汽车发动机余热利用技术可行性分析
一、背景
自20世纪70年代世界性的能源危机发生以来，能源问题受到世界各国普遍重视，各经济大国都致力抢占能源市场同时，对节能技术的重视程度也大大加强。随着人们生活水平的提高，汽车保有量越来越大，汽车能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题越来越受到各国关注。节能已经成为当今世界汽车工业发展的主题之一。汽车消耗的能源主要是石油燃料，而我国是一个石油存储量相对欠缺的国家，目前己成为世界第二大石油进口国。随着我国汽车工业的迅速发展，提高汽车燃料有效利用率和减少环境污染在我国具有更重要的战略意义。调查研究表明，汽车燃料燃烧所释放的能量只有三分之一左右被有效利用，其余能量都被散失或排放到大气中，造成了能源极大浪费，也带来了不良环境影响。因此将这些汽车废热有效利用是实现汽车节能，降低汽车能源消耗的一个有效途径。
二、汽车余热利用技术
从目前汽车所用发动机的热平衡来看，用于动力输出的功率一般只占燃油燃烧总热量的30%-4
5%(柴油机)或20%-30%(汽油机)。以余热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%-70%(柴油机)或80%-70%(汽油机)，主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量。表为内燃机的热平衡表
从表中可以看出汽车发动机冷却介质带走的热量有较大利用空间，如何将其有效利用自然受到人们越来越多的关注，不少人致力于此方面研究。
由于车用发动机特殊的使用场合，汽车余热利用具有鲜明的特点和特殊的要求，可将这些特点简单归结如下：一是汽车余热的品位较低，能量回收较困难；二是余热利用装置要结构简单，体积小，重量轻，效率高；三是废热利用装置要抗震动、抗冲击，适应汽车运行环境；四是要保证汽车使用中的安全；五是要不影响发动机工作特性，避免降低发动机动力性和经济性。由于汽车余热利用具有上述特点，使得研究的成果虽多，但投入商业化生产的不多，有待进一步的研究开发。
国内外汽车余热利用的技术，从热源来看，有利用发动机冷却水余热和利用排气余热两种，从用途上来看，有制冷空调、发电、采暖、改良燃料、涡轮增压、室内湿度控制和空气净化等方式。
1、余热制冷技术
目前，在轿车空调中，占统治地位的是蒸汽压缩式空调系统，轿车空调一般要消耗8~12%的发动机动力，增加油耗，加大排放；另一方面易引起水箱过热，影响轿车动力性；同时由于蒸汽压缩式空调系统采用的制冷工质为氟利昂类化合物，导致温室效应加剧。为解决舒适性与制冷功耗之间的矛盾，回收和利用发动机排气余热来驱动制冷系统，实现轿车空调，是理想的节能方案。目前提出的这方面技术主要有吸收式和吸附式两种。吸收式制冷空调。其原理是以热能为动力来完成制冷循环的，在相关文献中，研究最多的是利用循环冷却水余热来实现吸收式制冷，当然也可以利用排气余热来实现吸收式循环。吸收式制冷系统有较大的性能系数COP（相对于吸附式而言），但结构复杂、体积大、造价高，而且四器（发生器、冷凝器、吸收器、蒸发器）需要自由水平面，不太适用于经常处于颠簸、运动状态的汽车。吸附式制冷空调。其原理是利用某些固体物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸汽，
汽车氟利昂
在另一种温度、压力下又能把它释放出来的特性来实现制冷。吸附式系统结构简单、造价低，在提高吸附床传热传质能力的情况下，可大大提高系统的性能，是较为理想的系统。但吸附式制冷的COP不高，需要较长预备时间，单位质量的吸附剂产生的制冷功率较小，系统笨重，废热利用率不高，而汽车空调要求体积小、制冷量大、性能可靠、操作方便，这限制了它的应用和发展。要达到以上要求，必须提高系统COP值及单位质量吸附剂制冷功率。
2、余热发电技术
利用废气能量发电常用方法有四种，分别为利用半导体温差发电、氟龙透平发电、废气涡轮发电和斯特林循环原理发电。半导体温差发电。热电转化效率可达3。3%，甚至是7%，吉林大学的董桂田通过试验证明用汽车发动机排气废热温差发电能够取代传统的汽车发电机，且温差发电吸热降温对汽车整体性能大有稗益。利用发动机废热的氟龙透平发电。是利用一种在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(通常为氟利昂)作为工质，使其在吸收发动机余热后由液态变为高压蒸汽从而推动透平机发电。废气涡轮发电。青岛大学的张铁柱提出了利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想，并设计了一种新装置来实现，获得专利一项。日本的吉田佑也曾作过此方面的实验，证明了利用废气能量驱动涡轮所发出的电能足
以提供汽车运行所需电能，但未做进一步研究。此种装置结构简单，但有可能对发动机工作性能产生影响。利用斯特林循环原理发电。工质从高温热源(汽车废气)吸收热量，膨胀做功，向低温热源放热并收缩，再次从热源吸收热量，循环上述过程。在每次循环过程中，工质吸收的热能转化为机械能，而工质做功过程中通过活塞的往复运动带动直线发电机进一步将机械能转化为电能。
3、余热采暖
余热式暖气装置利用汽车发动机工作剩余热量供暖，利用发动机冷却水的热量，称为水暖式，利用发动机排气系统的热量，称为气暖式。①水暖式暖风装置广泛应用于汽车采暖系统中，但其发热量较小，主要用于非严寒地区取暖容量较小的货车和轿车。在环境温度较低时，会使发动机处于过冷状态，增加了发动机不必要的机械磨损，降低了发动机的功率。②气暖式暖风装置的发热量大，采暖效果较好，受环境温度影响小，对发动机工作影响小，但要注意不要增加排气背压，否则将影响到发动机的工作性能。
4、改良燃料
利用发动机排气余热加热燃料，使其在催化剂作用下能分解出氢、一氧化碳等可燃气体，可提高燃料的燃烧热值，减轻排放污染和积炭。比如甲醇，改性后的含量可增大20%，可有效减轻污染和积炭。这种方法的缺陷在于只利用了发动机余热的一部分，其目的重在改良燃料而非充分利用废气能量。以上所述汽车余热利用热源来自发动机和尾气排放两个方面，但形式上都是现采现用，容易出现热能供给与需求失配的矛盾，因此人们考虑如何将汽车剩余热量暂时贮存起来，供需时使用，从而引出蓄能问题。对发动机余热利用而言，从热源来看，余热量与发动机运转工况有关，是一种具有分散性和间歇性特点的能源，而且气候因素、汽车启停间隔等因素对汽车余热量影响也很明显。要解决供需矛盾，把这种不稳定能源为人们所用，就要把发动机运转时冷却液携带的热能暂时贮存起来，以供再次启动时加热室内空间或仪表盘，寒冷冬天车窗玻璃的除雾除霜、控制室内湿度；从节能和经济角度来看，热存贮在汽车余热利用系统中所起的作用比一般的热利用系统都大得多。所以，汽车余热蓄热再利用关键在于解决能量存贮问题，蓄能问题也是汽车余热应用研究中的薄弱环节。
三、余热利用各技术可行性分析
1、余热制冷技术分析
吸附式制冷系统使用的工质有沸石-水、活性炭-甲醇，活性炭-氨等，对环境无污染、可直接利用一次能源以及无运动部件等优点，越来越受到人们的重视。吸附式系统运动部件少，可靠性高；其COP与吸收式系统相近。由于使用固体吸附材料，因此可用于振动场合。氨工质的制冷量大，在常规温度范围内，蒸发和冷凝压力都是正压，而且在较高温度的条件下不会发生化学反应，特别是对臭氧层保护和减少温室效应又意义很大，因此在制冰及空调应用中日益受到重视。目前国内外对其在吸附式制冷循环中的性能研究较少，Warwick大学的R。E。Critoph的研究组美国JPL/NASA的JackA。Jones对活性炭-氨的吸附性能进行了初步的研究和分析。
吸附式制冷热力学原理图
图中过程a-b-c-d-a为基本循环中吸附器的基本热力过程，左侧a-b-m-n-a为制冷剂热力过程。吸附器分别在a-b-c过程被加热解吸和在c-d-a过程降温吸附，中间需要切换加热和冷却，是一个间歇过程，适合于太阳能等不连续热源场合。它的循环周期长，性能系统较低。在此基础上人们设计了双吸附器的连续循环，可以进行连续制冷，但性能与基本循环没有区别，只相当于两个并联工作的基本循环。
如图所示，如果有两个吸附器反相工作，两个吸附器准备切换时，一个处于高温高压状态c，另一个处于低温低压状态a，回热就是利用此时两吸附器的温差来对低温吸附器进行初步加热并对高温吸附器初步冷却，在理想状态下可以回热到两吸附器温度相等的状态，即e和e’。由图中可以发现外部输入的加热过程的热量可以节约非常多，因此可以使COP得到较大的改善。COP可以提高30%以上。
当两个吸附器反相工作，两个吸附器准备切换时，一个处于高温高压状态c，另一个处于低温低压状态a，回质就是利用此时两吸附器的压力差来对低压吸附器进行升压，并使高压吸附器降压，从而缩短a-b和c-d过程所需要的时间，并增加工质的流量，可以使制冷量和COP
得到较大的改善。COP可以提高达到50%以上。
我们知道，发动机工作时，用于动力输出的功一般只占燃油燃烧总热量的30%~40%，以废热形式排除车外的能量占燃烧总能量的58%~70%，主要包括循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量；排气余热的特点是温度高，排气阀门处的温度大约为400~500℃；尾气带走的热量占燃烧总热量的25%~45%。对于发动机输出功率为170kW(228马力)的大型客车来说，其能量分布为:全部燃烧热600kW；轴功输出170kW；辐射、冷却换热230kW；废气余热200kW。
在余热回收中可以考虑两种方式。一种是使用散热器冷却水中回收的热量，另一种是使用发动机排气回收的热量。如果使用从发动机冷却水中回收的热量，则因为水与吸附器的换热情况要好于气体与吸附器的换热情况，所以回收热量过程中的传热情况相对较好，有利于热量回收。但是热源温度相对较低(低于100℃)，而且一般在冷却时用于冷却吸附器和冷凝器的空气温度较高，这样循环的温差比较小；小的温差对吸附式系统来说会使循环的吸附解吸量较低，对工作是不利的。如果使用从发动机排气中回收的热量，则气体的传热情况较差造成回收热量困难；但从另外的角度来看，发动机排气的温度较高(汽油机500-600℃远高于冷却水
的温度)，有可能改善热回收情况；而且此温度与冷却空气的温度相差较大，可以使系统循环温差较大，从而造成较大的吸附解吸量。
2、余热发电技术分析
由于汽车的结构紧凑、发动机排气量小，车用发动机余热的利用相对于大型工业设备余热回收来说难度更大。20世纪70年代以来，一些工业发达国家的学者提出了采用温差发电器(ThermoelectricGenerator，TEG)来解决上述问题。TEG依据热电直接转换原理，具有结构简单、无运动部件、无噪声等特点，在低品位热能利用方面具有独特的效果；把它安装在内燃机的排气管上，能够将内燃机运行余热直接转换为电能。温差发电的研究包括了热电器件和发电器两个方面，是热电学的一个重要领域
热电转换器件是温差发电器的基本元件，它的功能是将热能直接转换为电能，效率取决于热电极材料的性能和器件的设计制造水平。自从20世纪50年代前苏联科学院的Ioffe院士提出了半导体热电理论以来，用于温差发电的热电材料都是半导体材料，如用于低温(300℃以下)热电材料Bi2Te3及其固溶体合金、中温(300℃~600℃)热电材料PbTe-SnTe、高温(600℃~1000℃)热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS等。衡量热电材料优劣的指标为“优值”
Z=α2σ/λ(式中α为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率，Z的量纲为K-1)。研究中也常使用ZT值(称为无量纲优值，T为绝对温度)。能够用于温差发电的材料既要有较高的α、σ值又要有较低的λ值，这是一个十分苛刻且矛盾的条件，以至于室温下热电材料ZT的最高值约为1的状况至今未能突破。因而，寻高优值的热电材料，一直是热电学研究的重要内容，这些研究主要包括:(1)热电新材料的研究，如稀土硫化物、硒化物、富硼固体、方钴矿型化合物的研究。这些研究表明，通过控制最佳载流子浓度或通过固溶掺杂来解决良电导和热绝缘的矛盾是有效的。(2)热电材料新结构的研究，包括梯度材料、复合材料和量子阱结构的热电材料等。热电材料的梯度结构包括材料载流子浓度的梯度化和层叠热电材料结合面的梯度化。合理的梯度化结构可以使材料适应内部温度梯度的变化，使得最佳的材料能运用在最合理的温度区域，提高总的转换效率。(3)热电材料制备新工艺的研究，常用的方法有熔体生长法和粉末冶金法，以及微型半导体热电器件采用的气相生长法。制备方法与工艺的完善与否，对材料的性能影响很大。粉末冶金法适用于大规模生产，而且原材料浪费少，获得的材料机械性能好，是一种有前途的适合实用普及的工艺方法。