混合动力发动机余热回收系统

文章来源：内燃机学报发布时间：2020-11-02

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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。

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%。