【日】 T.SAKUMA M.YOSHIHARA T.KAWAGUCHI T.HAMADA H.MIZUNO D.KIMURA

0 前言

在混合动力汽车中，由于在电动机的辅助下发动机的使用频率下降，在冷起动或使用车内加热器时，车辆的可用热能不足，在冬季尤为如此。废热回收(EHR)系统可以重新利用废气中的热能，对发动机冷却液进行加热，从而改善燃油经济性和车内舒适性[1-5]。如图1所示，多数传统EHR系统由采用叠层冷却板结构的换热器、旁通管，并考虑到带有热执行器的旁通阀组成，体积和质量都很大。含有热执行器的旁通结构占用了非常大的空间。这类系统的这些物理特性使其很难被大多数的汽车所采用。此外，由于EHR系统质量会以热质量的形式消耗换热器回收的热量，EHR系统的质量会对瞬态工况下的废热回收性能产生负面影响。为实现燃油经济性改善，并考虑到EHR系统被大多数汽车所采用的目标，缩减EHR系统质量，包括旁通结构的尺寸是绝对必要的。

为使EHR系统的尺寸最小化，测试人员提出了2种采用高导热碳化硅(SiC)蜂窝结构的EHR系统，并介绍了采用这些系统原型和传统旁通系统车辆的试验结果。1种系统是设计用于实现紧凑旁通结构的共轴旁通系统(图2)。在该种系统中，将SiC换热器芯体改造成环形结构，这样换热器芯体就可与安装在换热器中心的旁通管实现共轴结构。原型EHR系统的长、宽、高尺寸分别约为100 mm、80 mm和60 mm，质量为1 kg(包含电动执行器)。相较于传统旁通系统，该种系统具有更高的燃油经济性。另1种系统是设计用于实现超紧凑和超轻EHR系统的非旁通系统。该种系统(筒形)的直径为70 mm，长度为40 mm，质量为0.4 kg。由于剔除了EHR系统中的旁通结构，这种非旁通系统的设计比共轴系统更简单紧凑。但是，由于非旁通系统回收的热量设定为不能超过散热器的冷却能力，因此必须增加低冷却液温度下的回收热量并减少高发动机负荷，以提高冷却液温度下的回收热量。本研究提出了1种取代旁通阀机构的非旁通EHR系统，该系统采用双层冷却液通道结构，能够根据冷却液温度或发动机负荷自动限制回收热量。此外，还介绍了在高热负荷下针对该原型、传统旁通系统和采用SiC蜂窝结构的传统非旁通系统3种结构的车辆测试结果及废热回收评价。

图1 传统EHR系统实例

图2 采用SiC蜂窝结构的EHR系统

1 传统非旁通设计

传统非旁通系统由SiC蜂窝结构、金属壳(不锈钢管)和冷却液壳体组成。通过可实现蜂窝结构与金属壳之间低界面热阻的过盈配合实现金属壳与蜂窝结构紧密贴合。通过焊接，换热器芯体可轻易附着在冷却液壳体上。图3为传统非旁通系统废热回收效率与废气流量的关系曲线。一方面，在城市行驶过程中，当废气流量低时能获得高的废热回收效率；另一方面，当废气流量增大时，废热回收效率快速下降。该系统的废热回收效率在不需要热量的高负荷工况时会降低。此外，由于采用蜂窝结构的原因，在高废气流量时产生的压力损失也较低。该非旁通系统具有有利于EHR系统废热回收效率和压力损失的特点。图4为非旁通系统的设计要点。其中，横轴表示废气能量，纵轴表示非旁通系统回收的热量。当增大设计点的回收热量用于快速预热发动机时，最大回收热量也增大，超过冷却能力极限的风险也增大。因此，在设计传统非旁通系统的废热回收性能时，必须同时考虑发动机预热和防止连续废热回收导致车辆过热2个方面的因素。为了应对传统非旁通系统的这些设计挑战，需要在以下方面实现技术突破，即改善低热负荷或低冷却液温度下的废热回收，以及限制高热负荷或高冷却液温度下的废热回收。

图3 非旁通系统的废热回收

图4 非旁通系统的设计要点

2 先进非旁通EHR系统

为了改善废热回收性能，开发了不带旁通机构的先进非旁通EHR系统，该系统能够限制高发动机负荷或高冷却液温度下的废热回收。图5为先进非旁通系统的基本工作原理和结构。该系统具有能根据冷却液温度或废气热负荷自动限制废热回收的双层冷却液通道结构。带小间隙的子通道(中间层)附着在SiC换热器芯体的金属壳上，中间层的间隙由冷却液可渗透隔离层和隔壁组成。主冷却液通道的冷却液壳体附着在含有子通道的SiC换热器芯体上，冷却液沿子通道流动。如图5(a)所示，当冷却液温度或废气中的热能很低时，静止的冷却液流体经过冷却液可渗透隔离层填充到子通道的中间层内，废气中的热能经由中间层传递给主通道内的冷却液。另一方面，当冷却液温度或废气中的热能变高时，中间层内的冷却液气化，中间层内的蒸汽会阻塞废气中热能的流动(图5(b))。当冷却液的状态由液态变成气态时，其导热性显著下降。以水为例，气态水的导热系数不到液态水的0.05。因此，来自SiC蜂窝结构的热能流几乎全被由蒸汽填充的中间层所阻断。也就是说，根据冷却液温度和废气的热负荷，子通道可发挥导热层或散热层的作用。

图5 先进非旁通EHR系统的工作模式

3 概念验证

3.1 稳态工况下的评价装置

图6所示为稳态工况下评价废热回收效率采用的装置。在该装置中，利用电加热器将干燥空气加热至700 ℃，加热后的废气能以最高144 g/h的速率流动。此外，冷却液的流量范围为2～20 L/min，将冷却液由室温加热至95 ℃。采用高精度铂电阻温度传感器对冷却液温度进行了测量。废热回收效率为EHR系统回收的热量与废气中热量的比值。根据EHR系统进口和出口的冷却液温度差、冷却液的比热容和冷却液质量流量计算回收的热量。根据废气和冷却液的温度差、废气的比热容和废气的质量流量计算废气中的热量。

图6 废热回收性能的评价

3.2 系统评价

下文评价了传统非旁通系统和含有双层冷却液通道结构的先进非旁通系统的废热回收性能。除双层冷却液通道结构外，先进非旁通系统具有与传统非旁通系统相同的SiC蜂窝结构和主冷却液通道结构。图7为在低冷却液温度下相对废气流量的废热回收效率。测量条件为：进口废气温度400 ℃、进口冷却液温度和流量分别为40 ℃和10 L/min。对于先进非旁通系统，由于中间层添加在主冷却液通道内废气与冷却液之间的热通道上，热通道的热阻通常高于传统非旁通系统。尽管如此，当废气流量不高于40 kg/h时，先进非旁通系统的废热回收效率与传统非旁通系统接近，而中间层并未对低冷却液温度下的废热回收性能产生较大的影响。图8为回收热量与冷却液温度的关系曲线。此次测量的条件如下：进口废气温度和流量分别为700 ℃和72 kg/h，进口冷却液流量为10 L/min，同时提高冷却液温度。对于先进非旁通系统，随冷却液温度上升，尤其在温度上升至80 ℃以上，相较于传统非旁通系统，回收的热量快速减少。这意味着从SiC蜂窝结构到冷却液之间的热流受到中间层的限制。由于中间层内冷却液的状态由液态转变为气态，中间层起到了隔离层的作用。经过上述试验的验证表明，先进非旁通系统能够减少高冷却液温度下的回收热量，并且不会降低需要热量的低冷却液温度下的废热回收性能。

图7 低冷却液温度下的废热回收效率

根据上述先进非旁通系统的散热特性研究，先进非旁通系统在低冷却液温度和低热负荷下的废热回收效率得到了改善。但是，当增加SiC蜂窝结构的长度来改善废热回收效率时，蜂窝结构产生的压力损失也随之增大。因此，为使先进系统的压力损失与传统非旁通系统的相同，对SiC蜂窝结构的直径进行了增大处理。图9为根据冷却液温度和废气流量绘制的废热回收效率等高线图。此次测量的条件如下：进口废气温度和流量分别为700 ℃和72 kg/h，进口冷却液流量为10 L/min。随着冷却液温度升高或废气流量增大，废热回收效率急剧下降。结果表明，根据冷却液温度和废气中热能分别发挥导热层或散热层功能的双层冷却液通道的有效性。

图8 高冷却液温度下的废热回收效率

图9 作为冷却液温度和废气流量函数的废热回收效率等高线图

4 车辆测试

为了评价所提出系统对燃油经济性的影响，对分别安装有非旁通原型、先进非旁通原型和市场上传统旁通系统的车辆进行了测试。表1为试样的具体规格。在表1中，效率指的是稳态工况(废气流量为36 kg/h，废气流量为10 L/min，冷却液温度为40 ℃)下的废热回收效率。在所有试样中，传统旁通系统的废热回收效率最高，但是其质量和尺寸要比其他试样大很多。图10为测试车辆和车辆测试条件。测试车辆采用传统1.3 L汽油机的紧凑型乘用车。试样安装在车辆底板下催化转化器的下游。对于冷却液回路，试样安装在发动机舱加热器芯体的下游，流出的冷却液经由EHR系统加热后流回发动机。在世界统一轻型车测试循环(WLTC)工况下进行了车辆测试，该测试包含4种车速阶段：低速(阶段1)、中速(阶段2)、高速(阶段3)和超高速(阶段4)。车辆测试是在10 ℃的环境温度下进行的，在测试循环过程中将发动机舱加热器设置成最大功率。采用车载诊断(OBD)扫描工具经由控制器局域网络(CAN)总线对发动机冷却液温度进行测量。根据碳质量平衡法确定燃油耗数据。

表1 试样的具体规格

图10 车辆测试

5 对燃油经济性的影响

图11为每一种试样在WLTC每一个阶段所获得的燃油经济性总体改善情况。每一项结果都是相对于未采用EHR系统的基准车辆的燃油经济性改善，试验数据均取2次车辆试验结果的平均值。与基准车辆相比，尤其当发动机冷却液在阶段1和阶段2仍处于低温时，所有试样的燃油经济性都得到了改善。在所有的试样中，先进非旁通原型具有最高的燃油经济性，尽管其废热回收效率低于传统旁通系统。

图12为发动机冷却液在车辆试验过程中的温度特性。尽管冷却液和机油温度在车辆试验起始阶段存在一些误差，但是先进非旁通原型对冷却液温度的提升速度要比其他试样快。由于对冷却液进行提前预热会影响燃油经济性。在所有试样中，先进非旁通原型具有最高的燃油经济性。冷却液的提前预热取决于EHR系统的废热回收性能和热质量。由于先进非旁通系统未消耗EHR系统回收的热量进而未增加热质量，因此其热质量要低于传统旁通系统，从而其废热回收效率更高。

图11 车辆试验获得的燃油经济性结果

图12 冷却液的温度特性

6 散热性能

为了验证散热性能，在高热负荷下利用液化石油气(LPG)燃烧器对每一种试样的回收热量进行了测量。图13为试验条件及每一种试样的回收热量结果。试验进行的条件为：进口废气温度和流量分别为800 ℃和324 kg/h，进口冷却液温度和流量分别为95 ℃和10 L/min。在旁通模式下对传统旁通系统进行了测试。尽管未采用旁通机构，先进非旁通系统比传统旁通系统具有更好的散热性能。结果表明，先进非旁通系统在高热负荷下具有良好的散热性能。

图13 高热负荷下的回收热量

7 结论

采用高导热SiC蜂窝结构的先进非旁通系统可同时实现发动机预热阶段的高效废热回收及高发动机负荷下的高效散热。该系统未采用任何运动件的双层冷却液通道即可自动防止发动机冷却液过热。对于车辆试验的结果表明，与采用金属换热器的传统旁通系统及传统非旁通系统相比，先进的非旁通系统具有更好的燃油经济性。通过燃烧器的试验结果表明，先进非旁通系统在高热负荷下的散热性能要优于传统旁通系统。