排气余热回收技术在汽车上的应用研究

排气余热回收技术在汽车上的应用研究

发表时间：2018-12-29T10:35:19.930Z 来源：《防护工程》2018年第29期作者：王锦艳

[导读] 汽车排气余热中约有三分之一的能量损失，对排气余热进行回收是具有较大节能潜力的技术

安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥 230601

摘要：汽车排气余热中约有三分之一的能量损失，对排气余热进行回收是具有较大节能潜力的技术。本文主要介绍了排气余热回收的EHRS技术，详细阐述了EHRS技术的技术原理、技术优势及应用难点，为其他研发人员EHRS技术产品应用提供参考。

关键词：EHRS技术应用；优势；难点

一、排气余热回收的技术路线

热力学第二定律表明：功热转化不可逆，即热不可能全部无条件地转化为功[1]。由于汽车排气的热量㶲值较低，为低级能量，可转换为功的部分有限，利用起来非常困难。目前汽车行业内对于排气余热的利用有三种技术路线：热导热、热导电、朗肯循环。

将排气的余热直接以热能的形式，用冷却液进行回收，缩短发动机的暖机时间，提升燃油经济性。回收的热量如果用于暖风回路，则可以加速乘员舱温升，提升整车的采暖舒适性，而对于增加了PTC辅助加热器的采暖系统来说，回收排气余热的能量可以降低PTC的功率甚至可以取代PTC加热，从而达到节能降耗的目的。热导热技术由于回收热能直接利用，其回收效率高，同时，利用热交换器进行热量回收，热交换器的技术成熟，应用难度大大降低。目前，国外主流车企已有量产产品，国内多家自主车企也对该技术进行预研。

热导电及朗肯循环由于成本及布置空间的局限，应用较少。因此，本文重点对EHRS技术的应用进行详细阐述。

二、EHRS技术的应用优势

1、缩短发动机暖机时间

对一款2.0NA发动机进行NEDC循环测试，对比应用EHRS技术前后的发动机水温。应用EHRS技术，发动机在试验开始后400s左右达到80℃，而未应用EHRS技术，发动机水温达到80℃的时间推迟约200s[2]。EHRS技术在增压直喷发动机的暖机上同样有良好的体现，在一款1.5L增压直喷的发动机上，应用EHRS技术，暖机时间与原车相比缩短了195s。

2、提升乘员舱采暖舒适性

如果将排气的废弃热量回收用于加热暖风，则可使乘员舱快速升温，该效果在寒冷环境表现更为明显。如雪铁龙C4毕加索应用EHRS 技术用于乘员舱采暖，该车搭载的是一款2.0的柴油机。对该车进行-18℃工况下匀速30km/h的采暖试验，对比应用EHRS技术前后的整车乘员舱的采暖温升。应用EHRS技术后，乘员舱平均温度上升到20℃所用的时间缩短了13min。在某款自主品牌SUV上，应用EHRS技术，在-25℃的低温采暖工况，驾驶员脚部温度平均提升了6℃，驾驶员主观体验效果明显。

3、提升整车燃油经济性

EHRS技术在混动车上节油效果较为明显。以一款重混车型为例，该车的发动机工作策略与发动机水温有关：当水温达到65℃时发动机停止工作，水温低于60℃时发动机启动工作。在应用EHRS技术后，对该车进行NEDC循环下的油耗测试，温度曲线见图8所示，在350s 时发动机水温第一次达到65℃，发动机停止工作，当发动机停止工作后，水温下降，下降到60℃时发动机再次启动。EHRS技术的应用，延长了发动机停止工作的时间，从而给整车在NEDC循环前800s内，带来了8%的节油效果，在整个NEDC循环则带来6%的节油效果[3]。

三、EHRS技术的应用难点

1、EHRS装置布置难点

EHRS技术在汽车上的应用通过EHRS回收装置实现。EHRS回收装置实质上是一个气液热交换器，高温排气进入装置的气道，低温冷却液进入装置水道，在装置内通过热交换将排气中的废热回收到冷却液中。通过装置的排气温度越高，回收的热量越多，越能得到更高的热回收效率。因此，该装置越接近发动机排气管路越好，但如装置紧随发动机排气歧管布置，进入催化器的排气温度大幅降低，会导致催化器起燃延迟，对整车排气产生不利影响。因此装置的布置需要平衡回收效率和催化器起燃。

另一方面，EHRS装置的布置，增加了整车排气管路的重量，某款EHRS装置充满冷却液重量在5kg左右，安装EHRS装置后，整车排气管路重心变化，局部振动过大，可能导致排气管在应力集中处断裂。因此，需要对排气管路进行模态分析，在适当位置增加柔性管以缓解振动，同时需要对排气管路的悬挂性能进行校核，必要时需要对悬挂重新进行设计，以保证排气管路NVH性能满足要求。

2、EHRS装置控制难点

在EHRS技术应用过程中由于排气温度始终高于冷却液温度，如余热回收装置的热量回收一直持续，当冷却液温度达到发动机工作的适宜温度后，装置回收的热量对于冷却系统来说反而是一个有害的热负荷。因此，在余热回收装置上有一个控制阀门，控制装置回收热量的开闭。阀门开启，装置处于热回收模式，此时高温排气气体进入装置换热芯体进行热量回收，阀门关闭，装置进入旁通模式，此时高温排气气体从旁通管路进入整车排气管路。

阀门的控制主要有两种方式：传统石蜡控制和电子控制。石蜡控制的EHRS装置由于其易集成、成本低的优势，应用广泛。但由于石蜡阀门的开启与冷却液温度有关，在旁通模式时，热回收管路阀门的不完全关闭导致部分高温排气气体仍然进入装置换热芯体，带来难以忽视的寄生热损失（parasitic loss），因此，在EHRS技术应用过程中，需要在产品研发前期开发冷却系统时考虑回收装置的寄生热损失对冷却系统的带来的热负荷影响，是否需要加强散热器的散热能力。

当发动机熄火后，经过EHRS回收装置的冷却液停止流动，装置内可能会出现局部过热沸腾现象，可能会导致装置局部承受热冲击，极大损害装置使用寿命。因此，在应用EHRS技术时，需要在排气余热回收的冷却回路增加电子水泵，在发动机停机后，电子水泵继续运行5-10分钟，将有害热量散走。

四、总结

根据以上详细说明，EHRS的排气余热回收技术在发动机暖机、乘员舱采暖的提升以及混动车型节油都有较好的表现。同时，该技术在应用中并无难以攻克的技术难点，而面对越来越严苛的排放及油耗的法规，EHRS技术的应用将会越来越得到各汽车厂商的青睐，尤其