荷花淀赏析
陈一帆
广西交通职业技术学院 汽车工程学院 广西南宁市 530004
摘 要： 论文通过对某2.0L汽油发动机的尾气和汽车空调负荷特征进行分析。研究了基于汽车尾气作为热源驱动吸收式制冷空调作为车载空调的可行性。利用Aspen模拟软件，对利用汽车尾气驱动的吸收式制冷系统进行模拟分析。经过模拟发现2.0L汽油发动机的余热驱动吸收式制冷系统功率完全能满足汽车空调系统的需求，且尺寸较小完可以实现车载使用。 关键词：汽车尾气 吸收式 余热空调
燃油车的空调系统主要由汽车发动机驱动，通常占发动机的输出功率的5%-20%左右，考虑到汽油发动机热效率约37%左右，在空调启动的状态下，汽油车热效率过低，严重影响着汽油车的发展。为此，汽车余热利用成为了汽车能量利用提升研究的重点。
在当前主要的汽车余热利用研究中，主要研究的思路在于：1.汽车余热做功，转化为机械能或者电能，
提高热效率；2.汽车余热作为空调制冷热源和提高进气压力等，通过替代发动机附件功耗和提高发动机做功能力等形式，提高热效率。常见的汽车余热利用技术主要有：1.TEG热导电技术，利用温差发电实现热效率的提升；
2.ORC有机朗肯循环技术，通过尾气做功提高热效率；
3.EHRS热导热的技术和废弃涡轮增压技术，通过提高发动机的工作效能，提高汽车的热雄安率；
4.车用吸收式或吸附式余热空调系统，通过余热空调，降低空调耗功，提高热效率。
而当前研究者最为关注的是如何结合
汽车余热特性和汽车空调负荷特性提高汽
车的热效率。[1，2]汽车预热空调利用吸收式
空调系统进行制冷，既可以降低发动机在
空调方面的能量消耗，又可以提高汽车的
舒适性，成为了当前工程实践和研究的热
点。为此，论文从工程实际应用的角度出发，
通过计算对比分析和Aspen模拟软件对汽
车余热空调的实践可行性进行模拟和优化
分析。
1 发动机的余热特性与应用
汽车发动机的余热主要通过汽车发动
机的冷却系统和尾气排除，各占汽车发动
机工作的30%左右的热能，具有余热温度
高、流量大等特征，属于理想的余热回收源。
为此，汽车发动机的余热回收主要考虑对
发动机尾气的余热和发动机的冷却系统的
余热回收。[1-12]
通常汽车发动机冷却系统最佳温度为
80℃-120℃之间，而汽油车发动机排气歧
交流伺服运动控制系统管最高温度可以达到700℃-800℃左右。
[1-12]从余热质量的角度来说，发动机尾气
的余热比冷却系统更适合做吸收式空调系
统热源。为此，通常汽车的余热利用研究
主要针对汽车发动机尾气余热利用进行。[13]
根据有用功的理论，汽车尾气余热可
回收能量的多少主要取决于尾气的火用。为此
天津大学的刘子奇等人，[1]针对某2.0L的
汽油发动机尾气能量进行分析发现，2.0L
发动机尾气火用取值8.29-42.15kW，尾气
最大可利用率在46.78%-47.35%左右，
尾气的最大可利用能发动机输出功的35%
～42.4%，尾气的可用能较大。
在工业余热利用中，通常300℃以下的
余热称之为低品位的余热，300-600℃的
为中品位的余热，超过600℃的称之为高品
位的余热。考虑到汽车发动机冷却系统改
造会对发动机工况造成影响，而汽车尾气
Simulation Research on Automobile Absorption Waste Heat Air Conditioning System
男性黑人
Chen Yifan
Abstract： T his paper analyzes the exhaust of a 2.0L gasoline engine and the load characteristics of automotive air conditioning. The feasibility of using automobile exhaust as heat source to drive absorption refrigeration air conditioner as vehicle air conditioner is studied. Using Aspen simulation software, the absorption refrigeration system driven by automobile exhaust is simulated and analyzed. Through simulation, it is found that the power of the waste heat driven absorption refrigeration system of the 2.0L gasoline engine can fully meet the needs of the automotive air conditioning system, and the size is small enough to realize on-board use.
Key words：automobile exhaust, absorption, waste heat air conditioning
148AUTO TIME
AUTO PARTS | 汽车零部件
主要直接排放到外环境。为此，在汽车发动机余热利用设计过程中，通常主要考虑利用汽车尾气作为余热利用的热源。
2 汽车制冷空调负荷特性
对于乘用车来说，汽车冷热负荷的供给对于汽车的舒适性有着非常重要的影响，传统燃油汽车，夏季通过发动机驱动的压缩机获得制冷冷能，冬季通过发动机冷却系统中的高温冷却液中获得热能。[1-16]汽车冷热负荷需求主要体现在冬季供暖和夏季的制冷需求，而汽车的热负荷需求与环境温度、汽车车速、汽车的车体材质（传热效率）、车体结构、乘客散热等有关。汽车冷热负荷的供给通常具有瞬间符合需求大、降温、供热速度快等特点。通常普通乘用车的空调系统功率在3-5KW左右，占发动机功率10%-15%。刘淼，[1，2]等人在夏季环境温度30℃时，对家用SUV轿车的冷负荷进行实验分析发现家用轿车空调系统功率峰值在6KW左右，平均功率在2.7-3.3KW左右。
而城市公交车等客运车辆参照标准JT-T325-2002营运客车类型划分及等级评定和CJT134-2001-城市公交空调客车空调系统技术条件，通常根据可承载乘客数量和车内体积大小，通常在人均0.6KW左右计算，按照中型客运车辆10-19人来计算，通常需要6-11.4KW 左右的空调功率。而在商用车领域，除冷链运输车外、绝大部分商用车对于冷热负荷需求不高，主要用于驾驶室空调系统。而冷链运输车通常还需要根据运输类型，设定不同负荷大小，所需要的负荷较大且负荷变化较大。[2，3，4，5]
3 不同温度下吸收式余热空调的模拟吸收式空调系统的效能核心在于高温发生器和蒸发器的效能，而高温发生器的功率主要取决于换热器的热能大小，而蒸发器的制冷能力主要取决于制冷剂和蒸发流量，为此吸收式制冷系统的的制冷效能主要取决于高温发生器的功率。为了研究
利用吸收式制冷原理，开发的汽车发动机
余热驱动的吸收式制冷系统，能否满足汽
车空调负荷的需求。论文以某2.0L排量的
2013上海高考物理
汽车发动机为研究对象，采用溴化锂溶液
作为制冷剂，利用Aspen模拟软件对汽车
余热驱动的吸收式空调系统进行模拟分析。
3.1 参数设置
汽车尾气的中各种气体成分有1000多
种，质量成分主要成分为二氧化碳、水蒸
气和氮气和少量的一氧化碳、碳氢化合物、
氮氧化物、碳颗粒等。为了简化模拟的难
度同时兼顾模拟过程的准确性，论文对发
动机尾气的各项参数进行简化。首先，模
拟过程将尾气简化为二氧化碳、水蒸气和
氮气。此外，考虑到不同负荷特性下汽车
发动机尾气的特性，论文主要研究了发动
植兰机低负荷转速2000r/min，中负荷转速
3500r/min和重负荷转速5500r/min三种
状态下的尾气温度和流量，其基本参数如
表1：汽车发动机尾气特性表所示。
[1-7]
表1 汽车发动机尾气特性
3.2 高温发生器的模拟
溴化锂吸收式制冷系统的高温发生器
的主要目的在于，通过高温加热吸收剂稀
溶液，获得浓溴化锂溶液和水水蒸气。而
经过冷却后的水蒸气的质量直接决定空调
系统的制冷能力，为此，高温发生器的效
能直接决定空调系统的制冷效能。
为此，论文根据高温发生器的原理，
利用Aspen模拟软件对系统进行模拟，其
基本结构如图1高温发生器的模拟结构图
所示。其中B1为换热器，B2为高温器，
S1为溴化锂稀溶液入口，S2为高温溴化锂
溶液，S3为水蒸气，S4为溴化锂浓溶液，
S10为高温尾气，S11为换热后的汽车尾气。
高温发生器模拟分析的重点在于参数
设置的准确性。为此，结合溴化锂吸收式
制冷系统的原理和汽车尾气的特征，模拟
过程的基本参数设置如表2高温发生器模
拟参数设置表所示。考虑到换热器散热效
率问题，参考空调冷却系统的工作特性，
溴化锂稀溶液的质量浓度为40%，温度
45℃、压力500KPa。为了保证换热器的
表
2 高温发生器模拟参数设置表
图1 高温发生器的模拟结构图
S11
S1
S10
B2
S3
S2
S4
B1
AUTO TIME 149
150
AUTO TIME
AUTO PARTS | 汽车零部件
换热效率，换热器为逆流换热器、换热温差为10℃。此外，为了控制蒸发器内溴化锂溶液有效蒸发，同时保证溴化锂溶液蒸发后不出现结晶，浓溶液的吸收性能，蒸发器蒸发温度为108℃，无工作负荷。[12-16]
3.3 高温发生器的模拟分析
经过对不同负荷状态下的发生器模拟，得出的计算结果如表3不同工况下高温发生器模拟结果所示。由表3可以发现经过换热器后的功率远大于家用SUV 轿车的空调系统功率峰值在6KW 和平均功率在2.7-3.3KW 的值。[1-7]以系统体积最大的换热器为例，换热器面积0.046-0.13m 2，能实现车载。由此可见，该车辆的汽车尾气采用吸收式制冷系统，完全能满足汽车
制冷的需求。
表3 不同工况下高温发生器模拟结果
3.4 汽车尾气余热为热源的吸收式余热空调系统选择
考虑到汽车尾气余热换热器功率远大于普通轿车空调系统功率，为此在依托汽车尾气余热作为热源的吸收式空调系统在设计时可以保留较大的设计余量。通常单效溴化锂吸收式制冷系统的COP 在0.7左右，而双效吸收式制冷机的COP 值可以达到1.0至1.2，而三效的甚至可达到1.7。为此基于汽车空调系统的经济性和轻量化等方面考虑，汽车尾气作为热源的的吸收式余热空调系统，可以选择单效式溴化锂
吸收式制冷系统。
4 总结
论文通过对某2.0L 汽油发动机的尾气和汽车的符合特征进行分析，发现汽车尾气相比较冷却系统余热利用价值更高。并研究了汽车的空调系统负荷特征，和基于汽车尾气驱动吸收式制冷空调系统的可行性。
为了验证该车辆余热制冷效能，论文根据汽车尾气参数特征和空调负荷需求的特征。利用Aspen 模拟软件，研究尾气驱动吸收式制冷系统的可行性。
经过模拟发现2.0L 汽油发动机的余热驱动吸收式制冷系统功率在低负荷下即可满足普通SUV 对于空调系统的需求，完全能满足汽车空调系统的需求，且换热
面积仅0.046-0.13m 2
完全能实现车载使用。
基金项目：广西交通职业技术学院2020年科学研究项目（项目编号：JZY2020KAZ05）。
参考文献：
[1]基于朗肯循环的汽油机尾气余热回收模拟与实验研究[D].刘子奇. 天津大学，2016.[2]汽车空调压缩机的能耗测量系统的研究[J].刘淼，姜建里，乔国栋.测控技术，2016，35（8）：40-44.
阿伐斯汀[3]纯电动客车空调制冷匹配与软件开发[J].李全，詹静，赵湘衡，等.汽车实用技术，
2020，5：10-12.
[4]客车双动力空调应用研究[D]. 马德国.吉林大学 2017.
[5]电动客车增焓热泵空调系统控制策略研究[D].魏维.中国：北京理工大学，2017.[6]我国工业余热回收利用技术现状分析[J]. 路哲.装备制造技术. 2019（12）.[7]采用朗肯循环回收汽油机尾气余热的试验[J].刘子奇，高文志，李广华，何王波，赵烈剑，王霁宇.内燃机学报，2016，34（04）.[8]基于两种热
力循环的内燃机余热回收系统的研究[D] .李广华.天津大学，2016.[9]空调余热回收利用系统设计分析[J].邸泓源，李恒凡.低温与特气，2021，39（04）：24-28+38.
[10]A method to assess the fuel economy of automotive thermoelectric generators[J] . A. Massaguer，E. Massaguer，M. Comamala，T. Pujol，J.R. González，M.D. Cardenas，D. Carbonell，A.J. Bueno.Applied Energy . 2018.
[11]An exhaust heat recovery system utilising thermoelectric generators and heat pipes[J] .
B. Orr，A. Akbarzadeh，P. Lappas.Applied
Thermal Engineering . 2016.
[12]燃煤电厂余热回收利用及控白烟技术的应用[J]. 林吕荣，詹永乐.节能与环保. 2020（Z1）.
[13]张尚.吸收式制冷在汽车空调上的应用[J].洁净与空调技术，2015（03）：95-98.
[14]张辉，郭博阳，胡祥宝，郭宝，武亚飞.太阳能-汽车尾气余热联合制冷空调系统[J].制冷与空调（四川），2015，29（03）：324-329.
[15]彭佳杰，王树信，林睿，陈勇，汪海燕.溴化锂制冷机组回收船用柴油机余热的经济性分析[J].船舶工程，2021，43（S1）：237-240.DOI：10.13788/jki.cbgc.2021.S1.053.
[16]丁铭. 汽车发动机余热驱动的溴化锂制冷系统研究[D].浙江科技学院，2019.DOI：10.jkj.2019.000007.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议