汽车动力传动系的冷却润滑和排气系热能回收

魏兆平

（中国汽车技术研究中心；汽车试验研究所）

随着新能源技术的普及利用，驾乘人员对车内温湿度、空气质量和生态环境的要求提高了，某些动植物和食品等在运输过程中也有温湿度的要求。要实现高效利用车内有限的能源资源，保证发电、取暖和制冷，实现节能、低碳和降噪等功能，首先要求汽车要有优秀热力学性能、热平衡能力[1]、密封性、保温和隔声性能；其次要挖掘动力、传动和排气系统潜能，保证冷却及润滑系统工作在最佳温度和压力状态，降低摩擦副间阻力，提高内燃机热效率，有效利用冷却系统热能，使之转化为除霜除雾和冷启动等所需能量。

1 汽车冷却系统

汽车冷却系统主要指内燃机冷却系统。内燃机冷却系统性能属于汽车热力学的一部分，由散热器、膨胀水箱、防冻液、车内散热器、水滤器、风扇、水泵、水温和水压传感器、水道、水管及节温器等组成，作用是防沸、防冻、防腐、防锈、防垢、润滑系统机油降温和升温以及汽车除霜除雾等。降低工作的内燃机和润滑油温度，可以提高内燃机工作质量（减少粗暴燃烧引起的爆振、噪声和电磁干扰等）、经济性和输出功率；低温时还必须具有防冻性能和预热内燃机能力。

1.1 传热功率[2]

换热效率的计算是根据进出口防冻液温度、进出侧的气流温度以及对应的压力和流速等参数进行的；可以利用计算机模拟完成这些计算，汽车上常用流体相交的冷却方式。

如把“1”作为放热端，“2”作为吸热端，“e”代表流入，“a”代表流出，温度差为：

基本的传热功率为：

进入端的温差为：ΔTe=T1e-T2e≥0

式中：T1e，T1a——放热端流入、流出温度，K；

T2e，T2a——吸热端流入、流出温度，K；

ΔT1，ΔT2——放热端流入与流出温度差、吸热端流出与流入温度差，K；

1.2 传递给冷却介质的热量[3]

内燃机传递给冷却介质的热量包括工作循环中的工质向气缸壁及燃烧室的传热损失、废气通过排气道时传给冷却介质的热量、活塞与气缸壁磨擦产生而又传给冷却介质的热量以及从润滑油传给冷却介质的热量等，用公式表示为：

式中：Qs——传递给冷却介质的热量，kJ/h；

Gs——通过内燃机冷却介质每小时的流量，kJ/h；

cs——冷却介质比热，kJ/kg·℃；

t1，t2——内燃机上冷却介质的入口和出口温度，℃。

1.3 防冻液散发的最大热量和相应的最大允许温差

《德国汽车理论》统计的防冻液所能散发的最大热量值和相应的最大允许温差，如表1 所示[2]。

表1 防冻液所能散发的最大热量值和相应的最大允许温差

2 汽车润滑系统

2.1 内燃机润滑系统

根据燃料类型和工作环境温度等不同，选择不同型号和品牌的机油。为提高润滑效果，需测量机油温度、黏度、压力和使用量，使机油黏度在最佳点和摩擦表面间油膜的摩擦阻力最小。在汽车可靠性行驶试验（或内燃机耐久性台架实验）时需加装润滑油温度、压力和粘度传感器，以便测量在不同载荷、地区、气候和路况等严酷行驶工况（如南极地区）下，润滑系统机油温度与行驶车速的关系曲线，测量机油消耗量，保证润滑油黏度在高效利用区，以期获得高性能机油，取得最佳润滑、冷却效能和经济性。同时要根据摩擦副之间工作温度、负荷、金相和材料组织等环境条件正确选用润滑脂，现在汽车上多数选用锂基润滑脂。

2.2 变速箱（分动器）和驱动桥的润滑[4]

2.2.1 机械式传动系统齿轮油

设计、制造水平的提高，使变速箱（分动器）和驱动桥的转速及扭矩分配得到了精确控制，传动效能提升很快。但是优秀的润滑方法和高品质润滑、冷却用齿轮油是不可忽视的，精确地掌握齿轮油用量、温度和使用期限，对减少传动摩擦副间啮合阻力、高温及噪声，提高传动效率和齿轮使用寿命仍很关键。根据变速箱形式和承受的工作负荷等正确选用齿轮油，提高测量技术和增加几个齿轮的油温度及粘度传感器，会减少传动事故和损失，提高动力学性能和传动系统效率。

2.2.2 自动变速器液力传动油

液力传动油又叫汽车自动变速器油（ATF），是液力变矩器和液力耦合器的工作介质；作用是传递动力，对齿轮和轴承等摩擦副进行润滑以及在伺服机构中起到液压自动控制的作用。

使用性能：1）适当的黏度和黏温性；2）良好的热氧化安定性；3）良好的抗磨性；4）良好的抗泡沫性。根据车型不同，选择不同型号的液力传动油，使用过程中经常检查油面高度、黏度和油温是否在正常范围，定期更换，且不同型号不能混用。

2.3 驱动电机的润滑

新能源汽车的利用，使得驱动电机扮演的角色也越来越重要，驱动电机要具有很好的绝缘系统及轴承系统等[5]。驱动电机转速高，电机轴及轴承系统承受的负荷很大，轴和轴承之间滚动摩擦阻力不可忽视，使用的材料性能（润滑、冷却及密封性）要求苛刻。轴承等润滑阻力减小，会减小振动及噪声，提高电机功率和可靠性；驱动电机轴承润滑结构使用的是循环供油润滑，散热效果更好。

3 汽车排气系统

3.1 排气系统简介

汽车上使用的液冷式内燃机，其输出的机械能占燃料燃烧总能量约34%，冷却系统约占33%，且只有小部分得到使用，排气系统损失的热能约占总能量的33%。南方地区几乎全年及北方地区的夏季，汽车冷却及排气系统的热能都白白损失掉了。局部高温引起内燃机燃料供给系统燃油蒸发、产生气阻（汽油机），使夏天驾乘舱温度过高，电子线束等高分子零部件过热老化，绝缘能力、润滑功能和效率下降等，造成了环境污染及气候恶化，少数零部件早期损坏以及安全性下降等。冬天东北寒冷地区，客车单靠冷却系统余热功率供应暖风有些不足，增设独立附加取暖装置不经济，因此理论计算排气系统热能，并研发装置使用，是节能和减排的重点。

3.2排气系统热量计算[3]

内燃机排放的废气温度很高且流量大，蕴含的热量（QR/（kJ/h））巨大，计算公式为：

式中：Gr，Gk——每小时消耗的燃料量和空气量，kg/h；

cpr，cp——废气和空气的定压比热，kJ/kg·℃；

t2——靠近排气门处的废气温度，℃；

t1——进气管入口处的工质温度，℃。

3.3 排气系统热能的开发利用

排气系统的热能冬天可用于汽车取暖及除霜除雾等调节车内环境温度，将热能通过蒸汽机技术等转化成机械能及电能等，辅助车上发动机、灯、加湿器及媒体播放器等设备；或将热能储存起来，提高废气热能的利用率，促进产品升级，提高内燃机升功率和经济性，降低环境温度以及抑制气候恶化。利用装置增加热能回收，会增加成本及汽车质量，但可以夏季不使用时拆掉，冬天使用时再装上。增设内燃机排气系统热能回收，利用装置的理论、技术分析和计算能力研究，使进入催化转换器和消声器的废气温度及能量下降，排气污染物排放、噪声及电磁干扰等有望进一步降低。

一辆安装净功率78 kW、排量1.5 L 四缸汽油机的轿车，转速2 500 r/min 左右时排气歧管处废气温度约700 ℃，压力约115 kPa，歧管内径40 mm，排除废气约1 875 L/min，高温废气密度约为1.012 kg/m3，排除废气的质量流量为1.898 kg/min；设计发明的热能利用装置，出口温度在160 ℃左右、温差360 ℃左右的热能可以利用，有效使用废气30%的热能将成为可能，相当于汽车净功率增加了约1/4 大于安装增压装置提高和独立暖风回收的功率。

利用内燃机台架试验研发排气系统的热能回收装置，可以缩短研发周期、减少成本，技术成熟后可以普及到汽车上。

4 冷却润滑和排气系技术性能提升对环境的改善

内燃机冷却及润滑效率的提高，提升了热效率、汽车除霜除雾能力以及乘车环境舒适性和安全性，其故障率、能耗和成本下降，汽车之间的电磁干扰减少，可靠性和耐久性延长，维修及保养费用降低且更趋规范化，综合能耗下降约2%。另外燃烧科学化（氧传感器、直喷分层充分燃烧、增压装置及点火技术等），会使内燃机的电磁辐射、排气污染物排放和工作噪声降低，排气控污成本和消声损失功率下降。不完全统计能减排、降噪7%左右，环境改善贡献率至少提高2%。

粗略统计，如果1.2 亿辆汽车有效使用排气系统热能回收技术、装置，每年将为国家节约大约1 000 万吨煤，创造50 万个就业岗位，雾霾天气将不存在。环保技术标准的提升为国家GDP、个人收入增长以及国人接受教育、培训和健康指数贡献各提高0.2%，劳动者技能和效率将得到有效提升，延缓和控制环境温度升高造成的生态恶化，实现研发技术转化为生产力强国梦。

5 结论

文章理论分析了汽车冷却系统的传热功率和排气系统蕴含的热量，检测冷却及润滑系统温度和压力，确定汽车最优冷却及润滑方法，提高了防冻液及润滑油质量且降低了消耗量；提升了内燃机燃烧热效率、输出功率和经济性，同时获得除霜和除雾性能要求，降低了电磁波损害、碳排放和噪声。排气系统热能回收技术与装置利用，将提高驾乘舱环境舒适性和能源利用率，利于安全行车并为社会创造财富。