发动机系统中的余热回收：技术、应用及未来发展方向

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Waste heat recovery in engine systems: technologies, applications, and future directions

　　

摘要

内燃机和燃气轮机是交通运输和发电领域的主要原动机，通常将50-70%的燃料能量以废热形式排放。本文全面综述了适用于这些发动机的主要废热回收（WHR）技术。文章探讨了通过热电发电机实现的直接电转换、通过朗肯循环和热化学回收实现的热能-机械能转换，以及用于热电联产的余热直接利用。分析涵盖了从重型汽车柴油发动机和高推力喷气涡轮机，到固定式燃气轮机和往复发动机发电机以及船用发动机的各种应用。通过评估每项技术的基本原理、性能潜力和实施挑战，本文强调最佳废热回收策略高度依赖于具体应用场景，由热源品质、重量和空间限制以及经济可行性所决定。在超临界CO?循环、相变材料集成和混合系统配置方面最近的进展表明，在汽车应用中，稳态、高负荷工况下制动热效率具有5-15%的显著提升潜力，而在ISO环境条件下的联合循环电厂中，净发电效率可达62%。发动机效率的未来与这些先进热管理策略的系统集成密不可分，从简单的热量排放转向全面的能量价值化。

引言

提高发动机效率的迫切性前所未有，其驱动力来自严格的全球排放标准、波动的燃料价格以及迫切的能源安全需求。内燃机（ICE）和燃气轮机，无论是驱动车辆还是用于发电，都运行在固有的热力学循环上，不可避免地会以热量形式排放大量燃料能量。例如，在现代重型柴油发动机中，峰值制动热效率约为45-50%，剩余能量主要通过排气气流（占燃料能量的25-30%）和冷却系统（15-20%）耗散。辐射和未计及的损失通常占5-10%。同样，简单循环燃气轮机发电机可能在其高温排气中排放超过60%的燃料能量。最近对船用柴油发动机的研究表明，供给船上柴油发电站的总燃料能量中近50%被浪费，其中发动机排气是主要贡献者。

发动机的热效率可以表示为：$${\eta }_{\mathit{th}}=\frac{W_{\mathit{net}}}{Q_c}=1?\frac{Q_{\mathit{out}}}{Q_c}$$其中$W_{\mathit{net}}$为净功输出，$Q_c$为燃料输入的热量，$Q_{\mathit{out}}$为排放到环境中的热量。对于典型的柴油发动机，${\eta }_{\mathit{th}}\approx 0.45?0.50$，意味着$Q_{\mathit{out}}$占燃料能量的50-55%，其中排气和冷却液是主要的热量排放途径。

发动机系统的能量平衡可表示为：$$\begin{array}{cccc}& Q_{\mathit{fuel}}=W_{\mathit{shaft}}+Q_{\mathit{exhaust}}+Q_{\mathit{coolant}}+Q_{\mathit{radiation}}+Q_{\mathit{unaccounted}}& & \end{array}$$其中$Q_{\mathit{fuel}}$为燃料的化学能输入，$W_{\mathit{shaft}}$为有用的机械功率输出，$Q_{\mathit{exhaust}}$为被排气带走的热量（通常占燃料能量的25-35%），$Q_{\mathit{coolant}}$为被冷却系统带走的热量（通常占15-25%），其余项代表辐射和其他损失。

这部分废热代表了一个庞大且尚未充分利用的能量储备。废热回收（WHR）是指一系列旨在捕获并转化这种本应损失的热能的技术，将其转化为有用的形式，无论是机械功率、电力还是过程热量。日益增多的研究表明，通过各种废热回收方法，整体系统效率得到了显著改善。例如，在航海应用中集成的废热回收系统通过同时优化路线规划和能量回收，已将燃料消耗降低至多11.29%。在城市交通领域，结合废热回收的氢燃料混合动力传动系统实现了14%的回收效率（平均6.4%），在高排气能量条件下可提供高达16千瓦的净功率。集成生物气基能量系统，结合需求侧管理和电池存储，系统级能量效率达51.57%；这是一个综合能源基准，而非仅废热回收的多联产声明。

为了将本综述置于现有文献的背景下，表1总结了过去五年废热回收领域的综述文章，突出了其研究范围、涵盖的技术、应用重点以及未解决的关键差距。

现有的综述通常聚焦于单一技术（例如，仅TEG或仅ORC）或单一应用（例如，仅汽车或仅船舶）。没有近期的综述在统一的决策框架内提供跨越TEG、ORC、sCO?、TCR、CHP和PCM的综合、跨技术、跨应用评估。本综述的独特之处在于：(a)涵盖五种发动机原型；(b)提供所有技术的定量比较表；(c)包含一个决策框架，将热源温度和应用类型映射到最佳废热回收技术；(d)综合了2026年最新关于混合系统和AI辅助废热回收系统的文献。

本文探索了五种关键发动机原型的废热回收技术格局：汽车内燃机、燃气轮机喷气发动机、燃气轮机发电机、往复发动机发电机和船用发动机。船用应用被作为独立的原型来处理，原因在于其大型发动机功率、连续运行工况以及存在多种废热流，这些因素共同决定了与陆基固定式发动机不同的最佳废热回收解决方案集。

各节摘要

废热回收技术：技术概述

废热回收技术的可行性从根本上由热源的热力学品质决定，这由其温度来表征。高温热源（>500°C），通常来自排气，适合产生机械或电力。低温热源（<250°C），存在于冷却回路和增压空气冷却器中，更难实现价值化，通常更适合直接加热应用。最近全面的综述系统地对废热进行了分类

应用特定分析

最有效的废热回收技术取决于原动机的运行曲线及其应用的物理约束条件（表5）。

图3展示了一个决策框架，将热源温度和应用类型映射到最适合的废热回收技术。

相变材料（PCM）集成

关于PCM的详细局限性，包括低热导率、充电时间、封装和循环稳定性，在第2.6节中讨论。本节仅关注最新的系统级演示，并交叉引用第2.6节以了解材料级约束。

PCM与ORC系统集成用于重型车辆已证明，可将ORC效率提高多达18.5%，WHR效率提高多达11.3%，并保持利用率高于96%。级联PCM

结论

废热回收不是单一技术，而是一系列解决方案，其选择是一个复杂的多目标优化问题。分析揭示了一个基于发动机平台的清晰技术分层。对于固定式发电机，技术路径已明确：热电联产和联合循环底循环的集成代表了当前实现最大燃料利用的基准。对于重型汽车内燃机，ORC是实现……的最有前途的技术

生成式AI和AI辅助技术

生成式AI和AI辅助技术已被用于改进本文的语言和可读性。

CRediT作者贡献声明

Alberto Boretti：撰写——原稿，数据整理，概念构思。

利益冲突声明

本研究未获得任何资助。