汽车内燃机废气的能量可否回收用来做功?

weINcar2022-05-25 08:29:13

汽车内燃机的废气有较高的温度,这部分能量似乎是很可观的。能否将这部分能量回收起来,再次转化为动能,达到节能的目的?如果有厂商在做相关的实验,是否可以详细介绍一下?


今天的文章里,主要研究新能源汽车动力系统领域的工程师姚昌晟就会和大家聊聊:


“汽车内燃机废气的能量可否回收用来做功?”



余热回收利用(Waste Heat RecoveryWHR技术就是将废气能量重新利用的技术手段。


在汽车发动机上应用的余热回收利用技术主要有两种:一是热电转化(TEG)以及结合热管(Heat pipe)的TEG;二是有机朗肯循环(ORC。欢迎补充。


介绍WHR技术之前,先看看废气中的能量有多少。


对于汽车,尤其是商用车来说,降低油耗的需求非常迫切。


在油耗问题上一切开源、节流的手段都是每一家OEM所关注的焦点。


要知道即便对于较为高效的柴油机来说,发动机输出的有效功也仅能占到输入燃油化学能的42-46%,剩余的超过一半的能量,都是以热的形式损失掉了。


损失去向有这三处:


摩擦损失8-10%传热损失(发动机冷却/进气冷却)与排气损失各约25%。Cummins在关于余热利用技术的叙述中的这幅能流图就表明了能量去向。



从图中还可以看到,废气中的能量与风能/机械能相比,品位较低,但是与传热损失比较而言,反而是更容易回收的能量。



那么接下来就分别来看看TEG和ORC是怎么把废气能量回收利用的。

热电转化


热电转化的原理利用的是塞贝克效应实现温差发电,如下图,当图示的半导体上下两端有温差,就会产生电压。


该技术受到了转换效率低的限制,因此还没有广泛应用。


这样的限制体现在热端温度限制了用于热电转化的材料的选择,所以材料是TEG技术的主要制约点之一。


在研究中,选用额定温度更高的材料(如碲化铅)有助于提高TEG的转换效率。



各家汽车公司对TEG的兴趣颇大,但是受掣于高成本和低效率,目前还没有广泛使用。


下图是本田制造的TEG余热回收系统,它产生的能量用于给LED灯组发电。


该系统在两侧温差30℃的时候可以达到20W的发电功率。



结合热管的TEG


在TEG的设计中,结合热管可以实现更高的转化效率。


热管是一段密封了液体的真空管,也就是说里面仅有饱和液和饱和蒸汽。


它利用工作液的两项转换实现散热,其热传导速度极快,超过了任何一种已知金属的导热能力。如下图,当两端有温差时,工作液不断地在热端气化,又在冷端液化。而这样的过程是被动的,热管本身并不需要任何部件驱动。



将热管与TEG联合使用,使用热管有助于TEG表面的温度更加接近气体的温度。


同时当TEG热端温度过高时,也可以防止TEG过热。


如下图系统,当两端温差20℃时,发电功率达到28W。


然而,这样的转换效率仍不能让厂商满足,因此热电转化技术大多还在实验室中



有机朗肯循环


包括Bosch等各家研发/在研的余热回收利用系统。


有机朗肯循环就是使用有机物作为工质的朗肯循环,是现有余热回收利用技术中转换效率最高、最有可能实现产业化的手段


它使用低沸点的有机物(如氯乙烷)作为工质来吸收余热能,蒸发气化后进入膨胀机做机械功,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。


有机朗肯循环系统原理


该技术最早利用的领域是废热发电,现在在商用车的节能技术中作为重要的效率提升手段而被广泛研究,目前在美国/中国都有在研的项目。


它的体积其实并不一定需要那么大,因为有机朗肯循环使用的是有机工质。


它的密度一般比水大,因此与朗肯循环发电系统相比,有机朗肯循环的膨胀机、换热器和管道的体积都要小很多。


但是车用朗肯循环仍然存在着很多技术难度,由于内燃机排气温度不断变化(一般在200-900℃之间),同时内燃机冷却液温度在96-100℃之间,因此工质的选择尤为重要。


有机朗肯循环的工质类似于制冷剂,有卤代烃、氨等单组分工质,或是多组分工质。


此外,系统参数的设计(例如膨胀机的设计)以及与内燃机的匹配同样是重要的问题。此处不作展开,来看看ORC实际应用的例子,到底它能够将发动机效率提升多少。


在美国能源部超级卡车项目中(今年开始了第二期项目,DOE Announces $80 Million in Funding to Increase SuperTruck Efficiency),Cummins/Diamler/Volvo/Navistar四家重卡公司,在55%柴油机有效热效率的项目目标前,都不约而同地选择了有机朗肯循环的余热回收利用技术。


Cummins在其开发中,通过余热利用可以将原有的效率相对提高7.4%,也就是说绝对的有效热效率可以提升3-4个百分点。Cummins的余热回收利用系统布置如下:


Cummins余热回收利用系统示意图


对于有机朗肯循环来说,有这样几个限制条件:


一是成本;


二是它对排气温度同样有所要求,通常400℃以上的排温可以保证其回收效率。


而它布置在后处理之后,考虑到后处理的温差,如果要ORC达到预想的工作效率,排气就需要450℃以上了


三则是布置的空间,车用有机朗肯循环系统虽然可以缩到比较小,但是仍然需要一定的布置空间,对于美国的卡车来说,由于他们通常有着长鼻子,如下图,因此有较大的空间对该系统进行布置。


而国内平头的卡车居多,因此该技术的应用在空间布置方面也是一个小难题。



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