采用有機朗肯循環(huán)廢熱回收的輕度混合動力火花點火渦輪增壓轎車柴油機

點擊上方“汽車與新動力”可進行訂閱哦！_

汽車制造商在努力制造更節(jié)油的車輛時，會考慮采取一切可能的措施來提高內(nèi)燃機動力系統(tǒng)的效率。其中，48 V輕度混合動力技術(shù)即是節(jié)油措施之一。采用米勒技術(shù)的火花點火直噴發(fā)動機和從發(fā)動機廢熱中回收能量也是節(jié)油措施的一種。

研究沃爾沃轎車基于乙醇的有機朗肯循環(huán)廢熱回收系統(tǒng)，圍繞4缸2.0 L的火花點燃發(fā)動機成功構(gòu)建，運用48 V輕度混合動力技術(shù)的同時考慮了車輛的安裝需求。本研究還為有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)了專用的控制系統(tǒng)，包括其與發(fā)動機之間的通信。

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)使用發(fā)動機廢氣作為熱源，為此設(shè)計制造專用的蒸發(fā)器以適合車輛的腔道。乙醇蒸氣的膨脹發(fā)生在軸向活塞式膨脹機中，該軸向活塞式膨脹機通過皮帶傳動，既與混合動力系統(tǒng)電氣耦合，又與發(fā)動機曲軸機械耦合。

研究發(fā)現(xiàn)，該膨脹機的這種雙重動力輸出對于具有瞬態(tài)駕駛的乘用車尤為重要，可以通過電動混合系統(tǒng)的快速響應(yīng)來克服蒸氣系統(tǒng)的緩慢響應(yīng)，從而提供了更多廢熱能回收的機會。發(fā)動機測試臺架試驗的結(jié)果表明，在發(fā)動機高負荷下，采用化學計量比運行時，制動比油耗降低了5%~7%，與模擬結(jié)果一致。這表明組合動力總成系統(tǒng)在城市、城郊和高速工況方面均具有優(yōu)勢。

0 前言

_

自20世紀70年代開始，從內(nèi)燃機的廢熱中獲取能量的研究就已經(jīng)開展。為了應(yīng)對即將出臺的立法，要求主流市場降低燃料消耗，該研究在2000年左右有了進一步的發(fā)展。

考慮到以碳氫燃料為唯一能源的車輛，CO2排放量僅取決于在給定的駕駛循環(huán)中執(zhí)行某些運輸工作所需的能量及內(nèi)燃機的燃料轉(zhuǎn)換效率。如圖1所示，大型乘用型車輛所需的平均發(fā)動機效率在幾年內(nèi)趨于50%以上，這也是考慮將廢熱回收技術(shù)用于乘用車的主要原因。

考慮到混合動力汽車的發(fā)展，特別是48 V輕度混合動力汽車，以及使用米勒原理優(yōu)化渦輪增壓（TC）火花點火（SI）發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)，人們對研究廢熱能量回收（WHR）系統(tǒng)在這種情形下會如何表現(xiàn)產(chǎn)生新的興趣。

為此，以車輛安裝和混合動力集成為約束條件，構(gòu)建了演示發(fā)動機。用作安裝演示發(fā)動機的車輛均基于沃爾沃可擴展平臺架構(gòu)（SPA），這是所有大型沃爾沃汽車的架構(gòu)基礎(chǔ)。該平臺上的發(fā)動機是具有前輪驅(qū)動（FWD）或四輪驅(qū)動（AWD）功能的橫置4缸渦輪增壓發(fā)動機，包括汽油機和柴油機。

圖1 行駛循環(huán)中所需的平均發(fā)動機效率與CO2需求和行駛循環(huán)中推進能量的關(guān)系

1 用于廢熱回收的車輛條件

_

1.1 廢熱回收范圍

沃爾沃中型多功能運動型車（SUV）XC60在車輛的適當熱源處（排氣、冷卻液、空氣等）配備了熱電偶，并充分測量了介質(zhì)流量。該車輛在典型的城市、城郊和高速公路條件下在公共道路上行駛，并記錄了數(shù)據(jù)以進行后續(xù)分析。如圖2所示，在車輛數(shù)據(jù)分析中，高速公路上化學計量比汽油發(fā)動機的廢熱回收的潛力要高。

圖2 使用Chambadal-Novikov效率計算在城市、城郊和公路行駛條件下從廢熱回收系統(tǒng)獲得的潛在功率

1.2 廢熱轉(zhuǎn)化

廢熱轉(zhuǎn)化方式有以下幾種選擇：熱聲發(fā)生器（TAG）、熱電發(fā)電機（TEG）、燃料重整器和熱力學循環(huán)（有機朗肯循環(huán)（ORC）、布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán)等）。

TAG可以通過很少的活動部件將熱量轉(zhuǎn)換為電能，但目前仍處于研究階段。對于TEG，目前除了轉(zhuǎn)換效率低之外，還要考慮到在惡劣的汽車環(huán)境中的耐久性，這對該技術(shù)的應(yīng)用極具挑戰(zhàn)性。

燃料重整在理論上可將燃料消耗減少約20%，但是對燃料質(zhì)量、催化劑失活和系統(tǒng)集成有很高的敏感性，挑戰(zhàn)很大。

在熱力學循環(huán)中，布雷頓循環(huán)通常在高熱源溫度（高于1 200 K）下效率最高。斯特林發(fā)動機具有低功率質(zhì)量比，這使其對輕型車輛的吸引力降低。

ORC循環(huán)在演示項目中建立模塊是成熟的。在試驗中，ORC循環(huán)被選為將廢熱轉(zhuǎn)化為有用能量的方式。ORC熱力學循環(huán)包括如圖3所示的4 個狀態(tài)：（1）等熵壓縮；（2）等壓熱量輸入；（3）等熵膨脹；（4）等壓熱量輸出。

圖3 理想朗肯循環(huán)4個狀態(tài)的壓力-焓線圖

1.3 能量轉(zhuǎn)換

對于燃料重整器TEG和TAG，它們將能量直接轉(zhuǎn)換為可燃燃料或電能。對于任何通常利用熱機旋轉(zhuǎn)軸輸出功率的熱力學循環(huán)，能量輸出的格式并不明顯?；旧希梢赃x擇通過將發(fā)電機連接至熱力發(fā)動機來發(fā)電，或者直接使用機械能或通過存儲的機械能來推動車輛。

如果采用電力，可以選擇將WHR發(fā)電機連接到車輛的12 V/48 V 電網(wǎng)，或者使用高壓系統(tǒng)（》60 V），以及相關(guān)的電池尺寸和類型。其中，發(fā)電機的效率、尺寸和成本起著重要的作用，但是從車輛集成的角度來看，最重要的方面是車輛中可用的電氣系統(tǒng)如何適合連接WHR系統(tǒng)，以及如何最好地利用廢熱。如果直接從WHR熱機利用機械能，則必須在動力傳動系統(tǒng)中找到合適的位置。連接可以在輔助帶傳動、發(fā)動機凸輪軸、變速箱匹配或直接連接在后橋上。通常，與電氣連接相比，機械連接提供了更有效的扭矩傳遞路徑，但也給組件包裝帶來了挑戰(zhàn)。

1.4 使用轉(zhuǎn)化能源的使用

先前的一些研究指出，將轉(zhuǎn)化能源提供給車載能量12 V電源進行使用。盡管乘用車的車載能源需求可能會繼續(xù)增加，但這仍然將可能的輸出功率限制在1 000 W左右。同樣，車載能源需求波動很大，且與WHR系統(tǒng)預(yù)期功率輸出驅(qū)動類型不相關(guān)。

假設(shè)使用WHR系統(tǒng)可節(jié)省5%~10%的燃油，則意味著在高速公路快速行駛時可處理高達5 kW的功率。這對于12 V系統(tǒng)來說過載了，但適合在48 V系統(tǒng)范圍內(nèi)使用。

本質(zhì)上，任何旨在以電作為能量輸出來恢復高速公路速度負荷（發(fā)動機功率》25 kW）的WHR系統(tǒng)都需要電動混合動力系統(tǒng)來使用所回收的能量，因此必須考慮電氣路徑中的損耗。在WHR系統(tǒng)中，使用48 V發(fā)電機，并向混合48 V電機提供此電能意味著損耗是原來的2倍。假設(shè)48 V汽車電機的效率為85%，則意味著在電氣損耗中損失了大約1/3的回收能量。

對于機械扭矩傳遞，5 kW的功率水平對于皮帶或齒輪之類的元件不是問題，效率損失微乎其微，但乘用車的瞬時行駛方式必須考慮在內(nèi)。因為只有在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時才有廢熱，因此機械傳動是正確的選擇，然而，預(yù)測駕駛員所需的實時扭矩并不容易。

廢熱由于熱源的熱慣性而引起較大的滯后，因此可用的廢能和當前扭矩需求在時間上并不始終匹配。即使在恒定的車速條件下，由于道路坡度和曲率變化，發(fā)動機扭矩也會發(fā)生巨大變化（圖4）。在扭矩需求為零的情況下，這意味著WHR發(fā)動機扭矩會在機械扭矩傳遞系統(tǒng)中損失。為了解決這種情況，開發(fā)人員研究了組合的機械和電氣扭矩傳遞系統(tǒng)。

圖4 車速和發(fā)動機扭矩的相關(guān)性

2 系統(tǒng)分析

_

考慮到上述4個基本問題，得出的結(jié)論是，當點燃式發(fā)動機的排氣管路中存在高質(zhì)量的廢熱，考慮到成熟度和車輛集成的可行性，ORC系統(tǒng)是廢熱技術(shù)中最合適的。但是，如何有效利用回收的能量仍然是1個懸而未決的問題。

為了闡明這些問題，研發(fā)人員對整個車輛進行了系統(tǒng)仿真，包括通用的ORC。仿真針對2輛車進行，包括大型轎車和大型SUV，并仿真3個不同的駕駛循環(huán)，即TP-75、全球統(tǒng)一輕型車試驗循環(huán)（WLTC）和高速公路省油測試（HWFET）駕駛循環(huán)，測試車型的主要參數(shù)如表1所示。用于模擬ORC系統(tǒng)的多種混合動力和扭矩傳遞輸出的帶有發(fā)動機系統(tǒng)的通用ORC系統(tǒng)如圖5和表2所示。

表1 系統(tǒng)仿真中使用的車輛

圖5 排氣作為P0混合動力配置（a）和P2混合動力配置（b）熱源的普通ORC系統(tǒng)

表2 混合和朗肯拓撲的模擬變體

如圖6和圖7所示，可以看到不同的ORC耦合拓撲差異非常小。主要燃料消耗減少來自于多種能量來源，而第2次燃料消耗減少則來自于ORC系統(tǒng)，與電氣或機械耦合無關(guān)。這主要是由于在電耦合的情況下，膨脹機速度及膨脹機入口壓力可以獨立于發(fā)動機轉(zhuǎn)速優(yōu)化，而在機械連接的情況下，尤其是對于高瞬態(tài)駕駛循環(huán)，膨脹機速度有時會超出設(shè)計范圍，從而在邁譜圖效率較低的區(qū)域中運行。

圖6 P0混合配置變體的仿真結(jié)果（WLTC）

圖7 P2混合配置的仿真結(jié)果（WLTC）

由于ORC系統(tǒng)的效率會由于增加的混合動力而降低，發(fā)動機會更頻繁地關(guān)閉。從P0混合動力與P2混合動力之間的差異可以看出，即使在提高車速的情況下，P2混合動力表現(xiàn)出更多的發(fā)動機關(guān)閉時間。但是，總回收廢熱的差異不到10%。在某些駕駛循環(huán)中，由于蒸氣膨脹機產(chǎn)生了扭矩，發(fā)動機的關(guān)閉時間可以延長。這部分解釋了P0和P2配置在油耗效益之間的巨大差異。

當然，駕駛方式會影響到混合動力系統(tǒng)和ORC系統(tǒng)，其中混合動力系統(tǒng)在頻繁停駛的瞬態(tài)駕駛循環(huán)中更為有利，而ORC系統(tǒng)在高負荷循環(huán)下（如高速駕駛）往往更高效。如圖8所示，顯示了2種技術(shù)混合動力和ORC的燃油耗影響。

圖8 針對FTP-75、WLTC和HWFET循環(huán)的48 VP2

混合動力和ORC系統(tǒng)的仿真油耗收益如圖8所示，這2種技術(shù)是相互補充的，未來可能的混合拓撲，可構(gòu)建具有機械和電氣扭矩傳遞組合的系統(tǒng)，以便進一步研究組合的聯(lián)接。其中，機械聯(lián)接將針對公路駕駛進行優(yōu)化，而電氣聯(lián)接則更適合瞬態(tài)城市駕駛。

仿真結(jié)果表明，在法規(guī)駕駛循環(huán)（如WLTC）中，ORC系統(tǒng)的加熱時間較長。從蒸氣膨脹機發(fā)出任何正扭矩之前的加熱時間超過10 min，因此幾乎不會影響到循環(huán)中的燃油消耗。為了改善這一點，將熱交換器分成2部分，其中一小部分移至靠近發(fā)動機的位置以實現(xiàn)快速加熱。

3 ORC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

_

如圖9所示，調(diào)查研究了ORC系統(tǒng)的扭矩傳遞過程。ORC系統(tǒng)的工作要點可以概括為：以乙醇作為工作介質(zhì)，最大壓力4 000 kPa；膨脹機低速運行，轉(zhuǎn)速小于6 000 r/min，幾何膨脹比約為10；通過皮帶傳動（FEAD）進行機械耦合；膨脹機附帶電機；采用分體式換熱器布局；發(fā)動機冷卻液為冷側(cè)；采用48 V電動泵加壓系統(tǒng)。ORC系統(tǒng)的預(yù)期機械峰值功率為5 kW，而峰值效率應(yīng)為3 kW 左右。

圖9 ORC系統(tǒng)循環(huán)示意圖

3.1 換熱器開發(fā)

在排氣端開發(fā)了1個熱交換器，作為工作流體的鍋爐。傳熱的限制因素發(fā)生在氣體一側(cè)，使用約600 K的溫差，傳熱系數(shù)約為50 W/（m2·K）。經(jīng)過測算，從廢氣中大約可以得到50 kW的熱能，氣體側(cè)的熱交換器面積約為1.5 m2，從而確定熱交換器的尺寸。如圖10所示，為沃爾沃SPA車輛平臺的ORCWHR系統(tǒng)通道區(qū)域布置。

圖10 沃爾沃SPA車輛平臺的通道區(qū)域

圖11為沃爾沃SPA平臺采用的完整的熱交換器/蒸發(fā)器，該系統(tǒng)將螺旋管繞排氣管扭曲，然后在其外覆蓋外管的原理，開發(fā)了熱交換器。旁路由每條管道中采用蝶閥控制。

同樣，通過用位于下游的電加熱催化劑（EHC）代替標準的緊密耦合催化轉(zhuǎn)化器，可以使熱交換器的一小部分在標準催化轉(zhuǎn)化器的位置處更靠近發(fā)動機。這種較小的熱交換器（HX1）約占熱交換器總面積的20%，主要用于在行駛循環(huán)中快速加熱WHR系統(tǒng)。

然而，在通道區(qū)域成功包裝這種大型熱交換器的最大促成因素是前消音器和后熱交換器HX2可以組合為整個單元?？傊?，通過以這種方式設(shè)計蒸發(fā)器，可以滿足要求，但是設(shè)計是基于將多個功能集成的，這似乎成為必要的策略，因為在有限的車輛空間中需要安裝更多的組件。

3.2 膨脹機選擇

考慮到用于汽車ORC系統(tǒng)的膨脹機主要是渦輪機、螺桿膨脹機、渦旋膨脹機和活塞膨脹機，包括帶有曲軸的傳統(tǒng)往復式活塞膨脹機和軸向活塞膨脹機?？紤]到組合式機電耦合的可行性，以及內(nèi)部生產(chǎn)的可能性和產(chǎn)品的外部采購成熟度，本應(yīng)用考慮了所有類型。

渦輪機通常具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、效率高，并且可以在不向工作流體添加潤滑劑的情況下運行。渦輪機對濕膨脹具有敏感性，即如果膨脹繼續(xù)進入兩相區(qū)域，則渦輪葉片上可能發(fā)生嚴重損壞。

然而，對于應(yīng)用而言，主要的缺點是高轉(zhuǎn)速，渦輪轉(zhuǎn)速高達100 000 r/min，這將需要大約1∶50的齒輪比以匹配用于機械聯(lián)接的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。另外，純電耦合將需要高速發(fā)電機，這一概念在汽車上仍未得到證實。

螺桿膨脹機主要用于功率流量大于10 kW，質(zhì)量流量大且壓力比低的應(yīng)用中，而渦旋膨脹機可以提供較高的膨脹率，甚至無需潤滑劑，盡管制造公差會限制實踐中可達到的屬性。

活塞式膨脹機具有要求中的大多數(shù)功能，即低速運行、高膨脹比和所需的功率水平。然而，具有曲軸的常規(guī)往復式發(fā)動機對于小排量往往顯得笨重，且具有很高的慣性和很高的不均勻性，這使得在考慮發(fā)動機動力學的情況下更難以機械集成。

通過廣泛的發(fā)動機動力學模擬，在考慮到皮帶打滑、張緊力，以及影響摩擦損失的帶輪負荷情況下，機械連接最好是由發(fā)動機皮帶驅(qū)動。該模擬的主要結(jié)果是，活塞膨脹機必須至少為3個氣缸，并以高于發(fā)動機轉(zhuǎn)速運行，以在最大膨脹機功率下減小膨脹機對皮帶的應(yīng)力。

表3為使用的軸向活塞式膨脹機規(guī)格，將其集成到發(fā)動機皮帶驅(qū)動中。軸向活塞式膨脹機作為空調(diào)壓縮機在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。膨脹機配備有2個皮帶輪（圖12），1個皮帶輪用于與曲軸的機械連接，另1個皮帶輪用于與電機的連接。與曲軸的連接可以通過電磁離合器斷開，而與電機的皮帶輪則保持恒定連接。膨脹機旁路由1個48 V電磁閥控制。

表3 演示中使用的膨脹機的規(guī)格

3.3 工作流體選擇

工作流體的選擇一直是之前許多研究的重點，并且與熱源的溫度水平有著明確的聯(lián)系。顯然，在本研究中，濕流體在高溫下作為熱源具有優(yōu)勢。水是保持高溫的理想選擇，但明顯的缺點是在0 ℃下凍結(jié)，因此需要防凍設(shè)計。

另外，由于使用了活塞膨脹機，因此需用于組合的機械和電氣扭矩傳遞）要對膨脹機進行潤滑。使用水將意味著1個單獨的潤滑回路，最有可能發(fā)生水/油分離問題。與汽車氣候系統(tǒng)類似，使用碳氫化合物工作流體意味著潤滑劑可以溶解在工作流體中。

乙醇具有與水相似的濕潤特性，并且油可以與乙醇混合。同時，乙醇也是1種無毒化合物，這意味著與外來未知物質(zhì)相比，實驗室和車間的安全措施更易于處理，同時也考慮到乙醇作為ORC工作流體已廣泛使用，故選擇乙醇作為工作流體。

3.4 系統(tǒng)整合

在研究過程中，將ORC膨脹機放置在空調(diào)壓縮機的位置上，通過1條皮帶連接到48 V B-ISG 上，通過另1條皮帶連接到發(fā)動機的曲軸皮帶輪上（圖13）。機械路徑可以通過電磁離合器斷開。該布局主要用于在發(fā)動機臺架測試，盡管其包裝也可以在車輛中使用。

但是，考慮到可能的混合動力運行模式，該系統(tǒng)缺少某些功能，因為電機僅在膨脹機運行時才連接到傳動系統(tǒng)。另外，必須安裝1個單獨的電動空調(diào)壓縮機。

ORC系統(tǒng)的速度和極限如圖14所示。由于發(fā)動機冷卻液被用作ORC循環(huán)中的冷媒，因此散熱器的剩余性能在較高的扭矩范圍內(nèi)受到限制。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速中，膨脹機轉(zhuǎn)速的上限設(shè)定了機械連接的極限，但是電能傳遞路徑也可以在較高的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下使用。

圖14 發(fā)動機運行中的ORC系統(tǒng)運行極限

在較低的扭矩范圍內(nèi)，可用熱量設(shè)定極限。盡管如此，對于大型SUV，ORC系統(tǒng)的操作范圍可設(shè)定在車速60~160 km/h。該系統(tǒng)的預(yù)期車輛安裝如圖15所示。

4 結(jié)論

_

目前，沃爾沃已成功設(shè)計并制造了用于2.0 L 4缸增壓乘用車發(fā)動機的ORC廢熱回收系統(tǒng)。ORC系統(tǒng)使用廢熱作為熱源，乙醇作為工作介質(zhì)通過3缸軸向活塞式膨脹機進行功率輸出。該膨脹機既通過皮帶機械地連接到曲軸，又通過電氣連接到48 V系統(tǒng)。盡管在包裝和成本方面帶來了挑戰(zhàn)，但從膨脹機到傳動系統(tǒng)的機械和電氣扭矩傳遞的結(jié)合提供了很高的靈活性和效率。

完整的系統(tǒng)構(gòu)建如圖16所示。此系統(tǒng)設(shè)置是為進行發(fā)動機臺架測試而進行的，因此必須進行一些修改才能適合發(fā)動機測試臺架。ORC的安裝通常需要在測試臺架內(nèi)進行懸置工作，因為ORC系統(tǒng)中的某些組件是車載的（如水泵、冷凝器、膨脹箱等）。

但是，為避免不必要的安裝工作時間，將整個ORC系統(tǒng)安裝在測試單元中使用的發(fā)動機架上。發(fā)動機和ORC系統(tǒng)已經(jīng)在測試臺上進行了初步測試，主要用于ORC控制系統(tǒng)的校準。如圖17所示，使用48 V電機作為膨脹制動器的燃油消耗的初步結(jié)果與模擬結(jié)果一致。在高速公路功率水平下，燃油消耗降低了6%~7%。

圖17 使用電能傳遞路徑的發(fā)動機測功機的初步結(jié)果

編輯：jq