轿车发动机余热驱动空调压缩机蒸汽动力系统设计
轿车发动机余热驱动空调压缩机蒸汽动力系统设计[20191208102442]
摘 要
朗肯循环在发动机余热回收利用技术上的研究及应用方兴未艾，本设计涉及的是一种利用发动机废气能量进行的动力循环，通过切换，完成对空调压缩机的驱动。其核心内容是，R245fa工质经管道流经位于发动机排气管处密封的汽化室，经高温废气加热后迅速汽化，高压蒸汽通过单向阀积聚于高压储气罐中。一紧定于发动机气缸体上的用管道与蓄能器连接的气动马达通过带有电磁离合器的带轮与空调压缩机相连，当蒸汽压力达到设定值便接通蒸汽空调开关，经互锁的电磁离合器切换，使气动马达带动空调压缩机继续工作，减少了发动机的功耗，达到了节能的目的。膨胀做功后的乏气经与发动机散热器并列的凝汽器冷凝成液态后回流到储液器，完成工作循环。
摘 要 I
关键字:工质热交换气动马达螺旋管电磁离合器
目 录
Abstract II
目 录 III
1． 绪论 1
1.1 研究背景和课题研究的意义 1
1.2 国内外发动机余热回收利用研究概况 2
1.2.1 废气涡轮增压 3
1.2.2 发动机余热制冷空调系统 4
1.2.3 利用废气能量输出功发电 4
1.2.4 其它余热利用技术 6
1.3 发动机余热驱动空调压缩机系统研究现状 6
1.4 课题设计要求 7
1.5 工作过程 8
2. 工质的选型 10
2.1 有机朗肯循环及其热力过程 10
2.2 有机朗肯循环工质的选择 11
3. 汽化室的设计 13
3.1 汽化室螺旋管的设计 14
3.1.1 螺旋管展开长度的计算 14
3.1.2 采用螺旋管的优点 15
3.2 发动机排气管 15
3.3 排气管连接 16
3.4 排气管衬套的特征 16
3.5 排气管连接方式 17
4. 气动马达的结构特点 20
4.1 气动马达工作原理 20
4.2 气动马达零件结构特点 20
4.2.1 气动马达汽缸结构特点 20
4.2.2 气动马达旋转转子结构特点 21
4.2.3 气动马达叶片结构特点 21
4.3 扭矩数据分析方法 22
5. 电磁离合器的结构及工作原理 24
5.1 电磁离合器的结构 24
5.2 电磁离合器的工作原理 24
5.3 电磁离合器的设计及相关计算 25
5.3.1 电磁离合器的磁通回路 25
5.3.2 电磁离合器的吸引力的计算 26
5.3.3 电磁离合器传递扭矩的计算 26
5.4 设计时注意问题 26
6. 小结 29
参考文献 30
致谢 32
1． 绪论
1.1 研究背景和课题研究的意义
随着人类进入工业化大生产时代，人类对能源的需求日益剧增，能源利用的进步推动着人类社会的进步，反过来社会的进步又促使能源多样化利用。进入21世纪，能源越来越成为制约经济发展的首要问题。十八大以来，调整能源利用结构，促进工业结构转型是政府开展工作的重中之重。在未来数十年我国的能源需求将会进一步扩大，如何进行总量控制、环境保护、提高能源利用效率等问题成为影响经济发展的制约因素[1]。2012年，我国原油进口量上升了7.3%，在扣除少量成品油出口后，原油净进口量增加了1863万吨，达到2.687亿吨[2]。2013年我国石油消费达到4.98亿吨和原油表观消费量达到4.87亿吨，我国是石油储量相对缺乏的国家，但是近年来，随着经济的快速增长，自2002年我国便成为仅次于美国的世界第二大石油消费国，石油对外依存度逐年攀升，自1993年成为石油净进口国起，到2008年我国石油对外依存度达到了49.8%[3]。为缓解石油缺乏对经济发展造成的压力，一方面可以通过发展新能源，通过部分替代来减少不可再生资源的利用，另一方面，可以通过提高燃料的利用效率，充分发挥能源利用潜力。
在中国石油利用结构中，车用发动机所用石油比例在1/3以上，汽车行业的石油消耗占了很大一部分比例。随着中国汽车产业的不断发展，汽车保有量的不断增加，我国的汽车产销量已超越美国，成为世界第一大汽车消费市场[4]；汽车行业的石油消耗随之大幅攀升。由于我国汽车行业起步晚，技术有待进步，造成我国石油利用率低于国际水平。2007年的统计数据显示，当年我国汽车的平均油耗约为8.06L/100公里，而当年欧洲汽车的平均油耗是7.05L /100公里，日本的是5.04L/100公里[5]。
汽车尾气的大量排放对居民的生活造成严重的影响,也对环境造成污染,相关部门提高对汽车尾气的治理是非常必要的[6]。汽车工业是我国国民经济的支柱产业，汽车节能减排关系到产业的发展方向，对我国汽车工业未来的发展具有举足轻重的战略意义。
燃料在内燃机内燃烧所产生的热量，一部分转化为发动机运转的有效功，一部分随着排气散失到大气中，其余的通过冷却介质带走，综合各方面因素汽油机的热效率在30%左右，柴油机的最高热效率也仅有45%。同时，伴随着国家节能减排政策的强制实施和人们对汽车节能环保、安全、舒适性的要求，能够设法利用排气余温成为内燃机工程师的研究重要领域[7-8]。
1.2 国内外发动机余热回收利用研究概况
纵观国内外对于发动机余热利用的研究，从热源利用上可分为利用排气余热与利用发动机冷却水中的余热这两种方式。从用途方式上有制冷空调、采暖、废气涡轮增压、改良燃料、发电等方式。然而当前研究在以下几点要求还需进一步研究：一是要使体积小，结构简单，效率高，重量轻，不能在利用余热的过程中，增加汽车原有功的损失，这样会得不偿失；二是要能够设计出有效地回收方式能够容易的从低品位的余热中回收可观的热量；三是要在保障汽车安全的情况下进行汽车设计；四是设计的系统能够满足汽车复杂的路况，能够具备抗颠簸等特性。在设计时必须把握好以上几点，这使得设计变得复杂，虽然在汽车余热利用领域研究甚广，但投入到商业利用中的寥寥无几。
汽车余热回收是复杂多变的，吉林大学在详细讨论各种能量回收方式的优缺点后，创造性的提出了气动式废气能量综合回收系统方案。该方案中采用总效率很高的涡轮式膨胀机作为能量回收装置。所回收的能量用于产生高压空气，并利用单一的高压空气作为能量传递和转换的工质。高压空气最后通过气动马达产生低速、大转矩机械能，方便柴油机使用。该系统采用了动力涡轮、朗肯循环两种机构充分回收废气的不同品质能量。初步研究结果表明，该系统具有降低8-10%燃油消耗量的潜力。
国外发动机余热利用发展趋势为由单纯废热取暖向复合增压，向朗肯循环废热发电、做功方向发展，目前国外复合增压技术已经成熟，朗肯循环废热回收利用成为热门研究方向。
国外发动机生产厂商或研究机构，如奔驰、底特律、康明斯、宝马、本田、依维柯、美国西南研究院、AVL、GE等公司都在发动机的余热能量回收技术上开展了大量的研究工作，成效显著。其中康明斯在汽车发动机余热发电技术上使整机驾驶循环热效率提高了近10%，宝马公司下属“Turbo Stream”研究机构使发动机扭矩、输出功率、燃油效率分别提高了20N.m、10KW和15%，提升空间明显热效率提高了15%，本田公司通过采用热电式回收废能加以利用，式发动机的效率提升到32.7%。
而国内发动机余热利用主要以车用暖风系统为主，很多大客车都装有发动机废气加热水暖系统。该技术可利用一部分废气热量，但非常有限。目前无锡凯龙，广东沃富新能源科技有限公司等都批量生产尾气加热暖风系统，而国内采用复合增压的企业暂时没有。
使用发动机废热发电或利用发动机余热转化为动力技术国内研究刚刚起步，天津大学、浙江大学、中科院、玉柴、常州高新科技有限公司、开山集团开展了这方面的研究工作，其中常州高度已经研发成功5kW发动机废热热电机组，玉柴余热回收柴油机样机研发成功，10L排量的柴油机使用该技术回收废气余热可获得25KW的额外动力。
如前所述，在发动机燃料的总热量中，仅有30%-45%的热量转变为有效功，其余55%-70%都损失掉了。其中，主要由废气带走，其次传给冷却液，另外燃料不完全燃烧热损失；此外，还有其他热量损失：如发动机车身摩擦，在摩擦中传给冷却液的部分热量；从冷却液和水套壁辐射出的热量；从曲轴箱壁和其他不冷却部分辐射的热量；驱动辅助机构损失等。
对应于柴油发动机废气带走的热量达25%-45%，排温700-900K。如何提高热能的利用率或利用废气的能量，达到节能减排的目的，一直是汽车及发动机研究者的研究方向。在发动机废气能量的利用形式中，废气涡轮增压技术是排气余热利用成功的典范。在上述各种方法中只有废气涡轮增压实现了产业化，被大量应用，其它各种方法和技术大多还处于研究甚至概念阶段。
1.2.1 废气涡轮增压
废气涡轮增压是当前汽车余热利用较为成功的案例之一。废气涡轮增压利用排气中的余热以及废气动量推动涡轮机做功，将废气功转化为进气功，提高进气能量，增加进气充量，从而大幅度提高发动机的充量系数，可使发动机在整体结构变化不大的情况下，动力性大幅度增加，经济性得到一定程度的改善。然而，发动机涡轮增压并不能全部甚至大幅度的利用废弃能量，这也是限制发动机废气涡轮增压的瓶颈，废弃涡轮增压的同时会使发动机加速响应性能变差、低速转矩变小，其发展有待进一步研究。
1.2.2 发动机余热制冷空调系统
汽车空调分为冬季采暖及前挡风玻璃除霜设备和夏季制冷空调两种。冬季采暖设备，可直接采用发动机余热热能制暖，这是一种较为理想的制暖方式；至于制冷，则是直接利用发动机输出动力带动空调压缩机进行制冷。在空调压缩机工作过程中，要消耗很大一部分的动力，尤其是在发动机怠速时，为使发动机工作稳定，则采取提高发动机怠速的方法。油耗的增加，一方面使汽车经济性下降，另一方面也使发动机排放性能恶化。为解决这一问题，目前世界各国都在关注如何利用发动机余热来驱动空调压缩机这一研究课题。
1.2.3 利用废气能量输出功发电
1. 利用温差发电
温差发电主要是利用材料产生相对温差而产生热电反应的塞贝克效应(SE)[10-11]。温差是一种物理能量交换，无需机械传动。目前，限制利用温差发电技术产业应用的最主要瓶颈是热电转换效率低，致使发动机的排气能量利用品位较低。
2. 利用废气涡轮发电
涡轮增压目前在汽车上应用广泛，涡轮增压在低速时转矩性能和加速响应性能较差，但是在汽车高速时，排气能量迅速上升，涡轮增压效率升高,进气充量远远大于车速所需的进气量，此时可以设计一台发电机，由特定的工况下的涡轮机带动发电。日本工程师吉田佑作曾对此深有研究[12]，证明利用废气能量驱动涡轮发电所发出的电能足以提供汽车运行所需电能。
虽然废气涡轮增压发电机结构简单，但是在增压工况的控制方面以及增压发电机的适用方面尚存在多方面问题，因此可能会对发动机性能产生不良影响，而且还会造成发动机运行不稳定等一系列问题[11]，所以目前尚未广泛的应用。图1-1为废气涡轮发电机的模型示意图。
图1-1 涡轮增压发电机示意图
3.朗肯循环回收发动机废气能量
朗肯循环是热力学中的一种应用广泛、原理简单的蒸汽动力的循环，利用发动机余热中品位较低的热能，通过特定介质吸收废热，收集集聚，以较高品位的热能加以利用，这是目前热能与动力工程领域研究较为前卫的领域，它能够实现从低品位热能到高品位热能的回收转变。目前在诸多领域中都能看到朗肯循环的模型，在各热能回收利用领域应用很为广泛。目前利用朗肯循环回收工业废气能量已经在诸多工业领域(水泥制造、钢铁制造、火力发电等)中得到广泛的应用。在水泥工业中充分利用废渣余热的能量，通过使用朗肯循环原理的设备，进行余热发电技术[13]。美国北美公司和波特兰水泥厂开发的有机工质朗肯循环系统，能有效地回收干法工艺水泥窑的中低温余热，利用260~540℃的中低温余热时，其回收效率高达50%左右[14]。另外在地热[15]，太阳能[16]，生物质能[17]，以及液化天然气(LNG)的冷能回收[18]等领域均有广泛的应用潜力。
膨胀机、泵、热交换器和冷凝器是常规基于朗肯循环所必需的组成部分。图1-2是以水作为热交换介质的朗肯循环回收发动机余热的系统循环图。
图1-2 朗肯循环回收发动机余热的系统循环图
工质水经管道流经位于发动机排气管的热交换器，经高温废气（600℃左右）的加热后迅速汽化，高温高压蒸汽通过单向阀积聚于蓄能器中。当蓄能器里的气体压力增大到设定值时，气体膨胀做功，之后做功后的气体，经冷凝管冷凝又重新开始新一轮的循环。
在朗肯循环的工质选择上，除了水，还有异戊烷、异丁烷、R245fa、丁烷、R245ca、R125a、R123等，根据不同使用环境、使用条件、使用工况作具体的选定。对于车用朗肯循环，在原有设备不作较大变化的情况下，即可使汽车发动机余热得到良好的应用。
1.2.4 其它余热利用技术
1.废热取暖
对于发动机余热采暖大抵可以分为了两种水暖式和气暖式水暖式[19-20]，水暖式即为利用发动机的冷却水的热量，气暖式则是直接利用发动机排气余热的热量。余热取暖具有经济性好，成本低，但是受到热量品味限制以及散热量的限制。
2.改良燃烧及燃料
有的发动机为减少排气污染，会组织二次燃烧，其产生大量的废热，一方面造成巨大的浪费，另一方面造成排气管的严重热负荷。还有一部分用改良甲醇，在催化剂催化作用的情况下会分解大量其他可燃气体，燃料燃烧热值得到有效提高，积碳和排放污染也会得到减轻[21]。改良燃料和燃烧可以应用一小部分的废气能量。
3.利用废气能量提高发动机工作温度
发动机进入正常工作状态需要一定时间的暖车，在低转速状态时也需要一定的温度使发动机维持在正常工作状态下工作，因此可以利用发动机废气余热进行暖车，尽快提高发动机冷却液及机油的温度。
1.3 发动机余热驱动空调压缩机系统研究现状
本课题为轿车发动机余热驱动空调压缩机的蒸汽动力系统的设计。其核心内容是利用发动机余热作为驱动力给车辆提供冷能。从体积和重量的角度来看，采用吸收式制冷技术比较有优势[22],M.Mostafavi和B.Agernew对汽车发动机排气余热驱动的吸收式制冷系统做了理论研究[23]；通用汽车公司Munther Slim 认为采用发动机缸套余热比采用尾气余热驱动吸收式制冷系统更加具有优势；肖尤明等将溴化锂溶液直接充注在汽车发动机机体缸套中，并研究了该方案的可行性[24]；金苏敏研究了柴油机废气驱动的溴化锂制冷循环运行特性，由于汽车空调工作环境特殊，要求制冷量大，体积、重量和结构形状受到严格限制，因此发动机
摘 要
朗肯循环在发动机余热回收利用技术上的研究及应用方兴未艾，本设计涉及的是一种利用发动机废气能量进行的动力循环，通过切换，完成对空调压缩机的驱动。其核心内容是，R245fa工质经管道流经位于发动机排气管处密封的汽化室，经高温废气加热后迅速汽化，高压蒸汽通过单向阀积聚于高压储气罐中。一紧定于发动机气缸体上的用管道与蓄能器连接的气动马达通过带有电磁离合器的带轮与空调压缩机相连，当蒸汽压力达到设定值便接通蒸汽空调开关，经互锁的电磁离合器切换，使气动马达带动空调压缩机继续工作，减少了发动机的功耗，达到了节能的目的。膨胀做功后的乏气经与发动机散热器并列的凝汽器冷凝成液态后回流到储液器，完成工作循环。
摘 要 I
关键字:工质热交换气动马达螺旋管电磁离合器
目 录
Abstract II
目 录 III
1． 绪论 1
1.1 研究背景和课题研究的意义 1
1.2 国内外发动机余热回收利用研究概况 2
1.2.1 废气涡轮增压 3
1.2.2 发动机余热制冷空调系统 4
1.2.3 利用废气能量输出功发电 4
1.2.4 其它余热利用技术 6
1.3 发动机余热驱动空调压缩机系统研究现状 6
1.4 课题设计要求 7
1.5 工作过程 8
2. 工质的选型 10
2.1 有机朗肯循环及其热力过程 10
2.2 有机朗肯循环工质的选择 11
3. 汽化室的设计 13
3.1 汽化室螺旋管的设计 14
3.1.1 螺旋管展开长度的计算 14
3.1.2 采用螺旋管的优点 15
3.2 发动机排气管 15
3.3 排气管连接 16
3.4 排气管衬套的特征 16
3.5 排气管连接方式 17
4. 气动马达的结构特点 20
4.1 气动马达工作原理 20
4.2 气动马达零件结构特点 20
4.2.1 气动马达汽缸结构特点 20
4.2.2 气动马达旋转转子结构特点 21
4.2.3 气动马达叶片结构特点 21
4.3 扭矩数据分析方法 22
5. 电磁离合器的结构及工作原理 24
5.1 电磁离合器的结构 24
5.2 电磁离合器的工作原理 24
5.3 电磁离合器的设计及相关计算 25
5.3.1 电磁离合器的磁通回路 25
5.3.2 电磁离合器的吸引力的计算 26
5.3.3 电磁离合器传递扭矩的计算 26
5.4 设计时注意问题 26
6. 小结 29
参考文献 30
致谢 32
1． 绪论
1.1 研究背景和课题研究的意义
随着人类进入工业化大生产时代，人类对能源的需求日益剧增，能源利用的进步推动着人类社会的进步，反过来社会的进步又促使能源多样化利用。进入21世纪，能源越来越成为制约经济发展的首要问题。十八大以来，调整能源利用结构，促进工业结构转型是政府开展工作的重中之重。在未来数十年我国的能源需求将会进一步扩大，如何进行总量控制、环境保护、提高能源利用效率等问题成为影响经济发展的制约因素[1]。2012年，我国原油进口量上升了7.3%，在扣除少量成品油出口后，原油净进口量增加了1863万吨，达到2.687亿吨[2]。2013年我国石油
在中国石油利用结构中，车用发动机所用石油比例在1/3以上，汽车行业的石油消耗占了很大一部分比例。随着中国汽车产业的不断发展，汽车保有量的不断增加，我国的汽车产销量已超越美国，成为世界第一大汽车消费市场[4]；汽车行业的石油消耗随之大幅攀升。由于我国汽车行业起步晚，技术有待进步，造成我国石油利用率低于国际水平。2007年的统计数据显示，当年我国汽车的平均油耗约为8.06L/100公里，而当年欧洲汽车的平均油耗是7.05L /100公里，日本的是5.04L/100公里[5]。
汽车尾气的大量排放对居民的生活造成严重的影响,也对环境造成污染,相关部门提高对汽车尾气的治理是非常必要的[6]。汽车工业是我国国民经济的支柱产业，汽车节能减排关系到产业的发展方向，对我国汽车工业未来的发展具有举足轻重的战略意义。
燃料在内燃机内燃烧所产生的热量，一部分转化为发动机运转的有效功，一部分随着排气散失到大气中，其余的通过冷却介质带走，综合各方面因素汽油机的热效率在30%左右，柴油机的最高热效率也仅有45%。同时，伴随着国家节能减排政策的强制实施和人们对汽车节能环保、安全、舒适性的要求，能够设法利用排气余温成为内燃机工程师的研究重要领域[7-8]。
1.2 国内外发动机余热回收利用研究概况
纵观国内外对于发动机余热利用的研究，从热源利用上可分为利用排气余热与利用发动机冷却水中的余热这两种方式。从用途方式上有制冷空调、采暖、废气涡轮增压、改良燃料、发电等方式。然而当前研究在以下几点要求还需进一步研究：一是要使体积小，结构简单，效率高，重量轻，不能在利用余热的过程中，增加汽车原有功的损失，这样会得不偿失；二是要能够设计出有效地回收方式能够容易的从低品位的余热中回收可观的热量；三是要在保障汽车安全的情况下进行汽车设计；四是设计的系统能够满足汽车复杂的路况，能够具备抗颠簸等特性。在设计时必须把握好以上几点，这使得设计变得复杂，虽然在汽车余热利用领域研究甚广，但投入到商业利用中的寥寥无几。
汽车余热回收是复杂多变的，吉林大学在详细讨论各种能量回收方式的优缺点后，创造性的提出了气动式废气能量综合回收系统方案。该方案中采用总效率很高的涡轮式膨胀机作为能量回收装置。所回收的能量用于产生高压空气，并利用单一的高压空气作为能量传递和转换的工质。高压空气最后通过气动马达产生低速、大转矩机械能，方便柴油机使用。该系统采用了动力涡轮、朗肯循环两种机构充分回收废气的不同品质能量。初步研究结果表明，该系统具有降低8-10%燃油消耗量的潜力。
国外发动机余热利用发展趋势为由单纯废热取暖向复合增压，向朗肯循环废热发电、做功方向发展，目前国外复合增压技术已经成熟，朗肯循环废热回收利用成为热门研究方向。
国外发动机生产厂商或研究机构，如奔驰、底特律、康明斯、宝马、本田、依维柯、美国西南研究院、AVL、GE等公司都在发动机的余热能量回收技术上开展了大量的研究工作，成效显著。其中康明斯在汽车发动机余热发电技术上使整机驾驶循环热效率提高了近10%，宝马公司下属“Turbo Stream”研究机构使发动机扭矩、输出功率、燃油效率分别提高了20N.m、10KW和15%，提升空间明显热效率提高了15%，本田公司通过采用热电式回收废能加以利用，式发动机的效率提升到32.7%。
而国内发动机余热利用主要以车用暖风系统为主，很多大客车都装有发动机废气加热水暖系统。该技术可利用一部分废气热量，但非常有限。目前无锡凯龙，广东沃富新能源科技有限公司等都批量生产尾气加热暖风系统，而国内采用复合增压的企业暂时没有。
使用发动机废热发电或利用发动机余热转化为动力技术国内研究刚刚起步，天津大学、浙江大学、中科院、玉柴、常州高新科技有限公司、开山集团开展了这方面的研究工作，其中常州高度已经研发成功5kW发动机废热热电机组，玉柴余热回收柴油机样机研发成功，10L排量的柴油机使用该技术回收废气余热可获得25KW的额外动力。
如前所述，在发动机燃料的总热量中，仅有30%-45%的热量转变为有效功，其余55%-70%都损失掉了。其中，主要由废气带走，其次传给冷却液，另外燃料不完全燃烧热损失；此外，还有其他热量损失：如发动机车身摩擦，在摩擦中传给冷却液的部分热量；从冷却液和水套壁辐射出的热量；从曲轴箱壁和其他不冷却部分辐射的热量；驱动辅助机构损失等。
对应于柴油发动机废气带走的热量达25%-45%，排温700-900K。如何提高热能的利用率或利用废气的能量，达到节能减排的目的，一直是汽车及发动机研究者的研究方向。在发动机废气能量的利用形式中，废气涡轮增压技术是排气余热利用成功的典范。在上述各种方法中只有废气涡轮增压实现了产业化，被大量应用，其它各种方法和技术大多还处于研究甚至概念阶段。
1.2.1 废气涡轮增压
废气涡轮增压是当前汽车余热利用较为成功的案例之一。废气涡轮增压利用排气中的余热以及废气动量推动涡轮机做功，将废气功转化为进气功，提高进气能量，增加进气充量，从而大幅度提高发动机的充量系数，可使发动机在整体结构变化不大的情况下，动力性大幅度增加，经济性得到一定程度的改善。然而，发动机涡轮增压并不能全部甚至大幅度的利用废弃能量，这也是限制发动机废气涡轮增压的瓶颈，废弃涡轮增压的同时会使发动机加速响应性能变差、低速转矩变小，其发展有待进一步研究。
1.2.2 发动机余热制冷空调系统
汽车空调分为冬季采暖及前挡风玻璃除霜设备和夏季制冷空调两种。冬季采暖设备，可直接采用发动机余热热能制暖，这是一种较为理想的制暖方式；至于制冷，则是直接利用发动机输出动力带动空调压缩机进行制冷。在空调压缩机工作过程中，要消耗很大一部分的动力，尤其是在发动机怠速时，为使发动机工作稳定，则采取提高发动机怠速的方法。油耗的增加，一方面使汽车经济性下降，另一方面也使发动机排放性能恶化。为解决这一问题，目前世界各国都在关注如何利用发动机余热来驱动空调压缩机这一研究课题。
1.2.3 利用废气能量输出功发电
1. 利用温差发电
温差发电主要是利用材料产生相对温差而产生热电反应的塞贝克效应(SE)[10-11]。温差是一种物理能量交换，无需机械传动。目前，限制利用温差发电技术产业应用的最主要瓶颈是热电转换效率低，致使发动机的排气能量利用品位较低。
2. 利用废气涡轮发电
涡轮增压目前在汽车上应用广泛，涡轮增压在低速时转矩性能和加速响应性能较差，但是在汽车高速时，排气能量迅速上升，涡轮增压效率升高,进气充量远远大于车速所需的进气量，此时可以设计一台发电机，由特定的工况下的涡轮机带动发电。日本工程师吉田佑作曾对此深有研究[12]，证明利用废气能量驱动涡轮发电所发出的电能足以提供汽车运行所需电能。
虽然废气涡轮增压发电机结构简单，但是在增压工况的控制方面以及增压发电机的适用方面尚存在多方面问题，因此可能会对发动机性能产生不良影响，而且还会造成发动机运行不稳定等一系列问题[11]，所以目前尚未广泛的应用。图1-1为废气涡轮发电机的模型示意图。
图1-1 涡轮增压发电机示意图
3.朗肯循环回收发动机废气能量
朗肯循环是热力学中的一种应用广泛、原理简单的蒸汽动力的循环，利用发动机余热中品位较低的热能，通过特定介质吸收废热，收集集聚，以较高品位的热能加以利用，这是目前热能与动力工程领域研究较为前卫的领域，它能够实现从低品位热能到高品位热能的回收转变。目前在诸多领域中都能看到朗肯循环的模型，在各热能回收利用领域应用很为广泛。目前利用朗肯循环回收工业废气能量已经在诸多工业领域(水泥制造、钢铁制造、火力发电等)中得到广泛的应用。在水泥工业中充分利用废渣余热的能量，通过使用朗肯循环原理的设备，进行余热发电技术[13]。美国北美公司和波特兰水泥厂开发的有机工质朗肯循环系统，能有效地回收干法工艺水泥窑的中低温余热，利用260~540℃的中低温余热时，其回收效率高达50%左右[14]。另外在地热[15]，太阳能[16]，生物质能[17]，以及液化天然气(LNG)的冷能回收[18]等领域均有广泛的应用潜力。
膨胀机、泵、热交换器和冷凝器是常规基于朗肯循环所必需的组成部分。图1-2是以水作为热交换介质的朗肯循环回收发动机余热的系统循环图。
图1-2 朗肯循环回收发动机余热的系统循环图
工质水经管道流经位于发动机排气管的热交换器，经高温废气（600℃左右）的加热后迅速汽化，高温高压蒸汽通过单向阀积聚于蓄能器中。当蓄能器里的气体压力增大到设定值时，气体膨胀做功，之后做功后的气体，经冷凝管冷凝又重新开始新一轮的循环。
在朗肯循环的工质选择上，除了水，还有异戊烷、异丁烷、R245fa、丁烷、R245ca、R125a、R123等，根据不同使用环境、使用条件、使用工况作具体的选定。对于车用朗肯循环，在原有设备不作较大变化的情况下，即可使汽车发动机余热得到良好的应用。
1.2.4 其它余热利用技术
1.废热取暖
对于发动机余热采暖大抵可以分为了两种水暖式和气暖式水暖式[19-20]，水暖式即为利用发动机的冷却水的热量，气暖式则是直接利用发动机排气余热的热量。余热取暖具有经济性好，成本低，但是受到热量品味限制以及散热量的限制。
2.改良燃烧及燃料
有的发动机为减少排气污染，会组织二次燃烧，其产生大量的废热，一方面造成巨大的浪费，另一方面造成排气管的严重热负荷。还有一部分用改良甲醇，在催化剂催化作用的情况下会分解大量其他可燃气体，燃料燃烧热值得到有效提高，积碳和排放污染也会得到减轻[21]。改良燃料和燃烧可以应用一小部分的废气能量。
3.利用废气能量提高发动机工作温度
发动机进入正常工作状态需要一定时间的暖车，在低转速状态时也需要一定的温度使发动机维持在正常工作状态下工作，因此可以利用发动机废气余热进行暖车，尽快提高发动机冷却液及机油的温度。
1.3 发动机余热驱动空调压缩机系统研究现状
本课题为轿车发动机余热驱动空调压缩机的蒸汽动力系统的设计。其核心内容是利用发动机余热作为驱动力给车辆提供冷能。从体积和重量的角度来看，采用吸收式制冷技术比较有优势[22],M.Mostafavi和B.Agernew对汽车发动机排气余热驱动的吸收式制冷系统做了理论研究[23]；通用汽车公司Munther Slim 认为采用发动机缸套余热比采用尾气余热驱动吸收式制冷系统更加具有优势；肖尤明等将溴化锂溶液直接充注在汽车发动机机体缸套中，并研究了该方案的可行性[24]；金苏敏研究了柴油机废气驱动的溴化锂制冷循环运行特性，由于汽车空调工作环境特殊，要求制冷量大，体积、重量和结构形状受到严格限制，因此发动机
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