康芹，施绍宁

（陕西理工学院机械工程学院，陕西 汉中 723003）

汽车余热利用技术研究

康芹，施绍宁

（陕西理工学院机械工程学院，陕西 汉中 723003）

汽车余热利用技术以其环保、节能等诸多优点在汽车上具有广阔的应用前景，是解决能源问题的一个有效途径。文章全面介绍了废气涡轮增压、汽车余热制冷、汽车余热温差发电、汽车余热采暖、汽车余热制氢、汽车余热储存等相关技术及其特点，有效指导并推进汽车余热利用从技术层面迈向产业化。

涡轮增压；温差发电；余热制氢

CLC NO.:U472.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-89-03

引言

汽车行驶消耗了约30%的能量，70%的能量转化成废热，且排气温度最高可达600—700℃；发动机冷却系统通过大小循环将来自发动机的部分热量排到大气中。 这两方面都造成了热能的极大浪费。通过余热能量分析，确定合适的余热利用技术，有效减少能量损失，可达到最好的节能效果。

1、废气涡轮增压

利用发动机排气能量驱动废气涡轮增压器实现进气增压。废气涡轮增压器主要由涡轮机和压缩机等组成，如图1所示。发动机排出的高温高速废气经排气管引入涡轮机，利用废气的能量推动涡轮机旋转，涡轮再带动与它同轴的压缩机叶轮旋转。压缩机将吸入的空气压缩，增压后的空气进入气缸。增压后空气压力和密度增大，可以燃烧更多的燃料，提高发动机的输出功率。

图1 废气涡轮增压器

2、汽车余热制冷

由于太阳的辐射热、车外热空气、乘员密度大、发动机的散热等使得汽车空调负荷大，用于空调消费的汽车动力较大。充分利用余热制冷，可有效提高汽车动力性能。目前，国内外对汽车余热制冷技术的研究主要包括三个方面。

图2 汽车尾气余热驱动的吸收式制冷装置

2.1 汽车尾气余热驱动的吸收式制冷技术

吸收式制冷是一种以热能为动力的制冷技术。利用汽车尾气作为热源，如图2所示，加热发生器中一定浓度的溶液并使之蒸发，于是溶液中作为制冷剂的低沸点组分大部分被蒸发出来，进入冷凝器，在冷凝器中凝结成液体，经节流阀降至蒸发压力，然后进入蒸发器中进行蒸发制冷，把车厢内的部分空气冷却后再送回车厢。在蒸发器内产生的低压制冷剂蒸汽直接进入吸收器。另外，在发生器中，发生过程剩余的吸收剂经溶液热交换器冷却后进入吸收器，与从蒸发器来的低压制冷剂蒸汽混合并吸收这些蒸汽，而恢复了原来溶液的浓度。吸收器中的浓溶液再通过溶液泵升压后送入发生器，这样完成了吸收式制冷的基本循环。

图3 汽车尾气余热驱动的金属氢化物制冷装置

图4 喷射式制冷系统工作原理图

2.2 汽车尾气余热驱动的金属氢化物制冷技术

金属氢化物制冷系统属于固体吸附式制冷系统，是一种以热能为动力的制冷系统。利用储氢合金可大量、可逆地吸氢和放氢的能力，在释放氢气时吸收热量实现制冷。两种金属氢化物即低压贮氢化合物A与高压贮氢化合物B密封在管道容器内，如图3所示，当B受汽车尾气余热加热时，释放出氢气被金属氢化物A吸收，A由于吸氢放出的热量由散热器带走。B释放完氢气后，联动阀门M和N自动关闭，同时开启阀门D，则尾气余热供热系统关闭，吸热器吸热系统开启，由于B不再被加热，温度逐渐降回到环境温度，此时A的氢压高于B的氢压，B开始吸收氢气，A则释放氢气的同时吸收外界的热量，实现制冷降温。

2.3 汽车尾气余热驱动的喷射式制冷系统

利用汽车尾气余热驱动的喷射式制冷系统的主要特点是以喷射器代替压缩机，以消耗热能作为补偿来实现制冷。如图4，由汽车尾气作为加热器的热源，来自加热器的高温高压工作蒸汽，通过喷管进行绝热膨胀，形成低压、高速气流，从而将蒸发器内的低压气体制冷剂吸入喷射器内与之混合，在扩压器内增压后进入冷凝器，被冷凝成液体。然后一部分凝结液作为制冷剂通过节流阀降压降温，在蒸发器中吸热气化变成低温低压蒸汽，另一部分则通过循环泵提高压力后送回加热器，用作工作蒸汽，完成整个喷射式制冷循环。

2、汽车余热温差发电

将发动机的尾气通过特定装置将余热转换成电能给蓄电池充电，可提供汽车行驶辅助动力，同时可提高汽车的燃料利用率，减少汽车尾气排放和空气污染，从而提升整车综合性能。

温差发电装置由两种不同类型的半导体构成回路，当半导体的一端处于高温状态，另一端置于低温状态时，两端便形成温差，从而产生直流电。将半导体材料制成的热电模块布置在汽车排气管上，位于三元催化装置之后和尾管消声器之前如图5示。当发动机工作时，排气管变热，利用尾气的高热量给发电片的一个端面加热，另一端面利用冷却液进行散热，使发电片两端面形成温度差，产生电能。将汽车尾气温差发电装置应用在混合动力电动汽车上，配合混合动力电动汽车已有的电力装置进行辅助充电，以延长混合动力电动汽车的续驶里程，增强其实用性。

图5 汽车尾气余热发电装置

3、汽车余热采暖

水暖式采暖装置以发动机冷却水为热源，结构简单，运行经济，已在轿车和货车中广泛应用。但由于冬季发动机冷却水温度低、散热量小、升温慢，该供暖装置无法满足大客车需要。

图7 气暖式暖风装置示意图

图8 废气水暖式加热系统

气暖式采暖装置以发动机排气作为热源，如图7示，利用换热器收集发动机尾气的热量给汽车车厢供暖并给前、侧挡风玻璃除霜。气暖式暖风装置由于漏气、增加发动机排气阻力、供暖能力有限等原因，现在已很少使用。

废气水暖式采暖装置，如图8示，利用发动机排气加热冷却水，被加热之后的冷却水流经加热器，放热并使其温度降低，然后流回发动机；冷空气被加热器鼓风机强制流经加热器，在加热器中被加热后由不同的出风口吹入车厢内，进行采暖和除霜。废气水暖式采暖装置不仅克服了气暖式空气温度高、干燥、舒适性差的缺点，而且结构比较简单，产热量高，不影响发动机的性能，是一种非常有发展前景的采暖装置。

4、汽车余热制氢

氢可再生、热值高、燃烧后生成物是水，是理想的代用燃料。余热制氢发动机以甲醇代替氢气随车携带，并利用发动机排气余热将甲醇裂解为氢，解决了难于将氢燃料直接在汽车上储存和安全性问题。如图9示，甲醇进入氢发生器，在废气余热和催化剂作用下裂解生成氢气并与雾化的汽油混合，作为混合燃料。氢气除代燃之外，还能帮助混合燃料中的汽油燃烧得更彻底，节省燃料并改善了发动机废气排放。

5、汽车余热储存

汽车余热的现采现用，容易出现热能供给与需求失配的矛盾，从而引出余热储存问题。相变蓄能是能量存储技术中最具有良好前景的一项技术，它利用相变蓄热材料如六水氯化钙、三水醋酸钠 、有机醇等在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中，常伴有较大能量的吸收或释放的原理，进行能量的蓄存和释放。

相变蓄能利用汽车发动机冷却系统进行余热蓄能。以发动机冷却液作为热源，如图10时示，在发动机运转时将冷却液携带的间歇性热量储存在蓄热器中，停机后保温一定时间，供汽车再次启动时暖风、暖车、除霜等应用。车用相变余热蓄热过程是一个复杂多变的动态传热传质过程，受多种因素的作用和影响。目前，进行相变传热的分析研究也是蓄能领域的一个研究热点。

图9 氢发生器制氢工艺流程示意图

图10 汽车余热储存原理图

6、小结

各种余热利用技术均可将通过冷却液和排气浪费的热量加以回收再利用，但同时也都存在着不同程度的不足或困难。废气涡轮增压系统，目前存在的最大问题是很难实现与发动机的全工况匹配；余热制冷，无论是吸收式还是吸附式，存在COP值较小(对压缩式)、 体积过大不适应汽车运行状况等致命缺陷；余热温差发电，尚未发现高效率的热电转换材料；在严寒地区利用废气余热供暖存在着明显的季节性，废气能量的利用不充分；余热制氢经济性较差；余热储存所用的相变蓄热材料以及蓄热过程效率有待于进一步提高。

综上所述，将废气能量转换为机械能进而转换为电能，对废气能量的利用率较高，且通过转换得来的电能可灵活方便地使用，更重要的是这种方法不需对原有汽车设备做较大改动，易于实现产业化，可作为废气能量利用的主要研究方向。此外合理解决氢燃料储存、运输问题，以氢气作为代用燃料必将会为人类的发展、社会的进步带来意想不到的收获！

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Automobile waste heat utilization technology research

Kang Qin, Shi Shaoning
( Shaanxi institute of mechanical engineering college, Shaanxi Hanzhong 723003 )

With its environmental protection, energy saving, and many other advantages, the utilization technology of automobile waste heat has a broad application prospect. Which is a potential way to solve the problem of energy. It is introducedrelated technologies and their characteristics of the waste gas turbine booster, waste heat cooling, thermoelectric generator, waste heat heating, waste heat for hydrogen production and waste heat storage in the paper.It can effectively guide and promote to the industrialization of the waste heat utilization from the technical level.

waste gas turbine booster; thermoelectric generator; waste heat for hydrogen production

U472.2

A

1671-7988(2016)07-89-03

康芹，讲师，就职于陕西理工学院机械工程学院。主要从事工作或研究方向：主要从事汽车电子技术及汽车余热利用方面的工作。项目基金：汉中市科技计划项目。项目号：2013hzzx-56。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.028