一文詳解發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱發(fā)電技術(shù)

　　廢氣余熱是一種未被充分開(kāi)發(fā)利用的能源，將廢氣余熱充分地轉(zhuǎn)化為可供自由使用的電能是未來(lái)最為有效的利用方式。研究表明，排氣能量品質(zhì)較高。有效回收利用這部分能量，對(duì)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(zhuǎn)化為電能可減少CO2排放3%～7%，而在典型的運(yùn)行工況下能減少排放5%~10%。國(guó)外試驗(yàn)研究中，將廢氣余熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)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(jīng)濟(jì)性提高 1.5%;城市工況下能使功率提高91W，燃油經(jīng)濟(jì)性提高1.2%。試驗(yàn)時(shí)為了減小排氣背壓，流量限制在40g/s。試驗(yàn)證明，一些附加性能可以通過(guò)材料和系統(tǒng)的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　如果能有效地回收部分排氣的能量并使之轉(zhuǎn)化為有用功，就可以進(jìn)—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(shù)現(xiàn)狀

　　發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱回收利用技術(shù)主要包括廢氣渦輪增壓、采暖、廢氣再循環(huán)、改良燃料、余熱制冷、余熱發(fā)電等方式。目前廢氣渦輪增壓技術(shù)和廢氣再循環(huán)技術(shù)相對(duì)比較成熟；采暖技術(shù)只在冬季能被有效利用，用來(lái)改善車輛的舒適度和提高汽車的冷啟動(dòng)性能，其對(duì)排氣熱量的利用不夠充分；改良燃料只對(duì)固定的液體燃料有催化轉(zhuǎn)換作用，用途較為單一；雖然余熱制冷和余熱發(fā)電技術(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)上有著很大的相似度，也存在著若干共同問(wèn)題。

　　1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱制冷技術(shù)

　　以回收的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱作為能量源來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車的制冷系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車的制冷，并以此來(lái)改善汽車的舒適程度，是理想的節(jié)能途徑。目前已經(jīng)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(qū)動(dòng)力，通過(guò)一種物質(zhì)對(duì)另一種物質(zhì)的吸收和釋放，產(chǎn)生物質(zhì)的狀態(tài)變化，并伴隨吸熱和放熱從而完成制冷循環(huán)的過(guò)程。簡(jiǎn)單的吸收式制冷系統(tǒng)如圖1 所示。

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

　　1.1.2 吸附式制冷

　　吸附式制冷系統(tǒng)的原理是∶利用某些固態(tài)物質(zhì)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(lái)，且釋放和吸附的過(guò)程伴隨著吸放熱的特性來(lái)完成制冷的。在吸附和釋放過(guò)程中伴隨著壓力的變化起到了壓縮機(jī)的作用，如圖2所示。

　　其所采用的工質(zhì)有活性炭-氨氣、沸石-水、沸石-氨氣等。這些工質(zhì)具有對(duì)環(huán)境無(wú)污染、可以直接利用一次能源等優(yōu)點(diǎn)，所以此技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。吸附式系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)場(chǎng)合變化。

　　1.13 噴射式制冷

　　噴射式制冷系統(tǒng)是一種熱能驅(qū)動(dòng)的制冷系統(tǒng)，它可利用工業(yè)廢熱、太陽(yáng)能等低品位熱能進(jìn)行制冷。另外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在潤(rùn)滑、密封等問(wèn)題，新的無(wú)污染工質(zhì)很容易用于該系統(tǒng)。

　　其工作循環(huán)如圖3所示，即被加熱器1 加熱的高溫高壓工作蒸氣，通過(guò)噴管2 時(shí)進(jìn)行絕熱膨脹，并形成一股低壓、高速的氣流，同時(shí)將蒸發(fā)器 3 內(nèi)的低壓氣態(tài)制冷劑抽吸到噴射器 2 內(nèi)，并與之混合，混合后的工作蒸氣在擴(kuò)壓器內(nèi)增壓后進(jìn)入冷凝器 4，被冷卻介質(zhì)冷凝成液體;然后，部分凝結(jié)液作為制冷劑，通過(guò)節(jié)流閥 5 降壓降溫，在蒸發(fā)器3 中吸熱氣化成為低溫低壓蒸氣;另一部分則通過(guò)循環(huán)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(tǒng)除了循環(huán)泵外沒(méi)有其他的運(yùn)動(dòng)部件，而且制冷系統(tǒng)中的工作蒸氣與制冷劑是同一種物質(zhì)，不需要吸收式制冷機(jī)中的制冷劑分離設(shè)備，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diào)器。但是這種系統(tǒng)中，噴射氣流會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，從而影響汽車運(yùn)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(fā)動(dòng)機(jī)的余熱發(fā)電技術(shù)

　　1.2.1 半導(dǎo)體溫差發(fā)電

　　溫差發(fā)電的原理是：兩種不同的熱電轉(zhuǎn)換材料 N 型半導(dǎo)體和 P型半導(dǎo)體，其一端相接于同一導(dǎo)電體上被置于廢氣流經(jīng)的高溫端，另一端開(kāi)路相接于不同的導(dǎo)電體上被置于冷端。熱電轉(zhuǎn)換材料的兩端存在溫差，通過(guò)其內(nèi)部空穴、電子的擴(kuò)散在低溫開(kāi)路中形成電勢(shì)差，即在 A、B 端分別形成正、負(fù)電壓，直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，如圖 4 所示。

　　溫差發(fā)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(guān)。目前用于溫差發(fā)電的熱電材料大多是半導(dǎo)體。在不同的溫度范圍內(nèi)，熱電轉(zhuǎn)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(fā)電

　　廢氣渦輪發(fā)電的原理是;利用燃料燃燒排出的高溫廢氣來(lái)推動(dòng)渦輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)帶動(dòng)與其同軸的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)發(fā)電，產(chǎn)生的電能分別存儲(chǔ)于蓄電池中或者帶動(dòng)車用電器工作，如圖 5 所示。

　　與渦輪機(jī)同軸相連的有壓氣機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)，其既能達(dá)到增壓的作用，也能發(fā)電，起到進(jìn)一步節(jié)能的作用，如圖 6a 所示。

　　有些車型則取消了壓氣機(jī)，渦輪機(jī)只帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，如圖 6b 所示。

　　日本的吉田佑作曾作過(guò)這方面的試驗(yàn)，證明利用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電所發(fā)出的電能足以提供汽車運(yùn)行所需電能。廢氣渦輪發(fā)電雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，但是由于可能會(huì)提高排氣背壓，因此可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生負(fù)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(huán)余熱發(fā)電技術(shù)

　　朗肯循環(huán)是一種簡(jiǎn)單的蒸氣動(dòng)力循環(huán)，將朗肯循環(huán)系統(tǒng)整合到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中，即以廢氣熱能驅(qū)動(dòng)朗肯循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)用低品熱能提供高品位能量（電能或機(jī)械能）。利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱做功的研究始于20 世紀(jì) 80 年代，主要的研究機(jī)構(gòu)有日 Honda公司、日本Mitsui工程造船有限公司、美國(guó)康明斯公司和德國(guó)公司等。德國(guó)寶馬公司開(kāi)發(fā)出的汽油機(jī)內(nèi)置蒸氣機(jī)構(gòu)“TurboSteamer”，并在寶馬 3 系列汽車使用的1.8L4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，試制了增加蒸氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)。在此系統(tǒng)中，采用了高溫和低溫 2個(gè)做功循環(huán)，工質(zhì)分別是水和乙醇。研究結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)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。