汽車尾氣溫差發電裝置及熱電模塊的布置研究

鄧亞東，范 韜，郭 珣，凌 凱，代宏偉，蘇楚奇

(武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢 430070)

研究表明，目前汽車發動機的熱效率不到30%［1］，大部分能量損失于發動機的冷卻水和車輛排放的高溫尾氣中。若將發動機的尾氣廢熱進行再利用，可以進一步提高汽車的能源利用率，從而提升整車綜合性能［2-3］。

汽車尾氣廢熱溫差發電裝置主要包括熱電模塊、廢氣通道箱體和冷卻水箱體等。其原理是將半導體材料制成的熱電模塊布置在連接發動機排氣管的廢氣通道箱體和冷卻水箱體之間，在模塊的兩端產生熱源和冷源，通過兩端的溫度差產生電能［4-6］。溫差發電的效率與熱電模塊的性能、兩端的溫差及其在廢氣通道箱體上的布置形式有關。

1 熱電模塊性能研究

1.1 半導體材料的選擇

汽車尾氣廢熱溫差發電效率與熱電模塊的性能有直接關系，尋找高優值的熱電材料，一直是熱電研究的重要內容。在熱電材料的研究方面，稀土硫化物、硒化物、富硼固體和方鈷礦型化合物等，都較適于做熱電模塊的材料。目前用于溫差發電的熱電材料大多是半導體，在不同的溫度范圍內熱電轉換效率較高的材料主要有以下幾種，如表 1［7］所示。

1.2 熱電模塊的性能

熱電模塊的性能主要包括熱電轉換效率及其能承受的溫度范圍［8］。不同廠家生產的熱電模塊轉換性能與耐高溫能力不盡相同，熱電模塊的生產廠家主要有 Hi-Z、Furukawa、Komatsu 等［9］。例如Komatsu公司的Bi2Te3熱電模塊，在高溫端280℃、低溫端30℃時，具有7.2%的熱電轉換效率，該溫差下單體模塊最大功率可達24 W，能量密度為1 W/cm2。

表1 在不同溫度范圍可選擇的熱電材料

目前國內也正在積極研究各種熱電材料，如圖1所示是某型號尺寸為29 mm×29 mm×4 mm的Bi2Te3低溫熱電模塊兩端電壓隨溫差變化的實驗結果，隨著兩端溫差的增大，模塊的發電能力增強，在溫差160℃(高溫端 220℃，低溫端60℃)時，開路電壓達到1.56 V。

2 發動機排氣管溫度場分布

2.1 紅外溫度計排氣管溫度場分布測試試驗

為了解發動機排氣沿管道走向的溫度分布，并結合熱電模塊高溫端的額定溫度，找出理想區域布置廢熱溫差發電裝置，筆者進行了發動機排氣管溫度場分布試驗。

圖1 某型號熱電模塊溫差-電壓曲線

實驗采用某型發動機排量為1.6 L乘用車，利用精密紅外溫度計，測出發動機在不同負荷下，排氣管外壁沿縱向等間距15 cm各個測量點的溫度，起點為排氣支管，終點為排氣管末端。

調整發動機轉速改變發動機排氣熱負荷，在發動機1000 r/min、2000 r/min和3000 r/min工況下測定各點溫度并記錄，獲得的各轉速下各測量點溫度如圖2所示。

圖2 排氣管溫度分布

2.2 紅外熱像儀排氣管溫度場分布測試試驗

由上述實驗知，發動機轉速越高排氣管外壁溫度越高。由于在城市路況行駛，發動機轉速一般不超過3000 r/min，因此，在進一步實驗中，只分析發動機轉速在3000 r/min排氣管的溫度分布，即可與熱電模塊高溫端的額定溫度相比較。

圖3所示為發動機在3000 r/min時，采用紅外熱像儀采集得到的紅外圖像及相對應的溫度分布曲線圖。

2.3 試驗結果分析

圖3 排氣管紅外圖像及溫度分布曲線

綜合圖2和圖3分析，由于熱量散失及廢氣流動的延程損失，在發動機工作狀態下，排氣管外壁溫度總體上是從排氣支管到排氣管出口下降。在第一消聲器和第二消聲器有兩個明顯的溫度急劇下降的區間，主要為消聲器內徑較排氣管內徑尺寸突然變大所致。廢氣通過消聲器后，流進相對較細的排氣管，外壁溫度又驟然回升，但總體相對流進消聲器前溫度有所下降。同時，在排氣管彎曲的位置因廢氣碰撞，此區域外壁溫度相對會有一定的升高。

3 廢熱溫差發電裝置箱體安裝位置選擇

廢熱溫差發電裝置箱體主要用于布置熱電模塊，其結構取決于熱源和冷源的種類、熱電模塊的性能及系統的散熱方式，通常有平板式、圓桶式等［10］。平板式溫差發電裝置可將熱電模塊平鋪在矩形廢氣通道箱體的上下表面，在布置模塊的數量上占有優勢，同時便于冷卻水箱體的布置，故采用如圖4所示廢氣通道箱體較優。

圖4 溫差發電裝置結構示意圖

平板式溫差發電裝置的熱源是廢氣通道箱體外壁，冷源為冷卻水箱體。根據熱電材料的性能及發動機排氣管的溫度場分布，選用不同類型熱電模塊時需在排氣管不同位置安裝廢氣通道箱體。

在選用高溫材料模塊時將廢氣通道箱體布置于發動機排氣支管附近，在選用中溫材料模塊時將廢氣通道箱體布置于排氣支管和第一消聲器之間，在選用低溫材料模塊時將廢氣通道箱體布置于第一消聲器處。

4 熱電模塊在廢氣通道箱體上的布置方式

4.1 廢氣通道箱體溫度場分布試驗

目前，汽車尾氣廢熱溫差發電仍處于試驗研究階段，實際裝車前，需要先利用廢熱溫差發電臺架進行實驗論證。根據發動機排氣管的溫度分布，將不同內部結構的廢氣通道箱體安裝至廢熱溫差發電臺架，比較各種結構的紅外線熱像圖可知，圖5(a)中所示為無內部結構的廢氣通道箱體外表面熱像圖，其溫度場分布不均，僅在進氣口附近區域獲得較高溫度;由圖5(b)中所示的廢氣通道箱體熱像圖知，其溫度分布均勻，高溫區域比例最大，熱能轉換效率最高，故應選用該結構。

圖5 不同結構的廢氣通道箱體溫度場分布

4.2 熱電模塊的布置形式

確定廢氣通道箱體結構后，通過比較分析，同一組熱電模塊在相近的溫度區域串聯發電效率較高。將熱電模塊串聯可以顯著增大電壓，但單體模塊具有一定的額定電流，這將限制由串聯所形成的電流增大額度。串聯數目到達一定值后，功率的提高轉而被電流制約。因此需要適當并聯，以使得大功率所需的大電流能夠被多個模塊分擔。經試驗研究并結合圖5(b)熱像圖所反映出來的廢氣通道箱體外壁溫度特性，采取圖6所示的布置方式，即模塊A、B、C、D串聯，然后列與列之間并聯的組合連接方式，使系統獲取較大功率。

圖6 熱電模塊布置示意圖

5 結論

根據汽車排氣管溫度分布確定了尾氣廢熱溫差發電裝置的安裝位置，根據廢氣通道箱體溫度場的分布，決定熱電模塊的連接方法。但是由于廢氣通道箱體表面積較大，高溫端的溫度控制和廢氣通道箱體溫度分布的均勻性還需進一步研究。

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