汽车废气能量回收技术
一、前言
自20世纪70年代世界性的能源危机发生以来，能源问题受到世界各国普遍重视，各经济大国都致力于抢占能源市场的同时，对节能技术的重视程度也大大加强。随着人们生活水平的提高，汽车保有量越来越大，汽车能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题也越来越受到各国关注。节能已经成为当今世界汽车工业发展的主题之一。
相关研究表明，发动机工作时，一般转化为有效功的热当量约占燃料燃烧产生热量的35%～40%，冷却水带走的热量占20%～30%，尾气带走的热量为30%～40%。而发动机的排气温度高，如果能够充分利用这部分余热，将会明显提高燃料的利用率。因此汽车废气能量回收技术已成为汽车工业发展的必然趋势。
二、技术特点
由于汽车发动机的工况复杂多变，因此汽车废气能量回收技术具有特殊的要求和特点。主要特点如下：
(1)汽车废气能量品位较低，回收比较困难；
(2)要求结构简单，体积小，重量轻，效率高；
(3)要求抗震动、抗冲击，适应汽车运行环境，安全性好；
(4)不能影响发动机的工作性能。
由于汽车废气能量回收技术具有上述特点，使得研究的成功虽多，但投入商业化生产的不多，只在废气涡轮增压和取暖方面取得了实用性进展。
三、技术现状
目前，汽车废气能量回收技术主要包括废气涡轮增压、发电、取暖、制冷、改良燃料性能以及涡轮蒸汽机等方式。下面分别从这六个方面介绍国内外相关技术的研究现状。
1、废气涡轮增压技术
废气涡轮增压是车用发动机广泛采用的一种技术，该技术利用发动机排出的废气推动涡轮机高速旋转，带动同轴的压气机对进气进行压缩以提高进气压力，进而提高空气密度、增加进气量。采用此技术不仅可改善内燃机的燃油经济性、降低有害排放物（碳烟、CO、HC 化合物等）的排放，还能在不增加气缸容积的基础上大幅度提高发动机的功率。但发动机采用废气涡轮增压技术后，也存在一定的弊端。它会提高发动机在工作过程中产生的最高爆发压力和平均温度，从而影响发动机的机械性能和润滑性能，同时因吸入气缸内的空气量增加以及燃烧室温度的升高，使得NO X的排放量增加。而且在汽油机上使用废气涡轮增压时，存在易发生爆燃，热负荷大，与增压器匹配困难等问题，这限制了它的使用范围。
2、废气余热发电
利用废气能量发电的常用方法有半导体温差发电和斯特林循环发电。
(1)半导体温差发电
半导体温差发电通过将两种不同的热电转换材料N型半导体和P型半导体，其一端相接于同一导电体上被置于废气流经的高温环境，另一端则相接于不同的导电体上被置于大气的低温环境。因热电转换材料的两端存在温差，通过其内部空穴、电子的扩散在低温回路中形成电势差，即在A、B端分别形成正、负电压，直接将热能转化为电能。如下图所示：
半导体温差发电无需化学反应，发电过程无噪音、无污染、体积小、重量轻、适用范围较广且应用可靠等优点，现多用于军工行业。但现阶段热电转换效率普遍较低，处于6%～11%之间，且热电转换材料成本较高，离推广应用还有很大距离。
(2) 斯特林循环发电
斯特林循环发电是利用工质从高温热源（汽车废气）吸收热量，膨胀做功，向低温热源放热并收缩，再次从高温热源吸收热量，不断循环上述过程。在每次循环过程中，工质吸收的热能转化为机械能，而工质做功过程中通过活塞的往复运动带动直流发电机进一步将机械能转化为电能。
3、废气余热取暖
废气余热取暖技术是利用发动机排气管的余热为驾驶室和车厢提供暖气，为挡风玻璃除霜除雾，以及对发动机进行预热，解决冷起动问题。例如在我国北方，解决公共汽车乘坐舒适性的主要问题之一是冬季取暖问题，而利用废气余热可以有效改善车内环境。这种余热利用技术优点是既不需要在汽车上增加热源，又不增加发动机本身的热量消耗，成本较低、经济性好、使用方便。同时解决了发动机机油和蓄电池的保温问题。
但是废气余热取暖技术无法在发动机停止工作时使用，且在高寒地区使用时对换热元件要求较高。此外该技术发热量的大小受发动机工况的制约，而且仅能在冬季发挥作用，废气能量利用不充分。另外利用废气取暖时，换热装置增大了发动机排气背压，将影响到发动机的工作性能。
4、废气余热制冷
通过回收和利用发动机废气余热来驱动制冷系统，是实现汽车空调理想的节能方案。但因废气制冷系统体积大、结构复杂、造价高等因素制约了它的应用和发展。目前提出的这方面技术主要有吸附式、吸收式和喷射式三种。
(1)吸附式制冷
吸附式制冷是利用某些固体物质在一定温度、压力下能吸附水蒸气或某种气体，在另一种温度、压力下又能把它释放出来的特性来实现制冷。这种吸附与解吸过程导致压力变化，从而起到了压缩机的作用。该技术所采用的工质有活性炭—氨气，沸石—水，沸石—氨气等。这些工质具有对环境无污染、可以直接利用一次能源等优点，所以此技术越来越受到人们的重视。吸附式制冷运动部件少，可靠性高。而且由于使用固体吸附材料，因此可用于振动场合。
(2)吸收式制冷
吸收式制冷原理是以热能为动力来完成制冷循环的。在吸收式制冷循环系统中，所采用的工质有水—溴化锂、氨—水等。吸收式制冷系统的COP（注：COP=制冷量÷消耗功率）高于吸附式，但远低于蒸汽压缩式，而且结构复杂、体积大、造价高。此外发生器、冷凝器、
吸收器和蒸发器需要自由水平面，不太适用于经常处于颠簸、运动状态下的汽车。
(3)喷射式制冷
喷射式制冷系统除了循环泵外没有其它运动部件，而且造价比较低。与同类制冷方式相比，在最优设计条件下，功率非常低，大约为25%左右。喷射式制冷系统的主要特点是以喷射器代替压缩机，以消耗热能作为补偿来实现制冷。此装置结构较为简单，耗功量少。但这种装置噪音太大，会影响汽车的舒适性。
5、废气余热改良燃料性能
改良燃料性能技术是利用发动机排出的废气余热加热燃料，使其在催化剂的作用下分解出氢气、一氧化碳等可燃气体，以达到提高燃料的可燃烧热值，减轻污染和积炭的目的。目前已实现了对甲醇的改良，反应原理如下图所示，在国内已有的余热制氢发动机中，甲醇的产氢量可达72.3%。甲醇裂解气可以实现稀薄燃烧，可以降低发动机的燃料消耗量，随λ增加，甲醇的消耗量随之减少，甲醇的当量燃料消耗率较汽油明显降低，最大降低30.7%，最小降低14.3%。这对减少汽车燃料、自重等具有一定的优势。但改良技术只对固定的液体燃料有催化转换作用，用途较为单一。
6、涡轮蒸汽机
由德国宝马汽车公司制造的涡轮蒸汽机基于两个循环系统：高温循环即来自于发动机所排出的废气能量为主能量源，与液态介质同时经过热交换器并将其加热为蒸汽。生成的蒸汽被直接导入与内燃机曲轴相连的膨胀单元，给发动机提供助力。大部分剩余的热量被发动机冷却循环吸收，构成涡轮蒸汽机的第二能量源，用以加热液体提高液汽转化的效率，即成为低温循环。其原理如下图所示：
在采用此种辅助驱动系统组合之后，发动机的效率会得到较大程度的提高，具有一定的使用价值。但此系统成本较高、结构复杂、体积较大，难以在汽车上实现推广应用。
