采用有机朗肯循环废热回收的混合动力火花点火涡轮增压柴油机

汽车制造商在努力制造更节油的车辆时，会考虑采取一切可能的措施来提高内燃机动力系统的效率。其中，48 V轻度混合动力技术即是节油措施之一。采用米勒技术的火花点火直喷发动机和从发动机废热中回收能量也是节油措施的一种。研究沃尔沃轿车基于乙醇的有机朗肯循环废热回收系统，围绕4缸2.0 L的火花点燃发动机成功构建，运用48 V轻度混合动力技术的同时考虑了车辆的安装需求。本研究还为有机朗肯循环系统开发了专用的控制系统，包括其与发动机之间的通信。有机朗肯循环系统使用发动机废气作为热源，为此设计制造专用的蒸发器以适合车辆的腔道。乙醇蒸气的膨胀发生在轴向活塞式膨胀机中，该轴向活塞式膨胀机通过皮带传动，既与混合动力系统电气耦合，又与发动机曲轴机械耦合。研究发现，该膨胀机的这种双重动力输出对于具有瞬态驾驶的乘用车尤为重要，可以通过电动混合系统的快速响应来克服蒸气系统的缓慢响应，从而提供了更多废热能回收的机会。发动机测试台架试验的结果表明，在发动机高负荷下，采用化学计量比运行时，制动比油耗降低了5%~7%，与模拟结果一致。这表明组合动力总成系统在城市、城郊和高速工况方面均具有优势。

自20世纪70年代开始，从内燃机的废热中获取能量的研究就已经开展。为了应对即将出台的立法，要求主流市场降低燃料消耗，该研究在2000年左右有了进一步的发展。

考虑到以碳氢燃料为唯一能源的车辆，CO₂排放量仅取决于在给定的驾驶循环中执行某些运输工作所需的能量及内燃机的燃料转换效率。如图1所示，大型乘用型车辆所需的平均发动机效率在几年内趋于50%以上，这也是考虑将废热回收技术用于乘用车的主要原因。考虑到混合动力汽车的发展，特别是48 V轻度混合动力汽车，以及使用米勒原理优化涡轮增压(TC)火花点火(SI)发动机的燃烧系统，人们对研究废热能量回收(WHR)系统在这种情形下会如何表现产生新的兴趣。为此，以车辆安装和混合动力集成为约束条件，构建了演示发动机。用作安装演示发动机的车辆均基于沃尔沃可扩展平台架构(SPA)，这是所有大型沃尔沃汽车的架构基础。该平台上的发动机是具有前轮驱动(FWD)或四轮驱动(AWD)功能的横置4缸涡轮增压发动机，包括汽油机和柴油机。

图1 行驶循环中所需的平均发动机效率与CO₂需求和行驶循环中推进能量的关系

1.1 废热回收范围

沃尔沃中型多功能运动型车(SUV)XC60在车辆的适当热源处(排气、冷却液、空气等)配备了热电偶，并充分测量了介质流量。该车辆在典型的城市、城郊和高速公路条件下在公共道路上行驶，并记录了数据以进行后续分析。如图2所示，在车辆数据分析中，高速公路上化学计量比汽油发动机的废热回收的潜力要高。

图2 使用Chambadal-Novikov效率计算在城市、城郊和公路行驶条件下从废热回收系统获得的潜在功率

1.2 废热转化

废热转化方式有以下几种选择:热声发生器(TAG)、热电发电机(TEG)、燃料重整器和热力学循环(有机朗肯循环(ORC)、布雷顿循环、斯特林循环等)。

TAG可以通过很少的活动部件将热量转换为电能，但目前仍处于研究阶段。对于TEG，目前除了转换效率低之外，还要考虑到在恶劣的汽车环境中的耐久性，这对该技术的应用极具挑战性。

燃料重整在理论上可将燃料消耗减少约20%，但是对燃料质量、催化剂失活和系统集成有很高的敏感性，挑战很大。

在热力学循环中，布雷顿循环通常在高热源温度(高于1 200 K)下效率最高。斯特林发动机具有低功率质量比，这使其对轻型车辆的吸引力降低。

ORC循环在演示项目中建立模块是成熟的。在试验中，ORC循环被选为将废热转化为有用能量的方式。ORC热力学循环包括如图3所示的4 个状态：(1)等熵压缩；(2)等压热量输入；(3)等熵膨胀；(4)等压热量输出。

图3 理想朗肯循环4个状态的压力-焓线图

1.3 能量转换

对于燃料重整器TEG和TAG，它们将能量直接转换为可燃燃料或电能。对于任何通常利用热机旋转轴输出功率的热力学循环，能量输出的格式并不明显。基本上，可以选择通过将发电机连接至热力发动机来发电，或者直接使用机械能或通过存储的机械能来推动车辆。

如果采用电力，可以选择将WHR发电机连接到车辆的12 V/48 V 电网，或者使用高压系统(>60 V)，以及相关的电池尺寸和类型。其中，发电机的效率、尺寸和成本起着重要的作用，但是从车辆集成的角度来看，最重要的方面是车辆中可用的电气系统如何适合连接WHR系统，以及如何最好地利用废热。如果直接从WHR热机利用机械能，则必须在动力传动系统中找到合适的位置。连接可以在辅助带传动、发动机凸轮轴、变速箱匹配或直接连接在后桥上。通常，与电气连接相比，机械连接提供了更有效的扭矩传递路径，但也给组件包装带来了挑战。

1.4 使用转化能源的使用

先前的一些研究指出，将转化能源提供给车载能量12 V电源进行使用。尽管乘用车的车载能源需求可能会继续增加，但这仍然将可能的输出功率限制在1 000 W左右。同样，车载能源需求波动很大，且与WHR系统预期功率输出驱动类型不相关。假设使用WHR系统可节省5%~10%的燃油，则意味着在高速公路快速行驶时可处理高达5 kW的功率。这对于12 V系统来说过载了，但适合在48 V系统范围内使用。本质上，任何旨在以电作为能量输出来恢复高速公路速度负荷(发动机功率>25 kW)的WHR系统都需要电动混合动力系统来使用所回收的能量，因此必须考虑电气路径中的损耗。在WHR系统中，使用48 V发电机，并向混合48 V电机提供此电能意味着损耗是原来的2倍。假设48 V汽车电机的效率为85%，则意味着在电气损耗中损失了大约1/3的回收能量。

对于机械扭矩传递，5 kW的功率水平对于皮带或齿轮之类的元件不是问题，效率损失微乎其微，但乘用车的瞬时行驶方式必须考虑在内。因为只有在发动机运转时才有废热，因此机械传动是正确的选择，然而，预测驾驶员所需的实时扭矩并不容易。废热由于热源的热惯性而引起较大的滞后，因此可用的废能和当前扭矩需求在时间上并不始终匹配。即使在恒定的车速条件下，由于道路坡度和曲率变化，发动机扭矩也会发生巨大变化(图4)。在扭矩需求为零的情况下，这意味着WHR发动机扭矩会在机械扭矩传递系统中损失。为了解决这种情况，开发人员研究了组合的机械和电气扭矩传递系统。

图4 车速和发动机扭矩的相关性

考虑到上述4个基本问题，得出的结论是，当点燃式发动机的排气管路中存在高质量的废热，考虑到成熟度和车辆集成的可行性，ORC系统是废热技术中最合适的。但是，如何有效利用回收的能量仍然是1个悬而未决的问题。为了阐明这些问题，研发人员对整个车辆进行了系统仿真，包括通用的ORC。仿真针对2辆车进行，包括大型轿车和大型SUV，并仿真3个不同的驾驶循环，即TP-75、全球统一轻型车试验循环(WLTC)和高速公路省油测试(HWFET)驾驶循环，测试车型的主要参数如表1所示。用于模拟ORC系统的多种混合动力和扭矩传递输出的带有发动机系统的通用ORC系统如图5和表2所示。

表1 系统仿真中使用的车辆

图5 排气作为P0混合动力配置(a)和P2混合动力配置(b)热源的普通ORC系统

表2 混合和朗肯拓扑的模拟变体

如图6和图7所示，可以看到不同的ORC耦合拓扑差异非常小。主要燃料消耗减少来自于多种能量来源，而第2次燃料消耗减少则来自于ORC系统，与电气或机械耦合无关。这主要是由于在电耦合的情况下，膨胀机速度及膨胀机入口压力可以独立于发动机转速优化，而在机械连接的情况下，尤其是对于高瞬态驾驶循环，膨胀机速度有时会超出设计范围，从而在迈谱图效率较低的区域中运行。

图6 P0混合配置变体的仿真结果(WLTC)

图7 P2混合配置的仿真结果(WLTC)

由于ORC系统的效率会由于增加的混合动力而降低，发动机会更频繁地关闭。从P0混合动力与P2混合动力之间的差异可以看出，即使在提高车速的情况下，P2混合动力表现出更多的发动机关闭时间。但是，总回收废热的差异不到10%。在某些驾驶循环中，由于蒸气膨胀机产生了扭矩，发动机的关闭时间可以延长。这部分解释了P0和P2配置在油耗效益之间的巨大差异。

当然，驾驶方式会影响到混合动力系统和ORC系统，其中混合动力系统在频繁停驶的瞬态驾驶循环中更为有利，而ORC系统在高负荷循环下(如高速驾驶)往往更高效。如图8所示，显示了2种技术混合动力和ORC的燃油耗影响。

图8 针对FTP-75、WLTC和HWFET循环的48 VP2

混合动力和ORC系统的仿真油耗收益如图8所示，这2种技术是相互补充的，未来可能的混合拓扑，可构建具有机械和电气扭矩传递组合的系统，以便进一步研究组合的联接。其中，机械联接将针对公路驾驶进行优化，而电气联接则更适合瞬态城市驾驶。

仿真结果表明，在法规驾驶循环(如WLTC)中，ORC系统的加热时间较长。从蒸气膨胀机发出任何正扭矩之前的加热时间超过10 min，因此几乎不会影响到循环中的燃油消耗。为了改善这一点，将热交换器分成2部分，其中一小部分移至靠近发动机的位置以实现快速加热。

如图9所示，调查研究了ORC系统的扭矩传递过程。ORC系统的工作要点可以概括为：以乙醇作为工作介质，最大压力4 000 kPa；膨胀机低速运行，转速小于6 000 r/min，几何膨胀比约为10；通过皮带传动(FEAD)进行机械耦合；膨胀机附带电机；采用分体式换热器布局；发动机冷却液为冷侧；采用48 V电动泵加压系统。ORC系统的预期机械峰值功率为5 kW，而峰值效率应为3 kW 左右。

图9 ORC系统循环示意图

3.1 换热器开发

在排气端开发了1个热交换器，作为工作流体的锅炉。传热的限制因素发生在气体一侧，使用约600 K的温差，传热系数约为50 W/(m² ·K)。经过测算 ，从废气中大约可以得到50 kW的热能，气体侧的热交换器面积约为1.5 m²，从而确定热交换器的尺寸。 如图10所示，为沃尔沃SPA车辆平台的ORCWHR系统通道区域布置。

图10 沃尔沃SPA车辆平台的通道区域

图11为沃尔沃SPA平台采用的完整的热交换器/蒸发器，该系统将螺旋管绕排气管扭曲，然后在其外覆盖外管的原理，开发了热交换器。旁路由每条管道中采用蝶阀控制。同样，通过用位于下游的电加热催化剂(EHC)代替标准的紧密耦合催化转化器，可以使热交换器的一小部分在标准催化转化器的位置处更靠近发动机。这种较小的热交换器(HX1)约占热交换器总面积的20%，主要用于在行驶循环中快速加热WHR系统。然而，在通道区域成功包装这种大型热交换器的最大促成因素是前消音器和后热交换器HX2可以组合为整个单元。总之，通过以这种方式设计蒸发器，可以满足要求，但是设计是基于将多个功能集成的，这似乎成为必要的策略，因为在有限的车辆空间中需要安装更多的组件。

图11 完整的热交换器/蒸发器(包括旁通、前消音器和排气后处理装置)

3.2 膨胀机选择

考虑到用于汽车ORC系统的膨胀机主要是涡轮机、螺杆膨胀机、涡旋膨胀机和活塞膨胀机，包括带有曲轴的传统往复式活塞膨胀机和轴向活塞膨胀机。考虑到组合式机电耦合的可行性，以及内部生产的可能性和产品的外部采购成熟度，本应用考虑了所有类型。

涡轮机通常具有结构紧凑、质量小、效率高，并且可以在不向工作流体添加润滑剂的情况下运行。涡轮机对湿膨胀具有敏感性，即如果膨胀继续进入两相区域，则涡轮叶片上可能发生严重损坏。然而，对于应用而言，主要的缺点是高转速，涡轮转速高达100 000 r/min，这将需要大约1∶50的齿轮比以匹配用于机械联接的发动机转速。另外，纯电耦合将需要高速发电机，这一概念在汽车上仍未得到证实。

螺杆膨胀机主要用于功率流量大于10 kW，质量流量大且压力比低的应用中，而涡旋膨胀机可以提供较高的膨胀率，甚至无需润滑剂，尽管制造公差会限制实践中可达到的属性。

活塞式膨胀机具有要求中的大多数功能，即低速运行、高膨胀比和所需的功率水平。然而，具有曲轴的常规往复式发动机对于小排量往往显得笨重，且具有很高的惯性和很高的不均匀性，这使得在考虑发动机动力学的情况下更难以机械集成。通过广泛的发动机动力学模拟，在考虑到皮带打滑、张紧力，以及影响摩擦损失的带轮负荷情况下，机械连接最好是由发动机皮带驱动。该模拟的主要结果是，活塞膨胀机必须至少为3个气缸，并以高于发动机转速运行，以在最大膨胀机功率下减小膨胀机对皮带的应力。

表3为使用的轴向活塞式膨胀机规格，将其集成到发动机皮带驱动中。轴向活塞式膨胀机作为空调压缩机在汽车领域得到了广泛的应用。膨胀机配备有2个皮带轮(图12)，1个皮带轮用于与曲轴的机械连接，另1个皮带轮用于与电机的连接。与曲轴的连接可以通过电磁离合器断开，而与电机的皮带轮则保持恒定连接。膨胀机旁路由1个48 V电磁阀控制。

表3 演示中使用的膨胀机的规格

图12 使用中的轴向活塞式膨胀机(带有双皮带轮

3.3 工作流体选择

工作流体的选择一直是之前许多研究的重点，并且与热源的温度水平有着明确的联系。显然，在本研究中，湿流体在高温下作为热源具有优势。水是保持高温的理想选择，但明显的缺点是在0 ℃下冻结，因此需要防冻设计。另外，由于使用了活塞膨胀机，因此需用于组合的机械和电气扭矩传递)要对膨胀机进行润滑。使用水将意味着1个单独的润滑回路，最有可能发生水/油分离问题。与汽车气候系统类似，使用碳氢化合物工作流体意味着润滑剂可以溶解在工作流体中。乙醇具有与水相似的湿润特性，并且油可以与乙醇混合。同时，乙醇也是1种无毒化合物，这意味着与外来未知物质相比，实验室和车间的安全措施更易于处理，同时也考虑到乙醇作为ORC工作流体已广泛使用，故选择乙醇作为工作流体。

3.4 系统整合

在研究过程中，将ORC膨胀机放置在空调压缩机的位置上，通过1条皮带连接到48 V B-ISG 上，通过另1条皮带连接到发动机的曲轴皮带轮上(图13)。机械路径可以通过电磁离合器断开。该布局主要用于在发动机台架测试，尽管其包装也可以在车辆中使用。

图13 集成在发动机皮带驱动中的蒸气膨胀机和电机

但是，考虑到可能的混合动力运行模式，该系统缺少某些功能，因为电机仅在膨胀机运行时才连接到传动系统。另外，必须安装1个单独的电动空调压缩机。

ORC系统的速度和极限如图14所示。由于发动机冷却液被用作ORC循环中的冷媒，因此散热器的剩余性能在较高的扭矩范围内受到限制。在发动机转速中，膨胀机转速的上限设定了机械连接的极限，但是电能传递路径也可以在较高的发动机转速下使用。

图14 发动机运行中的ORC系统运行极限

在较低的扭矩范围内，可用热量设定极限。尽管如此，对于大型SUV，ORC系统的操作范围可设定在车速60~160 km/h。该系统的预期车辆安装如图15所示。

图15 车辆中集成的ORC系统的图示

目前，沃尔沃已成功设计并制造了用于2.0 L 4缸增压乘用车发动机的ORC废热回收系统。ORC系统使用废热作为热源，乙醇作为工作介质通过3缸轴向活塞式膨胀机进行功率输出。该膨胀机既通过皮带机械地连接到曲轴，又通过电气连接到48 V系统。尽管在包装和成本方面带来了挑战，但从膨胀机到传动系统的机械和电气扭矩传递的结合提供了很高的灵活性和效率。

完整的系统构建如图16所示。此系统设置是为进行发动机台架测试而进行的，因此必须进行一些修改才能适合发动机测试台架。ORC的安装通常需要在测试台架内进行悬置工作，因为ORC系统中的某些组件是车载的(如水泵、冷凝器、膨胀箱等)。但是，为避免不必要的安装工作时间，将整个ORC系统安装在测试单元中使用的发动机架上。发动机和ORC系统已经在测试台上进行了初步测试，主要用于ORC控制系统的校准。如图17所示，使用48 V电机作为膨胀制动器的燃油消耗的初步结果与模拟结果一致。在高速公路功率水平下，燃油消耗降低了6%~7%。

图16 在测试单元中安装了带有ORC系统的发动机

图17 使用电能传递路径的发动机测功机的初步结果

本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第6期

作者：[瑞典]F.B.EKSTRÖM

整理：闫红梅 

编辑：虞展