关于提高车辆效率的热管理技术的相关方案设计

为提高汽车整车效率，降低能源消耗和二氧化碳排放是必不可少的。电动车和燃料电池车在短时间内完全替代目前的传统动力汽车较为困难，因此，提高发动机的热效率，是降低能源消耗及二氧化碳排放的有效措施。在整车效率提升过程中，对能量进行回收的热管理技术非常重要。本文介绍了发动机的热平衡特性，并对热管理技术提升整车效率的前景进行了展望。

时至今日，日本本土的能源自给率只有百分之几，近半的一次能源依赖于国外进口。日本国内消耗的一次能源中，近四分之一用于交通运输领域。交通运输中大约有90％的二氧化碳来源于汽车。目前急需提高汽车的效率，以减少能源消耗并降低二氧化碳排放。预计未来20年内全球汽车保有量会达到9亿，因此提高整车效率是一个重要问题。

目前纯电动车和燃料电池车预计将在未来作为高效低碳的新一代车辆得以应用，但由于续航里程和成本等问题，短时间内很难进行大范围推广。因此，进一步提高整车效率并进行合理的交通管理被认为是目前最实际和最有效的措施。

为了提高发动机的热效率，进行了各种研究和开发，例如改善燃烧过程和降低摩擦，但是除了提高发动机自身的效率之外，通常对废热的回收利用以及减速时的再生制动均可有效提高车辆效率。在车辆制动时，将动能转换成热能，该部分能量可通过电动再生系统得以回收利用。排气管排出的高温废气也可通过各种方式进行回收利用。此外，车厢内的空调和冷却水的温度也会影响到整车效率，通常维持排气后处理催化剂的活性也需要排气热量。因此，综合整车热管理与动力性要求，力求从各个领域提高车辆效率。本文解释了发动机的热效率同车辆动力和废热之间的关系，并且针对提高车辆效率的热管理技术展开研究。

1发动机热平衡和废热的特性

1.1 发动机热效率和热平衡的基础

在发动机中，指示热效率是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。ηi=Wi/Qfuel

该指示热效率可以分解为如下的热效率因子。

这里考虑的热效率因子是燃烧效率ηu，冷却损失率φw，奥托循环的理论热效率ηth和放热当量ηgth。燃烧效率ηu是实际燃烧产生的发热量QB与供给燃料发热量Qfuel的比值。

冷却损失率φw在此可定义为将热量传递至燃烧室壁面的热损失量QC与实际发热量QB的比率。

奥托循环的理论热效率ηth由发动机的压缩比ε和工作流体的比热γ表示。

理论功Wth是将供给循环的热量Q乘以奥托循环的理论热效率ηth而获得的。

另外，该热量Q可以用实际发热量QB与冷却损失热量QC之差来表示。

然而，奥托循环是一个理论循环，设定在上止点处进行瞬时等容燃烧，并且吸热过程与实际发动机存在一定差异。考虑到这一点，将放热当量ηgth通过下式进行定义。

实际循环指示功Wi即气体在活塞上所做的功，可以表示为放热当量ηgth与理论功Wth的乘积。

1.2 发动机运行状况与废热之间的关系

一个循环中从发动机排出的的热量Qex，可以表示为循环供给的热量Q与作用于活塞的机械功Wi之间的差值。

图1 发动机的热平衡与点火正时的关系

图2 相对于点火正时排热量比及排气温度

图1及图2是表示点燃式发动机的排气热量Qex，冷却损失热量QC，指示功Wi，排热量比φex及排气温度Tex相对于点火正时θig的结果的一个例子，具有较高温度的发动机排气是具有一定品位的能源。

1.3 车辆行驶时对发动机废热的主动控制

图3  10.15模式下行驶车辆的

排气热量的例子

图4  通过点火正时延迟

来确保排气热量的实例

图5  通过点火正时延迟确保排气热量与

整个工况下的燃料消耗量之间的关系

（通过提高发动机转速确保排气热量）

除点火正时以外，发动机排气的热量和温度会根据负荷而发生变化。图3是在10.15模式下行驶车辆的排气热量实例，但是在怠速或减速工况下排气热量的减少是较为显著的。即使在发动机低负荷的状态下也要确保可进行主动控制。图4显示了怠速和减速期间对10 kW排气热量的燃烧控制结果。在排气热量不足的情况下，将点火正时延后并且增大节气门开度以获得预定输出功率。最终可确保排气热量达到最低要求，同时排气温度也随之升高。图5是在整个模式下的总燃料消耗量和总排气热量。为了比较，还指示了在最佳点火正时MBT不变的情况下通过增加发动机转速以确保足够的排气热量。结合点火正时的延迟和节气门开度增加的方法能够将该运转模式下的燃料消耗抑制到比提高转速方法更低的水平。另外很难预期，随着发动机转速的增加会导致排气温度的升高，同时延后点火正时对提高排气温度也是有利的。

图6 通过延后点火正时来确保

排气热量的热效率因子

图6是此时的热效率因子的特性。当点火正时延迟θig以增加排气热量Qex时，放热等效容量ηgth减小，但燃烧气体与燃烧室的壁面接触的时间减少，冷却损失率φw降低，表面吸热率ηu（1-φw）则有所增加。此时，由于节气门开度的增加而使泵气损失率φp降低，并且放热当量的降低一定程度上抵消了冷却损失和泵气损失，如图4所示，可将热效率恶化程度降至最低。

2汽车的热管理技术

2.1 废热利用

通过加热集成式排气歧管的集热器来提升冷却水的温度从而缩短暖机时间，能抑制暖机时的排气成分，并可有效改善暖机时的燃料消耗量。另外，对于混合动力汽车而言，可将行驶过程中被加热的冷却水储存在隔热箱中。对于使用发动机废热的系统而言，由于没有能量转换过程，结构较为简单、技术要求和成本较低、障碍相对较少，预计可实现大范围普及。其技术要点在于热交换和隔热技术。另外，为了确保排气后处理催化剂的反应温度，发动机的合理排热也是必不可少的，因此在向催化器的上游设置集热器时需考虑到该点。另外，在发动机起动后需要即刻提高催化剂的温度，但如2.3部分所述，采用热容量较小的排气歧管和提高排气温度的方法也是十分有效的。

2.2 废热回收

从复合增压开始，一直在研究利用发动机的废热来进行动力回收。例如，从排气和冷却水收集热量以实现朗肯循环并将获得的功率传递到曲轴以提高燃料经济性；也可通过利用废热获得蒸汽并直接连接到膨胀机上，采用郎肯循环以回收动力。通过将氧化催化剂附着于排气热交换器的翅片上，以热的形式回收排气中未燃烧成分所具有的化学能，也是一类有效的方式。同时，斯特林循环的废热回收方式也在研究中。然而，该系统结构复杂且需要一定的空间进行布置，因此难以在低成本车辆和小型车辆中采用，但对于大型车辆而言并无此类约束。

2.3 利用废热的车内空调

通常，为了冷却驾驶室，发动机输出功率部分用于驱动制冷循环的压缩机，但是这部分功率会导致车辆效率恶化。为了减少此类损失，研究了在空气循环中通过排气能量驱动涡轮机并冷却驾驶室的技术，以提高车辆效率。而且，利用冷却水热量进行驾驶室加热的方式早已得到广泛应用。另外，对于纯电动汽车和燃料电池汽车而言，减少空调能量的消耗也是必不可少的，以此可提高车辆效率。除了热泵技术的应用之外，还可在风冷式内燃机汽车中采用燃烧式加热器。对于汽车而言，可通过抑制玻璃窗的热量输入/输出，来减少空调负荷从而提高车辆效率。

2.4 以电力形式废热回收

目前已经对利用塞贝克效应的热电转换元件进行了广泛研究，该系统将发动机的废热转换成电能。热电转换在高排气温度下的高负荷运转中持续有效。此外，当将热电转换元件与排气催化剂相结合时，也可使用冷起动时加热催化剂的元件。也有报道称，该模式可以将燃油经济性提高约3％。随着材料技术的不断进展，有望进一步提高设备效率，热利用率的提高对于有效利用汽车排气热量可谓是一个挑战。

2.5 通过燃料质量改善的化学废热回收

通过热分解，改善蒸汽质量，以及部分氧化等反应可以改善碳氢化合物和含氢的醇类气体，但大多数反应是吸热过程，可通过发动机废热为反应提供热量。与汽油和天然气相比，甲醇改质所需的温度特别低，燃用甲醇的点燃式汽油机已有相关研究得以开展。通过改善燃料质量产生的氢，具有抑制低温氧化和提高火焰传播速度等特点，可有效提升抗爆性。因此可通过提高压缩比和优化点火正时来提高发动机热效率，但同时也有增加冷却损失的倾向。而且，与甲醇一样，采用氨改质的燃气发动机也具备一定的应用前景。确保改质过程的温度是关键，在使用改质温度较高的燃料时，回收废热的效果也是较为有限的。

3改质燃料废热与新燃烧相结合的方式

作为同时实现发动机高热效率和清洁排放的燃烧方法，自2000年以来，预混合压缩点火（HCCI）燃烧在日本和国外引起了关注。与普通汽油机一样，HCCI燃烧是一种吸入预混燃料和空气，并像柴油机一样执行压缩自燃的系统。由于是预混燃烧，不会产生黑烟，实现了高热效率和低氮氧化物排放。然而，尽管HCCI燃烧比柴油机传统燃烧方式更为清洁，并且比汽油机热效率更高，但是通过该方式提高柴油机的热效率并不容易。

图7 用于通过废热改质甲醇以控制

HCCI燃烧发动机系统的配置示例

图8 导入甲醇热分解气体二甲醚的

HCCI燃烧扩展可操作的等效范围

在当前背景下，提出了一个结合燃料改质如图7所示的系统。在该系统中，安装在车辆中的甲醇被供应到排气系统的蒸发器和2种改质器中，并且产生具有低自燃性的氢气和具有高自燃性的二甲醚，以参与HCCI燃烧。主要由氢组成的气体通过式（15）的热分解反应而进行分解，式（16）的脱水反应则是DME的吸热过程。

图8示出了发动机的试验结果，使用了DME及式（15）中热分解反应的模型气体（2H2+CO）。在压缩比为9.7的发动机中，（2H2+CO）/ DME供给的摩尔比有4种0、0.67、1.0、1.5，其升压速率dP/dθ的最大值为300 kPa / °CA，其当量比受高输出侧的操作限制。在仅使用DME的HCCI燃烧中，随着当量比增加，点火正时变得更早，并且缸内压力和压力升高率会过高，因此需将可操作当量比限制到较低的值。另一方面，引入甲醇热解气体将可操作当量比限制到极低的值。这是因为氢气和一氧化碳的自燃性低于DME，氢气具有抑制DME低温氧化的作用。

图9 废热回收式甲醇改质

HCCI发动机系统和SI发动机的比较

图9是在相同发动机上使用HCCI燃烧和正常火花点火（SI）燃烧的比较结果。在SI燃烧中，只有甲醇热解气体用作燃料以确保抗爆燃性能，并且以最佳点火正时MBT进行操作。尽管是稀薄混合气的条件下，HCCI燃烧具有比SI燃烧更高的热效率，并且获得了与SI燃烧相比毫不逊色的平均指示压力IMEP。另外，图中的ηr，这是在理想条件下燃烧热值的增加速率，并且根据改变燃料质量前后燃料热值较低的比率计算出的。通过将该发热量增加率ηr乘以发动机热效率ηi而获得的值就是基于甲醇的总效率ηrηi。根据公式16，在DME生产中为4％，根据公式15的热分解气体生产中为20.1％。通过用发动机的废热覆盖该反应热，总体效率预计可接近50％，与燃料电池系统相当。

图10 废热回收式甲醇改质

HCCI发动机系统的热平衡

图10是本系统的总热平衡计算，在发动机热效率为43％，废热比为32％的HCCI发动机中采用的甲醇、DME、氢气和CO遵循2：2：1的条件下，燃料的发热量增加13％，并且预计可将总效率提高至49％。改变燃料质量所需的热量约为废热的20％，并且通过使用20％的剩余热量，可以蒸发所需的甲醇量。尽管该计算没有考虑排气系统或燃料改质器中的热损失，但从热量的角度来看，其显示出充分的可行性。类似地，也可通过构建DME或乙醇作为主要燃料的系统。但就温度和废热回收效果而言，使用甲醇的系统更有优势。    

4总结

各种热管理技术对车辆效率的提高有着重要的影响。在通过改变燃料质量而开展的能量回收中，使用反应温度较低的甲醇更有优势，并且与HCCI的燃烧组合可产生较好的协同效应。另一方面，氢能会向化学性质更为活泼的方向发展，甲醇作为汽车氢能的载体具有显著的优势。当大规模使用甲醇的时代到来，余热回收技术将会具备更广阔的前景。