主動排氣余熱回收系統(tǒng)解決方案

隨著溫室氣體法規(guī)持續(xù)收緊，出現(xiàn)了很多改善發(fā)動機效率的方案，其中包括廢氣余熱回收。冷起動時，發(fā)動機催化器下游的廢氣通過旁通閥導入熱交換器中，將其熱量傳遞給冷卻液以加速發(fā)動機暖機。

這種方式有諸多優(yōu)點，包括減少燃油消耗，隨溫度升高可提高發(fā)動機效率。此外，這種方式在較冷氣候條件下具有更大優(yōu)勢，能夠加速擋風玻璃除霜，提高安全性和舒適性，特別是結合混合動力模式需求發(fā)動機單獨對車廂加熱時。

這類產品推向市場已經若干年，但是產品體積大、質量大、價格昂貴，這些情況為有競爭力的替代產品留出了發(fā)展機會?？蛻粝Ｍ惶珡碗s的設計就可減少外形尺寸、質量和零件數(shù)量（即成本），同時保持或改善性能，包括集成1個主動式旁通控制閥。

重點介紹了1種排氣余熱回收系統(tǒng)設計，包括與商用產品的對標，通過建模、臺架和車輛測試等各方面進行性能對比。此外，還關注了性能提高，得到1種輕量化、易于包裝、并且包含組件數(shù)量顯著降低的產品。

應用閥和執(zhí)行器均具有幾十年的主動和被動式排氣閥商業(yè)化經驗，以確保耐久性并避免異響。因每年有數(shù)百萬個排氣閥使用執(zhí)行器，各種閥門技術元件的重合也可從供應鏈中獲得商業(yè)利益，并正處于不斷改進之中。例如，進一步減少外形體積和系統(tǒng)成本，特別是在混合動力繼續(xù)加大空間和經濟性限制時。

0 前言

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隨著溫室氣體法規(guī)持續(xù)收緊，汽車生產商對各種燃油經濟性改善措施產生了濃厚興趣。由于大量熱量被釋放而不是再利用，廢氣余熱回收被認為是效率改善措施的潛在來源。然而，冷起動過程中利用余熱已經商業(yè)化，少數(shù)客戶已經推出余熱回收系統(tǒng)（EHRS）。

將帶有旁通閥的冷卻液熱交換器集成到排氣系統(tǒng)中，以加快發(fā)動機預熱，并使其更快有效運轉，在法定循環(huán)中使燃油經濟性平均提高1%~2%，在冷環(huán)境循環(huán)（FTP20）中效益達到最高。此外，這些產品不僅提高效率，而且加速除霜和車廂加熱，提高安全性和舒適性。

這對混合動力在寒冷氣候下的應用特別有利，因為需要運轉發(fā)動機為乘客供暖，這樣不僅為乘客帶來舒適感，而且由于發(fā)動機運行時間縮短，在非循環(huán)燃油經濟性方面也有顯著改善。

如圖1所示，市場上的許多EHRS產品由于體積大、質量大，但并非最優(yōu)。汽車生產商承認緊湊設計的重要性，但須堅固耐用，無泄漏或噪聲，并且能夠在廣泛的熱邊界和振動頻率范圍內運行。主動式閥門控制也很有意義，因為其對所需閥門位置進行了必要的控制，而不僅僅依賴于冷卻液溫度。

系統(tǒng)質量和壓力降必須是最小的，因需要提高效率而不是惡化效率。最后，系統(tǒng)的復雜性必須最小化，因為保持零件數(shù)量最小化極大地影響了成本。本文提供了1種具有競爭力的高質量解決方案。

圖1 不同已有的商業(yè)化對標EHRS應用

1 設計

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本研究EHRS包括1臺熱交換器、1個旁通閥和1個執(zhí)行器。熱交換器用于將廢氣熱量傳送到發(fā)動機冷卻液，旁通閥用于冷起動時將廢氣輸送到熱交換器，執(zhí)行器用于控制閥門位置。圖2給出了1套本研究提出的EHRS的不同部件，以及由沖壓上殼和下殼組成的外殼。熱交換器的大小取決于其效能及特定運行條件下所需的傳熱。

類似熱交換器，雖然比較大，仍然在廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)中應用。當旁通閥開啟時，廢氣旁通不經熱交換器管路。當旁通閥關閉時，迫使廢氣流進入熱交換器，旁通不起作用。

旁通閥在2個位置的密封都重要，因為在不需要熱量的條件下將熱量傳遞到發(fā)動機冷卻液，或者在需要熱量時沒有將熱量潛在優(yōu)勢發(fā)揮最大化都是不可取的。類似閥門包括主動式閥門和被動式閥門，以多種形式商業(yè)化，已經向市場投入上百萬臺。

閥門需要通過1臺執(zhí)行器進行控制，電子執(zhí)行器能實現(xiàn)自動的主動式控制。這種電子執(zhí)行器是上述商業(yè)化閥門的部分之一。一旦氣缸停缸，將通過主動控制閥門調諧聲波，并在需要時打開氣流增加功率。

對執(zhí)行器的電子器件來說，溫度是1種關鍵限值。由于排氣系統(tǒng)超出這些限值，如何集成是關鍵。這3個部件（熱交換器、旁通閥、閥門執(zhí)行器）共同構成EHRS，但是熱交換器的大小對系統(tǒng)體積有很大影響，其所需的傳熱性能值得仔細研究。

圖2 組件設計和應用材料

熱交換器的大小取決于所需傳熱量，因此更多的傳熱量通常需要更大的體積。假設熱交換設計方法一致，如外殼、管路或平板。采用更小體積傳遞更多熱量一直是關注熱點，但是必須與2種流體的壓降相平衡。

傳熱量取決于廢氣流量和溫度，這些高度依賴于工作循環(huán)，即車輛和發(fā)動機如何運行。采用1輛豐田普銳斯測量循環(huán)和非循環(huán)下的進氣質量流量，輸出值如圖3所示，近似于廢氣流量。

FTP20結果表明，95%時間質量流量小于54 kg/h，盡管非循環(huán)結果幾乎增加了1倍，但數(shù)值仍相對較低。這些測量的質量流量條件通過限制其預期運行范圍限制了EHRS的預期使用，并且通過目標尺寸來控制靈敏度。

圖3 在豐田普銳斯上測量的循環(huán)質量流量（a）和非循環(huán)質量流量（b）

EHRS應用定位于使設備最大限度提高熱回收潛力，而不會對排放產生不利影響，比較適合置于催化器和顆粒捕集器的下游，及各聲學裝置的上游。設備大小適應于大約300 hp發(fā)動機，預計會在混合動力乘用車上應用，這類車型將成為未來最大汽車市場。熱交換器位于旁通閥管旁，保持較低輪廓，以使安置考慮閥門位置，廢氣可向下游流動，同時保持壓力降最低。

試驗將執(zhí)行器連接到系統(tǒng)旁的閥軸上，熱交換器放置在頂部，執(zhí)行器放置在側面，這是因為如果執(zhí)行器放置在頂部，隨著熱量升高，更易受高溫影響；如果放置于底部，易受路面和石塊沖擊。旁通閥布置方式可使熱交換器旁通時，氣流直接通過，以盡量減少壓力降。

考慮到大多數(shù)時間旁通，僅在冷起動階段旁通閥發(fā)生動作。冷起動過程并不須關注背壓，因為發(fā)動機并不常處于高速和高負荷狀態(tài)。盡管如此，背壓也不宜過高。如果發(fā)動機在冷起動過程中偶爾有高負荷需求，主動閥將提供1種調節(jié)手段。

系統(tǒng)的復雜性導致成本增加，零件數(shù)量通常表明系統(tǒng)的復雜性。集成多功能組件有助于減少零件數(shù)量。簡單的設計和較少的組件能減少制造誤差，提供更具魯棒性的過程。在設計中必須考慮到確保連接部位的可接近性，通過與其他對標產品對比零件數(shù)量，顯示出產品的設計簡單性和和低成本潛力。

圖4顯示，本研究提出EHRS總成和外形尺寸，并與對標產品比較體積、質量和零件數(shù)量。本產品體積均小于對標產品，除了采用被動式執(zhí)行器而不是電子執(zhí)行器的對標產品。本產品質量比對標產品降低超過25%，所有測量均不包括冷卻液和進出口冷卻管路。

同樣，本產品零件數(shù)量也比零件最少的對標產品少25%，比零件最多的對標產品少40%。將零部件設計納入排氣制造規(guī)范內也是很有幫助的。使用鈑金沖壓件，以及包括熔化極惰性氣體保護焊（MIG）和激光焊在內的焊接方式，實現(xiàn)制造設備和供應商采供網(wǎng)絡。

圖5為普銳斯排氣系統(tǒng)的EHRS，將本產品（圖5（a））與豐田商業(yè)化的基準設計（圖5（b））進行比較，本產品傳熱性能與基準相同，但具有明顯的封裝收益。

圖4 體積、質量和零件數(shù)量的設計對比

圖5 豐田商業(yè)化的EHRS與普銳斯EHRS對比

在冷起動過程中，當旁通閥關閉，熱交換作用時出現(xiàn)熱滲漏是不可接受的。由于減少了熱交換，一部分熱能從關閉的旁通閥旁散出。在旁通模式時熱滲漏也是不可接受的，因為這會引起發(fā)動機過熱。這取決于其重要性和工作循環(huán)，如夏季高溫天氣拖車牽引上山。

因此，控制冷卻液吸收的熱量非常重要，特別是在旁通模式和極端條件下運行時。提高閥門密封性能的1項重要設計改進工作是利用整體鑄造閥體保持與軸承的同軸度，該同軸度比現(xiàn)有多組件閥門總成同軸度要高（圖6（a））。

與一體式鑄造閥體相比，多零件總成連接由于需要較小的組件公差和精密連接方法，導致成本升高。一體式鑄造除了降低零件和制造成本，也具有性能方面的優(yōu)勢。閥體設計為軸和閥門密封面之間提供更嚴格的定位公差，從而在旁通閥關閉時減少排氣滲漏，但不一定無滲漏。

圖6 帶有軸承座（a）和閥板總成（b）的EHRS旁通閥體

限定軸的軸向不重合度也可降低閥門旋轉阻力，這既提高噪聲-振動-平順性（NVH）性能，也可降低電子執(zhí)行器停轉的可能性。閥門軸承提供磨損保護，以及在運行條件下適當保持，從而避免異響，并確定相關軸承商業(yè)應用和性能驗證。

在閥板總成中使用金屬絲墊，提供經濟的密封性能，并在閥門移動到其開啟和關閉位置時控制接觸噪聲。金屬絲網(wǎng)墊夾在閥板周圍，用1塊堅硬支撐板鉚接住。當確定網(wǎng)格密度時，閥門滲漏率和NVH性能之間出現(xiàn)設計折中。

閥板裝配方法也會影響閥門泄漏。1種常見的閥門構造方法是將網(wǎng)組件摩擦焊到堅固的支撐板上。然而，在焊接點位置會出現(xiàn)局部組件變形，這導致鄰近焊接位置的網(wǎng)墊和支撐板之間形成間隙，或者由于形成焊點熔核導致網(wǎng)格密封表面積減少。

二次滲漏路徑對整個系統(tǒng)性能的影響大小與焊接位置和數(shù)量相關。為了消除裝配方法產生的滲漏，開發(fā)了鉚接閥板總成，將網(wǎng)墊固定在支撐板上，且沒有測量到變形或密封表面積減少。網(wǎng)墊采用雙密度設計，鉚接板下區(qū)域密度更高，以防止壓緊力隨時間變化。

2 分析

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了解集成EHRS后的應用敏感性及其對收益的影響，有助于說明各種設計參數(shù)的重要性。車輛建模用于研究不同熱交換器尺寸、熱質量、旁通閥滲漏對循環(huán)的影響。車輛建模還可以量化車輛應用影響，如發(fā)動機大小、車輛質量如何影響EHRS益處。

研究人員采用0/1D建模軟件GTSuite生成車輛模型，將2016款豐田普銳斯和自身EHRS設計作為基準。帶有和不帶有EHRS的FTP20循環(huán)的結果顯示，帶有EHRS時發(fā)動機預熱冷卻液溫度達到60 ℃的時間有160 s的收益，這時車廂溫度為舒適的20 ℃。圖7為循環(huán)開始600 s內的基準點，并與熱交換器尺寸或者傳熱表面積加減小20%和40%的情況進行對比。

圖7 對比熱交換器尺寸（傳熱表面積）影響的車輛模擬結果

尺寸減小40%導致加熱時間增加83 s，但在600 s時溫度僅降低4 ℃。圖8為旁通閥滲漏對暖機性能的影響，包括0%、5%、10%和15%泄漏率。整個范圍內熱差異較小，在600 s時低于3 ℃，加熱過程相差30 s。

圖8 對比旁通閥滲漏影響的車輛模擬結果

圖9給出了40%變化幅度熱質量差異的影響，以模擬EHRS質量影響。該差異引起的加熱時間差異小于5 s，且600 s時溫差可忽略。這表明質量不是影響暖機性能的關鍵因素；另一方面，質量仍是影響車輛質量的重要因素，能夠影響燃油經濟性。這些差異展示了對性能的影響，但收益重要性仍有待商榷，特別是當權衡其他優(yōu)先事項時，如成本和外形空間。

圖9 對比EHRS熱質量影響的車輛模擬結果

除了普銳斯（小型車）以外，研究人員對另外3種車輛進行建模，以評估車輛大小的影響，其中包括1輛中型車、1輛緊湊型多用途車（CUV）和1輛小型貨車。3種車輛均采用普銳斯基準EHRS。圖10說明小型車和中型車的表現(xiàn)相似，CUV和小型貨車的預熱更快。

這可能是由于較大的車輛質量、更大的發(fā)動機和更大的風阻系數(shù)導致發(fā)動機在更大負荷下運轉。基于這些敏感性模型，可減小熱交換器尺寸以改善外形而無顯著性能損失，較大車輛和發(fā)動機通常無需配備大熱交換器。

圖10 對比車輛應用大小影響的車輛模擬結果

同時，本研究致力于了解混合動力運行策略對集成EHRS收益的影響。研究人員再次使用GTSuite軟件搭建1臺車輛模型，應用中型車輛P0拓撲量化運行策略對發(fā)動機暖機時EHRS收益的影響。模型包括1個車輛，該車輛帶有內燃機（排量1.5 L，功率110 kW，渦輪增壓直噴）、變速箱、電機、可荷電狀態(tài)監(jiān)測的電池，以及斷開發(fā)動機和電動機的離合器。

循環(huán)仍選擇FTP20，這是因為在20 °F（華氏溫度）較冷環(huán)境溫度時更激進。應用2個動力系統(tǒng)運行策略，會影響到循環(huán)中的發(fā)動機起停。1種策略（策略A）允許在預熱階段使用發(fā)動機和電機，減小電池電量。

另1種策略（策略B）僅允許預熱階段使用發(fā)電機，不使用電機，增大電池電量。圖11顯示電池在整個循環(huán)過程中的荷電狀態(tài)（SOC），說明預熱階段消耗（策略A）和存儲（策略B）電功率的影響。圖12說明整個循環(huán)電機功率響應差異，顯示策略A早期使用電池，功率輸出為正。循環(huán)中發(fā)動機扭矩也說明運行策略之間的差異，觀察到策略A在循環(huán)后段需要更多發(fā)動機操作（圖13）。

圖11 FTP20循環(huán)下2種運行策略電池的荷電狀態(tài)響應

圖12 FTP20循環(huán)下2種運行策略的電機功率輸出響應

圖13 FTP20循環(huán)下2種運行策略的發(fā)動機扭矩響應

圖14總結了運行策略對整個循環(huán)功率來源分布的影響，顯示策略B中僅使用電機運行比僅使用內燃機略少。然而，仔細觀察循環(huán)最初800 s（圖13）顯示策略B僅使用電機運行要少得多。策略A的百公里燃油消耗為5.21 L，策略B的百公里燃油消耗為5.02 L，顯示出一些運行策略敏感度。

如圖15所示，無論如何，2種系統(tǒng)均顯示EHRS集成的收益。圖中繪制在循環(huán)過程中2種系統(tǒng)帶有和不帶有EHRS的發(fā)動機冷卻液溫度。節(jié)溫器在80 ℃時開啟，可作為對比性能的目標溫度。在策略A中，EHRS使發(fā)動機暖機加快600 s，策略B中暖機加速300 s。

當2種系統(tǒng)均使用EHRS時，策略A中發(fā)動機暖機比策略B快125 s。在不帶有EHRS情況下，兩者之間的差異更大。2種運行策略均通過EHRS加快暖機獲得了收益，但策略A從EHRS獲得的收益肯定比策略B更多，說明了EHRS對運行策略的依賴。

圖14 2種運行策略下FTP20循環(huán)的功率來源分布

圖15 2種運行策略下系統(tǒng)帶有/不帶有EHRS時FTP20循環(huán)的發(fā)動機冷卻液熱響應

3 測試和結果

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研究人員在提出的EHRS及對標產品上進行了多種測試，在1個流動試驗臺上準確量化EHRS部件特性，如壓力降和傳熱，分析排氣及發(fā)動機冷卻液這2種流體的穩(wěn)態(tài)質量流量和溫度以對比期望值。在有限環(huán)境條件范圍內，研究人員在流動試驗臺上評估熱泄漏。

圖16顯示了EHRS試驗臺設置。圖17顯示在350 ℃排氣溫度下EHRS傳熱性能對比。本研究提出EHRS的尺寸按照傳熱量類似于基準普銳斯EHRS（樣品C）選取，進行類似測試到50 kg/h。在較高排氣質量流量下，實測傳熱減少是由于關閉的旁通閥周圍出現(xiàn)滲漏。

然而，這些滲漏僅出現(xiàn)在高質量流速條件下，在FTP20循環(huán)過程中出現(xiàn)時間少于5%。圖18顯示在350 ℃排氣溫度條件下樣品壓力降對比，表明壓力降取決于流量。同樣，超過50 kg/h能夠明顯看到熱滲漏影響。由于提出的EHRS使背壓沒有像其他樣品一樣顯著提高，樣品D表現(xiàn)異常出色，但這是以零件數(shù)量最多的狀態(tài)換來的。

圖16 EHRS試驗臺設置

圖17 回收模式下EHRS傳熱對比（溫度350 ℃）

圖18 回收模式下EHRS背壓對比（溫度350 ℃）

在旁通模式下，系統(tǒng)的熱滲漏和壓力降是最重要的，因為這種模式最常用。圖19對比了旁通模式下的熱滲漏，量化了傳遞到冷卻液的熱量。本研究提出的EHRS最低，通過使用旁通閥板密封熱交換器入口，從而減少傳熱。

此外，將閥門位置設計在流動路徑以外，限制流體作用力，從而最小化滲漏可能性。圖20比較了在600 ℃溫度下不同流量不同EHRS系統(tǒng)的背壓，表明了本研究提出的EHRS具有極低值，這是因為研究人員特意設計為氣流直接通過而沒有節(jié)流以最小化背壓。

圖19 旁通模式下EHRS傳熱對比（600 ℃）

圖20 旁通模式下EHRS背壓對比（600 ℃）

在法定和非法定工作循環(huán)條件下，研究人員應用車輛以測量發(fā)動機暖機響應、車廂加熱和除霜定時，以及燃油經濟性。根據(jù)FPT20進行了2個在線循環(huán)排放試驗，以及車輛除霜測試。首先，研究人員3次測試帶有原廠EHRS的2016款豐田普銳斯，結果油耗平均值為46 mile/gal。

隨后，禁用EHRS（旁通）用來驗證其在燃油經濟性方面的影響，油耗降低到42 mile/gal，證明原廠EHRS帶來10%左右的收益（表1）。安裝本研究提出的EHRS，取代OEM系統(tǒng)，并再次完成3次測試，結果油耗平均值為53 mile/gal。

在禁用EHRS條件下重新進行基準車輛測試，結果燃油耗為45.5 mile/gal，顯示本研究提出的EHRS燃油經濟性提高16%。2次車輛測試間隔時間超過了1年。盡管探究了多種可能性，但由于一些不確定因素，車輛燃油經濟性有實質性改善。然而，EHRS的收益是相對明確的，無論熱交換器尺寸、質量或結構復雜性，燃油經濟性提高10%以上。

表1 對比EHRS性能的車輛FTP20測試結果

4 結論

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本文提出了優(yōu)化后的EHRS系統(tǒng)，并與已經投放市場的其他產品進行了若干特性的對比，驗證了整體性能改進。研究人員完成對標以量化當前產品，并提取客戶反饋以確定設計約束優(yōu)先級，對關鍵設計參數(shù)進行量化分析并通過部件試驗臺和整車測試進行確認。

本研究確定系統(tǒng)內部件，包括熱交換器、旁通閥和閥門執(zhí)行器，認識到復用的收益并從成功的商業(yè)化產品魯棒性中獲得信心。此外，通過強調設計中最小零件數(shù)量降低產品復雜性，這是成本設計的關鍵因素。

本文詳細介紹和展示了1款先進產品，與已有系統(tǒng)相比，在豐田普銳斯上更易于封裝。本研究確認了系統(tǒng)收益，包括加速車廂加熱和除霜，以及加速發(fā)動機暖機，從而獲得實測油耗降低。

本研究建議對EHRS系統(tǒng)進一步加強設計，提出更緊湊的封裝、改善換熱效率，從而進一步減少外形尺寸。微通道熱交換器可顯著減少體積，但成本暫時沒有競爭力，因為其制造過程需要蝕刻和擴散粘結或3D打印。

閥門密封也必須經過進一步改進，將排氣滲漏減少到可忽略的數(shù)量級，增加啟用時傳遞熱量，減少旁通時的熱滲漏。研究考慮改善滲漏的成本與收益，權衡NVH等其他性能，考慮替代材料和規(guī)格優(yōu)化等。

編輯：jq