混合动力发动机余热回收系统
引言
2010年，由美国能源部牵头，联合康明斯、戴姆勒、纳威司达和沃尔沃四家重型柴油机及整车生产商，集资2.8亿美元，启动了超级卡车“Super-truck”计划，其目标是将内燃机的BTE从2009年平均42%的水平提高到50%，其中发动机余热能回收利用是5大关键技术之一。其中，康明斯采用朗肯循环技术将发动机的BTE提高了3.6%百分点。虽然四家公司对余热能的利用程度略有差异，但达成共识：如果要将内燃机的BTE从50%进一步提高到55%，内燃机余热能的回收利用必然是一项核心技术。利用内燃机排气余热的传统技术包括涡轮增压，空气加热等，新型排气余热回收技术包括热电转换、复合涡轮以及朗肯循环技术。本次推送将介绍现代公司的一项余热回收技术，该技术利用发动机的废气余热，同时加热发动机的冷却水以及齿轮箱油，从而实现发动机快速热机，降低发动机油耗，提升发动机热效率。
余热回收系统比较
图1为不同余热回收技术效率与系统复杂程度比较。对于余热回收系统而言，系统的效率与系统的复杂程度是最为关键的因素。采用何种余热回收系统应该充分考虑车辆推进系统的配置、余热量以及余热品质。从图中可以看出效率最高的余热回收为朗肯循环余热回收系统，系统最为简单的是涡轮增压系统，本文采用的是系统较为简单与此同时效率较高的集成式加热系统，从图中可以看出系统的复杂程度要高于单独加热冷却液系统，但是效率要高于单独加热冷却液系统。
图1?不同余热回收技术比较
混合动力发动机余热回收系统
图2为新设计的废气余热回收系统，大部分企业采用的技术路线都没有用废气来加热变速箱油，单采用废气来加热冷却水，从而实现快速热机，而本系统将两套冷却系统集成在一起。发动机在启动以及冷机状态下，由于变速箱油的粘度较大，从而使得传动系统的摩擦损失较大，如果能提高变速箱油的温度，将有助于传动系统降低摩擦损失，从而提升热效率。当发动机的冷却水温度超过82℃时，旁通阀将打开，但是废气与冷却水以及变速箱油直接的热传递仍然进行，直到发动机充分热机。
图2?废气余热回收系统图
图3为传统冷却循环以及新设计的冷却循环对比，车辆在大部分实际运行工况下，需要充分的冷却才能使发动机正常工作。但是发动机在冷机启动环境下，大量的热会通过冷却水循环传递到机体以及变速箱油上，变速箱充分热机的时间要比发动机热机长15-20分钟，有部分厂商采用电加热装置来加热变速箱油从而使传动系统热机。系统中加入了电动水泵，提高流体流速以及传热效率，实现快速热机。
图3?传统冷却循环以及新设计的冷却循环
图4为系统工作原理，第一个阶段为旁通阀关闭阶段，该阶段位于换热器下游的旁通阀关闭，排气都流入废气热回收系统的热交换部分，冷却液和变速箱油会被废气加热。通常情况下，冷却水先被加热，然后冷却水和废气同时来加热变速箱油。第二个阶段旁通阀开启的角度是由发动机热状态来调整，变速箱油的温度要低于冷却水温度，废气维持冷却水温度的同时继续加热变速箱油。第三个阶段时，废气将不流过换热器，全部通过废气通道流出，与此同时该阶段，在发动机转速和扭矩都较高的情况下，也可以通过冷却水来冷却变速箱油。
图4?系统工作原理
结果分析
图5为不同模式下UDDS循环冷却水以及变速箱油温曲线，其中图（a）为冷却水温度曲线而图（b）为变速箱油温曲线。图6为不同模式下UDDS循环不同模式下热机时间、发动机效率、传动效率以及油耗提升对比，其中图（a）为热机时间对比，而图（b）为发动机效率、传动效率以及油耗提升对比。和没有余热回收发动机相比，装备了该系统的发动机冷却水温度达到85℃的时间缩短了37秒，但是由于变速箱油带走部分热量使得发动机的热机时间延长了28秒。虽然发动机的热机时间有所延长，但是发动机的效率提升了0.2%，传动效率提升了2.8%，燃油经济性提升了2.5%。
图5?不同模式下流体温度
图6?不同模式下热机时间、发动机效率、传动效率以及油耗提升对比
图7为不同余热回收系统燃油经济性提升1%时所需要增加的质量，整车对于余热回收的装置大小和重量有着较高的要求，如果能实现效率提升的同时来降低余热回收装置的质量将有助于余热回收系统的应用于推广。本系统的功质比大幅提升，远低于热电系统。
图7?重量和经济性提升对比
总结
对于整车而言，燃油经济性的提升不仅要考虑发动机，而且要考虑传动系统的效率，本研究利用废气余热加热变速箱油和冷却水温度，能够有效提升混合动力汽车的燃油经济性。
来源：内燃机学报
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