汽车内燃机废气的能量可否回收用来做功？

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汽车内燃机的废气有较高的温度，这部分能量似乎是很可观的。能否将这部分能量回收起来，再次转化为动能，达到节能的目的？如果有厂商在做相关的实验，是否可以详细介绍一下？

今天的文章里，主要研究新能源汽车动力系统领域的工程师姚昌晟就会和大家聊聊：

“汽车内燃机废气的能量可否回收用来做功？”

余热回收利用（Waste Heat Recovery，WHR）技术就是将废气能量重新利用的技术手段。

在汽车发动机上应用的余热回收利用技术主要有两种：一是热电转化（TEG）以及结合热管（Heat pipe）的TEG；二是有机朗肯循环（ORC）。欢迎补充。

介绍WHR技术之前，先看看废气中的能量有多少。

对于汽车，尤其是商用车来说，降低油耗的需求非常迫切。

在油耗问题上一切开源、节流的手段都是每一家OEM所关注的焦点。

要知道即便对于较为高效的柴油机来说，发动机输出的有效功也仅能占到输入燃油化学能的42-46%，剩余的超过一半的能量，都是以热的形式损失掉了。

损失去向有这三处：

摩擦损失约8-10%，传热损失（发动机冷却/进气冷却）与排气损失各约25%。Cummins在关于余热利用技术的叙述中的这幅能流图就表明了能量去向。

从图中还可以看到，废气中的能量与风能/机械能相比，品位较低，但是与传热损失比较而言，反而是更容易回收的能量。

那么接下来就分别来看看TEG和ORC是怎么把废气能量回收利用的。

热电转化

热电转化的原理利用的是塞贝克效应实现温差发电，如下图，当图示的半导体上下两端有温差，就会产生电压。

该技术受到了转换效率低的限制，因此还没有广泛应用。

这样的限制体现在热端温度限制了用于热电转化的材料的选择，所以材料是TEG技术的主要制约点之一。

在研究中，选用额定温度更高的材料（如碲化铅）有助于提高TEG的转换效率。

各家汽车公司对TEG的兴趣颇大，但是受掣于高成本和低效率，目前还没有广泛使用。

下图是本田制造的TEG余热回收系统，它产生的能量用于给LED灯组发电。

该系统在两侧温差30℃的时候可以达到20W的发电功率。

结合热管的TEG

在TEG的设计中，结合热管可以实现更高的转化效率。

热管是一段密封了液体的真空管，也就是说里面仅有饱和液和饱和蒸汽。

它利用工作液的两项转换实现散热，其热传导速度极快，超过了任何一种已知金属的导热能力。如下图，当两端有温差时，工作液不断地在热端气化，又在冷端液化。而这样的过程是被动的，热管本身并不需要任何部件驱动。

将热管与TEG联合使用，使用热管有助于TEG表面的温度更加接近气体的温度。

同时当TEG热端温度过高时，也可以防止TEG过热。

如下图系统，当两端温差20℃时，发电功率达到28W。

然而，这样的转换效率仍不能让厂商满足，因此热电转化技术大多还在实验室中。

有机朗肯循环

包括Bosch等各家研发/在研的余热回收利用系统。

有机朗肯循环就是使用有机物作为工质的朗肯循环，是现有余热回收利用技术中转换效率最高、最有可能实现产业化的手段。

它使用低沸点的有机物（如氯乙烷）作为工质来吸收余热能，蒸发气化后进入膨胀机做机械功，该机械功可以驱动发电机发电，也可以通过传动装置将有用功叠加到发动机曲轴上。

有机朗肯循环系统原理

该技术最早利用的领域是废热发电，现在在商用车的节能技术中作为重要的效率提升手段而被广泛研究，目前在美国/中国都有在研的项目。

它的体积其实并不一定需要那么大，因为有机朗肯循环使用的是有机工质。

它的密度一般比水大，因此与朗肯循环发电系统相比，有机朗肯循环的膨胀机、换热器和管道的体积都要小很多。

但是车用朗肯循环仍然存在着很多技术难度，由于内燃机排气温度不断变化（一般在200-900℃之间），同时内燃机冷却液温度在96-100℃之间，因此工质的选择尤为重要。

有机朗肯循环的工质类似于制冷剂，有卤代烃、氨等单组分工质，或是多组分工质。

此外，系统参数的设计（例如膨胀机的设计）以及与内燃机的匹配同样是重要的问题。此处不作展开，来看看ORC实际应用的例子，到底它能够将发动机效率提升多少。

在美国能源部超级卡车项目中（今年开始了第二期项目，DOE Announces $80 Million in Funding to Increase SuperTruck Efficiency），Cummins/Diamler/Volvo/Navistar四家重卡公司，在55%柴油机有效热效率的项目目标前，都不约而同地选择了有机朗肯循环的余热回收利用技术。

Cummins在其开发中，通过余热利用可以将原有的效率相对提高7.4%，也就是说绝对的有效热效率可以提升3-4个百分点。Cummins的余热回收利用系统布置如下：

对于有机朗肯循环来说，有这样几个限制条件：

一是成本；

二是它对排气温度同样有所要求，通常400℃以上的排温可以保证其回收效率。

而它布置在后处理之后，考虑到后处理的温差，如果要ORC达到预想的工作效率，排气就需要450℃以上了；

三则是布置的空间，车用有机朗肯循环系统虽然可以缩到比较小，但是仍然需要一定的布置空间，对于美国的卡车来说，由于他们通常有着长鼻子，如下图，因此有较大的空间对该系统进行布置。

而国内平头的卡车居多，因此该技术的应用在空间布置方面也是一个小难题。

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