发动机余热驱动热泵系统技术概况

摘 要：回收利用发动机余热并与空调系统相结合，可显著降低车辆系统中发动机的油耗、减少冷却系统的负担，提高运行的可靠性。本文采用专利分析方法，通过分析发动机余热驱动热泵系统的专利申请量，从结合不同类型热泵系统、国内外申请量差异、本领域主要申请人等角度剖析了相关技术的发展。为我国专利申请人的研究方向提供指导。

关键词：发动机；余热；空调；专利分析

1、引言

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，能源消耗急剧增加，能源供需矛盾日益突出，节能和环保问题已引起政府和社会各界的广泛关注。发动机包括内燃机和外燃机，外燃机像蒸汽轮机等一般用于电站，将汽轮机发电系统与热泵系统结合形成热电联产系统，可以达到供电又供暖的目的，对能源进行了多级有效利用。而内燃机一般用于汽车、轮船上等，由于汽车保有量越来越大，汽车的能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题也越来越受到各个国家的关注，成为当今世界汽车工业发展的主题。

内燃机将燃料转变为汽车有用机械能的过程，实际上是将燃料化学能通过燃烧转化成热能，热能再通过曲柄连杆机构转化成机械能，但在能量的转化过程中浪费了大量的能量，如表1中表明，现有的柴油发动机有效功率一般只占燃油燃烧总热量的30%-45%，汽油机只占20%-30%，以废热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55%-70%（柴油机）或70%-80%（汽油机），这些废热包括循环冷却水带走的热量和排气带走的热量以及各种驱动和制动时的摩擦热损失。因此，对内燃机缸套外侧循环冷却水中的热量和排气中热量的利用，能够大大提高对燃料燃烧产生的能量的利用效率。

现在的汽车上基本有装载有独立的制冷系统，但与房间空调相比，汽车空调具有房间空调所不可能遇到的特殊问题，夏季汽车在室外行驶，太阳辐射热通过车体传热到车内，致使车内温度可达50-60度，加之现代汽车的窗玻璃面积占车外表面的比例多达整车面积50%以上，这样不仅使透过玻璃进来的辐射热增加，而且减少了车箱热阻，增加了车内外的温差传热，如果密封不良，车外的热空气还将通过门窗地板缝隙渗入车内，带来大量新风热，另外，车内乘员密度大，人体通过辐射、对流及呼吸和排汗将散发大量的湿热，发动机车载电器等设备也会把部分热量传入车内，这就造成了汽车上的空调系统会消耗掉大量的能量。因此，通过回收和利用发动机余热来驱动空调系统，是一种理想的节能方式。许多相关领域的企业或者公司均进行了研究，并且在利用发动机余热作为空调驱动力方面进行了专利申请。

2、余热回收系统与不同类型空调系统的结合

空调热泵系统按制冷原理主要分为压缩式制冷系统、吸收式制冷、吸附式制冷、蒸气喷发式制冷和热电制冷这几个方向，而且以前三者的应用较为广泛成熟，因此与发动机余热回收相关的热泵系统的申请的专利文献也主要集中在这三个方向，现对专利文献进行统计分析，发现分布大致如图1所示。

在对制冷需求量较大时一般采用压缩式制冷，压缩式空调由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器构成，一般也会包括对室内机和室外机进行切换的四通阀，还有储液罐、气液分离器等。压缩机一般由电力驱动，在电力供应紧张的时候，也可以由燃气发动机驱动构成燃机热泵系统。在图1中可以看到与压缩式制冷相结合的发动机余热利用系统占了49%的比例，这是因为压缩式制冷已经比较成熟，所以各企业投入的研发精力较多，因此申请量较大，而且压缩式制冷的性能比较稳定，不像吸附式和吸收式受环境因素性能参数变化较大，也容易根据制冷量的需求进行调节。发动机余热与压缩机制冷循环的结合方式比较多样化，可以通过发动机制废热对蒸发器进行加热来防止其结霜，或是在处于供暖模式下时对外部热源侧的热交换器中的制冷剂加热，以将余热中的低热热源转化为高势热源对室内进行供暖，或是用废热来辅助加热储液罐、气液分离器或是接收器中的制冷剂，以提高压缩机的进气温度，防止液击。从能量利用效率上来看，在压缩机制冷的供暖模式下，利用废热中的低势热能来供暖是比较常用的利用方式。

吸收式制冷是利用工质的特性来完成工作循环而获得冷量的一种制冷方式。压缩式制冷以消耗机械功为代价来使制冷剂达到相变循环的过程，而吸收式制冷却是以热能为动力来促使制冷剂循环。吸收式制冷机由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、膨胀机构和溶液泵等设备组成，它利用热源在发生器中加热具有一定含量的溶液，使其中作为制冷剂的低沸点组分部被蒸发出来，然后送入冷凝器冷凝成为液体，而由蒸发器出来的制冷器则进入吸收器中被溶液吸收，重新恢复原来含量再送入发生器。正因为吸收式制冷在循环中需要吸收热量来促进其发生过程，其为热源驱动的制冷系统，所以利用发动机的余热作为驱动源，很好的达到了能量补充利用的目的。因此，在与发动机余热相结合的热泵系统中吸收式制冷系统的专利申请量达到了49%。吸收式制冷中主要采用溴化锂水溶液和氨水溶液。具有运转部件少、消耗电力少、噪声小等优点，但是操作维护复杂、对真空度要求严格，机组重量和尺寸较大、变工况特性较差，并且发生器、冷凝器、吸收器和蒸发器需要自由水平面，不适合经常处于颠簸状态的汽车。但其与余热回收系统相结合利用效率较高，如果能够改进结构上存在的缺点并且发挥其优势，在利用发动机余热研究方面更进一步，那么将会有非常好的专利前景。

吸附式制冷与吸收式制冷类似，不过它是利用某些固定物质的吸附和解压特性，即某些固体物质在一定的温度及压力下，能吸附某种气体或水蒸气，在另一温度及压力下，又能将它释放出来。但由于吸附式制冷循环效率较低，因为在循环过程中，没有采用加热措施，吸附床的冷却放热及吸附放热白白流失了，并且循环中制冷过程是不连接的，所以应用不是很广泛。一般与发动机余热相结合的吸附式热泵，主要利用余热作为解吸过程的驱动热源，但相应的申请量比较少，只占据了6%的比例。吸附式空调系统存在冷量输出的连续性、稳定性较差，制冷量相对较小、体积较大等固有缺点，目前尚不能满足空调用冷的要求。但是吸附式空调系统采用非氟氯烃类物质作为制冷剂，系统中运动部件少，因此具有节能、环保、结构简单、无噪音等突出优点，还是具有相当的应用前景的。

3、专利申请量的分布情况和分析

现按照不同国别对数据库中的文献量进行统计，按国别进行了划分。如图2所示。

可以看到日本的申请量远远大于其它国家，说明日本申请人对能量统合利用方面比较重视，而且也投入了较大精力进行研发。日本是世界上燃气机热泵系统应用最广泛的国家，1981年MITI开始组织燃气机热泵的研发，1987年首次研制成功小型燃气机热泵并投放市场，1988年销售10322台，2001年年销量达到46274台，2003年累计销售50万台，日本历来重视燃气制冷技术的研究与应用，燃气机热泵技术的强大优势绝不亚于嗅化锂制冷技术在国际上的地位。由于其燃机热泵系统的成熟与先前，为了提高系统整体的能源利用效率，对于如何使用发动机废热来驱动热泵系统方面自然也投入了大力的研究。在美国燃气机热泵技术主要受到燃气研究所（GaSResearchInstitute，GR.1.）和能源署（DePartmentofEnergy，D.0.E.）的资助，发动机制造企业和制冷机制造企业进行了有效的合作。在日美之后欧洲国家也对GEHP技术的研究给予了高度的重视。中国对发动机余热与热泵系统的结合研究虽然起步较晚，但是还是可以看到有一定的申请量的，不过不同于外国公司基本上以大公司的申请为主，中国的申请人分布比较零散，高校申请和个人申请也占了一定的比例。

从图3的年份统计来看，上世纪80年代开始中国申请人就已经有相关方面的专利申请，每年基本有10～20件左右的申请，虽然中间有几年的申请量较低，但总体还是呈上升趋势。从1990年到2005可以看到这个阶段的申请量增长比较快速，并且在2005年达到了峰值，因为这段时间世界上各个国家都陆续暴发能源危机，引起了大家对能源综合利用的重视，在外部政策和产业环境的双重影响下，积累了一定技术实力后，该技术进入了高速发展的阶段。但在2005年以后，由于技术已经稳定，或是各个企业在技术研究上没有找到新的突破点，所以申请量又出现了下降。说明在这个时候，只有转变思维，寻找新的研究点，才能有突破。

按不同的申请人对申请量进行统计之后得到了如图4中的分布图。可以看到申请量排前的基本上是日本公司，也有韩国的LG公司，中国申请人的申请量和最排前的三菱有着相当大的差距。而且从申请人上可以看出，基本上是以汽车公司、电力相关企业的申请量较多，说明它们对于如何提高汽车内的燃气利用效率或是如何利用发电厂中大量的冷凝热有比较大的要求。这就促使他们在这方面有了更多的研究。

而且通过分析文献发现不同公司的研发重点也不尽相同，三菱的主要改进点在耦合系统整体结构布置、制冷剂、中间介质流路控制方式等方面，例如通过控制空调所利用的发动机余热温度来提高余热的回收效率，通过计算燃料控制阀相对于空调功率的开度值来控制空调等等。株式会社电装就对如何改进空调系统中的换热器热管，进而提高换热效率投入的研发精力较大。这说明每个公司的申请都有侧重点，只有提前调研好对手公司已经进行的研发，那样才能找到自己应该主要投入的领域。

4、专利申请发展趋势

综上可知，中国在相关方面的专利申请量虽然也有不少，但是相比其它大公司都有自己的核心技术，中国的申请人还没有找准自己应该着重研发的方向。在现在申请整体已经出现下滑的情况下，正是找准技术突破点，占领专利领域的好时机。而且目前国内的高校的专利申请的水准越来越高，企业只有与高校相结合，利用双方的优势，才能在专利领域与国外大公司相抗衡。

参考文献

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