汽车排气余热采暖技术研究及应用
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摘 要：针对某越野车系列车型空调暖风系统采暖性能的不足，现重新对暖风系统方案进行改进优化预研。原车以空气加热器作为车厢暖风能量的来源，而优化方案采用汽车尾气回收技术，将发动机排气余热回收利用，通过发动机排气收集换热装置和电动水泵，对发动机冷却液进行二次加热，提高冷却液的温度，解决极寒天气车厢暖风能量不足的问题。采用该技术能减少燃油消耗率，提高续驶里程，同时避免空气加热器工作时尾气泄漏风险和尾气排放污染;车厢内增加车厢暖风散热器和电子风扇，解决了原车暖风风道布置困难，暖风风速、温度分布不均，空气干燥和异味等问题。此项技术的研究及应用，解决了越野车辆冬季极寒地区车内采暖问题，取得了良好的暖风采暖和除霜效果，提高了乘员乘坐舒适性，同时起到节能减排的示范效果，具有广泛地推广应用价值。
关键词：越野车;排气余热;排气收集换热装置;舒适性;节能减排
中图分类号：TK01+8 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）03-0002-06
Abstract： In view of the deficiency of heating performance of air conditioning heating system of a series of off-road vehicles， dongfeng automobile company has carried out an improvement and optimization preliminary study on the heating system scheme. The original vehicle use air heaters as the source of the car's warm air energy， and the optimization scheme USES the automobile exhaust recovery technology to recycle the engine's exhaust residual heat， collect the heat exchange device and electric pumps through the engine's exhaust， reheat the engine's cooling fluid， increase the temperature of the cooling fluid， and solve the problem of the car's lack of warm air energy in extremely cold weather. The adoption of this technology can reduce fuel consumption rate， improve driving mileage， and avoid the risk of tail gas leakage and tail gas emission pollution when the air heater works. Add car radiator and electric fan， solve the original car warm air duct layout difficulty， warm air speed， temperature distribution uneven， air drying and odor problems. The research and application of the technology， solve the interior heating problem of off-road vehicle in winter cold area， has obtained the good effect of warm air heating and defrosting， improved occupant comfort， at the same time have the demonstration effect of energy conservation and emissions reduction， has widely application value.
Key Words： Off-road vehicles; Exhaust residual heat; Exhaust collection heat exchanger; Comfort; Energy conservation and emissions reduction
引言
汽車发动机工作中，燃料燃烧的能量约有30%转变成机械能使发动机发出动力;约有30%转变成热能随废气排出;另外约有30%的热能传递给冷却液;还有10%的能量以热辐射形式散发给周围大气，图1为某柴油发动机各能量损失功率。因此回收利用发动机排气和发动机冷却液余热具有巨大潜能和重要意义。
一般汽车暖风的能源来源于发动机冷却液，通过暖风散热器和风机利用液气差来实现车内采暖的要求。多年应用经验表明，利用发动机冷却液余热的暖风采暖方式，能够较好的适用于车厢容积较小的商用车和乘用车，满足其采暖需求。而对于车厢容积较大的越野车、客车，采暖效果一般，温升慢，体验较差，后排乘员脚部温度难以达到标准要求;同时在冬季使用暖风时，发动机冷却液温度低，发动机长期在低温状态下运行，机油温度低润滑不良，发动机热效率低，燃油经济性差，排放差，整车油耗高。
目前车辆采暖性能要求分别按照GJB59.37（-35℃）和GB/T12782（-25℃）标准执行。针对车厢在三排及以上的大容积载人车型，低温采暖性能要想较好的满足以上标准的要求，必须要解决如下几个方面的问题。第一、大车厢容积车型，仅利用发动机冷却液余热作为暖风能量显然是不够的，需要新的能量作为补充。目前普遍解决办法如下：一种方式是增加液体加热器来提高发动机冷却液温度;另一种方式是，主副驾驶采暖通过利用发动机冷却液余热的暖风来实现，其余乘员采暖通过增加空气加热器加热车内空气来实现。但这两种方式均通过燃烧燃油来提供采暖所需能量，既不节能又不环保，而且成本还高。第二、解决因暖风风道布置困难而造成的暖风风速和温度分布不均的问题。目前普遍通过在车厢内增加车厢暖风散热器和电子风扇来解决。用水管代替风道作为暖风循环介质的输送通道，尺寸小易布置，压力损失低，从而解决暖风风道布置困难的问题。通过电动水泵将暖风循环介质发动机冷却液引到车厢暖风散热器，再通过电子风扇实现热交换，实现暖风风速和温度分布的均匀性。 鉴于以上分析，结合大容积车厢载人车型低温采暖性能的现状，本文探讨了一种通过回收尾气能量来给车厢供暖的方案，将发动机排气余热作为传统暖风（仅利用冷却液余热为能量）的补充具有重要的经济价值和现实意义。
·节约能源
（1）使用暖风时，减小发动机冷却液的温度降幅度，提高发动机的燃油经济性;
（2）提高冷却液温度，不需要额外增加加热装置（液体加热器或空气加热器），减少燃油消耗量，增加续驶里程。
·减少排放
·提高乘员舒适性
·降低成本
现以某越野车系列车型暖风系统的改进设计和优化为例，阐述汽车排气余热采暖技术（以下简称排气采暖）最新研究和应用，供国内同行们在汽车空调暖风系统设计时参考及借鉴。
1 排气采暖技术介绍
1.1 汽车采暖装置分类
目前汽车采暖装置，若按照暖风能量来源来分类，可分为：余热式、加热式。若按照加热介质来分类，余热式又可分为：液体余热式、气液组合余热式;加热式又可分为：液体加热复合式、空气加热复合式。采暖装置分类及应用车型见表1：
1.2 排气采暖原理
排气采暖属于气液组合余热式采暖系统，原理是采用汽车尾气回收技术，将发动机排气余热回收利用，通过发动机排气收集换热装置，對发动机冷却液进行二次加热 ，提高冷却液的温度，然后通过电动水泵将加热后的冷却液输送到车厢暖风散热器或发动机，再通过暖风散热器和电子风扇，利用液气温差的原理，与车内冷空气进行热交换，提升车内空气温度，实现采暖目的。
排气采暖应用原理图以大容积车厢为例，其原理图见图2;小容积车厢也可以采用排气采暖技术，提高发动机冷却液温度，具有良好的节油效果。暖风散热器只需主副驾驶暖风散热器，不需增加车厢暖风散热器。该原理图主副驾驶暖风利用发动机冷却液余热加热，其余乘员暖风采用排气采暖加热，两者为并联结构。
1.3 排气采暖暖风系统热循环模型
整个暖风系统的热循环模型可用图3来表示。
其中，主副驾驶暖风散热器散发的热量QW1在理论上就是主副驾驶暖风吸收的热量Qa1即QW1=Qa1;同理，QW4=Qa2;Qe=Qw3。由能量守恒得出：
车厢暖风散热器水侧吸收散热量为QW4=Qw2+Qw3 ;
由公式Q=V×Cp×γ×△T分别得出：
（1）主副驾驶暖风散热器水侧吸收散热量：
（2）排气收集换热装置水侧吸收热量：
（3）车厢暖风散热器水侧吸收发动机冷却液散热量：
（4）车厢暖风散热器水侧吸收总散热量：
以上公式中，V为流量;Cp为比热容;△T为温差;γ为密度。
1.4 主要部件结构及功能
排气采暖技术最核心的部件为排气采暖换热及控制总成，其结构图见图4，进口接排气管，出口接消声器。其结构由两部分组成，一部分为排气收集换热装置，其功能为：收集汽车尾气，加热发动机冷却液;一部分为排气采暖控制装置，其功能为：控制汽车尾气走向，控制发动机冷却液温度，防止其温度过高沸腾和汽化。排气采暖开关开时，根据发动机冷却液温度控制电控三通阀蝶阀的位置。需要加热时，尾气经排气收集换热装置进入消声器。不需要加热时，尾气经旁支管进入消声器;排气采暖开关关时，尾气经旁支管进入消声器。
排气收集换热装置结构图见图5。根据发动机排气流量大小和车厢容积大小，确定换热装置内部热交换芯体尺寸大小，热交换芯体气侧和冷却液侧完全密封，保证不漏气不漏水。气侧散热管组的排气流通截面积之和大于排气管流通截面积。降低气体流速，减少排气背压，增加气液热交换时间;增加散热管的数量，增加散热管表面积。气液热交换充分，热效率高。水侧最高点有除气口和除气塞，最低点有放水口和放水塞，便于加注时除气和放水。水侧侧边有进回水接头。
排气采暖控制装置采用三通控制阀结构，通道1接发动机排气管;通道2接排气收集换热装置进口;通道3接旁支管进口;排气收集换热装置出口和旁支管出口通过三通接头连接，三通接头出口接消声器。暖风的开闭通过暖风开关控制三通控制阀的执行机构来实现。暖风开时蝶阀位置图见6，蝶阀将通道3进口关闭，排气路线为：通道1-排气收集换热装置-消声器;暖风关时蝶阀位置图见7，蝶阀将通道2进口关闭，排气路线为：通道1-旁通管-消声器。
2 排气采暖应用及实施效果
2.1 排气采暖实车应用
根据以上原理及总成结构，将排气采暖系统在实车上进行了搭载，下面选两种采暖装置在某越野车上的应用效果进行对比，分析各采暖装置
的优缺点，阐述汽车排气采暖最新研究和应用成果。第一种采暖方案为原方案，采用空气加热复合式采暖装置，简称空气加热，其布置图见图8。主副驾驶利用发动机冷却液余热实现采暖，中后排乘员采用空气加热器加热车厢空气实现采暖，空气加热器结构图见图9;第二种采暖方案为改进预研方案，采用气液组合余热式采暖装置，简称排气采暖，其布置图见图10。主副驾驶采用发动机冷却液余热实现采暖，中后排乘员利用排气余热实现采暖。车厢暖风散热器结构图见图11：
2.2 两种采暖方案优缺点对比
相对于传统汽车暖风，空气加热和排气采暖两种采暖方案，具有表2所示优缺点。
2.3 采暖性能要求
2.3.1 民用车采暖性能要求
民用车采暖性能要求一般按标准GB/T12782-2007《汽车采暖性能要求和试验方法》执行。在环境温度-25±3℃中试验40min或在环境温度-15±2℃下试验35min，要求主副驾驶员足部温度不小于15℃，头部比足部低2-5℃;乘员足部不低于12℃，头部无要求。 2.3.2 军用车采暖性能要求
军用车采暖性能要求一般参照标准GJB59.37-1991《装甲车试验规程 乘员室载员室采暖性能试验》执行。在环境温度-35±2℃中试验30min，要求主副驾驶员足部温度不小于3℃，乘员足部及主副驾头部按照研制任务书中采暖性能战技指标进行评定。
2.4 采暖性能试验数据对比
空气加热和排气采暖两种采暖方案在同一车型上进行了实施并进行了采暖性能试验对比，试验数据见表3。
以下是空气加热和排气采暖两种采暖方案中后排空间的温升曲线对比：
从试验结果来看，两种方案采暖性能均达到设计要求。针对采暖标准中着重要求的脚部温度，排气采暖方案相比空气加热温度更高，升温速度更快。排气采暖方案由于发动机冷却液能量一部分被分流到后排采暖，因而主副駕驶的脚部采暖效果略有下降，但温度仍远在采暖标准之上。车厢内平均温度按乘员头部的平均温度估算，30min时排气采暖方案车厢平均温度36.8℃，空气加热方案为20.1℃;从温升过程来看空气加热直接给车内空气加热，初始温升快，而排气采暖在5分钟后的温升更快，车厢内温升幅度△T相比空气加热器更大，根据QW4=Vw2×Cpw×γw×△T可得排气采暖的总加热量更大，加热能力更强。综合比较，排气采暖性能更佳，温升更快，提供能量的潜力更大，同时由于不用消耗燃油，排气采暖方案更加经济、更节能环保。
2.5 排气采暖对整车影响
排气采暖系统在排气管中增加了换热装置，换热装置设计时，管路流通面积远大于排气管截面积，因此排气采暖系统工作时，对背压影响很小;当不使用排气采暖系统时，由于控制阀关闭，尾气不会流经换热装置，对排气背压无影响。通过背压测试，增加排气采暖后系统背压为14.8kPa，原排气系统背压为14.6kPa，均符合发动机排气背压限值的要求;因此增加排气采暖系统不会影响整车及发动机性能。
3 结论
排气采暖技术采用汽车尾气回收技术，将发动机排气余热回收利用，通过发动机排气收集换热装置和电动水泵，对发动机冷却液进行二次加热 ，提高冷却液的温度，解决极寒天气车厢暖风
能量不足的问题，与（空气加热）比，减少燃油消耗率，提高续驶里程，同时避免空气加热器工作时尾气泄漏风险和尾气排放污染;车厢内增加车厢暖风散热器和电子风扇，解决了原车暖风风道布置困难，暖风风速、温度分布不均，空气干燥和异味等问题。此项技术的研究及应用，解决了越野车辆冬季极寒地区车内采暖问题，取得了良好的暖风采暖和除霜效果，提高了乘员乘坐舒适性，同时起到节能减排的示范效果，具有广泛地推广应用价值。可以在越野车、长途客车、公交车、商用车、乘用车及工程机械等领域进行广泛地推广利用。
参考文献：
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