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排气余热回收与热电利用
内燃机约三分之一的燃料能量顺排气跑掉，回收一小部分都诱人。本课讲三条路：EGHR 把排气热灌进冷却液加速暖机/供暖、朗肯底循环发电、热电 TEG 直接转换。重点说清各自收益量级、排气背压代价，以及“余热回收 vs 起燃”抢排气焓的先后权衡。
F2-04 · 动力总成与整车其他热源 / 进排气与增压热管理
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一课题可并存多讲师版本
课程大纲
学完能做什么
- 拆解内燃机能量流，估各路余热的可回收量级
- 评估 EGHR 对冷起动暖机、冬季供暖/续航的收益与背压代价
- 说清热电 TEG 的塞贝克机理、ZT 与整机效率量级，判断可行边界
- 在余热回收与催化器起燃之间安排排气焓的时序优先级
- 给出余热回收方案的收益-代价（背压/重量/成本）权衡评估
内容大纲
- 内燃机能量流与余热盘点
- 燃料能量去向：有效功、冷却、排气、辐射（量级拆解）
- 排气焓的品位（温度）与可回收性
- 高温段（催化器前）vs 低温段（后处理后）的取热差别
- 与整车余热统筹的接口（链 N4-01、B3-06）
- EGHR 排气热回收换热器与起燃抢焓时序
- 排气—冷却液换热器 + 旁通阀结构
- 加速暖机：缩短高摩擦、催化未起燃的冷机时间（链 F1-04）
- 冬季给座舱/电池供暖，省 PTC、提续航
- 与催化器起燃抢焓的时序矛盾：暖机初期先保起燃（链 F2-03）
- 朗肯/有机朗肯底循环（ORC）
- 蒸发—膨胀—冷凝—泵的底循环把排气热变功
- 工质选择与系统复杂度、重量、成本
- 冷凝散热给前端带来的额外负担
- 商用车/长途稳态工况为何更划算
- 热电（TEG）直接转换
- 塞贝克效应与温差发电；同一效应反向通电即为制冷（帕尔贴效应，塞贝克的对偶）——热电不是只能发电，制冷侧的效率天花板与车用边界见 N4-02
- 优值 ZT 与材料（Bi₂Te₃/方钴矿/half-Heusler）
- 热面/冷面温差、热流路径与整机效率量级（个位数%）
- 排气背压、重量与成本的现实约束
- 系统权衡与工程决策
- 背压代价：回收的热 vs 泵气损失换来的油耗
- 重量/成本/可靠性与整车净收益的账
- 与热泵/余热采暖的联合（链 N4-02）
- 什么车型/工况值得上、什么不值得
关键公式
燃料能量 ≈ 有效功 + 冷却损失 + 排气损失 + 其他
能量流盘点，排气与冷却各占大头，是余热回收的靶子
Q_recover = ṁ_exh·c_p·(T_exh,in − T_exh,out)
余热换热器回收量，受排气温度和允许降温幅度限制
V_seebeck = S·ΔT
塞贝克电压正比于冷热面温差，是 TEG 发电的源头
ZT = S²σT/κ
热电材料优值，决定转换效率上限；商用材料 ZT≈1 量级
η_carnot = 1 − T_cold/T_hot
温差发电/底循环的理论天花板，实际远低于此
Δp_exh（背压）↑ ⇒ 泵气损失↑ ⇒ 燃效↓
余热装置带来的背压，要从回收收益里扣掉才是净账
关键概念
排气余热EGHR旁通阀朗肯底循环 ORC热电发电 TEG塞贝克效应优值 ZTBi₂Te₃排气背压暖机加速冬季供暖能量流盘点帕尔贴效应（塞贝克的对偶，热电制冷 TEC）
推荐工具与标准
GT-SUITE（余热/朗肯底循环建模） Simulink / AMESim（系统与控制） COMSOL / ANSYS（TEG 多物理场） 整车能量流/能耗模型
GB 19578（乘用车燃料消耗量限值） WLTC / CLTC（能耗与排放测试循环） 热电器件/材料表征相关标准（ASTM/IEC 体系，编号以最新版为准）
工程案例
某增程/混动项目评估排气余热回收：冬季用 EGHR 把排气热灌进冷却液，缩短暖机、给座舱供暖、少用 PTC，等效续航有可见回升；同时试算排气 TEG，整机热电效率只有个位数百分比，扣掉背压油耗和几公斤重量后净收益很薄——最终留 EGHR、TEG 暂缓。
动手做
交付物 · 针对一台增程/混动机：① 做一张能量流盘点，估排气与冷却各路的可回收量级（盘点表的控制体切法、时间基/能量基口径与残差闭合判据引 B4-01 第 1、4 讲，本课不重讲）；② 评估 EGHR 冬季暖机+供暖的续航收益与暖机-起燃时序约束；③ 粗算一套排气 TEG 的发电量级并扣除背压油耗代价，给出“上/不上/暂缓”的一页决策与理由。
常见误区
- 只算回收的热、忘了排气背压带来的泵气损失，净账可能是负的
- 暖机最初就急着抽排气热，拖慢催化器起燃、排放变差（链 F2-03）
- 高估 TEG：拿材料 ZT 峰值当整机效率，忽略接触热阻和温差衰减
- ORC/TEG 的冷凝/冷面散热压回前端，抵消一部分收益却没进账
- 用稳态大功率点评估收益，实车多是低负荷、温差小、回收量小
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