汽车发动机余热利用技术可行性分析

汽车发动机余热运用技术可行性分析一、背景自20世纪70年代世界性的能源危机发生以来，能源问题受到世界各国普遍重视，各经济大国都致力抢占能源市场同步，对节能技术的重视程度也大大加强。伴随人们生活水平的提高，汽车保有量越来越大，汽车能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题越来越受到各国关注。节能已经成为当今世界汽车工业发展的主题之一。汽车消耗的能源重要是石油燃料，而我国是一种石油存储量相对欠缺的国家，目前己成为世界第二大石油进口国。伴随我国汽车工业的迅速发展，提高汽车燃料有效运用率和减少环境污染在我国具有更重要的战略意义。调查研究表明，汽车燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效运用，其他能量都被散失或排放到大气中，导致了能源极大挥霍，也带来了不良环境影响。因此将这些汽车废热有效运用是实现汽车节能，减少汽车能源消耗的一种有效途径。二、汽车余热运用技术从目前汽车所用发动机的热平衡来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的30%-45%(柴油机)或20%-30%(汽油机)。以余热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%-70%(柴油机)或80%-70%(汽油机)，重要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量。表为内燃机的热平衡表从表中可以看出汽车发动机冷却介质带走的热量有较大运用空间，怎样将其有效运用自然受到人们越来越多的关注，不少人致力于此方面研究。由于车用发动机特殊的使用场所，汽车余热运用品有鲜明的特点和特殊的规定，可将这些特点简朴归结如下：一是汽车余热的品位较低，能量回收较困难；二是余热运用装置要构造简朴，体积小，重量轻，效率高；三是废热运用装置要抗震动、抗冲击，适应汽车运行环境；四是要保证汽车使用中的安全；五是要不影响发动机工作特性，防止减少发动机动力性和经济性。由于汽车余热运用品有上述特点，使得研究的成果虽多，但投入商业化生产的不多，有待深入的研究开发。国内外汽车余热运用的技术，从热源来看，有运用发动机冷却水余热和运用排气余热两种，从用途上来看，有制冷空调、发电、采暖、改良燃料、涡轮增压、室内湿度控制和空气净化等方式。1、余热制冷技术目前，在轿车空调中，占统治地位的是蒸汽压缩式空调系统，轿车空调一般要消耗8~12%的发动机动力，增长油耗，加大排放；另首先易引起水箱过热，影响轿车动力性；同步由于蒸汽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。为处理舒适性与制冷功耗之间的矛盾，回收和运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。目前提出的这方面技术重要有吸取式和吸附式两种。吸取式制冷空调。其原理是以热能为动力来完毕制冷循环的，在有关文献中，研究最多的是运用循环冷却水余热来实现吸取式制冷，当然也可以运用排气余热来实现吸取式循环。吸取式制冷系统有较大的性能系数COP（相对于吸附式而言），但构造复杂、体积大、造价高，并且四器（发生器、冷凝器、吸取器、蒸发器）需要自由水平面，不太合用于常常处在颠簸、运动状态的汽车。吸附式制冷空调。其原理是运用某些固体物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸汽，在另一种温度、压力下又能把它释放出来的特性来实现制冷。吸附式系统构造简朴、造价低，在提高吸附床传热传质能力的状况下，可大大提高系统的性能，是较为理想的系统。但吸附式制冷的COP不高，需要较长预备时间，单位质量的吸附剂产生的制冷功率较小，系统粗笨，废热运用率不高，而汽车空调规定体积小、制冷量大、性能可靠、操作以便，这限制了它的应用和发展。要到达以上规定，必须提高系统COP值及单位质量吸附剂制冷功率。2、余热发电技术运用废气能量发电常用措施有四种，分别为运用半导体温差发电、氟龙透平发电、废气涡轮发电和斯特林循环原剪发电。半导体温差发电。热电转化效率可达3。3%，甚至是7%，吉林大学的董桂田通过试验证明用汽车发动机排气废热温差发电可以取代老式的汽车发电机，且温差发电吸热降温对汽车整体性能大有稗益。运用发动机废热的氟龙透平发电。是运用一种在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(一般为氟利昂)作为工质，使其在吸取发动机余热后由液态变为高压蒸汽从而推进透平机发电。废气涡轮发电。青岛大学的张铁柱提出了运用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想，并设计了一种新装置来实现，获得专利一项。日本的吉田佑也曾作过此方面的试验，证明了运用废气能量驱动涡轮所发出的电能足以提供汽车运行所需电能，但未做深入研究。此种装置构造简朴，但有也许对发动机工作性能产生影响。运用斯特林循环原剪发电。工质从高温热源(汽车废气)吸取热量，膨胀做功，向低温热源放热并收缩，再次从热源吸取热量，循环上述过程。在每次循环过程中，工质吸取的热能转化为机械能，而工质做功过程中通过活塞的往复运动带动直线发电机深入将机械能转化为电能。3、余热采暖余热式暖气装置运用汽车发动机工作剩余热量供暖，运用发动机冷却水的热量，称为水暖式，运用发动机排气系统的热量，称为气暖式。①水暖式暖风装置广泛应用于汽车采暖系统中，但其发热量较小，重要用于非寒冷地区取暖容量较小的货车和轿车。在环境温度较低时，会使发动机处在过冷状态，增长了发动机不必要的机械磨损，减少了发动机的功率。②气暖式暖风装置的发热量大，采暖效果很好，受环境温度影响小，对发动机工作影响小，但要注意不要增长排气背压，否则将影响到发动机的工作性能。4、改良燃料运用发动机排气余热加热燃料，使其在催化剂作用下能分解出氢、一氧化碳等可燃气体，可提高燃料的燃烧热值，减轻排放污染和积炭。例如甲醇，改性后的含量可增大20%，可有效减轻污染和积炭。这种措施的缺陷在于只运用了发动机余热的一部分，其目的重在改良燃料而非充足运用废气能量。以上所述汽车余热运用热源来自发动机和尾气排放两个方面，但形式上都是现采现用，轻易出现热能供应与需求失配的矛盾，因此人们考虑怎样将汽车剩余热量临时贮存起来，供需时使用，从而引出蓄能问题。对发动机余热运用而言，从热源来看，余热量与发动机运转工况有关，是一种具有分散性和间歇性特点的能源，并且气候原因、汽车启停间隔等原因对汽车余热量影响也很明显。要处理供需矛盾，把这种不稳定能源为人们所用，就要把发动机运转时冷却液携带的热能临时贮存起来，以供再次启动时加热室内空间或仪表盘，寒冷冬天车窗玻璃的除雾除霜、控制室内湿度；从节能和经济角度来看，热存贮在汽车余热运用系统中所起的作用比一般的热运用系统都大得多。因此，汽车余热蓄热再运用关键在于处理能量存贮问题，蓄能问题也是汽车余热应用研究中的微弱环节。三、余热运用各技术可行性分析1、余热制冷技术分析吸附式制冷系统使用的工质有沸石-水、活性炭-甲醇，活性炭-氨等，对环境无污染、可直接运用一次能源以及无运动部件等长处，越来越受到人们的重视。吸附式系统运动部件少，可靠性高；其COP与吸取式系统相近。由于使用固体吸附材料，因此可用于振动场所。氨工质的制冷量大，在常规温度范围内，蒸发和冷凝压力都是正压，并且在较高温度的条件下不会发生化学反应，尤其是对臭氧层保护和减少温室效应又意义很大，因此在制冰及空调应用中日益受到重视。目前国内外对其在吸附式制冷循环中的性能研究较少，Warwick大学的R。E。Critoph的研究组美国JPL/NASA的JackA。Jones对活性炭-氨的吸附性能进行了初步的研究和分析。吸附式制冷热力学原理图图中过程a-b-c-d-a为基本循环中吸附器的基本热力过程，左侧a-b-m-n-a为制冷剂热力过程。吸附器分别在a-b-c过程被加热解吸和在c-d-a过程降温吸附，中间需要切换加热和冷却，是一种间歇过程，适合于太阳能等不持续热源场所。它的循环周期长，性能系统较低。在此基础上人们设计了双吸附器的持续循环，可以进行持续制冷，但性能与基本循环没有区别，只相称于两个并联工作的基本循环。如图所示，假如有两个吸附器反相工作，两个吸附器准备切换时，一种处在高温高压状态c，另一种处在低温低压状态a，回热就是运用此时两吸附器的温差来对低温吸附器进行初步加热并对高温吸附器初步冷却，在理想状态下可以回热到两吸附器温度相等的状态，即e和e’。由图中可以发现外部输入的加热过程的热量可以节省非常多，因此可以使COP得到较大的改善。COP可以提高30%以上。当两个吸附器反相工作，两个吸附器准备切换时，一种处在高温高压状态c，另一种处在低温低压状态a，回质就是运用此时两吸附器的压力差来对低压吸附器进行升压，并使高压吸附器降压，从而缩短a-b和c-d过程所需要的时间，并增长工质的流量，可以使制冷量和COP得到较大的改善。COP可以提高到达50%以上。我们懂得，发动机工作时，用于动力输出的功一般只占燃油燃烧总热量的30%~40%，以废热形式排除车外的能量占燃烧总能量的58%~70%，重要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量；排气余热的特点是温度高，排气阀门处的温度大概为400~500℃；尾气带走的热量占燃烧总热量的25%~45%。对于发动机输出功率为170kW(228马力)的大型客车来说，其能量分布为:所有燃烧热600kW；轴功输出170kW；辐射、冷却换热230kW；废气余热200kW。在余热回收中可以考虑两种方式。一种是使用散热器冷却水中回收的热量，另一种是使用发动机排气回收的热量。假如使用从发动机冷却水中回收的热量，则由于水与吸附器的换热状况要好于气体与吸附器的换热状况，因此回收热量过程中的传热状况相对很好，有助于热量回收。不过热源温度相对较低(低于100℃)，并且一般在冷却时用于冷却吸附器和冷凝器的空气温度较高，这样循环的温差比较小；小的温差对吸附式系统来说会使循环的吸附解吸量较低，对工作是不利的。假如使用从发动机排气中回收的热量，则气体的传热状况较差导致回收热量困难；但从此外的角度来看，发动机排气的温度较高(汽油机500-600℃远高于冷却水的温度)，有也许改善热回收状况；并且此温度与冷却空气的温度相差较大，可以使系统循环温差较大，从而导致较大的吸附解吸量。2、余热发电技术分析由于汽车的构造紧凑、发动机排气量小，车用发动机余热的运用相对于大型工业设备余热回收来说难度更大。20世纪70年代以来，某些工业发达国家的学者提出了采用温差发电器(ThermoelectricGenerator，TEG)来处理上述问题。TEG根据热电直接转换原理，具有构造简朴、无运动部件、无噪声等特点，在低品位热能运用方面具有独特的效果；把它安装在内燃机的排气管上，可以将内燃机运行余热直接转换为电能。温差发电的研究包括了热电器件和发电器两个方面，是热电学的一种重要领域热电转换器件是温差发电器的基本元件，它的功能是将热能直接转换为电能，效率取决于热电极材料的性能和器件的设计制造水平。自从20世纪50年代前苏联科学院的Ioffe院士提出了半导体热电理论以来，用于温差发电的热电材料都是半导体材料，如用于低温(300℃如下)热电材料Bi2Te3及其固溶体合金、中温(300℃~600℃)热电材料PbTe-SnTe、高温(600℃~1000℃)热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。衡量热电材料优劣的指标为“优值”Z=α2σ/λ(式中α为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率，Z的量纲为K-1)。研究中也常使用ZT值(称为无量纲优值，T为绝对温度)。可以用于温差发电的材料既要有较高的α、σ值又要有较低的λ值，这是一种十分苛刻且矛盾的条件，以至于室温下热电材料ZT的最高值约为1的状况至今未能突破。因而，寻找高优值的热电材料，一直是热电学研究的重要内容，这些研究重要包括:(1)热电新材料的研究，如稀土硫化物、硒化物、富硼固体、方钴矿型化合物的研究。这些研究表明，通过控制最佳载流子浓度或通过固溶掺杂来处理良电导和热绝缘的矛盾是有效的。(2)热电材料新构造的研究，包括梯度材料、复合材料和量子阱构造的热电材料等。热电材料的梯度构造包括材料载流子浓度的梯度化和层叠热电材料结合面的梯度化。合理的梯度化构造可以使材料适应内部温度梯度的变化，使得最佳的材料能运用在最合理的温度区域，提高总的转换效率。(3)热电材料制备新工艺的研究，常用的措施有熔体生长法和粉末冶金法，以及微型半导体热电器件采用的气相生长法。制备措施与工艺的完善与否，对材料的性能影响很大。粉末冶金法合用于大规模生产，并且原材料挥霍少，获得的材料机械性能好，是一种有前途的适合实用普及的工艺措施。单个热电转换器件的转换功率很小，需要经串/并联组合制成转换模块，并实现产品的原则化、系列化。美国Hi-Z企业为车辆余热转换研制的一种热电模块，由71对碲化铋热电偶联接起来，固定在一种被称为“蛋架”的框架上；模块在温差200℃时输出2。38V/19W电流。该企业已研制了4种不一样规格的产品，形成了一种系列，输出电功率从2。5W至19W。车用温差发电器的热源是发动机排气和冷却水带走的余热，前者的温度可达800℃左右，后者一般在100℃如下。温差发电器冷源的形式有空气自然对流散热、强迫通风散热、水冷散热和环流散热4种。目前设计的热电偶臂长仅为3~10mm，冷热端间距很小，因此，合适的冷源形式是获得较大温差的关键原因之一。近年来，车用发动机余热温差发电技术发展快，国内外许多高校、科研机构、军队、有关企业、车企业均有研究成果的报道。某些试验装置经进行了试验室台架试验、道路试验以及耐久性验，转换规模在数百瓦至1500W之间。日本Nissan汽车企业研究中心研制温差发电器，它的外形尺寸为440mm×180mm170mm，接在3000cc汽油机的排气管中部；所用热电偶直径20mm、高度9。2mm，每8对构成一种块，每个模块输出1。2W电能，总共72块模块敷在内通道的矩形外壁上。温差发电器的外部采用冷却，最大温差为563K。在道路试验中，当汽车60km/h的速度爬坡时，发电器可转换排气中11%的热量。美国Hi-Z技术企业Bass等人1984年刊登了有关1。5kW温差发电器设计的论文，1990年后来，在美国能源部的持续资助下进行了载重车柴油机排气余热温差发电的研究，在康明斯250kW(335Hp)柴油机上进行了台架和道路试验。试验在排气管上用72块HZ-14模块按圆周排列布置，冷端用水冷却，形成了250℃~270℃温差。输出功率重要依赖于发动机负载的变化，而受转速变化的影响较小。试验装置共产生30V/1kW的直流电，成本约为1000美元，回收需要一年半左右的时间。这一装置的性能处在领先，不过获得的总功率不算高，到目前还没有深入实用的汇报国产解放141汽车排气余热的温差发电做了研究:原车发电机输出功率为350W，额定电压14V，额定电流25A。计算表明，当使用960个碲化铅热电偶，高温热源为500℃，低温热源为100℃时，只要有16610J/s的排气余热就能转换得到与发电机的输出相等的电量。而台架试验测得该车发动机在最低转速时排气的温度和流量已经能满足这些规定，阐明了排气余热的温差发电具有实用性。俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所(SSCRF-IPPE)，进行了高寒区载重车发动机的直接发电和取暖的研究。试验对象为154kW(210hp)的俄制发动机，辅助的温差发电器有平板式和圆柱式热电模块两种形式，产生600W电能，可以满足全车用电，尚有余热供应驾驶室取暖。研究表明，温差发电系统的温差越大、热源温度越高、材料优值越高，发电器的效率就越高。因此，提高温差发电器性能的方向是开发高优值的热电材料和高效的转换器构造。由于近50年来，热电材料的研究没有获得期望的进展，因此，在既有材料的条件下开发高效温差发电器就成为了主攻的方向。在这方面融合了先进设计措施和多学科的基础理论，如:(1)优化设计研究。热电偶的优值除与电极材料有关，也与电极的截面和长度有关，不一样电阻率和导热率的电极应有不一样的几何尺寸，只有符合最优尺寸才能获得最佳的器件优值。同步，设计中还要对温差发电器的负载等性能以及构造进行综合考虑，采用优化、仿真和CAD等现代设计措施进行优化设计，是此后研究的重要课题之一。(2)可靠性研究。可靠性较高一直是半导体热电器件的最重要的长处之一，但受设计、制造和使用环境等原因的影响，器件的稳定性和使用寿命有明显的差异。有关失效机理的分析和试验表明，半导体热电器件失效的重要原因是热电偶接头处发生的物质迁移，接头处焊料或导流片的原子通过固体扩散的形式进入到电极材料中，成为额外的掺杂原子，以及材料中掺入的杂质原子析出等变化了材料特性等。这些问题尚有待处理。(3)传热学的研究。温差发电器在设计中，需要根据热、冷源的形式，研究它的传热方式、接触热阻、散热形式，几何形状及强化措施等问题。这方面的研究已经成为温差发电器设计的基础之一。(4)多场协同转换器的研究。华南理工大学课题组根据排气管内热流的换热形式和热电偶回路的基本定律，提出了一种全新的温差发电器构造。研究采用内置的轴向网状热电转换模块和多级转换构造，冷源为分离式循环水冷，直接接入发动机的水冷系统。这样做可以获得较大的温差、较高的热电偶集成度，并减少对热电材料λ值的规定，强化了速度场、流场、温度场、电场的耦合，充足运用了余热流的能量。该研究已经完毕理论研究和验证性的试验。温差发电器用于车用发动机的余热运用品有广泛的应用前景。从研究成果来看，目前设计构造的温差不高，热电偶总数在1000个如下，存在着效率低、成本高、构造不够紧凑等问题。在热电材料研究获得突破之前，采用强化热电直接转换技术，开发出大功率/高性能/高经济性的转换器件和转换系统，将是发展趋势。3、余热采暖技术分析1）我们可以把汽车发动机排气管改导致热水互换器，运用热水互换器将废气余热传递给水，水温升高，沸腾，产生大量蒸气，再运用蒸气加热开水、蒸饭、取暖。汽车发动机尾气中蕴藏着大量的热能，根据热传递及热互换原理，运用方式如图所示。左上是一种水箱，右下是一种热互换器，两者用管路连接。排放热气从上向下流动，热量通过管壁传递给水，水温逐渐升高，水热互换器中上端温度高，下端温度低，产生从下向上逆热气流动方向的循环流动。多次往复循环，就会将水“烧”开，产生蒸气。因此，汽车废气余热再运用的基本思绪是:在排气管外围沿着排气管方向焊装一种水套，水套与一种水箱相连。装置注意事项：及时补水。蒸气箱内之水，伴随蒸气的蒸发会逐渐减少，应定期打开备用补水箱阀门，向蒸气箱内补水；及时放水。废气余热运用系统不使用时，应将尾气加热器内的水所有放净。尤其是冬季，发动机不起动时，若不将水放净，会把加热器冻裂；阀门开关问题。尾气加热器进水、出水管上均有阀门开关。在使用加热器时，应在发动机起动前，将进、出水阀门打开，水加热后，使水可以自由循环。否则，气压升高，无法循环，将会产生高压爆炸危险。我国北方地区，冬季天气寒冷，尤其是野外作业人员如钻探、施工、部队野营拉练等，饮水、吃饭、取暖极不以便。因此，若将汽车、工程车等发动机的尾气排放系统加以改造，运用废气余热“烧”开水、煮饭、取暖等，将给工作人员的生活、生产带来极大的便利，并给国家节省大量的能源。2）车内采暖重要应用于大客车上客车的采暖系统按驱动方式分为独立燃烧式和余热式两种。余热式采暖系统是运用发动机的余热（冷却水或尾气）采暖，运行成本低、经济性好、加工简朴、使用以便。但停车时不能供暖，用于大型车辆和寒冷地区时，对余热回收元件的性能规定很高。因此，虽然余热式采暖系统的出现早于独立式，不过目前在国内尚无成功而广泛的应用。独立式采暖系统由燃烧器和加热器两部分构成，燃料（一般为轻柴油）在专门设计的燃烧器中燃烧，水或空气被加热后送到需采暖的空间。独立式系统可在车辆的多种运行状态下工作，提高了舒适性。此外，运用微机控制还可按照设定的时间开始工作；对发动机进行预热、处理冷起动问题；还可对车厢进行预热；同步处理发动机机油和蓄电池的保温问题。在我国客车行业中，由于没有高性能的非独立式采暖设备而大多选用独立式采暖装置。但在实际使用（尤其是都市公交）中，由于运行费用太高而常采用系统间歇工作的方式，以减少运行成本，从而导致新风供应局限性，乘客感觉胸闷、缺氧。在车厢内布置采暖加热盘管和新风加热盘管。前者运用所回收的热量加热车厢内的循环空气；后者将外部的新鲜空气加热、补充通风换气，改善车厢内的空气品质。复合式热互换器与尾气消声器并联，回收尾气的热量；为有效回收冷却液热量，布置一种冷却液-采暖水热互换器。复合式热互换器中使用了套管和热管两种换热技术，在保证换热效率的同步充足减少尾气的阻力。众所周知，都市公交车辆的行驶速度变化范围很大，最高可达80km/h，最低则靠近于怠速。单纯使用热管虽可保证发动机低工况下的换热性能，但在高工况下也许会超过热管的最高容许温度，使之报废。两种换热方式的结合，既保证高/低工况下的换热效能、也可减小体积、减少尾气侧的阻力，从而保证发动机的正常出力。在车辆起动时，发动机整体温度较低，电磁阀V3启动，此时车厢内没有采暖。采暖系统中的水将尾气的热量回收后、加热冷却液；这样可以缩短发动机预热时间、提高其使用寿命。在车辆正常行驶过程中，电磁阀V1关闭、V2启动、V3关闭。在车厢内散热、温度减少后的水首先与冷却液换热，温度升高后再在复合式热互换器中深入吸热。4、余热制氢技术至今氢燃料在汽车发动机上的应用还没有得到广泛推广，这重要是由于大多数汽车所采用的氢燃料的添加及储存措施不完善。近年国内某些高校和科研单位针对氢燃料难以直接随车储存的特点，以甲醇替代氢气随车携带，并运用发动机排气余热将甲醇裂解为氢。将裂解的氢与汽油混合作为发动机燃料，很好地处理了氢燃料在汽车发动机上的储存、携带，使氢燃料在汽车发动机上的推广应用成为也许。汽油箱中的汽油通过化油器向发动机提供，在不使用氢燃料时与老式燃料系相似。附加的氢燃料供应系由甲醇容器、氢发生器、储氢箱、阀、泵等构成，氢发生器串接在排气管上。甲醇容器中的甲醇泵入氢发生器之后，在废气余热和催化剂作用下裂解生成氢并被储存在储氢箱里。在发动机气缸真空度作用下，储氢箱里的氢被吸入化油器与雾化的汽油混合，混合燃料的浓度可通过化油器各个阀控制。余热制氢发动机不用随车携带氢气，以随车携带甲醇箱中的少许甲醇就可按需产生氢气燃料，处理了难于将氢燃料直接在汽车上储存和安全性问题；甲醇的添加和储存与老式燃料近似，便于在用车的改装和供应站的设置；在合适的催化剂条件下，氢发生器的产氢率高，使燃料成本低廉。国内氢发生器所用的催化剂一般具有镍、铂、钯、钾、铝和铜等元素，发动机排气管中的废气余热为300℃～780℃。上述反应中产生的氢气除代燃之外，还能协助混合燃料中的汽油燃烧得更彻底，节省燃料并改善了发动机废气排放。反应中产生的一氧化碳在汽缸中燃烧，生成二氧化碳。因此氢气燃烧后最终废气成分重要为二氧化碳和水。余热制氢发动机运用发动机排气余热将甲醇裂解为氢燃料使用，使燃料成本减少，处理了使用氢燃料发动机的汽车随车储氢、添加等方面的问题。余热制氢发动机使用氢(或氢与汽油混合)为燃料，使发动机排气中有害成分大幅减少，并能减少发动机排气对环境的放热。甲醇作为可再生能源，能从