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混合動力發(fā)動機余熱回收系統(tǒng)
2020-03-19 18:57:35· 來源：內燃機學報
混合動力發(fā)動機余熱回收系統(tǒng)01、引言2010年，由美國能源部牽頭，聯合康明斯、戴姆勒、納威司達和沃爾沃四家重型柴油機及整車生產商，集資2.8億美元，啟動了超級
混合動力發(fā)動機余熱回收系統(tǒng)
01、引言
2010年，由美國能源部牽頭，聯合康明斯、戴姆勒、納威司達和沃爾沃四家重型柴油機及整車生產商，集資2.8億美元，啟動了超級卡車“Super-truck”計劃，其目標是將內燃機的BTE從2009年平均42%的水平提高到50%，其中發(fā)動機余熱能回收利用是5大關鍵技術之一。其中，康明斯采用朗肯循環(huán)技術將發(fā)動機的BTE提高了3.6%百分點。雖然四家公司對余熱能的利用程度略有差異，但達成共識：如果要將內燃機的BTE從50%進一步提高到55%，內燃機余熱能的回收利用必然是一項核心技術。利用內燃機排氣余熱的傳統(tǒng)技術包括渦輪增壓，空氣加熱等，新型排氣余熱回收技術包括熱電轉換、復合渦輪以及朗肯循環(huán)技術。本次推送將介紹現代公司的一項余熱回收技術，該技術利用發(fā)動機的廢氣余熱，同時加熱發(fā)動機的冷卻水以及齒輪箱油，從而實現發(fā)動機快速熱機，降低發(fā)動機油耗，提升發(fā)動機熱效率。
02、余熱回收系統(tǒng)比較
圖1為不同余熱回收技術效率與系統(tǒng)復雜程度比較。對于余熱回收系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的效率與系統(tǒng)的復雜程度是最為關鍵的因素。采用何種余熱回收系統(tǒng)應該充分考慮車輛推進系統(tǒng)的配置、余熱量以及余熱品質。從圖中可以看出效率最高的余熱回收為朗肯循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，系統(tǒng)最為簡單的是渦輪增壓系統(tǒng)，本文采用的是系統(tǒng)較為簡單與此同時效率較高的集成式加熱系統(tǒng)，從圖中可以看出系統(tǒng)的復雜程度要高于單獨加熱冷卻液系統(tǒng)，但是效率要高于單獨加熱冷卻液系統(tǒng)。
圖1 不同余熱回收技術比較
03、混合動力發(fā)動機余熱回收系統(tǒng)
圖2為新設計的廢氣余熱回收系統(tǒng)，大部分企業(yè)采用的技術路線都沒有用廢氣來加熱變速箱油，單采用廢氣來加熱冷卻水，從而實現快速熱機，而本系統(tǒng)將兩套冷卻系統(tǒng)集成在一起。發(fā)動機在啟動以及冷機狀態(tài)下，由于變速箱油的粘度較大，從而使得傳動系統(tǒng)的摩擦損失較大，如果能提高變速箱油的溫度，將有助于傳動系統(tǒng)降低摩擦損失，從而提升熱效率。當發(fā)動機的冷卻水溫度超過82℃時，旁通閥將打開，但是廢氣與冷卻水以及變速箱油直接的熱傳遞仍然進行，直到發(fā)動機充分熱機。
圖2 廢氣余熱回收系統(tǒng)圖
圖3為傳統(tǒng)冷卻循環(huán)以及新設計的冷卻循環(huán)對比，車輛在大部分實際運行工況下，需要充分的冷卻才能使發(fā)動機正常工作。但是發(fā)動機在冷機啟動環(huán)境下，大量的熱會通過冷卻水循環(huán)傳遞到機體以及變速箱油上，變速箱充分熱機的時間要比發(fā)動機熱機長15-20分鐘，有部分廠商采用電加熱裝置來加熱變速箱油從而使傳動系統(tǒng)熱機。系統(tǒng)中加入了電動水泵，提高流體流速以及傳熱效率，實現快速熱機。
圖3 傳統(tǒng)冷卻循環(huán)以及新設計的冷卻循環(huán)
圖4為系統(tǒng)工作原理，第一個階段為旁通閥關閉階段，該階段位于換熱器下游的旁通閥關閉，排氣都流入廢氣熱回收系統(tǒng)的熱交換部分，冷卻液和變速箱油會被廢氣加熱。通常情況下，冷卻水先被加熱，然后冷卻水和廢氣同時來加熱變速箱油。第二個階段旁通閥開啟的角度是由發(fā)動機熱狀態(tài)來調整，變速箱油的溫度要低于冷卻水溫度，廢氣維持冷卻水溫度的同時繼續(xù)加熱變速箱油。第三個階段時，廢氣將不流過換熱器，全部通過廢氣通道流出，與此同時該階段，在發(fā)動機轉速和扭矩都較高的情況下，也可以通過冷卻水來冷卻變速箱油。
圖4 系統(tǒng)工作原理
04、結果分析
圖5為不同模式下UDDS循環(huán)冷卻水以及變速箱油溫曲線，其中圖（a）為冷卻水溫度曲線而圖（b）為變速箱油溫曲線。圖6為不同模式下UDDS循環(huán)不同模式下熱機時間、發(fā)動機效率、傳動效率以及油耗提升對比，其中圖（a）為熱機時間對比，而圖（b）為發(fā)動機效率、傳動效率以及油耗提升對比。和沒有余熱回收發(fā)動機相比，裝備了該系統(tǒng)的發(fā)動機冷卻水溫度達到85℃的時間縮短了37秒，但是由于變速箱油帶走部分熱量使得發(fā)動機的熱機時間延長了28秒。雖然發(fā)動機的熱機時間有所延長，但是發(fā)動機的效率提升了0.2%，傳動效率提升了2.8%，燃油經濟性提升了2.5%。
圖5 不同模式下流體溫度
圖6 不同模式下熱機時間、發(fā)動機效率、傳動效率以及油耗提升對比
圖7為不同余熱回收系統(tǒng)燃油經濟性提升1%時所需要增加的質量，整車對于余熱回收的裝置大小和重量有著較高的要求，如果能實現效率提升的同時來降低余熱回收裝置的質量將有助于余熱回收系統(tǒng)的應用于推廣。本系統(tǒng)的功質比大幅提升，遠低于熱電系統(tǒng)。
圖7 重量和經濟性提升對比
05、總結
對于整車而言，燃油經濟性的提升不僅要考慮發(fā)動機，而且要考慮傳動系統(tǒng)的效率，本研究利用廢氣余熱加熱變速箱油和冷卻水溫度，能夠有效提升混合動力汽車的燃油經濟性。
文獻來源
[1]Lee J, Ohn H, Choi J Y, et al. Development of effective exhaust gas heat recovery system for a hybrid electric vehicle[R]. SAE Technical Paper, 2011.
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