一文详解发动机的余热发电技术

 

　　废气余热是一种未被充分开发利用的能源，将废气余热充分地转化为可供自由使用的电能是未来最为有效的利用方式。研究表明，排气能量品质较高。有效回收利用这部分能量，对于降低汽车能源消耗、CO2排放具有重要的意义。若将废气余热充分转化为电能可减少CO2排放3%～7%，而在典型的运行工况下能减少排放5%~10%。国外试验研究中，将废气余热发电技术应用在 Ford 2.5L的 SUV 车型上在高速工况下能使功率提高 348 W，燃油经济性提高 1.5%;城市工况下能使功率提高91W，燃油经济性提高1.2%。试验时为了减小排气背压，流量限制在40g/s。试验证明，一些附加性能可以通过材料和系统的优化来实现。

　　如果能有效地回收部分排气的能量并使之转化为有用功，就可以进—步提高能源的利用率，从而提高整车的综合性能。

　　1. 废气余热利用技术现状

　　发动机排气余热回收利用技术主要包括废气涡 轮增压、采暖、废气再循环、改良燃料、余热制冷、余热发电等方式。目前废气涡轮增压技术和废气再循环技术相对比较成熟；采暖技术只在冬季能被有效利用，用来改善车辆的舒适度和提高汽车的冷启动性能，其对排气热量的利用不够充分；改良燃料只对固定的液体燃料有催化转换作用，用途较为单一；虽然余热制冷和余热发电技术尚不成熟，却能满足全天候和全工况的使用条件，且两种系统结构上有着 很大的相似度，也存在着若干共同问题。

　　1.1 发动机的余热制冷技术

　　以回收的发动机废气余热作为能量源来驱动汽车的制冷系统，从而实现汽车的制冷，并以此来改善汽车的舒适程度，是理想的节能途径。目前已经提出的制冷方式主要有 3 种;吸收式、吸附式、喷射式。

　　1.1.1 吸收式制冷

　　吸收式制冷的原理是∶以热能为驱动力，通过一种物质对另一种物质的吸收和释放，产生物质的状态变化，并伴随吸热和放热从而完成制冷循环的过程。简单的吸收式制冷系统如图1 所示。

　　

　　在吸收式制冷循环系统中，所采用的工质主要有水-溴化锂、氨-水 、HFC-134a等，空调系统中更多的是利用水-溴化锂作为工质。吸收式制冷系统的 COP（COP =制冷量消耗功率）高于吸附式，但远低于蒸气压缩式。

　　1.1.2 吸附式制冷

　　吸附式制冷系统的原理是∶利用某些固态物质在二定温度和压力下能吸附某种气体或者水蒸气，而在另一种温度和压力下又能把它释放出来，且释放和吸附的过程伴随着吸放热的特性来完成制冷的。在吸附和释放过程中伴随着压力的变化起到了压缩机的作用，如图2所示。

　　

　　其所采用的工质有活性炭-氨气、沸石-水、沸石-氨气等。这些工质具有对环境无污染、可以直接利用一次能源等优点，所以此技术越来越受到人们的重视。吸附式系统运动部件少，可靠性高。由于其使用固体吸附材料，因此可用于振动场合变化。

　　1.13 喷射式制冷

　　喷射式制冷系统是一种热能驱动的制冷系统，它可利用工业废热、太阳能等低品位热能进行制冷。另外，该系统结构简单，不存在润滑、密封等问题，新的无污染工质很容易用于该系统。

　　

　　其工作循环如图3所示，即被加热器1 加热的高温高压工作蒸气，通过喷管2 时进行绝热膨胀，并形成一股低压、高速的气流，同时将蒸发器 3 内的低压气态制冷剂抽吸到喷射器 2 内，并与之混合，混合后的工作蒸气在扩压器内增压后进入冷凝器 4，被冷却介质冷凝成液体;然后，部分凝结液作为制冷剂，通过节流阀 5 降压降温，在蒸发器3 中吸热气化成为低温低压蒸气;另一部分则通过循环泵 6 被提高压力后送回加热器，用作工作蒸气。喷射式制冷系统除了循环泵外没有其他的运动部件，而且制冷系统中的工作蒸气与制冷剂是同一种物质，不需要吸收式制冷机中的制冷剂分离设备，因此结构简单，耗功少，再加上可以利用低品位热能，因此适用于有余热可 供利用的汽车空调器。但是这种系统中，喷射气流会产生较大的噪声，从而影响汽车运行的舒适性，因此需要在喷射器出 口处安装高效消声装置。

　　1.2 发动机的余热发电技术

　　1.2.1 半导体温差发电

　　温差发电的原理是：两种不同的热电转换材料 N 型半导体和 P型半导体，其一端相接于同一导电体上被置于废气流经的高温端，另一端开路相接于不同的导电体上被置于冷端。热电转换材料的两端存在温差，通过其内部空穴、电子的扩散在低温开路中形成电势差，即在 A、B 端分别形成正、负电压，直接将热能转化为电能，如图 4 所示。

　　

　　温差发电的效率与热电模块的性能、两端的温差及其在废气通道箱体上的布置形式有关。目前用于温差发电的热电材料大多是半导体。在不同的温度范围内，热电转换效率较高的材料主要有以下几种，如表1所示。

　　

　　1.2.2 涡轮发电

　　废气涡轮发电的原理是;利用燃料燃烧排出的高温废气来推动涡轮机高速旋转，与此同时带动与其同轴的永磁发电机转动来发电，产生的电能分别存储于蓄电池中或者带动车用电器工作，如图 5 所示。

　　

　　与涡轮机同轴相连的有压气机和永磁发电机，其既能达到增压的作用，也能发电，起到进一步节能的作用，如图 6a 所示。

　　

　　有些车型则取消了压气机，涡轮机只带动永磁发电机进行发电，如图 6b 所示。

　　日本的吉田佑作曾作过这方面的试验，证明利用废气能量驱动涡轮发电所发出的电能足以提供汽车运行所需电能。废气涡轮发电虽然结构简单，安装方便，但是由于可能会提高排气背压，因此可能会对发动机性能产生负面影响，而且涡轮回收废气能量有限，不能充分利用废气能量。

　　1.2.3 朗肯循环余热发电技术

　　朗肯循环是一种简单的蒸气动力循环，将朗肯循环系统整合到发动机排气系统中，即以废气热能驱动朗肯循环，从而实现用低品热能提供高品位能量（电能或机械能）。利用发动机余热做功的研究始于20 世纪 80 年代，主要的研究机构有日 Honda公司、日本Mitsui工程造船有限公司、美国康明斯公司和德国公司等。德国宝马公司开发出的汽油机内置蒸气机构“TurboSteamer”，并在宝马 3 系列汽车使用的1.8L4 缸发动机的基础上，试制了增加蒸气机构的发动机。在此系统中，采用了高温和低温 2个做功循环，工质分别是水和乙醇。研究结果表明，发动机燃油效率、输出功率及扭矩分别提高了15%、10 kW和20 N·m，如图7所示。

　　

　　2. 余热利用系统的对比分析

　　发动机余热制冷技术对比分析见表2，发动机余热发电技术对比分析见表3。

　　

　　审核编辑：黄飞