主动排气余热回收系统解决方案

J.STANAVICH R.BELLARD B.KUNKEL

随着温室气体法规持续收紧，出现了很多改善发动机效率的方案，其中包括废气余热回收。冷起动时，发动机催化器下游的废气通过旁通阀导入热交换器中，将其热量传递给冷却液以加速发动机暖机。这种方式有诸多优点，包括减少燃油消耗，随温度升高可提高发动机效率。此外，这种方式在较冷气候条件下具有更大优势，能够加速挡风玻璃除霜，提高安全性和舒适性，特别是结合混合动力模式需求发动机单独对车厢加热时。这类产品推向市场已经若干年，但是产品体积大、质量大、价格昂贵，这些情况为有竞争力的替代产品留出了发展机会。客户希望不太复杂的设计就可减少外形尺寸、质量和零件数量（即成本），同时保持或改善性能，包括集成1个主动式旁通控制阀。重点介绍了1种排气余热回收系统设计，包括与商用产品的对标，通过建模、台架和车辆测试等各方面进行性能对比。此外，还关注了性能提高，得到1种轻量化、易于包装、并且包含组件数量显著降低的产品。应用阀和执行器均具有几十年的主动和被动式排气阀商业化经验，以确保耐久性并避免异响。因每年有数百万个排气阀使用执行器，各种阀门技术元件的重合也可从供应链中获得商业利益，并正处于不断改进之中。例如，进一步减少外形体积和系统成本，特别是在混合动力继续加大空间和经济性限制时。余热回收;废气;混合动力;发动机

0 前言

随着温室气体法规持续收紧，汽车生产商对各种燃油经济性改善措施产生了浓厚兴趣。由于大量热量被释放而不是再利用，废气余热回收被认为是效率改善措施的潜在来源。然而，冷起动过程中利用余热已经商业化，少数客户已经推出余热回收系统（EHRS）[1]。将带有旁通阀的冷却液热交换器集成到排气系统中，以加快发动机预热，并使其更快有效运转，在法定循环中使燃油经济性平均提高1%～2%，在冷环境循环（FTP20）中效益达到最高[2]。此外，这些产品不仅提高效率，而且加速除霜和車厢加热，提高安全性和舒适性。这对混合动力在寒冷气候下的应用特别有利，因为需要运转发动机为乘客供暖，这样不仅为乘客带来舒适感，而且由于发动机运行时间缩短，在非循环燃油经济性方面也有显著改善。

如图1所示，市场上的许多EHRS产品由于体积大、质量大，但并非最优。汽车生产商承认紧凑设计的重要性，但须坚固耐用，无泄漏或噪声，并且能够在广泛的热边界和振动频率范围内运行。主动式阀门控制也很有意义，因为其对所需阀门位置进行了必要的控制，而不仅仅依赖于冷却液温度。系统质量和压力降必须是最小的，因需要提高效率而不是恶化效率。最后，系统的复杂性必须最小化，因为保持零件数量最小化极大地影响了成本。本文提供了1种具有竞争力的高质量解决方案。

1 设计

本研究EHRS包括1台热交换器、1个旁通阀和1个执行器。热交换器用于将废气热量传送到发动机冷却液，旁通阀用于冷起动时将废气输送到热交换器，执行器用于控制阀门位置。图2给出了1套本研究提出的EHRS的不同部件，以及由冲压上壳和下壳组成的外壳。热交换器的大小取决于其效能及特定运行条件下所需的传热。类似热交换器，虽然比较大，仍然在废气再循环（EGR）系统中应用[3]。当旁通阀开启时，废气旁通不经热交换器管路。当旁通阀关闭时，迫使废气流进入热交换器，旁通不起作用。旁通阀在2个位置的密封都重要，因为在不需要热量的条件下将热量传递到发动机冷却液，或者在需要热量时没有将热量潜在优势发挥最大化都是不可取的。类似阀门包括主动式阀门和被动式阀门，以多种形式商业化，已经向市场投入上百万台[4]。阀门需要通过1台执行器进行控制，电子执行器能实现自动的主动式控制。这种电子执行器是上述商业化阀门的部分之一。一旦气缸停缸，将通过主动控制阀门调谐声波，并在需要时打开气流增加功率。对执行器的电子器件来说，温度是1种关键限值。由于排气系统超出这些限值，如何集成是关键。这3个部件（热交换器、旁通阀、阀门执行器）共同构成EHRS，但是热交换器的大小对系统体积有很大影响，其所需的传热性能值得仔细研究。

热交换器的大小取决于所需传热量，因此更多的传热量通常需要更大的体积。假设热交换设计方法一致，如外壳、管路或平板。采用更小体积传递更多热量一直是关注热点，但是必须与2种流体的压降相平衡。传热量取决于废气流量和温度，这些高度依赖于工作循环，即车辆和发动机如何运行。采用1辆丰田普锐斯测量循环和非循环下的进气质量流量，输出值如图3所示，近似于废气流量。FTP20结果表明，95%时间质量流量小于54 kg/h，尽管非循环结果几乎增加了1倍，但数值仍相对较低。这些测量的质量流量条件通过限制其预期运行范围限制了EHRS的预期使用，并且通过目标尺寸来控制灵敏度。

EHRS应用定位于使设备最大限度提高热回收潜力，而不会对排放产生不利影响，比较适合置于催化器和颗粒捕集器的下游，及各声学装置的上游。设备大小适应于大约300 hp①发动机，预计会在混合动力乘用车上应用，这类车型将成为未来最大汽车市场[5]。热交换器位于旁通阀管旁，保持较低轮廓，以使安置考虑阀门位置，废气可向下游流动，同时保持压力降最低。试验将执行器连接到系统旁的阀轴上，热交换器放置在顶部，执行器放置在侧面，这是因为如果执行器放置在顶部，随着热量升高，更易受高温影响;如果放置于底部，易受路面和石块冲击。旁通阀布置方式可使热交换器旁通时，气流直接通过，以尽量减少压力降。考虑到大多数时间旁通，仅在冷起动阶段旁通阀发生动作。冷起动过程并不须关注背压，因为发动机并不常处于高速和高负荷状态。尽管如此，背压也不宜过高。如果发动机在冷起动过程中偶尔有高负荷需求，主动阀将提供1种调节手段。

系统的复杂性导致成本增加，零件数量通常表明系统的复杂性。集成多功能组件有助于减少零件数量。简单的设计和较少的组件能减少制造误差，提供更具鲁棒性的过程[6-7]。在设计中必须考虑到确保连接部位的可接近性，通过与其他对标产品对比零件数量，显示出产品的设计简单性和和低成本潜力。图4显示，本研究提出EHRS总成和外形尺寸，并与对标产品比较体积、质量和零件数量。本产品体积均小于对标产品，除了采用被动式执行器而不是电子执行器的对标产品。本产品质量比对标产品降低超过25%，所有测量均不包括冷却液和进出口冷却管路。同样，本产品零件数量也比零件最少的对标产品少25%，比零件最多的对标产品少40%。将零部件设计纳入排气制造规范内也是很有帮助的。使用钣金冲压件，以及包括熔化极惰性气体保护焊（MIG）和激光焊在内的焊接方式，实现制造设备和供应商采供网络。图5为普锐斯排气系统的EHRS，将本产品（图5（a））与丰田商业化的基准设计（图5（b））进行比较，本产品传热性能与基准相同，但具有明显的封装收益。

在冷起动过程中，当旁通阀关闭，热交换作用时出现热渗漏是不可接受的。由于减少了热交换，一部分热能从关闭的旁通阀旁散出。在旁通模式时热渗漏也是不可接受的，因为这会引起发动机过热。这取决于其重要性和工作循环，如夏季高温天气拖车牵引上山。因此，控制冷却液吸收的热量非常重要，特别是在旁通模式和极端条件下运行时。

提高阀门密封性能的1项重要设计改进工作是利用整体铸造阀体保持与轴承的同轴度，该同轴度比现有多组件阀门总成同轴度要高（图6（a））。与一体式铸造阀体相比，多零件总成连接由于需要较小的组件公差和精密连接方法，导致成本升高。一体式铸造除了降低零件和制造成本，也具有性能方面的优势。阀体设计为轴和阀门密封面之间提供更严格的定位公差，从而在旁通阀关闭时减少排气渗漏，但不一定无渗漏。限定轴的轴向不重合度也可降低阀门旋转阻力，这既提高噪声-振动-平顺性（NVH）性能，也可降低电子执行器停转的可能性。阀门轴承提供磨损保护，以及在运行条件下适当保持，从而避免异响，并确定相关轴承商业应用和性能验证。

在阀板总成中使用金属丝网垫，提供经济的密封性能，并在阀门移动到其开启和关闭位置时控制接触噪声。金属丝网垫夹在阀板周围，用1块坚硬支撑板铆接住。当确定网格密度时，阀门渗漏率和NVH性能之间出现设计折中。阀板装配方法也会影响阀门泄漏。1种常见的阀门构造方法是将网组件摩擦焊到坚固的支撑板上。然而，在焊接点位置会出现局部组件变形，这导致邻近焊接位置的网垫和支撑板之间形成间隙，或者由于形成焊点熔核导致网格密封表面积减少。二次渗漏路径对整个系统性能的影响大小与焊接位置和数量相关。为了消除装配方法产生的渗漏，开发了铆接阀板总成，将网垫固定在支撑板上，且没有测量到变形或密封表面积减少。网垫采用双密度设计，铆接板下区域密度更高，以防止压紧力随时间变化。

2 分析

了解集成EHRS后的应用敏感性及其对收益的影响，有助于说明各种设计参数的重要性。车辆建模用于研究不同热交换器尺寸、热质量、旁通阀渗漏对循环的影响。车辆建模还可以量化车辆应用影响，如发动机大小、车辆质量如何影响EHRS益处。

研究人员采用0/1D建模软件GT Suite生成车辆模型，将2016款丰田普锐斯和自身EHRS设计作为基准。带有和不带有EHRS的FTP20循环的结果显示，带有EHRS时发动机预热冷却液温度达到60 ℃的时间有160 s的收益，这时车厢温度为舒适的20 ℃。图7为循环开始600 s内的基准点，并与热交换器尺寸或者传热表面积加减小20%和40%的情况进行对比。尺寸减小40%导致加热时间增加83 s，但在600 s时温度仅降低4 ℃。图8为旁通阀渗漏对暖机性能的影响，包括0%、5%、10%和15%泄漏率。整个范围内热差异较小，在600 s时低于3 ℃，加热过程相差30 s。图9给出了40%变化幅度热质量差异的影响，以模拟EHRS质量影响。该差异引起的加热时间差异小于5 s，且600 s时温差可忽略。这表明质量不是影响暖机性能的关键因素;另一方面，质量仍是影响车辆质量的重要因素，能够影响燃油经济性。这些差异展示了对性能的影响，但收益重要性仍有待商榷，特别是当权衡其他优先事项时，如成本和外形空间。

除了普锐斯（小型车）以外，研究人员对另外3种车辆进行建模，以评估车辆大小的影响，其中包括1辆中型车、1辆紧凑型多用途车（CUV）和1辆小型货车。3种车辆均采用普锐斯基准EHRS。图10说明小型车和中型车的表现相似，CUV和小型货车的预热更快。这可能是由于较大的车辆质量、更大的发动机和更大的风阻系数导致发动机在更大负荷下运转。基于这些敏感性模型，可减小热交换器尺寸以改善外形而无显著性能损失，较大车辆和发动机通常无需配备大热交换器。

同时，本研究致力于了解混合动力运行策略对集成EHRS收益的影响。研究人员再次使用GT Suite软件搭建1台车辆模型，应用中型车辆P0拓扑量化运行策略对发动机暖机时EHRS收益的影响。模型包括1个车辆，该车辆带有内燃机（排量1.5 L，功率110 kW，涡轮增压直喷）、变速箱、电机、可荷电状态监测的电池，以及断开发动机和电动机的离合器。循环仍选择FTP20，这是因为在20 °F（华氏温度）较冷环境温度时更激进。应用2个动力系统运行策略，会影响到循环中的发动机起停。1种策略（策略A）允许在预热阶段使用发动机和电机，减小电池电量。另1种策略（策略B）仅允许预热阶段使用发电机，不使用电机，增大电池电量。图11显示电池在整个循环过程中的荷电状态（SOC），说明预热阶段消耗（策略A）和存储（策略B）电功率的影响。图12说明整个循环电机功率响应差异，显示策略A早期使用电池，功率输出为正。循环中发动机扭矩也说明运行策略之间的差异，观察到策略A在循环后段需要更多发动机操作（图13）。

图14总结了运行策略对整个循环功率来源分布的影响，显示策略B中仅使用电机运行比仅使用内燃机略少。然而，仔细观察循环最初800 s（图13）显示策略B仅使用电机运行要少得多。策略A的百公里燃油消耗为5.21 L，策略B的百公里燃油消耗为5.02 L，显示出一些运行策略敏感度。如图15所示，无论如何，2种系统均显示EHRS集成的收益。图中绘制在循环过程中2种系统带有和不带有EHRS的发动机冷却液温度。节温器在80 ℃时开启，可作为对比性能的目标温度。在策略A中，EHRS使发动机暖机加快600 s，策略B中暖机加速300 s。当2种系统均使用EHRS时，策略A中发动机暖机比策略B快125 s。在不带有EHRS情况下，两者之间的差异更大。2种运行策略均通过EHRS加快暖机获得了收益，但策略A从EHRS获得的收益肯定比策略B更多，说明了EHRS对运行策略的依赖。

3 测试和结果

研究人员在提出的EHRS及对标产品上进行了多种测试，在1个流动试验台上准确量化EHRS部件特性，如压力降和传热，分析排气及发动机冷却液这2种流体的稳态质量流量和温度以对比期望值。在有限环境条件范围内，研究人员在流动试验台上评估热泄漏。图16显示了EHRS试验台设置。图17显示在350 ℃排气温度下EHRS传热性能对比。本研究提出EHRS的尺寸按照传熱量类似于基准普锐斯EHRS（样品C）选取，进行类似测试到50 kg/h。在较高排气质量流量下，实测传热减少是由于关闭的旁通阀周围出现渗漏。然而，这些渗漏仅出现在高质量流速条件下，在FTP20循环过程中出现时间少于5%。图18显示在350 ℃排气温度条件下样品压力降对比，表明压力降取决于流量。同样，超过50 kg/h能够明显看到热渗漏影响。由于提出的EHRS使背压没有像其他样品一样显著提高，样品D表现异常出色，但这是以零件数量最多的状态换来的。

在旁通模式下，系統的热渗漏和压力降是最重要的，因为这种模式最常用。图19对比了旁通模式下的热渗漏，量化了传递到冷却液的热量。本研究提出的EHRS最低，通过使用旁通阀板密封热交换器入口，从而减少传热。此外，将阀门位置设计在流动路径以外，限制流体作用力，从而最小化渗漏可能性。图20比较了在600 ℃温度下不同流量不同EHRS系统的背压，表明了本研究提出的EHRS具有极低值，这是因为研究人员特意设计为气流直接通过而没有节流以最小化背压。

在法定和非法定工作循环条件下，研究人员应用车辆以测量发动机暖机响应、车厢加热和除霜定时，以及燃油经济性。根据FPT20进行了2个在线循环排放试验，以及车辆除霜测试。首先，研究人员3次测试带有原厂EHRS的2016款丰田普锐斯，结果油耗平均值为46 mile/gal。随后，禁用EHRS（旁通）用来验证其在燃油经济性方面的影响，油耗降低到42 mile/gal，证明原厂EHRS带来10%左右的收益（表1）。安装本研究提出的EHRS，取代OEM系统，并再次完成3次测试，结果油耗平均值为53 mile/gal。在禁用EHRS条件下重新进行基准车辆测试，结果燃油耗为45.5 mile/gal，显示本研究提出的EHRS燃油经济性提高16%。2次车辆测试间隔时间超过了1年。尽管探究了多种可能性，但由于一些不确定因素，车辆燃油经济性有实质性改善。然而，EHRS的收益是相对明确的，无论热交换器尺寸、质量或结构复杂性，燃油经济性提高10%以上。

4 结论

本文提出了优化后的EHRS系统，并与已经投放市场的其他产品进行了若干特性的对比，验证了整体性能改进。研究人员完成对标以量化当前产品，并提取客户反馈以确定设计约束优先级，对关键设计参数进行量化分析并通过部件试验台和整车测试进行确认。本研究确定系统内部件，包括热交换器、旁通阀和阀门执行器，认识到复用的收益并从成功的商业化产品鲁棒性中获得信心。此外，通过强调设计中最小零件数量降低产品复杂性，这是成本设计的关键因素。本文详细介绍和展示了1款先进产品，与已有系统相比，在丰田普锐斯上更易于封装。本研究确认了系统收益，包括加速车厢加热和除霜，以及加速发动机暖机，从而获得实测油耗降低。

本研究建议对EHRS系统进一步加强设计，提出更紧凑的封装、改善换热效率，从而进一步减少外形尺寸。微通道热交换器可显著减少体积，但成本暂时没有竞争力，因为其制造过程需要蚀刻和扩散粘结或3D打印。阀门密封也必须经过进一步改进，将排气渗漏减少到可忽略的数量级，增加启用时传递热量，减少旁通时的热渗漏。研究考虑改善渗漏的成本与收益，权衡NVH等其他性能，考虑替代材料和规格优化等。

[1]2017 and later model year light-duty vehicle greenhouse gas emissions and corporate average fuel economy standards[S]. Federal Register 77， 199， October 15.

[2][OL]. https：//www.govinfo.gov/content/pkg/FR-2012-10-15/pdf/2012-21972.pdf.

[3]MURATA T， NAKAGAWA T， NISHINO H， et al. Efficiency improvement in exhaust heat recirculation system[C]. SAE Paper 2016-01-0184.

[4]FISCHER M， KREUTZIGER P， SUN Y， et al. Clean EGR for gasoline engines-innovative approach to efficiency improvement and emissions reduction simultaneously[C]. SAE Paper 2017-01-0683.

[5][OL]. https：//www.tenneco.com/tenneco_introduces_new_modular_electronic_exhaust_valves_at_2017_iaa_show/.

[6][OL]. https：//www.prnewswire.com/news-releases/global-hybridvehicle-industry-300936314.html.

[7]SAHOO D， GARDNER T， WHYATT G. Micro-channel heat exchanger： an exhaust waste heat recovery device[C]. SAE Paper 2018-01-0052.