隨著溫室氣體法規持續收緊，出現了很多改善發動機效率的方案，其中包括廢氣余熱回收。冷起動時，發動機催化器下游的廢氣通過旁通閥導入熱交換器中，將其熱量傳遞給冷卻液以加速發動機暖機。

這種方式有諸多優點，包括減少燃油消耗，隨溫度升高可提高發動機效率。此外，這種方式在較冷氣候條件下具有更大優勢，能夠加速擋風玻璃除霜，提高安全性和舒適性，特別是結合混合動力模式需求發動機單獨對車廂加熱時。

這類產品推向市場已經若干年，但是產品體積大、質量大、價格昂貴，這些情況為有競爭力的替代產品留出了發展機會。客戶希望不太復雜的設計就可減少外形尺寸、質量和零件數量（即成本），同時保持或改善性能，包括集成1個主動式旁通控制閥。

重點介紹了1種排氣余熱回收系統設計，包括與商用產品的對標，通過建模、臺架和車輛測試等各方面進行性能對比。此外，還關注了性能提高，得到1種輕量化、易于包裝、并且包含組件數量顯著降低的產品。

應用閥和執行器均具有幾十年的主動和被動式排氣閥商業化經驗，以確保耐久性并避免異響。因每年有數百萬個排氣閥使用執行器，各種閥門技術元件的重合也可從供應鏈中獲得商業利益，并正處于不斷改進之中。例如，進一步減少外形體積和系統成本，特別是在混合動力繼續加大空間和經濟性限制時。

0 前言

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隨著溫室氣體法規持續收緊，汽車生產商對各種燃油經濟性改善措施產生了濃厚興趣。由于大量熱量被釋放而不是再利用，廢氣余熱回收被認為是效率改善措施的潛在來源。然而，冷起動過程中利用余熱已經商業化，少數客戶已經推出余熱回收系統（EHRS）。

將帶有旁通閥的冷卻液熱交換器集成到排氣系統中，以加快發動機預熱，并使其更快有效運轉，在法定循環中使燃油經濟性平均提高1%~2%，在冷環境循環（FTP20）中效益達到最高。此外，這些產品不僅提高效率，而且加速除霜和車廂加熱，提高安全性和舒適性。

這對混合動力在寒冷氣候下的應用特別有利，因為需要運轉發動機為乘客供暖，這樣不僅為乘客帶來舒適感，而且由于發動機運行時間縮短，在非循環燃油經濟性方面也有顯著改善。

如圖1所示，市場上的許多EHRS產品由于體積大、質量大，但并非最優。汽車生產商承認緊湊設計的重要性，但須堅固耐用，無泄漏或噪聲，并且能夠在廣泛的熱邊界和振動頻率范圍內運行。主動式閥門控制也很有意義，因為其對所需閥門位置進行了必要的控制，而不僅僅依賴于冷卻液溫度。

系統質量和壓力降必須是最小的，因需要提高效率而不是惡化效率。最后，系統的復雜性必須最小化，因為保持零件數量最小化極大地影響了成本。本文提供了1種具有競爭力的高質量解決方案。

圖1 不同已有的商業化對標EHRS應用

1 設計

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本研究EHRS包括1臺熱交換器、1個旁通閥和1個執行器。熱交換器用于將廢氣熱量傳送到發動機冷卻液，旁通閥用于冷起動時將廢氣輸送到熱交換器，執行器用于控制閥門位置。圖2給出了1套本研究提出的EHRS的不同部件，以及由沖壓上殼和下殼組成的外殼。熱交換器的大小取決于其效能及特定運行條件下所需的傳熱。

類似熱交換器，雖然比較大，仍然在廢氣再循環（EGR）系統中應用。當旁通閥開啟時，廢氣旁通不經熱交換器管路。當旁通閥關閉時，迫使廢氣流進入熱交換器，旁通不起作用。

旁通閥在2個位置的密封都重要，因為在不需要熱量的條件下將熱量傳遞到發動機冷卻液，或者在需要熱量時沒有將熱量潛在優勢發揮最大化都是不可取的。類似閥門包括主動式閥門和被動式閥門，以多種形式商業化，已經向市場投入上百萬臺。

閥門需要通過1臺執行器進行控制，電子執行器能實現自動的主動式控制。這種電子執行器是上述商業化閥門的部分之一。一旦氣缸停缸，將通過主動控制閥門調諧聲波，并在需要時打開氣流增加功率。

對執行器的電子器件來說，溫度是1種關鍵限值。由于排氣系統超出這些限值，如何集成是關鍵。這3個部件（熱交換器、旁通閥、閥門執行器）共同構成EHRS，但是熱交換器的大小對系統體積有很大影響，其所需的傳熱性能值得仔細研究。

圖2 組件設計和應用材料

熱交換器的大小取決于所需傳熱量，因此更多的傳熱量通常需要更大的體積。假設熱交換設計方法一致，如外殼、管路或平板。采用更小體積傳遞更多熱量一直是關注熱點，但是必須與2種流體的壓降相平衡。

傳熱量取決于廢氣流量和溫度，這些高度依賴于工作循環，即車輛和發動機如何運行。采用1輛豐田普銳斯測量循環和非循環下的進氣質量流量，輸出值如圖3所示，近似于廢氣流量。

FTP20結果表明，95%時間質量流量小于54 kg/h，盡管非循環結果幾乎增加了1倍，但數值仍相對較低。這些測量的質量流量條件通過限制其預期運行范圍限制了EHRS的預期使用，并且通過目標尺寸來控制靈敏度。

圖3 在豐田普銳斯上測量的循環質量流量（a）和非循環質量流量（b）

EHRS應用定位于使設備最大限度提高熱回收潛力，而不會對排放產生不利影響，比較適合置于催化器和顆粒捕集器的下游，及各聲學裝置的上游。設備大小適應于大約300 hp發動機，預計會在混合動力乘用車上應用，這類車型將成為未來最大汽車市場。熱交換器位于旁通閥管旁，保持較低輪廓，以使安置考慮閥門位置，廢氣可向下游流動，同時保持壓力降最低。

試驗將執行器連接到系統旁的閥軸上，熱交換器放置在頂部，執行器放置在側面，這是因為如果執行器放置在頂部，隨著熱量升高，更易受高溫影響；如果放置于底部，易受路面和石塊沖擊。旁通閥布置方式可使熱交換器旁通時，氣流直接通過，以盡量減少壓力降。

考慮到大多數時間旁通，僅在冷起動階段旁通閥發生動作。冷起動過程并不須關注背壓，因為發動機并不常處于高速和高負荷狀態。盡管如此，背壓也不宜過高。如果發動機在冷起動過程中偶爾有高負荷需求，主動閥將提供1種調節手段。

系統的復雜性導致成本增加，零件數量通常表明系統的復雜性。集成多功能組件有助于減少零件數量。簡單的設計和較少的組件能減少制造誤差，提供更具魯棒性的過程。在設計中必須考慮到確保連接部位的可接近性，通過與其他對標產品對比零件數量，顯示出產品的設計簡單性和和低成本潛力。

圖4顯示，本研究提出EHRS總成和外形尺寸，并與對標產品比較體積、質量和零件數量。本產品體積均小于對標產品，除了采用被動式執行器而不是電子執行器的對標產品。本產品質量比對標產品降低超過25%，所有測量均不包括冷卻液和進出口冷卻管路。

同樣，本產品零件數量也比零件最少的對標產品少25%，比零件最多的對標產品少40%。將零部件設計納入排氣制造規范內也是很有幫助的。使用鈑金沖壓件，以及包括熔化極惰性氣體保護焊（MIG）和激光焊在內的焊接方式，實現制造設備和供應商采供網絡。

圖5為普銳斯排氣系統的EHRS，將本產品（圖5（a））與豐田商業化的基準設計（圖5（b））進行比較，本產品傳熱性能與基準相同，但具有明顯的封裝收益。

圖4 體積、質量和零件數量的設計對比

圖5 豐田商業化的EHRS與普銳斯EHRS對比

在冷起動過程中，當旁通閥關閉，熱交換作用時出現熱滲漏是不可接受的。由于減少了熱交換，一部分熱能從關閉的旁通閥旁散出。在旁通模式時熱滲漏也是不可接受的，因為這會引起發動機過熱。這取決于其重要性和工作循環，如夏季高溫天氣拖車牽引上山。

因此，控制冷卻液吸收的熱量非常重要，特別是在旁通模式和極端條件下運行時。提高閥門密封性能的1項重要設計改進工作是利用整體鑄造閥體保持與軸承的同軸度，該同軸度比現有多組件閥門總成同軸度要高（圖6（a））。

與一體式鑄造閥體相比，多零件總成連接由于需要較小的組件公差和精密連接方法，導致成本升高。一體式鑄造除了降低零件和制造成本，也具有性能方面的優勢。閥體設計為軸和閥門密封面之間提供更嚴格的定位公差，從而在旁通閥關閉時減少排氣滲漏，但不一定無滲漏。

圖6 帶有軸承座（a）和閥板總成（b）的EHRS旁通閥體

限定軸的軸向不重合度也可降低閥門旋轉阻力，這既提高噪聲-振動-平順性（NVH）性能，也可降低電子執行器停轉的可能性。閥門軸承提供磨損保護，以及在運行條件下適當保持，從而避免異響，并確定相關軸承商業應用和性能驗證。

在閥板總成中使用金屬絲墊，提供經濟的密封性能，并在閥門移動到其開啟和關閉位置時控制接觸噪聲。金屬絲網墊夾在閥板周圍，用1塊堅硬支撐板鉚接住。當確定網格密度時，閥門滲漏率和NVH性能之間出現設計折中。

閥板裝配方法也會影響閥門泄漏。1種常見的閥門構造方法是將網組件摩擦焊到堅固的支撐板上。然而，在焊接點位置會出現局部組件變形，這導致鄰近焊接位置的網墊和支撐板之間形成間隙，或者由于形成焊點熔核導致網格密封表面積減少。

二次滲漏路徑對整個系統性能的影響大小與焊接位置和數量相關。為了消除裝配方法產生的滲漏，開發了鉚接閥板總成，將網墊固定在支撐板上，且沒有測量到變形或密封表面積減少。網墊采用雙密度設計，鉚接板下區域密度更高，以防止壓緊力隨時間變化。

2 分析

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了解集成EHRS后的應用敏感性及其對收益的影響，有助于說明各種設計參數的重要性。車輛建模用于研究不同熱交換器尺寸、熱質量、旁通閥滲漏對循環的影響。車輛建模還可以量化車輛應用影響，如發動機大小、車輛質量如何影響EHRS益處。

研究人員采用0/1D建模軟件GTSuite生成車輛模型，將2016款豐田普銳斯和自身EHRS設計作為基準。帶有和不帶有EHRS的FTP20循環的結果顯示，帶有EHRS時發動機預熱冷卻液溫度達到60 ℃的時間有160 s的收益，這時車廂溫度為舒適的20 ℃。圖7為循環開始600 s內的基準點，并與熱交換器尺寸或者傳熱表面積加減小20%和40%的情況進行對比。

圖7 對比熱交換器尺寸（傳熱表面積）影響的車輛模擬結果

尺寸減小40%導致加熱時間增加83 s，但在600 s時溫度僅降低4 ℃。圖8為旁通閥滲漏對暖機性能的影響，包括0%、5%、10%和15%泄漏率。整個范圍內熱差異較小，在600 s時低于3 ℃，加熱過程相差30 s。

圖8 對比旁通閥滲漏影響的車輛模擬結果

圖9給出了40%變化幅度熱質量差異的影響，以模擬EHRS質量影響。該差異引起的加熱時間差異小于5 s，且600 s時溫差可忽略。這表明質量不是影響暖機性能的關鍵因素；另一方面，質量仍是影響車輛質量的重要因素，能夠影響燃油經濟性。這些差異展示了對性能的影響，但收益重要性仍有待商榷，特別是當權衡其他優先事項時，如成本和外形空間。

圖9 對比EHRS熱質量影響的車輛模擬結果

除了普銳斯（小型車）以外，研究人員對另外3種車輛進行建模，以評估車輛大小的影響，其中包括1輛中型車、1輛緊湊型多用途車（CUV）和1輛小型貨車。3種車輛均采用普銳斯基準EHRS。圖10說明小型車和中型車的表現相似，CUV和小型貨車的預熱更快。

這可能是由于較大的車輛質量、更大的發動機和更大的風阻系數導致發動機在更大負荷下運轉。基于這些敏感性模型，可減小熱交換器尺寸以改善外形而無顯著性能損失，較大車輛和發動機通常無需配備大熱交換器。

圖10 對比車輛應用大小影響的車輛模擬結果

同時，本研究致力于了解混合動力運行策略對集成EHRS收益的影響。研究人員再次使用GTSuite軟件搭建1臺車輛模型，應用中型車輛P0拓撲量化運行策略對發動機暖機時EHRS收益的影響。模型包括1個車輛，該車輛帶有內燃機（排量1.5 L，功率110 kW，渦輪增壓直噴）、變速箱、電機、可荷電狀態監測的電池，以及斷開發動機和電動機的離合器。

循環仍選擇FTP20，這是因為在20 °F（華氏溫度）較冷環境溫度時更激進。應用2個動力系統運行策略，會影響到循環中的發動機起停。1種策略（策略A）允許在預熱階段使用發動機和電機，減小電池電量。

另1種策略（策略B）僅允許預熱階段使用發電機，不使用電機，增大電池電量。圖11顯示電池在整個循環過程中的荷電狀態（SOC），說明預熱階段消耗（策略A）和存儲（策略B）電功率的影響。圖12說明整個循環電機功率響應差異，顯示策略A早期使用電池，功率輸出為正。循環中發動機扭矩也說明運行策略之間的差異，觀察到策略A在循環后段需要更多發動機操作（圖13）。

圖11 FTP20循環下2種運行策略電池的荷電狀態響應

圖12 FTP20循環下2種運行策略的電機功率輸出響應

圖13 FTP20循環下2種運行策略的發動機扭矩響應

圖14總結了運行策略對整個循環功率來源分布的影響，顯示策略B中僅使用電機運行比僅使用內燃機略少。然而，仔細觀察循環最初800 s（圖13）顯示策略B僅使用電機運行要少得多。策略A的百公里燃油消耗為5.21 L，策略B的百公里燃油消耗為5.02 L，顯示出一些運行策略敏感度。

如圖15所示，無論如何，2種系統均顯示EHRS集成的收益。圖中繪制在循環過程中2種系統帶有和不帶有EHRS的發動機冷卻液溫度。節溫器在80 ℃時開啟，可作為對比性能的目標溫度。在策略A中，EHRS使發動機暖機加快600 s，策略B中暖機加速300 s。

當2種系統均使用EHRS時，策略A中發動機暖機比策略B快125 s。在不帶有EHRS情況下，兩者之間的差異更大。2種運行策略均通過EHRS加快暖機獲得了收益，但策略A從EHRS獲得的收益肯定比策略B更多，說明了EHRS對運行策略的依賴。

圖14 2種運行策略下FTP20循環的功率來源分布

圖15 2種運行策略下系統帶有/不帶有EHRS時FTP20循環的發動機冷卻液熱響應

3 測試和結果

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研究人員在提出的EHRS及對標產品上進行了多種測試，在1個流動試驗臺上準確量化EHRS部件特性，如壓力降和傳熱，分析排氣及發動機冷卻液這2種流體的穩態質量流量和溫度以對比期望值。在有限環境條件范圍內，研究人員在流動試驗臺上評估熱泄漏。

圖16顯示了EHRS試驗臺設置。圖17顯示在350 ℃排氣溫度下EHRS傳熱性能對比。本研究提出EHRS的尺寸按照傳熱量類似于基準普銳斯EHRS（樣品C）選取，進行類似測試到50 kg/h。在較高排氣質量流量下，實測傳熱減少是由于關閉的旁通閥周圍出現滲漏。

然而，這些滲漏僅出現在高質量流速條件下，在FTP20循環過程中出現時間少于5%。圖18顯示在350 ℃排氣溫度條件下樣品壓力降對比，表明壓力降取決于流量。同樣，超過50 kg/h能夠明顯看到熱滲漏影響。由于提出的EHRS使背壓沒有像其他樣品一樣顯著提高，樣品D表現異常出色，但這是以零件數量最多的狀態換來的。

圖16 EHRS試驗臺設置

圖17 回收模式下EHRS傳熱對比（溫度350 ℃）

圖18 回收模式下EHRS背壓對比（溫度350 ℃）

在旁通模式下，系統的熱滲漏和壓力降是最重要的，因為這種模式最常用。圖19對比了旁通模式下的熱滲漏，量化了傳遞到冷卻液的熱量。本研究提出的EHRS最低，通過使用旁通閥板密封熱交換器入口，從而減少傳熱。

此外，將閥門位置設計在流動路徑以外，限制流體作用力，從而最小化滲漏可能性。圖20比較了在600 ℃溫度下不同流量不同EHRS系統的背壓，表明了本研究提出的EHRS具有極低值，這是因為研究人員特意設計為氣流直接通過而沒有節流以最小化背壓。

圖19 旁通模式下EHRS傳熱對比（600 ℃）

圖20 旁通模式下EHRS背壓對比（600 ℃）

在法定和非法定工作循環條件下，研究人員應用車輛以測量發動機暖機響應、車廂加熱和除霜定時，以及燃油經濟性。根據FPT20進行了2個在線循環排放試驗，以及車輛除霜測試。首先，研究人員3次測試帶有原廠EHRS的2016款豐田普銳斯，結果油耗平均值為46 mile/gal。

隨后，禁用EHRS（旁通）用來驗證其在燃油經濟性方面的影響，油耗降低到42 mile/gal，證明原廠EHRS帶來10%左右的收益（表1）。安裝本研究提出的EHRS，取代OEM系統，并再次完成3次測試，結果油耗平均值為53 mile/gal。

在禁用EHRS條件下重新進行基準車輛測試，結果燃油耗為45.5 mile/gal，顯示本研究提出的EHRS燃油經濟性提高16%。2次車輛測試間隔時間超過了1年。盡管探究了多種可能性，但由于一些不確定因素，車輛燃油經濟性有實質性改善。然而，EHRS的收益是相對明確的，無論熱交換器尺寸、質量或結構復雜性，燃油經濟性提高10%以上。

表1 對比EHRS性能的車輛FTP20測試結果

4 結論

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本文提出了優化后的EHRS系統，并與已經投放市場的其他產品進行了若干特性的對比，驗證了整體性能改進。研究人員完成對標以量化當前產品，并提取客戶反饋以確定設計約束優先級，對關鍵設計參數進行量化分析并通過部件試驗臺和整車測試進行確認。

本研究確定系統內部件，包括熱交換器、旁通閥和閥門執行器，認識到復用的收益并從成功的商業化產品魯棒性中獲得信心。此外，通過強調設計中最小零件數量降低產品復雜性，這是成本設計的關鍵因素。

本文詳細介紹和展示了1款先進產品，與已有系統相比，在豐田普銳斯上更易于封裝。本研究確認了系統收益，包括加速車廂加熱和除霜，以及加速發動機暖機，從而獲得實測油耗降低。

本研究建議對EHRS系統進一步加強設計，提出更緊湊的封裝、改善換熱效率，從而進一步減少外形尺寸。微通道熱交換器可顯著減少體積，但成本暫時沒有競爭力，因為其制造過程需要蝕刻和擴散粘結或3D打印。

閥門密封也必須經過進一步改進，將排氣滲漏減少到可忽略的數量級，增加啟用時傳遞熱量，減少旁通時的熱滲漏。研究考慮改善滲漏的成本與收益，權衡NVH等其他性能，考慮替代材料和規格優化等。

編輯：jq