

图2 EHRS布置

2.2 试验设备

通过底盘测功机整车试验来探讨EHRS装置对整车油耗、排放和空调采暖的影响。试验在封闭的人工气候室中进行，将试验样车固定在底盘测功机上，模拟车辆行驶周期的实际运行情况。试验对象为搭载EHRS装置的某改装样车。试验发动机主要参数和试验样车主要参数分别见表1和表2。为测得整车在不同行驶工况下的油耗和排放，采用相应的测试设备和传感器进行测试，试验主要设备见表3。

表1 发动机主要参数

表2 样车主要参数

表3 试验主要设备

2.3 试验方案

为使试验结果更具代表性和普遍性，选择国际上广泛使用的标准车辆测试工况——新欧洲驾驶循环(NEDC)，该循环由市区循环(UDC)和郊区循环(EUDC)两个部分组成，包括加速、恒速、减速和怠速4种工况，能够反映车辆的实际运行情况。试验台架测试原理及传感器的布置见图3。

1—主消声器；2—轮胎；3—排气分析仪；4—副消声器；5—油箱；6—第二催化器；7—油耗仪；8—油泵；9—底盘测功机；10—冷却液入口端；11—温度传感器；12—EHRS；13—冷却液出口端；14—传动泵；15—发动机；16—空燃比仪；17—主控制系统；18—氧传感器；19—第一催化器；20—涡轮；21—空气滤清器；22—中冷器。图3 试验台架测试原理

由图3可以看出，发动机和车辆上安装了各种仪器和传感器，测得的数据由计算机控制的数据记录仪系统进行处理。为保证试验结果的可靠性和重复性，试验过程严格按照车辆试验标准进行。在测试之前，各种传感器都已经经过标定，误差均在可接受的范围之内。试验样车在气候室中静置24 h以确保测试刚开始时发动机处于冷起动状态。在所有准备工作都完成之后，在底盘测功机上进行整车油耗试验和排放试验。测试过程中，根据NEDC的特点，底盘测功机对车速进行精确调节，相对误差在2%以内，同时要保证样车前方有变速风机来模拟汽车行驶时的气流。整车油耗由油耗计连续测试，车辆尾气中的HC，CO和 NOx排放由排气分析仪得出。采用对比试验的方法，分析有无EHRS对整车油耗和排放的影响。EHRS余热回收模式阀门控制温度设定为发动机正常工作温度85 ℃，试验主要工况见表4。

表4 试验主要工况

3 试验结果与讨论

3.1 EHRS对整车油耗的影响

控制气候室中的环境温度分别为25 ℃和-7 ℃，在底盘测功机上进行冷起动NEDC循环工况下整车油耗试验。得到的整车油耗、发动机冷却液温度分别见图4和图5。从图4可以看出：在城市循环中，搭载EHRS装置的样车比未搭载EHRS装置的样车节油，其中在25 ℃环境下，搭载EHRS装置节油率大约为2.8%，而在-7 ℃环境下节油率大约为4.8%；在郊区循环中，不管是在25 ℃还是-7 ℃环境下，搭载EHRS装置几乎没有节油效果；在总循环中，搭载EHRS装置的样车比未搭载EHRS装置的样车节油，其中在25 ℃环境下节油率大约为1.9%，而在-7 ℃环境下节油率大约为2.8%。由此可见，EHRS装置能够使车辆省油，但是整个NEDC循环下的节油效应几乎都是由城市循环贡献的，且环境温度越低节油效果越明显。这是因为试验中EHRS余热回收模式阀门控制温度设定为发动机正常工作温度85 ℃，试验样车在城市循环下需要经历冷起动过程。

从图5可以看出：在25 ℃的城市循环工况下，搭载EHRS装置的样车冷却液温度比未搭载EHRS装置的样车冷却液温度提前100 s左右达到85 ℃；而在-7 ℃的城市循环工况下，搭载EHRS的样车冷却液温度比未搭载EHRS的样车冷却液温度提前200 s左右达到85 ℃，在这种情况下EHRS装置进入余热回收模式，使得冷却液温度迅速提高，缩短了发动机的暖机时间，从而降低了整车的油耗，且环境温度越低缩短暖机时间的效果越明显。在郊区循环工况下，由于冷却液温度处于发动机正常工作温度范围内，故此过程中EHRS装置不起作用。除此之外，整车的油耗还与试验工况有关系，显然城市循环比郊区循环运行工况更复杂且车辆行驶速度更低，从而造成发动机的负荷率更低，燃油消耗率更高，油耗更大[16]。

图4 不同温度冷起动NEDC循环下整车油耗

图5 不同温度冷起动NEDC循环下冷却液温度

3.2 EHRS对整车排放的影响

环境温度越低，车辆冷起动经历的时间越长，尾气排放越恶劣。为了得到更佳的试验效果，研究冷起动NEDC(-7 ℃)循环下EHRS装置对整车排放的影响。测试得到的样车整个NEDC循环下废气中HC，CO，NOx排放见图6。

图6 冷起动(-7 ℃)NEDC循环下整车排放

从图6的HC排放体积分数可以看出：第一个城市循环工况下，HC排放体积分数在冷起动后大概20 s迅速达到最大，约670×10-6，后又迅速衰减，且搭载EHRS样车的HC排放始终低于未搭载EHRS装置样车的HC排放。在冷起动后140 s，两者出现最大浓度差，约为70×10-6，在后续循环工况中，HC排放略有波动，但始终保持在一个很低的水平。这是因为：在NEDC冷起动过程中，靠近壁面的气体受壁面低温的影响，使气缸壁面形成不燃烧或是不完全燃烧的火焰淬熄层，从而产生大量的HC；另外在冷起动过程中，混合气的浓度相较于其他过程更浓，而燃烧室温度却很低，燃料不易蒸发，从而使混合气燃烧不完全，也导致HC排放急剧增加。这与文献[17-18]一致。另外，整个NEDC测试循环过程中车辆会经历加速、匀速、减速、怠速4种不同的工况，这就造成了HC排放的波动。而EHRS装置在车辆冷起动过程中可以将回收的尾气余热以冷却液热量的形式重新带回到发动机内，迅速提高冷却液温度，进而提高壁面温度，改善燃烧环境，降低HC排放。

从图6的CO排放曲线可以看出：与HC排放趋势类似，CO排放在第一个城市循环工况下波动比较大，且大约在冷起动后30 s，搭载EHRS装置样车与未搭载EHRS装置样车的CO排放体积分数分别达到各自的最大值，约为1 000×10-6和1 650×10-6，此刻两者的差值也最大，为650×10-6。在后续的循环工况过程中，虽然两条曲线略有重叠，但从总体上看，搭载EHRS装置样车的CO排放低于未搭载EHRS装置样车的CO排放。这是因为：CO是一种不完全燃烧的产物，它的生成主要受混合气浓度的影响。在NEDC冷起动过程中，混合气的浓度相较于其他过程更浓，此时过量空气系数φa<1，由于缺少氧气，燃料中的碳不能完全氧化成CO2，CO作为未燃产物生成[19]。虽然在冷起动过程中EHRS装置不能改变φa，但是它可以迅速提高冷却液的温度，改善气缸内的燃烧环境，使较浓的混合气燃烧得更加充分，从而降低CO排放。

从图6中NOx排放曲线可以看出：搭载EHRS装置样车与未搭载EHRS装置样车的NOx排放在冷起动后20 s左右分别达到各自的最大值，约为95×10-6和115×10-6，此刻两者的差值也最大，为20×10-6。在后续的循环工况过程中，NOx排放略有波动，但始终保持在一个很低的水平。这与文献[20]中提到的NOx主要在高温富氧环境下产生的结论不一致。在此阶段产生的NOx可以用Fenimore等提出的激发NO机理[21]来解释。该机理指出：首先碳氢化合物在燃烧中裂解出CH和CH2(见式(1)和式(2))，CH和CH2与N2反应，生成HCN和NH等中间产物，HCN和NH进一步反应生成NO。

(1)

(2)

与高温环境下生成的NO相比，激发NO的生成过程是由一系列活化能不高的反应组成，因此不需要很高的温度就可以进行；且激发NO生成速率主要受混合气浓度的影响，而车辆冷起动下混合气的浓度较高，且HC化合物的生成量很大，这就为冷起动过程过生成大量NOx创造了条件。而在车辆冷起动过程中，EHRS装置可以非常有效地降低HC排放，故间接地降低了NOx排放。

为了更直观地比较EHRS装置对整车排放的影响，将试验样车NEDC循环测试数据折算为单位里程排放量，结果见图7。从图7可以看出：在冷起动NEDC(25 ℃)工况下，使用EFRS装置后，HC，CO，NOx的减排量分别约为13.9%，1.9%和0.1%。而在-7 ℃环境下，HC，CO，NOx的减排量分别约为25.9%，13.9%和18.2%。由此可知：在冷起动工况下，EHRS装置可以非常有效地改善车辆尾气排放，且环境温度越低，减排效果越明显。

图7 不同温度冷起动NEDC循环下整车单位里程排放

3.3 EHRS对空调采暖的影响

对样车进行冷起动(-20 ℃)空调采暖试验，为了使试验尽可能接近车辆实际运行工况下空调采暖的使用情况，选择如下试验工况：在-20 ℃气候室中，样车在底盘测功机上先以40 km/h的速度行驶60 min，然后以60 km/h的速度行驶20 min，最后怠速行驶30 min。试验测得的座舱温度曲线见图8。由图8可知：在有EHRS装置作用下座舱内温度可以提前13 min左右作用达到26 ℃，且座舱内的平均温度也升高了10 ℃左右。这是因为试验中EHRS余热回收模式阀门控制温度设定为发动机正常工作温度85 ℃，试验样车从-20 ℃进行冷起动到达到发动机开始暖机的温度60 ℃，此段过程中冷却液温度远远低于发动机正常工作温度，在这种情况下有EHRS装置的冷却液温度迅速升高，相较于无EHRS装置冷却液温度可以提前3 min左右达到60 ℃，这就缩短了发动机的暖机时间，使发动机更快地进入正常工作温度状态，从而使得座舱内温度相较于无EHRS装置作用下更快地达到人适宜温度26 ℃，且平均温度提高了约10 ℃。

图8 座舱温度曲线

4 结论

a) 在冷起动NEDC循环整车油耗试验中，尤其在车辆冷起动阶段，EHRS装置能使冷却液温度迅速提高，缩短了发动机的暖机时间，从而降低了整车的油耗；整个NEDC循环下城市循环的节油效率最好，且环境温度越低节油效果越明显；

b) 在冷起动NEDC循环工况下，EHRS装置可以将回收的尾气余热以冷却液热量的形式重新带回到发动机，迅速提高冷却液温度，进而提高壁面温度，减小壁面淬熄效应，改善燃烧环境，从而降低HC，CO，NOx排放，且环境温度越低减排效果越明显；

c) 在-20 ℃低温空调采暖试验中，使用EHRS装置能够迅速提高冷却液的温度，加快发动机的暖机，从而使得乘座舱内温度提前达到26 ℃，且座舱内的平均温度也升高了10 ℃左右。