◆文/天津 霍永占

中国提出的“双碳”目标正在深刻影响着内燃机行业的发展与变革。车用内燃机作为我国碳排放“大户”以及交通运输的主要动力，是推动产业落实“双碳”目标的有力抓手。重型商用车目前面临即将实施的四阶段油耗标准，目前正在开展商用车双积分政策的相关研究，未来提高车辆燃油经济性仍是降低汽车碳排放的重要方式，着力提升重型商用车的能效是当务之急。

从内燃机的热平衡考虑，用于动力输出的机械功率一般只占燃油燃烧总热量的30%～45%(柴油机)或20%～30%(汽油机)。以余热形式释放到环境的热量占燃烧总能量的55%～70%(柴油机)或80%～70%(汽油机)，主要包括缸套冷却水带走的热量和排气带走的热量。开展内燃机余热能回收利用可以提升内燃机的热效率，对内燃机功率比油耗的降低作用显著。

国内外相关学者和企业近年来在内燃机余热能回收利用方面做了大量卓有成效的工作。内燃机余热能回收利用主要有以下几条技术路线：一是利用热电模块热电材料的塞贝克效应直接实现热电转换，但是其热电转换效率较低；二是采用布雷顿循环的复合涡轮利用排气动能发电或输出机械功，但易使得发动机排气背压增大影响燃烧性能；三是采用有机朗肯循环(图1)，基于朗肯循环采用有机工质实现热功转换。有机朗肯循环技术被证明是一种高效率回收余热的方式，被认为是应用于重型商用车以期提升燃油经济性和碳排放的重要技术路线。

由于需要加置余热回收系统，考虑到系统重量、布置，系统复杂性等因素，各大企业基本不太看好其在轻型车上的应用。即使是在重型商用车上布置另外一套加置的余热回收系统，可利用的空间也十分有限，也面临着系统集成及与原有热管理系统、排放控制系统的协同设计方面的挑战。

美国康明斯公司开展了余热回收系统在重型商用车上的集成设计与应用，协同考虑了余热回收系统各部件与原有内燃机系统的集成设计，尽可能地减少系统的空间并考虑其重量的削减，如图2所示。康明斯的余热回收系统，基于低全球变暖潜能值GWP和低臭氧破坏潜能值ODP的环保工作介质。从后处理下游的排气系统和EGR冷却器回收热量，并联回路回收发动机冷却液和润滑油的热量，转换为机械功，与发动机曲轴以机械耦合形式输出功率。余热回收系统还包含一个回热器，用于回收冷凝器前的工质的热量，这样可以降低冷凝器的热负荷和提升系统的热效率。此余热回收系统最大可以提升3.6%的发动机制动热效率。

美国博格华纳公司使用重型柴油机开展了基于有机朗肯循环余热回收系统的开发工作，系统同时回收废气和EGR热量，采用有机工质。系统的架构图如图3所示，充分考虑了涡轮机、发电机、工质泵的一体化集成设计，总重量小于10kg，涡轮机最大功率为13kW，最大等熵效率为65%。换热器采用模块化设计，依托博格华纳先进的EGR冷却器设计能力，充分考虑布置空间，实现与内燃机的协同集成设计，结构紧凑，排气换热器效率高于60%，EGR换热器效率高于80%。

“双碳”背景下，动力、能源多元化是大势所趋，重型商用车面临日益严苛的油耗和排放法规，将来还面临着碳排放和商用车双积分政策的挑战。笔者认为，在技术路线选择上要保持技术中立，既要在新能源电动化、混合动力方向发力，也要在内燃机本身热效率提升上下功夫，内燃机余热回收技术尤其是基于有机朗肯循环的系统已经表现出较为优异的性能，高效匹配热力学性能、集成优化重型商用车空间布置、协同排气后处理的设计，应该会成为提升重型商用车能效的关键技术路径。