摘要：隨著節(jié)能減排要求的不斷提高，混合動力汽車憑借優(yōu)異的燃油經(jīng)濟性逐漸普及，但發(fā)動機散熱造成的大量熱能無法利用，存在著能源浪費問題。針對混合動力汽車發(fā)動機熱能再生及廢熱利用技術(shù)進行了系統(tǒng)研究：首先分析了混合動力汽車熱管理的重要性，概述了熱再生和廢熱利用技術(shù)路線；其次詳細分析了混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑。該研究為混合動力汽車提高能源利用效率、降低燃料消耗提供了一定的技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車；發(fā)動機熱再生；廢熱利用；技術(shù)集成

中圖分類號：U464收稿日期：2024-10-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.024

1前言

混合動力汽車因其集發(fā)動機和電力驅(qū)動于一體的特點，不僅可以有效提高能源利用效率，降低燃料消耗和排放，而且可以為熱能再生和廢熱利用提供了新的機遇[1]。傳統(tǒng)汽車中，發(fā)動機熱能以廢熱形式排放，造成巨大的能源浪費和溫室氣體排放，相較而言，混合動力車輛在保證動力性的同時，發(fā)動機工作時長和負荷發(fā)生了較大變化，同時產(chǎn)生了復(fù)雜多變的溫度場和熱流，并伴隨著不同時間尺度和溫度等級的廢熱能量。

因此，對混合動力車輛發(fā)動機熱能進行有效利用具有重要意義，通過對廢熱能量的高效再生和利用，可大幅提升系統(tǒng)熱效率和整車能源利用率，從而進一步優(yōu)化燃油經(jīng)濟性和減少排放，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

本文圍繞發(fā)動機散熱熱量再生利用展開研究，系統(tǒng)地闡述各類熱再生及廢熱利用技術(shù)的原理、特點及適用性，以期為混合動力汽車熱能綜合利用提供技術(shù)參考。

2混合動力汽車熱管理的重要性

混合動力汽車作為一種集內(nèi)燃機和電動機于一體的復(fù)合動力系統(tǒng)，其熱管理的效率和效果對于整車性能、能效以及乘員舒適性具有非常重要的影響。良好的熱管理系統(tǒng)能夠確保發(fā)動機和電池組在最佳的溫度范圍內(nèi)工作，從而提高能源利用效率，延長部件壽命，并保證駕駛安全。

在混合動力汽車中，熱管理不僅關(guān)乎動力系統(tǒng)的效率，還直接影響到乘客的舒適性。車輛內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)需要依賴于有效的熱管理系統(tǒng)，包括適當(dāng)?shù)目照{(diào)和加熱系統(tǒng)來處理由電池和電機產(chǎn)生的多余熱量[2]。例如，通過使用集成熱管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可以將電池產(chǎn)生的熱量回收利用來為車內(nèi)加熱提供熱源，從而減少能源消耗。系統(tǒng)的過熱還可能導(dǎo)致安全風(fēng)險，特別是電池組如果因散熱不良而過熱，可能會引起熱失控，因此，發(fā)展高效的熱管理技術(shù)不僅可以提升車輛的經(jīng)濟性和環(huán)保性，還直接關(guān)系到乘客的安全和舒適體驗。

總之，混合動力汽車的熱管理系統(tǒng)是提升車輛性能、增加駕駛范圍、提升乘客舒適和保障行車安全的關(guān)鍵技術(shù)。隨著技術(shù)的進步和新材料的應(yīng)用，未來混合動力汽車的熱管理系統(tǒng)將更加高效和智能，以適應(yīng)更廣泛的環(huán)境變化和更嚴(yán)苛的性能要求。

3混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術(shù)

混合動力汽車在提升能效和降低排放方面具有顯著的優(yōu)勢，其發(fā)動機熱再生和廢熱利用技術(shù)是實現(xiàn)這些優(yōu)勢的關(guān)鍵技術(shù)之一，高效地回收和利用發(fā)動機及排氣系統(tǒng)中的廢熱可以提升燃油經(jīng)濟性，還能增加整車的動力性能。

在混合動力汽車中，發(fā)動機熱再生技術(shù)主要集中在通過捕獲發(fā)動機產(chǎn)生的廢熱并轉(zhuǎn)換為有用能量的策略上[3]。一種常見的方法是使用熱電發(fā)生器（TEG），它能夠?qū)l(fā)動機排放的熱能轉(zhuǎn)換成電能。熱電發(fā)生器通常安裝在排氣系統(tǒng)中，利用溫差電效應(yīng)將排氣熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，這種電能可以用于電池充電或供應(yīng)車輛的電子系統(tǒng)。研究人員還可以通過改進冷卻系統(tǒng)設(shè)計，使冷卻液在通過發(fā)動機時回收更多的熱能。例如，采用高效率的熱交換器和調(diào)節(jié)冷卻液流速的控制系統(tǒng)，可以最大化地從發(fā)動機吸收熱量，并將此熱量用于加熱車內(nèi)或預(yù)熱發(fā)動機，從而提高發(fā)動機啟動時的效率和降低排放。這些技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了能源的綜合利用效率，還有助于降低因溫度變化導(dǎo)致的機械磨損。

混合動力汽車的廢熱利用技術(shù)不僅限于電能的回收，還包括使用廢熱為車輛系統(tǒng)提供熱能，特別是在冷氣候條件下的應(yīng)用，研究人員通過安裝廢熱回收系統(tǒng)，可以將排氣熱通過熱交換器傳遞給冷卻液或空調(diào)系統(tǒng)的制熱循環(huán)，這可以提高空調(diào)的熱泵效率，減少對電池的依賴，提高乘客舒適度和減少能源消耗[4]。更先進的廢熱利用系統(tǒng)甚至可以將這些廢熱轉(zhuǎn)換為機械能或化學(xué)能，如通過有機朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)。ORC系統(tǒng)可以將低溫廢熱轉(zhuǎn)換為高壓蒸汽，驅(qū)動渦輪發(fā)電，進一步增強系統(tǒng)的整體能效，這類系統(tǒng)特別適合于長途運輸或重載應(yīng)用，其中廢熱量大且持續(xù)時間長，能效提升潛力巨大。

混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術(shù)是提高車輛能效和環(huán)境可持續(xù)性的重要技術(shù)手段，這些技術(shù)能有效提升能源的利用率，降低能源消耗，優(yōu)化車輛的環(huán)境性能指標(biāo)，進一步的研究和技術(shù)革新將繼續(xù)推動這些系統(tǒng)的效率和實用性，以適應(yīng)未來對汽車性能和環(huán)保要求的不斷提升。

4混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑

根據(jù)上述分析可知，熱再生及廢熱利用技術(shù)憑借其可回收熱源的優(yōu)勢在業(yè)界備受關(guān)注。因此，研究制定一條有效的混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑，對于推進我國汽車產(chǎn)業(yè)的綠色智能化轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

4.1工況分析與熱量測算

混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術(shù)集成過程中，首要步驟是進行工況分析與熱量測算。這一步驟是基礎(chǔ)且關(guān)鍵的，因為它涉及對車輛在不同行駛條件下的熱能特性進行詳細評估，以確保廢熱回收系統(tǒng)設(shè)計的適應(yīng)性和效率。

工況分析：這一階段的目的是全面理解混合動力汽車在實際運行中的各種工況，包括城市行駛、高速行駛和爬坡等不同條件下的行駛模式。通過收集和分析這些數(shù)據(jù)，可以確定發(fā)動機的運行特性，如功率輸出、燃料消耗率和發(fā)動機負荷周期，工況分析還需要包括環(huán)境因素的考慮，如溫度、濕度以及海拔等，這些都會影響發(fā)動機的熱效率和廢熱產(chǎn)生量。例如，高溫環(huán)境或高負荷運行模式下，發(fā)動機產(chǎn)生的廢熱將會增多，對廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)計提出更高的要求。

在了解了混合動力汽車的各種工況后，下一步是進行熱量測算，這一步驟涉及不同工況下發(fā)動機及其排氣系統(tǒng)產(chǎn)生廢熱總量的計算。熱量測算不僅需要精確的溫度和熱流數(shù)據(jù)，還需考慮發(fā)動機效率和熱損失，通常這一過程會使用熱量傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實時監(jiān)測發(fā)動機和排氣系統(tǒng)的溫度變化，以及通過排氣管的熱流。收集到的數(shù)據(jù)將被用于評估不同工況下的熱能回收潛力，并為后續(xù)的廢熱利用系統(tǒng)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。表1簡述了在一次典型的工況分析與熱量測算過程中，不同行駛條件下的發(fā)動機熱輸出和熱回收潛力估計。

工況分析與熱量測算可以為混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，確保系統(tǒng)的高效性和適應(yīng)性，這樣的分析不僅有助于研究人員選擇合適的廢熱回收技術(shù)，也為后續(xù)的系統(tǒng)集成和實驗驗證提供了基礎(chǔ)。

4.2規(guī)劃熱再生和廢熱利用技術(shù)路線

在混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑中，繼完成工況分析與熱量測算之后，下一步是規(guī)劃熱再生和廢熱利用技術(shù)路線。這一階段是整個技術(shù)集成過程的核心，關(guān)鍵在于選擇和設(shè)計最適合當(dāng)前車輛模型和工況需求的熱能回收解決方案。

基于前期的熱量測算結(jié)果，決定使用哪種廢熱回收技術(shù)（如熱電發(fā)電、有機朗肯循環(huán)（ORC）、汽輪機系統(tǒng)等），選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)需要考慮多個因素，包括廢熱的溫度級別、可回收熱量的大小、系統(tǒng)的體積與重量、成本以及對車輛性能的影響。例如，如果廢熱溫度較高，則更適合使用汽輪機系統(tǒng)；對于中低溫廢熱，熱電發(fā)電或ORC可能更為合適。

在選擇了合適的廢熱回收技術(shù)后，接下來的任務(wù)是設(shè)計具體的廢熱回收系統(tǒng)，并將其與車輛的其他系統(tǒng)（如動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等）進行有效整合，包括確定系統(tǒng)的布局、配置熱交換器、優(yōu)化熱流路徑和控制策略。此階段也需考慮系統(tǒng)的可靠性和維護需求，確保新開發(fā)的廢熱回收系統(tǒng)不會降低車輛的總體運行效率和安全性。系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)包括模擬和預(yù)測廢熱系統(tǒng)在實際運行中的表現(xiàn)，以便提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進行調(diào)整。表2展示了不同廢熱回收技術(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)設(shè)計要點。

通過這些步驟的細致規(guī)劃和執(zhí)行，可以確?；旌蟿恿ζ嚨膹U熱回收系統(tǒng)不僅技術(shù)上可行，同時也能在經(jīng)濟上帶來益處，從而提升整車的能效和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。這種系統(tǒng)性的技術(shù)集成和優(yōu)化，是實現(xiàn)可持續(xù)汽車發(fā)展的關(guān)鍵路徑之一。

4.3系統(tǒng)集成

在混合動力汽車的發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術(shù)集成路徑中，最后一步是“系統(tǒng)集成”。這一階段是確保廢熱回收技術(shù)與汽車其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作的關(guān)鍵，涉及將設(shè)計好的廢熱回收方案與車輛的動力總成、電氣系統(tǒng)以及控制策略有效整合。

在此階段，主要任務(wù)是確保廢熱回收系統(tǒng)能夠無縫集成到現(xiàn)有的動力系統(tǒng)中，包括與發(fā)動機、電動機和電池管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，這需要對廢熱回收系統(tǒng)進行調(diào)整，以適應(yīng)動力系統(tǒng)的負載需求和操作特性。例如，廢熱回收系統(tǒng)在發(fā)動機冷啟動時可能需要暫停工作，或者在電動模式下調(diào)整其能量輸出以優(yōu)化電池的使用效率。研究人員需評估廢熱回收系統(tǒng)在全車能耗和性能中的作用，以及其對車輛加速性能、燃油經(jīng)濟性和排放水平的影響，并通過先進的控制算法，實現(xiàn)廢熱回收系統(tǒng)與動力系統(tǒng)之間的能量流動優(yōu)化，從而提升整車的能效和駕駛體驗。

廢熱回收系統(tǒng)的集成不僅涉及硬件層面的適配，還需開發(fā)專門的控制策略以管理系統(tǒng)的運行，包括實時監(jiān)控廢熱的溫度、流量和可用性，以及調(diào)整廢熱回收系統(tǒng)的操作以最大化能量回收效率?？刂葡到y(tǒng)還需要與車輛的其他電子系統(tǒng)（如車載診斷系統(tǒng)、動力控制模塊等）進行通信，以確保在各種行駛條件下的安全和穩(wěn)定性。開發(fā)這樣的控制策略通常需要使用模擬和實車測試來驗證其性能，確保在實際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的節(jié)能效果并保障系統(tǒng)的可靠性。表3概述了系統(tǒng)集成階段的關(guān)鍵焦點和考慮因素。

上述系統(tǒng)集成步驟的詳細規(guī)劃和實施，可以確保混合動力汽車中的廢熱回收技術(shù)不僅技術(shù)上可行，而且能夠在實際運行中達到提升能效和環(huán)保的目標(biāo)，這種綜合性的技術(shù)整合是實現(xiàn)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的核心部分，對于推動未來交通工具的能效革命具有重要意義。

5結(jié)語

混合動力汽車發(fā)動機熱再生及廢熱利用技術(shù)的集成是一個系統(tǒng)工程，需要全面分析各類工況下的熱量特征，科學(xué)規(guī)劃熱再生和廢熱利用路線，并將選定的技術(shù)方案與動力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制策略等有機融合，通過協(xié)同優(yōu)化確保整車能效的最大化。這一集成路徑的實施，不僅為解決汽車廢熱利用難題提供了技術(shù)支撐，更標(biāo)志著節(jié)能環(huán)保理念在汽車產(chǎn)業(yè)的融合應(yīng)用，有望推動汽車產(chǎn)業(yè)向更高能效水平邁進，減少化石燃料消耗及溫室氣體排放，為綠色出行和可持續(xù)發(fā)展貢獻汽車力量。

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[4]王寧，孫新凱，劉玉寶.汽車發(fā)動機廢熱吸收式制冷系統(tǒng)[J].河北農(nóng)機，2018（9）：14.

作者簡介：

朱付勇，男，1990年生，助教（汽車檢測維修工程師），研究方向為新能源汽車技術(shù)。