為提高汽車整車效率，降低能源消耗和二氧化碳排放是必不可少的。電動(dòng)車和燃料電池車在短時(shí)間內(nèi)完全替代目前的傳統(tǒng)動(dòng)力汽車較為困難，因此，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，是降低能源消耗及二氧化碳排放的有效措施。在整車效率提升過(guò)程中，對(duì)能量進(jìn)行回收的熱管理技術(shù)非常重要。本文介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡特性，并對(duì)熱管理技術(shù)提升整車效率的前景進(jìn)行了展望。

時(shí)至今日，日本本土的能源自給率只有百分之幾，近半的一次能源依賴于國(guó)外進(jìn)口。日本國(guó)內(nèi)消耗的一次能源中，近四分之一用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域。交通運(yùn)輸中大約有90％的二氧化碳來(lái)源于汽車。目前急需提高汽車的效率，以減少能源消耗并降低二氧化碳排放。預(yù)計(jì)未來(lái)20年內(nèi)全球汽車保有量會(huì)達(dá)到9億，因此提高整車效率是一個(gè)重要問(wèn)題。

目前純電動(dòng)車和燃料電池車預(yù)計(jì)將在未來(lái)作為高效低碳的新一代車輛得以應(yīng)用，但由于續(xù)航里程和成本等問(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)很難進(jìn)行大范圍推廣。因此，進(jìn)一步提高整車效率并進(jìn)行合理的交通管理被認(rèn)為是目前最實(shí)際和最有效的措施。

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，進(jìn)行了各種研究和開(kāi)發(fā)，例如改善燃燒過(guò)程和降低摩擦，但是除了提高發(fā)動(dòng)機(jī)自身的效率之外，通常對(duì)廢熱的回收利用以及減速時(shí)的再生制動(dòng)均可有效提高車輛效率。在車輛制動(dòng)時(shí)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，該部分能量可通過(guò)電動(dòng)再生系統(tǒng)得以回收利用。排氣管排出的高溫廢氣也可通過(guò)各種方式進(jìn)行回收利用。此外，車廂內(nèi)的空調(diào)和冷卻水的溫度也會(huì)影響到整車效率，通常維持排氣后處理催化劑的活性也需要排氣熱量。因此，綜合整車熱管理與動(dòng)力性要求，力求從各個(gè)領(lǐng)域提高車輛效率。本文解釋了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率同車輛動(dòng)力和廢熱之間的關(guān)系，并且針對(duì)提高車輛效率的熱管理技術(shù)展開(kāi)研究。

1發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡和廢熱的特性

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和熱平衡的基礎(chǔ)

在發(fā)動(dòng)機(jī)中，指示熱效率是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)指示功與所消耗的燃料熱量的比值。ηi=Wi/Qfuel

該指示熱效率可以分解為如下的熱效率因子。

這里考慮的熱效率因子是燃燒效率ηu，冷卻損失率φw，奧托循環(huán)的理論熱效率ηth和放熱當(dāng)量ηgth。燃燒效率ηu是實(shí)際燃燒產(chǎn)生的發(fā)熱量QB與供給燃料發(fā)熱量Qfuel的比值。

冷卻損失率φw在此可定義為將熱量傳遞至燃燒室壁面的熱損失量QC與實(shí)際發(fā)熱量QB的比率。

奧托循環(huán)的理論熱效率ηth由發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比ε和工作流體的比熱γ表示。

理論功Wth是將供給循環(huán)的熱量Q乘以?shī)W托循環(huán)的理論熱效率ηth而獲得的。

另外，該熱量Q可以用實(shí)際發(fā)熱量QB與冷卻損失熱量QC之差來(lái)表示。

然而，奧托循環(huán)是一個(gè)理論循環(huán)，設(shè)定在上止點(diǎn)處進(jìn)行瞬時(shí)等容燃燒，并且吸熱過(guò)程與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)存在一定差異。考慮到這一點(diǎn)，將放熱當(dāng)量ηgth通過(guò)下式進(jìn)行定義。

實(shí)際循環(huán)指示功Wi即氣體在活塞上所做的功，可以表示為放熱當(dāng)量ηgth與理論功Wth的乘積。

1.2發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況與廢熱之間的關(guān)系

一個(gè)循環(huán)中從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的的熱量Qex，可以表示為循環(huán)供給的熱量Q與作用于活塞的機(jī)械功Wi之間的差值。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系

圖2 相對(duì)于點(diǎn)火正時(shí)排熱量比及排氣溫度

圖1及圖2是表示點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣熱量Qex，冷卻損失熱量QC，指示功Wi，排熱量比φex及排氣溫度Tex相對(duì)于點(diǎn)火正時(shí)θig的結(jié)果的一個(gè)例子，具有較高溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣是具有一定品位的能源。

1.3車輛行駛時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的主動(dòng)控制

圖3 10.15模式下行駛車輛的

排氣熱量的例子

圖4 通過(guò)點(diǎn)火正時(shí)延遲

來(lái)確保排氣熱量的實(shí)例

圖5 通過(guò)點(diǎn)火正時(shí)延遲確保排氣熱量與

整個(gè)工況下的燃料消耗量之間的關(guān)系

（通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速確保排氣熱量）

除點(diǎn)火正時(shí)以外，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的熱量和溫度會(huì)根據(jù)負(fù)荷而發(fā)生變化。圖3是在10.15模式下行駛車輛的排氣熱量實(shí)例，但是在怠速或減速工況下排氣熱量的減少是較為顯著的。即使在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷的狀態(tài)下也要確保可進(jìn)行主動(dòng)控制。圖4顯示了怠速和減速期間對(duì)10 kW排氣熱量的燃燒控制結(jié)果。在排氣熱量不足的情況下，將點(diǎn)火正時(shí)延后并且增大節(jié)氣門開(kāi)度以獲得預(yù)定輸出功率。最終可確保排氣熱量達(dá)到最低要求，同時(shí)排氣溫度也隨之升高。圖5是在整個(gè)模式下的總?cè)剂舷牧亢涂偱艢鉄崃俊榱吮容^，還指示了在最佳點(diǎn)火正時(shí)MBT不變的情況下通過(guò)增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以確保足夠的排氣熱量。結(jié)合點(diǎn)火正時(shí)的延遲和節(jié)氣門開(kāi)度增加的方法能夠?qū)⒃撨\(yùn)轉(zhuǎn)模式下的燃料消耗抑制到比提高轉(zhuǎn)速方法更低的水平。另外很難預(yù)期，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加會(huì)導(dǎo)致排氣溫度的升高，同時(shí)延后點(diǎn)火正時(shí)對(duì)提高排氣溫度也是有利的。

圖6 通過(guò)延后點(diǎn)火正時(shí)來(lái)確保

排氣熱量的熱效率因子

圖6是此時(shí)的熱效率因子的特性。當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)延遲θig以增加排氣熱量Qex時(shí)，放熱等效容量ηgth減小，但燃燒氣體與燃燒室的壁面接觸的時(shí)間減少，冷卻損失率φw降低，表面吸熱率ηu（1-φw）則有所增加。此時(shí)，由于節(jié)氣門開(kāi)度的增加而使泵氣損失率φp降低，并且放熱當(dāng)量的降低一定程度上抵消了冷卻損失和泵氣損失，如圖4所示，可將熱效率惡化程度降至最低。

2汽車的熱管理技術(shù)

2.1廢熱利用

通過(guò)加熱集成式排氣歧管的集熱器來(lái)提升冷卻水的溫度從而縮短暖機(jī)時(shí)間，能抑制暖機(jī)時(shí)的排氣成分，并可有效改善暖機(jī)時(shí)的燃料消耗量。另外，對(duì)于混合動(dòng)力汽車而言，可將行駛過(guò)程中被加熱的冷卻水儲(chǔ)存在隔熱箱中。對(duì)于使用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的系統(tǒng)而言，由于沒(méi)有能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、技術(shù)要求和成本較低、障礙相對(duì)較少，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)大范圍普及。其技術(shù)要點(diǎn)在于熱交換和隔熱技術(shù)。另外，為了確保排氣后處理催化劑的反應(yīng)溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)的合理排熱也是必不可少的，因此在向催化器的上游設(shè)置集熱器時(shí)需考慮到該點(diǎn)。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后需要即刻提高催化劑的溫度，但如2.3部分所述，采用熱容量較小的排氣歧管和提高排氣溫度的方法也是十分有效的。

2.2廢熱回收

從復(fù)合增壓開(kāi)始，一直在研究利用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱來(lái)進(jìn)行動(dòng)力回收。例如，從排氣和冷卻水收集熱量以實(shí)現(xiàn)朗肯循環(huán)并將獲得的功率傳遞到曲軸以提高燃料經(jīng)濟(jì)性；也可通過(guò)利用廢熱獲得蒸汽并直接連接到膨脹機(jī)上，采用郎肯循環(huán)以回收動(dòng)力。通過(guò)將氧化催化劑附著于排氣熱交換器的翅片上，以熱的形式回收排氣中未燃燒成分所具有的化學(xué)能，也是一類有效的方式。同時(shí)，斯特林循環(huán)的廢熱回收方式也在研究中。然而，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要一定的空間進(jìn)行布置，因此難以在低成本車輛和小型車輛中采用，但對(duì)于大型車輛而言并無(wú)此類約束。

2.3利用廢熱的車內(nèi)空調(diào)

通常，為了冷卻駕駛室，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率部分用于驅(qū)動(dòng)制冷循環(huán)的壓縮機(jī)，但是這部分功率會(huì)導(dǎo)致車輛效率惡化。為了減少此類損失，研究了在空氣循環(huán)中通過(guò)排氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)并冷卻駕駛室的技術(shù)，以提高車輛效率。而且，利用冷卻水熱量進(jìn)行駕駛室加熱的方式早已得到廣泛應(yīng)用。另外，對(duì)于純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車而言，減少空調(diào)能量的消耗也是必不可少的，以此可提高車輛效率。除了熱泵技術(shù)的應(yīng)用之外，還可在風(fēng)冷式內(nèi)燃機(jī)汽車中采用燃燒式加熱器。對(duì)于汽車而言，可通過(guò)抑制玻璃窗的熱量輸入/輸出，來(lái)減少空調(diào)負(fù)荷從而提高車輛效率。

2.4以電力形式廢熱回收

目前已經(jīng)對(duì)利用塞貝克效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行了廣泛研究，該系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱轉(zhuǎn)換成電能。熱電轉(zhuǎn)換在高排氣溫度下的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)中持續(xù)有效。此外，當(dāng)將熱電轉(zhuǎn)換元件與排氣催化劑相結(jié)合時(shí)，也可使用冷起動(dòng)時(shí)加熱催化劑的元件。也有報(bào)道稱，該模式可以將燃油經(jīng)濟(jì)性提高約3％。隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)展，有望進(jìn)一步提高設(shè)備效率，熱利用率的提高對(duì)于有效利用汽車排氣熱量可謂是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2.5通過(guò)燃料質(zhì)量改善的化學(xué)廢熱回收

通過(guò)熱分解，改善蒸汽質(zhì)量，以及部分氧化等反應(yīng)可以改善碳?xì)浠衔锖秃瑲涞拇碱悮怏w，但大多數(shù)反應(yīng)是吸熱過(guò)程，可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱為反應(yīng)提供熱量。與汽油和天然氣相比，甲醇改質(zhì)所需的溫度特別低，燃用甲醇的點(diǎn)燃式汽油機(jī)已有相關(guān)研究得以開(kāi)展。通過(guò)改善燃料質(zhì)量產(chǎn)生的氫，具有抑制低溫氧化和提高火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊忍攸c(diǎn)，可有效提升抗爆性。因此可通過(guò)提高壓縮比和優(yōu)化點(diǎn)火正時(shí)來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，但同時(shí)也有增加冷卻損失的傾向。而且，與甲醇一樣，采用氨改質(zhì)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)也具備一定的應(yīng)用前景。確保改質(zhì)過(guò)程的溫度是關(guān)鍵，在使用改質(zhì)溫度較高的燃料時(shí)，回收廢熱的效果也是較為有限的。

3改質(zhì)燃料廢熱與新燃燒相結(jié)合的方式

作為同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高熱效率和清潔排放的燃燒方法，自2000年以來(lái)，預(yù)混合壓縮點(diǎn)火（HCCI）燃燒在日本和國(guó)外引起了關(guān)注。與普通汽油機(jī)一樣，HCCI燃燒是一種吸入預(yù)混燃料和空氣，并像柴油機(jī)一樣執(zhí)行壓縮自燃的系統(tǒng)。由于是預(yù)混燃燒，不會(huì)產(chǎn)生黑煙，實(shí)現(xiàn)了高熱效率和低氮氧化物排放。然而，盡管HCCI燃燒比柴油機(jī)傳統(tǒng)燃燒方式更為清潔，并且比汽油機(jī)熱效率更高，但是通過(guò)該方式提高柴油機(jī)的熱效率并不容易。

圖7 用于通過(guò)廢熱改質(zhì)甲醇以控制

HCCI燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的配置示例

圖8 導(dǎo)入甲醇熱分解氣體二甲醚的

HCCI燃燒擴(kuò)展可操作的等效范圍

在當(dāng)前背景下，提出了一個(gè)結(jié)合燃料改質(zhì)如圖7所示的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，安裝在車輛中的甲醇被供應(yīng)到排氣系統(tǒng)的蒸發(fā)器和2種改質(zhì)器中，并且產(chǎn)生具有低自燃性的氫氣和具有高自燃性的二甲醚，以參與HCCI燃燒。主要由氫組成的氣體通過(guò)式（15）的熱分解反應(yīng)而進(jìn)行分解，式（16）的脫水反應(yīng)則是DME的吸熱過(guò)程。

圖8示出了發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，使用了DME及式（15）中熱分解反應(yīng)的模型氣體（2H2+CO）。在壓縮比為9.7的發(fā)動(dòng)機(jī)中，（2H2+CO）/ DME供給的摩爾比有4種0、0.67、1.0、1.5，其升壓速率dP/dθ的最大值為300 kPa / °CA，其當(dāng)量比受高輸出側(cè)的操作限制。在僅使用DME的HCCI燃燒中，隨著當(dāng)量比增加，點(diǎn)火正時(shí)變得更早，并且缸內(nèi)壓力和壓力升高率會(huì)過(guò)高，因此需將可操作當(dāng)量比限制到較低的值。另一方面，引入甲醇熱解氣體將可操作當(dāng)量比限制到極低的值。這是因?yàn)闅錃夂鸵谎趸嫉淖匀夹缘陀贒ME，氫氣具有抑制DME低溫氧化的作用。

圖9 廢熱回收式甲醇改質(zhì)

HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和SI發(fā)動(dòng)機(jī)的比較

圖9是在相同發(fā)動(dòng)機(jī)上使用HCCI燃燒和正常火花點(diǎn)火（SI）燃燒的比較結(jié)果。在SI燃燒中，只有甲醇熱解氣體用作燃料以確保抗爆燃性能，并且以最佳點(diǎn)火正時(shí)MBT進(jìn)行操作。盡管是稀薄混合氣的條件下，HCCI燃燒具有比SI燃燒更高的熱效率，并且獲得了與SI燃燒相比毫不遜色的平均指示壓力IMEP。另外，圖中的ηr，這是在理想條件下燃燒熱值的增加速率，并且根據(jù)改變?nèi)剂腺|(zhì)量前后燃料熱值較低的比率計(jì)算出的。通過(guò)將該發(fā)熱量增加率ηr乘以發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率ηi而獲得的值就是基于甲醇的總效率ηrηi。根據(jù)公式16，在DME生產(chǎn)中為4％，根據(jù)公式15的熱分解氣體生產(chǎn)中為20.1％。通過(guò)用發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱覆蓋該反應(yīng)熱，總體效率預(yù)計(jì)可接近50％，與燃料電池系統(tǒng)相當(dāng)。

圖10 廢熱回收式甲醇改質(zhì)

HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的熱平衡

圖10是本系統(tǒng)的總熱平衡計(jì)算，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率為43％，廢熱比為32％的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中采用的甲醇、DME、氫氣和CO遵循2：2：1的條件下，燃料的發(fā)熱量增加13％，并且預(yù)計(jì)可將總效率提高至49％。改變?nèi)剂腺|(zhì)量所需的熱量約為廢熱的20％，并且通過(guò)使用20％的剩余熱量，可以蒸發(fā)所需的甲醇量。盡管該計(jì)算沒(méi)有考慮排氣系統(tǒng)或燃料改質(zhì)器中的熱損失，但從熱量的角度來(lái)看，其顯示出充分的可行性。類似地，也可通過(guò)構(gòu)建DME或乙醇作為主要燃料的系統(tǒng)。但就溫度和廢熱回收效果而言，使用甲醇的系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。

4總結(jié)

各種熱管理技術(shù)對(duì)車輛效率的提高有著重要的影響。在通過(guò)改變?nèi)剂腺|(zhì)量而開(kāi)展的能量回收中，使用反應(yīng)溫度較低的甲醇更有優(yōu)勢(shì)，并且與HCCI的燃燒組合可產(chǎn)生較好的協(xié)同效應(yīng)。另一方面，氫能會(huì)向化學(xué)性質(zhì)更為活潑的方向發(fā)展，甲醇作為汽車氫能的載體具有顯著的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)大規(guī)模使用甲醇的時(shí)代到來(lái)，余熱回收技術(shù)將會(huì)具備更廣闊的前景。