一文詳解發動機的余熱發電技術

　　廢氣余熱是一種未被充分開發利用的能源，將廢氣余熱充分地轉化為可供自由使用的電能是未來最為有效的利用方式。研究表明，排氣能量品質較高。有效回收利用這部分能量，對于降低汽車能源消耗、CO2排放具有重要的意義。若將廢氣余熱充分轉化為電能可減少CO2排放3%～7%，而在典型的運行工況下能減少排放5%~10%。國外試驗研究中，將廢氣余熱發電技術應用在 Ford 2.5L的 SUV 車型上在高速工況下能使功率提高 348 W，燃油經濟性提高 1.5%;城市工況下能使功率提高91W，燃油經濟性提高1.2%。試驗時為了減小排氣背壓，流量限制在40g/s。試驗證明，一些附加性能可以通過材料和系統的優化來實現。

　　如果能有效地回收部分排氣的能量并使之轉化為有用功，就可以進—步提高能源的利用率，從而提高整車的綜合性能。

　　1. 廢氣余熱利用技術現狀

　　發動機排氣余熱回收利用技術主要包括廢氣渦輪增壓、采暖、廢氣再循環、改良燃料、余熱制冷、余熱發電等方式。目前廢氣渦輪增壓技術和廢氣再循環技術相對比較成熟；采暖技術只在冬季能被有效利用，用來改善車輛的舒適度和提高汽車的冷啟動性能，其對排氣熱量的利用不夠充分；改良燃料只對固定的液體燃料有催化轉換作用，用途較為單一；雖然余熱制冷和余熱發電技術尚不成熟，卻能滿足全天候和全工況的使用條件，且兩種系統結構上有著很大的相似度，也存在著若干共同問題。

　　1.1 發動機的余熱制冷技術

　　以回收的發動機廢氣余熱作為能量源來驅動汽車的制冷系統，從而實現汽車的制冷，并以此來改善汽車的舒適程度，是理想的節能途徑。目前已經提出的制冷方式主要有 3 種;吸收式、吸附式、噴射式。

　　1.1.1 吸收式制冷

　　吸收式制冷的原理是∶以熱能為驅動力，通過一種物質對另一種物質的吸收和釋放，產生物質的狀態變化，并伴隨吸熱和放熱從而完成制冷循環的過程。簡單的吸收式制冷系統如圖1 所示。

　　在吸收式制冷循環系統中，所采用的工質主要有水-溴化鋰、氨-水、HFC-134a等，空調系統中更多的是利用水-溴化鋰作為工質。吸收式制冷系統的 COP（COP =制冷量消耗功率）高于吸附式，但遠低于蒸氣壓縮式。

　　1.1.2 吸附式制冷

　　吸附式制冷系統的原理是∶利用某些固態物質在二定溫度和壓力下能吸附某種氣體或者水蒸氣，而在另一種溫度和壓力下又能把它釋放出來，且釋放和吸附的過程伴隨著吸放熱的特性來完成制冷的。在吸附和釋放過程中伴隨著壓力的變化起到了壓縮機的作用，如圖2所示。

　　其所采用的工質有活性炭-氨氣、沸石-水、沸石-氨氣等。這些工質具有對環境無污染、可以直接利用一次能源等優點，所以此技術越來越受到人們的重視。吸附式系統運動部件少，可靠性高。由于其使用固體吸附材料，因此可用于振動場合變化。

　　1.13 噴射式制冷

　　噴射式制冷系統是一種熱能驅動的制冷系統，它可利用工業廢熱、太陽能等低品位熱能進行制冷。另外，該系統結構簡單，不存在潤滑、密封等問題，新的無污染工質很容易用于該系統。

　　其工作循環如圖3所示，即被加熱器1 加熱的高溫高壓工作蒸氣，通過噴管2 時進行絕熱膨脹，并形成一股低壓、高速的氣流，同時將蒸發器 3 內的低壓氣態制冷劑抽吸到噴射器 2 內，并與之混合，混合后的工作蒸氣在擴壓器內增壓后進入冷凝器 4，被冷卻介質冷凝成液體;然后，部分凝結液作為制冷劑，通過節流閥 5 降壓降溫，在蒸發器3 中吸熱氣化成為低溫低壓蒸氣;另一部分則通過循環泵 6 被提高壓力后送回加熱器，用作工作蒸氣。噴射式制冷系統除了循環泵外沒有其他的運動部件，而且制冷系統中的工作蒸氣與制冷劑是同一種物質，不需要吸收式制冷機中的制冷劑分離設備，因此結構簡單，耗功少，再加上可以利用低品位熱能，因此適用于有余熱可供利用的汽車空調器。但是這種系統中，噴射氣流會產生較大的噪聲，從而影響汽車運行的舒適性，因此需要在噴射器出口處安裝高效消聲裝置。

　　1.2 發動機的余熱發電技術

　　1.2.1 半導體溫差發電

　　溫差發電的原理是：兩種不同的熱電轉換材料 N 型半導體和 P型半導體，其一端相接于同一導電體上被置于廢氣流經的高溫端，另一端開路相接于不同的導電體上被置于冷端。熱電轉換材料的兩端存在溫差，通過其內部空穴、電子的擴散在低溫開路中形成電勢差，即在 A、B 端分別形成正、負電壓，直接將熱能轉化為電能，如圖 4 所示。

　　溫差發電的效率與熱電模塊的性能、兩端的溫差及其在廢氣通道箱體上的布置形式有關。目前用于溫差發電的熱電材料大多是半導體。在不同的溫度范圍內，熱電轉換效率較高的材料主要有以下幾種，如表1所示。

　　1.2.2 渦輪發電

　　廢氣渦輪發電的原理是;利用燃料燃燒排出的高溫廢氣來推動渦輪機高速旋轉，與此同時帶動與其同軸的永磁發電機轉動來發電，產生的電能分別存儲于蓄電池中或者帶動車用電器工作，如圖 5 所示。

　　與渦輪機同軸相連的有壓氣機和永磁發電機，其既能達到增壓的作用，也能發電，起到進一步節能的作用，如圖 6a 所示。

　　有些車型則取消了壓氣機，渦輪機只帶動永磁發電機進行發電，如圖 6b 所示。

　　日本的吉田佑作曾作過這方面的試驗，證明利用廢氣能量驅動渦輪發電所發出的電能足以提供汽車運行所需電能。廢氣渦輪發電雖然結構簡單，安裝方便，但是由于可能會提高排氣背壓，因此可能會對發動機性能產生負面影響，而且渦輪回收廢氣能量有限，不能充分利用廢氣能量。

　　1.2.3 朗肯循環余熱發電技術

　　朗肯循環是一種簡單的蒸氣動力循環，將朗肯循環系統整合到發動機排氣系統中，即以廢氣熱能驅動朗肯循環，從而實現用低品熱能提供高品位能量（電能或機械能）。利用發動機余熱做功的研究始于20 世紀 80 年代，主要的研究機構有日 Honda公司、日本Mitsui工程造船有限公司、美國康明斯公司和德國公司等。德國寶馬公司開發出的汽油機內置蒸氣機構“TurboSteamer”，并在寶馬 3 系列汽車使用的1.8L4 缸發動機的基礎上，試制了增加蒸氣機構的發動機。在此系統中，采用了高溫和低溫 2個做功循環，工質分別是水和乙醇。研究結果表明，發動機燃油效率、輸出功率及扭矩分別提高了15%、10 kW和20 N·m，如圖7所示。