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【摘 要】针对燃油价格不断上涨，节能技术越来越受到人们的关注，本文就如何运用发动机余热发电、余热制暖等方面做出了研究，以提高发动机能量利用率，同时达到节能的要求。
【关键词】发动机余热 能量 利用率
目前，发动机转变为有效功的热量在燃料燃烧发热量（输入热量）中的比例为30%～ 40%，冷却水散热在输入热量中的比例为20%～25%，尾气散热在输入热量中的比例为40%～45%，也就是说，当人们驾驶汽车时，仅仅利用了1/3左右的燃料化学能， 其他2/3左右的能量则白白损失掉了，这是通过高温尾气排热和发动机的冷却水散热造成的，如果能够有效利用这部分热量，必定会在一定程度上提高发动机的能量利用率。
一、利用余热发电提高发动机能量利用率
利用半导体材料的温差电效应可以进行温差发电是一种有效地发电方式。在N型半导体中的热端，由于温度较高，电子获得了较大的能量，同时高温有利于电子的电离；而在冷端，电子所获能量较少；热端比冷端的运动剧烈。无论是电子运动程度，还是电子的浓度，热端都较之冷端高。以菲克定律为根据，热端的电子扩散到冷端，从而电子在冷端积累，从而在半导体内部形成电场；当电子热运动与电场强度平衡时，在N型半导体内形成稳定的电势差。P型半导体温差发电的原理与之相同。环境温度与高温尾气之间存在一定的温度差；半导体内存在的温度差产生了电效应，从而发出电功来驱动用电器，这样就可以回收发动机的尾气能量。目前的一个主要研究课题就是如何找到更为优质的半导体材料，从而提高热电转换效率，从而进一步提高发动机的能量利用率。
二、利用发动机余热促使蒸汽动力循环做功来提高发动机能量利用率
图1 涡轮蒸汽机构的结构
图1中为内燃机内置蒸汽机构，这是由德国宝马公司最近开发的，在宝马3系列汽车使用的1.8L的4缸发动机基础上，增加了蒸汽机构的发动机。据有关研究，扭矩、输出功率以及发动机燃油效率分别提高了20N·m、10kW和15%。目前，有关部门展开了简化部件、缩小系统尺寸等方面的工作，预计将在未来的10年内使这项技术达到了实用的水平。在上述系统中，采用的工质是乙醇和水，采用的循环模式是低温和高温两个循环模式。在高温循环模式中，在蒸汽发生器中将工质加热达到饱和状态，从而具有较高的做功参数，接着在高温膨胀器中实现了做功的输出；通过做功，在高温冷凝器中乏气将热量传给低温循环，使自身的冷凝过程得以实现，冷凝后的液体工质再通过泵返回蒸汽发生器，这样就形成了一个高温循环。在低温循环过程与上述的高温循环过程类似。在以上循环过程中，存在着发动机排气与各循环工质之间的热交换，同时还存在着在蒸汽发生器/高温冷凝器及蒸汽发生器中实现的低温循环与高温循环间、低温循环与冷却水间的热交换，从而使得余热的利用率得到了有效的提高。
要研制出微型蒸汽动力循环装置，使其能够充分利用汽车发动机余热，通过以下方式可以完成：
（1）确定后接蒸汽动力循环装置的工作条件：测试车载发动机在不同运行状态和不同工况下，排气的温度、压力、冷却水等特性参数。
（2）建立微型蒸汽动力循环装置试验系统并开展试验研究：提出微型低、中温的余热利用，根据热力学相关知识，详细分析蒸汽动力循环的系统结构，研究和设计循环系统中的主要部件。
后接蒸汽动力循环装置中需要研究的内容很多，主要有以下几个方面：
（1）后接蒸汽动力循环构型和热力过程、工质热力性质参数等基础问题；
（2）与具体车载内燃机相适应的原型蒸汽动力装置；
（3）发动机冷却水余热和排气余热特性参数随发动机运行工况的变化规律；
（4）蒸汽动力装置与内燃机的优化匹配及整个系统的电控管理。
在发动机后加装一套蒸汽动力装置，必然会增加装置的成本；且由于油价在上涨，从长远眼光来看，其产生的长期收益一定会高于成本，具有一定的经济意义。在燃料燃烧发热量中，车用发动机的余热占用的比例为2/3，是一个具有较大发展潜力的能量源。发动机的余热可以通过吸附式、吸收式制冷来进行综合利用，还可以通过取暖的方式进行利用；发动机的余热可以通过取暖或者通过吸收式、吸附式制冷进行综合利用，但由于季节和地区的差异，制冷和取暖所利用的能量是发动机余热的很小一部分。采用后接蒸汽动力循环余热利用方法与降低发动机有害排放物不矛盾，通过提高内燃机排温来提高蒸汽动力循环热效率的话，有利于降低发动机的排放。因此，研究发动机的后接蒸汽动力循环将为进一步大幅度提高现代内燃机的性能寻找一条新的途径。
参考文献：
[1]董桂田.汽车发动机排气废热的温差发电[J]. 北京节能，1997（ 4）：7-9.
[2]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
[3]宝马发动机创新技术[OL].
作者简介：郭斌峰﹙1977年3月﹚，男，河南安阳人，工程师，主要从事汽车电子控制方向的研究。
（作者单位：郑州华信学院机电工程学院）
【关键词】发动机余热 能量 利用率
目前，发动机转变为有效功的热量在燃料燃烧发热量（输入热量）中的比例为30%～ 40%，冷却水散热在输入热量中的比例为20%～25%，尾气散热在输入热量中的比例为40%～45%，也就是说，当人们驾驶汽车时，仅仅利用了1/3左右的燃料化学能， 其他2/3左右的能量则白白损失掉了，这是通过高温尾气排热和发动机的冷却水散热造成的，如果能够有效利用这部分热量，必定会在一定程度上提高发动机的能量利用率。
一、利用余热发电提高发动机能量利用率
利用半导体材料的温差电效应可以进行温差发电是一种有效地发电方式。在N型半导体中的热端，由于温度较高，电子获得了较大的能量，同时高温有利于电子的电离；而在冷端，电子所获能量较少；热端比冷端的运动剧烈。无论是电子运动程度，还是电子的浓度，热端都较之冷端高。以菲克定律为根据，热端的电子扩散到冷端，从而电子在冷端积累，从而在半导体内部形成电场；当电子热运动与电场强度平衡时，在N型半导体内形成稳定的电势差。P型半导体温差发电的原理与之相同。环境温度与高温尾气之间存在一定的温度差；半导体内存在的温度差产生了电效应，从而发出电功来驱动用电器，这样就可以回收发动机的尾气能量。目前的一个主要研究课题就是如何找到更为优质的半导体材料，从而提高热电转换效率，从而进一步提高发动机的能量利用率。
二、利用发动机余热促使蒸汽动力循环做功来提高发动机能量利用率
图1 涡轮蒸汽机构的结构
图1中为内燃机内置蒸汽机构，这是由德国宝马公司最近开发的，在宝马3系列汽车使用的1.8L的4缸发动机基础上，增加了蒸汽机构的发动机。据有关研究，扭矩、输出功率以及发动机燃油效率分别提高了20N·m、10kW和15%。目前，有关部门展开了简化部件、缩小系统尺寸等方面的工作，预计将在未来的10年内使这项技术达到了实用的水平。在上述系统中，采用的工质是乙醇和水，采用的循环模式是低温和高温两个循环模式。在高温循环模式中，在蒸汽发生器中将工质加热达到饱和状态，从而具有较高的做功参数，接着在高温膨胀器中实现了做功的输出；通过做功，在高温冷凝器中乏气将热量传给低温循环，使自身的冷凝过程得以实现，冷凝后的液体工质再通过泵返回蒸汽发生器，这样就形成了一个高温循环。在低温循环过程与上述的高温循环过程类似。在以上循环过程中，存在着发动机排气与各循环工质之间的热交换，同时还存在着在蒸汽发生器/高温冷凝器及蒸汽发生器中实现的低温循环与高温循环间、低温循环与冷却水间的热交换，从而使得余热的利用率得到了有效的提高。
要研制出微型蒸汽动力循环装置，使其能够充分利用汽车发动机余热，通过以下方式可以完成：
（1）确定后接蒸汽动力循环装置的工作条件：测试车载发动机在不同运行状态和不同工况下，排气的温度、压力、冷却水等特性参数。
（2）建立微型蒸汽动力循环装置试验系统并开展试验研究：提出微型低、中温的余热利用，根据热力学相关知识，详细分析蒸汽动力循环的系统结构，研究和设计循环系统中的主要部件。
后接蒸汽动力循环装置中需要研究的内容很多，主要有以下几个方面：
（1）后接蒸汽动力循环构型和热力过程、工质热力性质参数等基础问题；
（2）与具体车载内燃机相适应的原型蒸汽动力装置；
（3）发动机冷却水余热和排气余热特性参数随发动机运行工况的变化规律；
（4）蒸汽动力装置与内燃机的优化匹配及整个系统的电控管理。
在发动机后加装一套蒸汽动力装置，必然会增加装置的成本；且由于油价在上涨，从长远眼光来看，其产生的长期收益一定会高于成本，具有一定的经济意义。在燃料燃烧发热量中，车用发动机的余热占用的比例为2/3，是一个具有较大发展潜力的能量源。发动机的余热可以通过吸附式、吸收式制冷来进行综合利用，还可以通过取暖的方式进行利用；发动机的余热可以通过取暖或者通过吸收式、吸附式制冷进行综合利用，但由于季节和地区的差异，制冷和取暖所利用的能量是发动机余热的很小一部分。采用后接蒸汽动力循环余热利用方法与降低发动机有害排放物不矛盾，通过提高内燃机排温来提高蒸汽动力循环热效率的话，有利于降低发动机的排放。因此，研究发动机的后接蒸汽动力循环将为进一步大幅度提高现代内燃机的性能寻找一条新的途径。
参考文献：
[1]董桂田.汽车发动机排气废热的温差发电[J]. 北京节能，1997（ 4）：7-9.
[2]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M]. 北京：机械工业出版社，2000.
[3]宝马发动机创新技术[OL].
作者简介：郭斌峰﹙1977年3月﹚，男，河南安阳人，工程师，主要从事汽车电子控制方向的研究。
（作者单位：郑州华信学院机电工程学院）