车辆发动机尾气余热回收利用技术探讨

李昌亭 白帆 赵海龙

摘  要：随着中国经济快速发展，国内机动车数量急剧增加，随之而来的是能源紧缺和环境污染问题，本文从车辆发动机尾气回收利用技术的角度进行论述，对热电转化和有机朗肯循环两种技术手段的原理与特点进行了分析，最后阐述了余热回收利用技术在车辆领域将有很广阔的发展空间，将会给科技进步带来革命性的进展。

关键词：车辆工程;发动机;尾气;余热利用

引言

随着中国经济不断发展，人民生活水平和生活质量日益提高，车辆工程领域迅速崛起，截止到2019年上半年，全国机动车保有量达3.4亿辆，成为世界上最大的机动车生产与消费国。国内机动车数量如此庞大，一方面反映了国内生产制造技术的飞速提高，另一方面也致使了能源紧缺和环境污染等一系列问题。相关研究表明，对于效率较高的柴油机，燃料燃烧后仅有约42%的有效功输出，其它的能量以热的形式损失，其中柴油机运转过程中摩擦损失约占8%，通过冷却系统的传热损失约占25%，通过车辆尾气带走的排气损失约占25%，如图1所示。在发动机进排气系统中，当发动机气缸做功完成后，需将废气排出，此时残余废气的温度约在700-900℃[1]。

由此可见，在柴油机排出的废气中蕴藏着很大部分的热量，如果应用相关的技术对废气中的热量进行回收利用，将极大的提高机动车的动力性能和燃油经济性能，不仅可以解决能源紧缺问题，还会为社会带来巨大的社会和经济效益。

1 余热回收利用技术

根据目前国内外相关研究进展，在机动车发动机上应用余热回收利用的技术主要有两种，一是利用热电转化（简称TEG）技术;二是利用有机朗肯循环技术（简称ORC）。

1.1 热电转化技术

热电转化技术的原理非常简单，应用的是塞贝克效应温差发电，如图2所示，在半导体的上下两端温度不同，会产生温度差，进而在两端产生电压[2]。

图2  温差发电原理图

温差发电的概念早在20世纪60年代就已经被提出，限于当时技术水平，温差发电装置的热电转化效率非常低，主要体现在温差发电的材料选择和研制。随着科学技术水平的不断提高，迫于环境保护、能源紧缺和经济效益的需要，各国政府和公司对热电转化技术投入越来越多的金钱和精力，但由于热电转化技术成本昂贵，以及转化效率较低，仍未被广泛使用。如图3所示，是本田公司利用热电转化技术研发的发动机余热回收利用系统，可以为车辆的LED灯组发电，当两侧温差达30℃的时候，可以为车辆提供20W的功率。

目前，热电转化技术还可以与热管进行结合使用，可以在一定程度上提高热电转化的效率。当热管两端温差达20℃时，发电功率可以达到28W。虽然目前热电转化效率相比于起步时有了很大提高，但仍然达不到厂商以及用户的要求，因此大部分热电转化技术仍在实验室中进行研制开发。

1.2 有机朗肯循环

顾名思义，朗肯循环的工质为有机物，称之为有机朗肯循环。有机朗肯循环是目前余热回收利用技术中转换效率最高的一种手段，被人们期望于实现产业化应用[3]。

有机朗肯循环的工作原理如图4所示，吸收余热的工作介质为低沸点的有机物（如氯乙烷等），吸热后的低沸点有机物蒸发气化，进入膨胀机做功，输出的机械功可以驱动发电机发电，也可将机械功叠加到发动机曲轴上，增加机动车的机动性能和燃料经济性能。

有机朗肯循环技术最早应用在废热发电领域，随着能源紧缺和环境污染等突出问题的出现，该技术逐步在车辆领域进行研发，可以作为提高车辆发动机效率的重要手段。目前，中国、美国以及一些欧洲国家都对该技术进行了广泛的研究与论证，同时拥有很多在研项目。由于该技术工质为有机物，密度比水大，所有该技术的相应装置体积相对较小。但车用有机朗肯循环技术仍然存在很多技术难题，比如发动机的排气温度是不断变化的，通常在200-900℃范围内，同时发动机冷却液的温度要求在96-100℃之间，所有选用什么样的工质对该技术的发展具有非常重要的作用。

在美国，以能源部为首开展了很多超级商用车项目，其中Cummins、Diamler、Volvo及Navistar四家商用车公司，为了提高柴油机有效热效率，都选择了有机朗肯循环的余热回收利用技术。据资料显示，Cummins公司通过该技术的研发，可以将柴油机原有效率相对提高7.4%，研究成果非常显著。

2 两种技术对比分析

目前，关于车辆发动机尾气余热回收利用的技术主要是基于热电转化和有机朗肯循环两种原理。这两种技术各有优缺点，其中热电转化技术在车辆应用方向，不要求车辆具有很大的安装空间，对于车辆的结构空间要求较低，同时系统原理简单，具有非常大的应用前景，但是该技术受限于转化材料的选择，所以转化材料一直是制約热电转化技术发展的关键难点。另外，该技术目前成本昂贵，转化效率低，仍然存在着很大的发展和研制空间。

有机朗肯循环技术，目前在车辆领域应用最为广泛，因为该技术的余热回收利用效率最高，且有很大的产业化前景。但是，该技术应用同样存在几个主要限制：一是成本限制;二是对排气温度有一定要求;三是对车辆布置空间有一定要求。所以，该技术如果要有所发展，就必须逐步克服这几个限制条件，才有可能被产业化应用。

3 结论及展望

本文对余热回收利用技术应用背景进行论述，主要针对两种技术手段展开探讨，分析了热电转化技术和有机朗肯循环技术的工作原理、应用特点以及制约其发展的因素。通过本文的论述，对余热回收利用技术的应用前景进行展望。

在车辆发动机尾气系统中应用余热回收利用技术，可以很大程度的提高车辆的机动性能和燃料经济性能。通过研究车辆发动机尾气余热回收利用技术，可以在车辆上进行应用的方面主要有：

1、在寒区冬季条件下，利用车辆发动机尾气余热回收利用技术，对发动机动力舱或者发动机进行保温，能够极大的提高车辆在低温条件下的冷启动性能，尤其对于在寒区冬季条件下的重型车辆尤为重要。

2、利用车辆发动机尾气余热回收利用技术，为车辆蓄电池进行充电，也可作为车辆的辅助电源为其它需要供电的装置供电，可在一定程度上提高车辆的续航能力。

3、利用车辆发动机尾气余热回收利用技术，可提高发动机的有效功率输出，将输出功率叠加到曲轴上，将会在一定程度上提高车辆的机动性能。

关于车辆发动机尾气余热回收利用技术，目前各国仍在研究阶段，虽然该技术距离成熟应用还有很大的进步空间，但是该技术在成熟应用后，将会给社会带来巨大的变革。

参考文献

[1]  王锦艳，陈龙华，李波等.基于排气余热回收技术的整车性能优化[J].汽车实用技术，2017，（21）78-81.

[2]  靳鹏.汽车尾气热电发电技术研究及应用仿真[D].吉林：吉林工业大学，2011.

[3]  赵刚，李富或，朱建良.汽车尾气余热发电的原理与实现[J].信息技术，2005，10：107—108.