发动机运行中产生的余热都去了哪里？其是否能够被回收利用于空调

文 |绯娱罐头

编辑 | 绯娱罐头

●○引言○●

汽车发动机有接近70%的热能，以废热被直接排放到环境中，这造成了巨大的能源浪费和空气污染。

因此，高热效率和低排放的汽车发动机系统，一直以来都是发动机技术研究的重要方向。

理论上通过提高压缩比、工质绝热指数、燃烧等容度、燃烧方式、燃料组合等方法，可以将汽车发动机的热效率达到较高的水平。

然而受制于材料技术、工作原理和应用环境等，多方面的原因，汽车发动机热效率一直难以获得较大的突破。

但是，如今一项名为“汽车余热利用”的技术或将改变这个格局。

从功能耗用的角度来说，在燃油车上，传统的空调和车载电器以发动机为动力源驱动，这将进一步降低的发动机的动力输出性能。

以家用轿车为例，测试发现夏季车载空调制冷系统，最高会占用到10%～20%的发动机功率。

减少发动机在非动力方面的能量消耗技术，以及提高发动机热效率的技术，对于汽车发动机技术有着同样的意义。

为此，稳定的汽车余热能量回收，成为了当前发动机技术研究的重要方向。

汽车发动机中存在余热利用的潜能，且较为容易进行余热利用的部件，主要有冷却系统中的高温冷却水和尾气。

从能源质量的角度来说，高温冷却水温度较低，属于低效余热热源、而汽车尾气温度较高属于高效的余热利用热源。

当前汽车主要的余热利用技术有：1、吸收式或吸附式余热空调系统，2、TEG热导电技术，3、EHRS热导热的技术，4、ORC有机朗肯循环技术，通过余热，利用膨胀机获得机械能等。

其中余热驱动的吸收式制冷空调系统，主要利用制冷剂的蒸发吸热，实现制冷。

其通过余热驱动吸收式制冷空调，减少发动机在机械式空调系统对功率的损耗，实现节能的目的。

基于该原理，利用溴化锂溶液，通过对车载吸收式制冷空调系统研究，基于载客量55人的客车，开发出余热驱动的车载吸收式制冷系统，功率最高可以达到27kw，COP可以达到0.5548。

而吸附式制冷系统，是利用某些固体对气体的释放与吸附过程中伴随的吸放热特性，达到制冷目的一种制冷方式。

其通过余热驱动吸附式制冷空调，减少发动机在机械式空调系统对功率的损耗，实现节能的目的。

车载吸收式余热空调基本原理是：利用汽车余热，作为吸附式制冷系统的高温来源，通过吸附床与冷凝器、节流阀、蒸发器之间的作用，实现蒸发、冷凝、膨胀、蒸发的功能，完成空调制冷循环。

基于该原理，柴油机矿车开发出，功率为3kW的吸附式制冷系统，COP约0.2～0.25。

而TEG温差发电技术，是基于塞贝克效应，利用由于温差在导体内产生载流子，从而实现热电现象的方法，实现发电功能。

部分汽车的TEG余热回收系统所产生的能量用于给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，基于温差发电技术，获得输出功率为37.9W的电能。

并且EHRS热导热的技术，是通过余热加快暖机速度、稳定系统工作状态，实现降低排放及油耗等功能。

EHRS热导热的技术较为简单，节能减排效果也比较明显，但是EHRS热导热的技术，只能改善发动机的运行工况，不能对热能进行有效回收，这也制约了EHRS热导热的技术的节能效益。

最后一种方式是有机朗肯循环，其是以低沸点有机物为工质的朗肯循环。

而由于在实际行驶过程中，汽车会出现频繁的起停，以及怠速等状态，汽车发动机的工况也随之变化，从而导致余热能量波动，从而影响ORC循环的正常工作效能。

以上是几种发动机的余热利用技术，接下来实验研究了发动机的余热特性。

众所周知，发动机工作过程中约有33%的热能，是通过冷却系统排出到车外。

从发动机整个系统来看，发动机冷却系统主作用在于，保证发动机处于最佳工作温度范围内。

为此，为了保证发动机能够在冷启动前期稳定工作，冷却系统主要发挥的工作是，保障发动机系统温度快速上升，即小循环。

在发动机持续工作过程中，冷却系统工作的主要作用在于将发动机工作过程中产生的余热排出机外，保证发动机工作的稳定性，即大循环。

为此，在发动机稳定工作过程中，通常汽车发动机冷却系统最佳温度为80℃～120℃，温度过高或者温度过低，都会影响到发动机的工作性能。

而影响发动机冷却系统温度的影响因素，主要有：1、环境温度，2、发动机工作状态，3、汽车运行工况，4、供暖系统对于温度的需求，5、冷却系统工作状态，以及受海拔等影响的空气密度。

其次发动机尾气通常在发动机工作过程中，也会带走发动机约有三分之一的热能。

通常，汽油车发动机排气歧管最高温度可以达到700～800℃，属于良好的吸收、吸附式制冷系统和温差发电的热源。

而影响发动机尾气余热利用的影响因素主要有：1、尾气催化处理对于温度的需求（通常最佳温度为400～800℃），2、环境温度，3、发动机工作状态和汽车运行工况，4、受海拔等影响的空气密度，5、尾气压力等。

汽车发动机的余热能量的多少，直接影响到汽车发动机余热回收的意义，于是分别对汽车发动机尾气，余热能量进行估算。

随后发现2.0L的汽车发动机尾气，在不同转速下可以达到8.5～42kW，尾气能力利用效率最高超过46%。

这相当于汽油机输出功率的35%～42.4%，大大超过夏季汽车空调2～4kW的功率。

这为后续研究奠定了莫大的基础。

然而研究汽车发动机余热的基础，在于先了解不同工作状态下，汽车发动机余热温度，为此，实验针对某2.0T内燃机在不同转速下，汽车发动机余热温度，进行了研究。

研究发现发动机尾气的温度差异不大，基本处于630℃～650℃之间，属于良好的吸收式空调温度工作范围。

随后研究了，蓄能式汽车发动机余热空调系统原理，其吸收式制冷系统主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、工作介质、循环泵、节流阀等部件组成。

其中，工作介质包括制取冷量的制冷剂，以及吸收、解吸制冷剂的吸收剂，二者组成工质对，实验以溴化锂吸收式，制冷系统为例，其工作介质为溴化锂溶液。

随后通过水在蒸发器内蒸发过程吸收大量的热能，实现制冷的目的，而水蒸发后由溴化锂浓溶液吸收，获得溴化锂稀溶液，溴化锂稀溶液在蒸发器内蒸发后，获得溴化锂浓溶液和水，实现制冷循环的目的。

相对于普通的吸收式制冷系统，蓄能式汽车发动机余热空调系统，主要在吸收器前端安装两个蓄能器，分别储存制冷吸收剂和冷剂。

蓄能器的作用是，当汽车发动机功率较大时，将多余的制冷吸收剂和冷剂储存起来，当汽车发动机功率较小时，通过蓄能器补充吸收剂和冷剂。

从热源的角度来说，汽车发动机余热空调系统有3个部分的余热：发动机冷却液、发动机尾气以及余热空调蒸发器后高温溶液。

后以溴化锂吸收式汽车发动机预热空调为例，设计出两效蓄能式汽车发动机余热空调。

当汽车发动机启动后，发动机高温冷却液和溴化锂稀溶液流入换热器进行换热，加热后的溴化锂稀溶液，在蒸发器内进行初次蒸发，初次蒸发后的水蒸气流入收集器。

初次蒸发后的溴化锂稀溶液，进入尾气换热器进行加热，然后流入蒸发器进行二次蒸发，二次蒸发后的水蒸气，与一次蒸发后的水蒸气，从收集器内流入散热器，冷却成水后流入蓄能器。

而二次蒸发后的浓溴化锂溶液，则经散热器冷却后流入蓄能器，空调系统启动后，蓄能器内的溴化锂浓溶液和水流入蒸发器进行制冷。

同时吸收器内的溴化锂稀溶液，则通过后边的换热器流入前边的换热器，完成制冷循环。

换热器内，通过对蒸发器后流出的溴化锂浓溶液，进行降温，同时提高吸收器后溴化锂稀溶液的温度，进行热能二次利用，换热器内的发动机冷却液则通过散热器散热后进行冷却循环。

●○结论○●

尽管当前余热利用技术得到了较快的发展，且汽车发动机余热丰富，但由于汽车工况的复杂性和质量等原因，当前尚无较好的汽车发动机余热利用技术应用于实践，这对于汽车技术发展、节能减排等都具有较大的负面的影响。

通过对汽车发动机余热利用技术、汽车发动机余热特性进行分析后，设计出一种蓄能式汽车发动机余热空调系统。

它具有余热回收效率高、高空调系统工作不受发动机工况影响、容易跟实际工程应用等优点。

综上所述，此系统能在保证汽车发动机正常工作的前提下，能有效利用发动机的余热，提高发动机热效率，稳定的为汽车提供稳定的制冷效能。

不仅有利于余热利用技术的发展，更有利于汽车发动机热效率的提升，对于节能减排也具有非常重要的意义。