向尾氣要能源：誘人的效益與合理的成本
黑煙滾滾，令人窒息……汽車排氣管真可謂臭名昭著。但這一切都將改變！倒不是說汽車發(fā)動機不可缺少的廢氣排放管道一下子就變得“干凈無害”了，而是因為它蘊藏著巨大的財富！確切地說，是一筆能量財富。如果能回收這些能量并重新投入到發(fā)動機中，就能降低汽車的能耗。
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一般人可能不知道，傳統(tǒng)汽車至多只能把燃料所蘊含的30%的能量轉換為牽引力(日常轉換率甚至低至10%～20%)，其余三分之二都變?yōu)闊崮芟。其中一小部?5%)通過輻射，一部分(30%)進入冷卻回路，而更多(35%)則是通過尾氣排出。換言之，以氮、水蒸氣和二氧化碳為主要成分的汽車尾氣，蘊藏著燃料中三分之一以上的能量！這就有文章可做了，只要對其加以充分利用，便能有效節(jié)約能源。這樣不僅節(jié)省了開支，也將造福于地球。因為耗能與二氧化碳排放息息相關，減少1%的能源消耗等于減少1%的二氧化碳排放！
但要貫徹這一想法卻有一個難題。要知道汽車尾氣中的潛在能源并不是液態(tài)的，動能(尾氣的排放速度可以高達200公里/小時)和熱能(經(jīng)催化轉換器燒盡部分污染物后，汽油發(fā)動機的尾氣溫度高達800℃，而柴油發(fā)動機的尾氣溫度則達650℃)是其存在形式。在此等情況下，如何讓這種潛在能源成為汽車工業(yè)可利用的能源呢？年輕的法國工程公司Heat2Power終于攻克了這個長久以來的難關。由該公司發(fā)明的利用方案正在接受測試，如能達到設計標準，能耗與二氧化碳排放量將從此減少20%！而這正是歐盟節(jié)能減排規(guī)劃計劃在2015年左右達到的目標……
Heat2Power公司的節(jié)能諾言并非信口許下，工程師們的法寶正是汽車尾氣的能源價值。關鍵全在于找到行之有效的利用辦法……尾氣的性質指示了兩條各自獨立的研究道路，一關動能，一關熱能。
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回顧歷史，早在上世紀40年代，人們便開始了尾氣動能利用研究。為了解決高空缺氧的難題，航空發(fā)動機專家想到利用燃氣的動能來使渦輪壓縮機的渦輪旋轉。20世紀70年代，汽車工業(yè)開始關注這一想法，并于近年在重型載重領域取得突破：渦輪的動能被直接用于推動曲軸(將活塞的垂直運動轉化為轉速的部件)，為發(fā)動機提供助力。這種改造簡單、輕便，成本合理(約幾百歐元)，但也有一個缺點：發(fā)動機排氣時可能產(chǎn)生反向壓力，從而影響其運行。除此之外，其節(jié)能效益也有限，最多只有5%～10%(高速公路)，在城市就更少了。因此，這套對于基本恒速的重型卡車具有一定價值的系統(tǒng)從未被用于裝備普通汽車。
汽車發(fā)動機專家主要致力于開發(fā)尾氣中的熱能。他們設想在排氣管道中安裝一個交換器，將尾氣的熱量通過某種液體傳至發(fā)動機，轉化為機械能。德國寶馬(BMW)汽車公司便在試驗這一模式，其裝置較為復雜，除了連接排氣管的水蒸氣熱回路外，還有一個連接冷卻回路(90℃～110℃)的乙醇蒸汽回路。水蒸氣和乙醇蒸汽產(chǎn)生的壓力推動軸向活塞馬達，繼而帶動曲柄。寶馬公司稱這種設置能在實際行駛中減少10%～15%的能耗。日本本田(Honda)汽車公司的蒸汽轉換器就簡單多了，僅利用尾氣熱能來驅動交流發(fā)電機，為混合動力汽車的電池充電，據(jù)稱減少能耗13%。由此看來，尾氣熱能利用的前景遠遠優(yōu)于動能。然而這些系統(tǒng)既復雜又沉重，而且過于昂貴(約1000歐元)，短期內不會進入商業(yè)應用的視野。
誘人的效益與合理的成本
即便是寶馬公司這樣的高價發(fā)動機技術的先鋒，也認為這類技術的商業(yè)化還須等待十來年。而這正是費雷德里克·特維諾(Fr巇巖ic Th巚enod)的突破所在。作為Heat2Power公司的創(chuàng)始人，這位發(fā)動機工程師同樣選擇了熱能利用，但他放棄了復雜的高性能液體(水和乙醇)轉換系統(tǒng)，改用壓縮空氣！他所設計的系統(tǒng)(參見圖示)由一臺單氣缸引擎(通過離合器連接主發(fā)動機)、兩個氣體回路(一個冷回路，另一個熱回路)，以及兩個交換器構成。這真是一個很棒的主意！氣體在熱回路中通過主熱力發(fā)動機尾氣加熱膨脹，又在冷回路中通過氣體(或水)冷卻收縮，從而產(chǎn)生機械動力，減輕主發(fā)動機負擔。根據(jù)模擬(1)，安裝該系統(tǒng)的車輛在歐洲混合線路(包括城市和公路交通)上行駛可減少12%的能耗，而且還有提高的余地。“利用Heat2Power系統(tǒng)提供的功率，我們可以縮小主發(fā)動機的氣缸工作容積，從而在不降低總功率的情況下，在混合線路中減少20%的能耗，在公路和高速公路上減少35%的能耗。”費雷德里克·特維諾解釋道。更誘人的是，據(jù)他介紹，該裝置僅重15公斤，成本僅300～400歐元！
Heat2Power系統(tǒng)方案在2008年11月德國科隆車展上獲得了獎勵，現(xiàn)在就要看它的實際表現(xiàn)了。“這套系統(tǒng)在模擬階段表現(xiàn)很好，但其應用潛力還須根據(jù)實驗數(shù)據(jù)才能評判。”法國石油研究院(IFP)“混合動力”項目主任皮埃爾·勒杜克(Pierre Leduc)態(tài)度比較謹慎。等候可能是短暫的，因為自2009年2月起，已經(jīng)有一臺樣機在實驗臺上運行。實驗結果將會向汽車及機電生產(chǎn)商公布，并在專業(yè)展會展示，以吸引潛在的合作研發(fā)伙伴。
該系統(tǒng)成功概率很大
實驗如能證實模擬結論，Heat2Power系統(tǒng)獲得商業(yè)推廣的勝算極大。這不單單是延長內燃發(fā)動機的統(tǒng)治的問題。正如皮埃爾·勒杜克所強調的：“對于二代混合動力車——如‘即插式’混合動力車——來說，尾氣能量再利用也是一條減少能耗的希望之路。”費雷德里克·特維諾和皮埃爾·勒杜克還指出了該裝置與普及中的輕型混合動力系統(tǒng)的互補性。后者的“怠速停機和啟動”系統(tǒng)(stop&start，停車時關閉發(fā)動機)，或許有時再輔以剎車能量回收系統(tǒng)，只在城市交通環(huán)境中起到明顯的節(jié)能效果；而尾氣能量再利用系統(tǒng)則在公路和高速公路環(huán)境中大有可為，F(xiàn)在的問題是，Heat2Power系統(tǒng)何時才能真正上路呢？
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