沈海青 林龙

摘 要：为了回收利用汽车发动机排气中的高温余热，提高发动机的效能，根据发动机台架特点，设计了超导热管和温差发电装置，并布置于发动机排气系统中，研究了利用超导热管传递发动机排气热量，温差发电的输出功率情况。

关键词：温差发电 超导热管 发动机排气 热能

节能减排是现阶段工业发展的重要内容，工业余热的回收利用不仅能够提高能源利用率，还能减少向大气环境中的热量排放，降低温室效应。所以回收利用这些工业废热很有必要。汽车工业对国家影响重大，截至2019年底，全国汽车保有量达2.6亿辆，与2018年底相比，增加2122万辆（扣除报废注销量），增长8.83%。汽车产销量已经连续 11 年稳居世界首位，2019年我国汽车产销分别完成2572.1万辆和2576.9万辆，产销量继续蝉联全球第一。但从同比情况来看，去年的产销量分别下降7.5%和8.2%。2019年中国新能源汽车产销分别完成124.2万辆和120.6万辆，同比分别下降2.3%和4.0%。其中纯电动汽车生产完成102万辆，同比增长3.4%;销售完成97.2万辆，同比下降1.2%;插电式混合动力汽车产销分别完成22.0万辆和23.2万辆，同比分别下降22.5%和14.5%;燃料电池汽车产销分别完成2833辆和2737辆，同比分别增长85.5%和79.2%[1]。

从2019年数据来看，相比于新兴的新能源汽车，传统内燃机汽车占比仍超过95%。而内燃机在工作过程中燃料燃烧的热量仅有25%转化为有用功，排气带走的能量占比达到40%，内燃机能量流向各部分占比如图1所示。

充分利用废气部分带走的能量具有显著提升内燃机效率的潜力。由于汽车尾气中携带的能量包含动能和热能两部分，目前利用汽车尾气的众多系统因此也可为分两类，动能利用式和热能利用式。动能利用式包含涡轮增压、涡轮发电;热能利用有朗肯循环发电、余热制冷、温差发电;此外，还有利用废气成分的EGR。

而温差发电模块组布置在废气通道和冷却通道之间，利用温差发电模块两端温度差发电，是静态能量转换，无传动系，结构简单，布置方式灵活，还能够回收利用冷却介质中的热量，并能降低燃烧之后的排放污染物。这种方式只需在原有发动机结构上做少许改动即可实施，对发动机效能提升具有很大潜力。

1 国内外研究现状和发展趋势

1.1 温差发电国外研究情况

温差发电（TEG）技术作为一种清洁的能源转换技术，广泛应用于废热回收和太阳能发电，其原理图如图2所示。在过去15年里，关于温差发电的研究有着爆发式的增长，有关文献中与此相关的年度出版物从500上升到2000之多[2]。TEG的能源转换效率由卡诺效率和无量纲优值ZT决定。ZT定义为，

然而，TEG的实际应用中还有待改善。卡尔斯鲁厄大学在1988年第一个将FeSi2TEG应用到汽车上[2]。随后，应用到汽车上的其他类型的TEG被开发并用于工业和学术测试[2]。然而，所报道的最大功率输出不超过100W，并没有能将其应用到实际的商业汽车上。2008年，IAV公司为大众Golf汽车开发了一款TEG装置，在高速公路速度下能够得到600W的功率输出。最近，Gentherm领导的包含宝马和福特公司的一个联合研发团队推出一款TEG设备，并应用到宝马X6和林肯MKT两款车上，这个TEG设备得到了700W 的理论功率和超过600W的实际功率[3]。尽管生成的电量提供了汽车运行时所需电量的30%，但仍低于5%燃油经济性提高的目标。其他汽车制造商，包括本田、日产、丰田和通用，也进行了利用汽车废热能量回收的项目，但是现在并没有可用的TEG设施出现在商业汽车上。将这项技术带向市场的两大挑战是：热电材料的机械性能不佳及热稳定性不好[2];热电装置引脚和电极之间的不可靠连接。

1.2 汽车尾气温差发电技术的国内研究现状

国内对利用汽车尾气温差发电的研究很多，主要有清华大学[5]、武汉理工大学[6，7]、吉林大学[8]、天津大学[9]、北京交通大学[9]等。清华大学徐立珍等人[5]比较了风温差发电器中冷端分别采用风冷和水冷效能的区别，表示水冷效果较好，但风冷模式在实际应用中更方便。武汉理工大学袁晓红博士[6]对汽车发动机尾气余热发电装置进行了热端和冷端作用对发电性能的影响分析、余热温差发电装置的热应力分析以及模态分析;在利用计算流体力学软件分析时表明，提高尾气温度比提高尾气流速在强化换热更有效;结合试验建立的仿真模型表明，在其试验发动机安装的温差发电装置使得发动机额定功率下降6%，标定况点燃油消耗率增加3.6%;进一步提高温差发电装置冷热端温差，进行了采用独立冷却回路降低冷端低温的研究，以40km/h车速为例，在整车百公里油耗升高0.4%的情况下独立冷却式温差发电装置输出功率升高了208%;在模态分析中，增加热端气箱壁厚能有效地提高其低阶约束固有频率，刚度增大;增加冷端水箱固定端，约束状态下的1阶固有频率值由177.70Hz提高到了311.47Hz，较好的避开了发动机的共振频率范围，且共振变形量减小，动态特性较好;主要研究还是侧重于模拟计算分析。邓亚东等人[2，7]将温差发电技术与汽车尾气消声器相结合，利用仿真软件仿真结果表明，两者结合能够满足温差发电器的热端要求以及消声性能要求。吉林大学胡智超硕士[8]将相变蓄热材料和温差发电技术相结合，相变蓄热材料的使用能够稳定发动机在工况变动时排气温度波动，从而提高余热回收率。天津大学汪育超硕士[9]对汽车尾气余热温差发电系统进行了详尽的理论分析，并建立温差发电模型对各影响因素作了评价。风冷情况下，增加尾气流量能够提高发电器效率;增加冷端换热系数能够提高发电器输出功率;也提出相變材料的结合使用可以提高温差发电器输出功率和效率。

2 超导热管和温差发电系统设计

本项目主要研究的是超导热管和TEG协同作用下回收利用发动机排气中的低品质热能，从而提高发动机性能的研究。温差发电系统主要采用平板式温差发电结构，系统的结构如图3所示，主要由发动机、消声器、超导热管、温差发电装置、冷却装置、数据采集电路组成。其中发动机的消声器的热量通过超导热管传递到温差发电装置集热装置;冷却装置主要是风扇驱动外界的自然风，冷却贴在温差发电片的散热片。温差发电装置安装在集热铝板上。

当发动机工作时，燃料燃烧后形成的高温尾气进入排气管将热量传递给超导热管，形成热端，把热量传递给温差发电模块。同时，冷却风扇开始工作，将发电片的另一端的热量传导给散热片的热量带走，使冷端维持在较低温度。温差发电模块两端形成一定温差，根据塞贝克效应，在闭合的电路中会产生电压和电流，可供整车的负载的使用。

2.1 超导热管传热装置设计

本实验装置的超导热管采用市售直径10mm，长度500mm规格的（如图4），适用温度为60～1000℃，具有良好的等温性，其热、冷两端温差不大于3℃。为获得消声器内热管，在消声器筒体上开了四个圆孔，在圆孔上安装中空螺栓套件，超导热管可以通过中空螺栓固定，同时也可以调节插入消声器内腔的深度，而热管的另一端与温差发电装置的集热板相连。

2.2 温差发电装置设计

目前国内不少厂商生产出很多不同尺寸和材料的温差发电片。通过对多个温差发电模块的比较发现， 大多数温差发电模块最高耐热温度基本都在150℃～350℃之间，通过对比各厂商的性能参数和成本，选取了某公司生产的TEP1-142T300（如图5），单个温差发电模块尺寸规格为40mm×40mm×3.4mm，工作温度为-40℃～300℃，长时间工作最高温度为250℃，其外形如图3所示。

在金属材料中，银的导热系数最高，但成本高;纯铜其次，但加工不容易;因此本设计的集热装置采用在风冷散热器中一般用的6063T5 铝合金，这是因为铝合金的加工性好（纯鋁由于硬度不足，很难进行切削加工）、表面处理容易、成本低廉。集热装置选择采用平板式结构，在铝板表面安装四个温差发电片，温差发电片的热端紧贴铝板表面，温差发电片的热端表面安装散热风扇，使发电片的冷热端保持较大的温差才能获得更多的发电量。

2.3 测量电路设计

为验证本项目温差发电片最终的输出的发电量，将四个温差发电片的串联连接，在电路中串联一个10欧姆的电阻，再电阻两端并联一个万用表，可以读出温差发电装置的输出电压，那么发电功率就可以得到：

3 温差发电系统试验

在现有大众帕萨特EA113发动机台架上经过改造，把超导热管与发动机台架的消声器连接，温差发电装置的集热铝板与超导热管对接，再将测量电路接到温差发电片上，整个的试验装置完成了，下一步就可以进行发电的试验。试验装置通过安装热电偶测量消声器处的排气温度，集热铝板的处温差发电片热端温度，发电片冷端温度。

当发动机开始工作后，控制节气门开度，以不同转速运行，使消声器的温度达到最高，在测试过程中采用热电偶采集温差发电装置冷端和热端的温度，同时采集发动机运行过程中，发电装置不同时刻产生的电压大小，然后将所有数据进行汇总分析。

试验进行了多次，取其平均值后，得到了发动机开始运转后，消声器的排气温度与集热板温度的关系，如图6;在发动机正常运行时，温差发电系统在不同温差条件下产生的电压和电流关系，如图7所示。

4 结语

本项目基于超导热管和温差发电片的协同效应下，设计了平板式温差发电系统。研究了利用超导热管传递发动机排气热量，温差发电的输出功率情况。由于受到了发动机台架布置结构的限制，超导热管的热量传递和温差发电的效果还没有达到最佳状态，本项目的温差发电系统结构简单，在发动机效能提升具有很大潜力，为今后开展发动机排气热能温差发电的研究打下良好的基础。

基金项目：台州市科技计划项目（1702gy10）。

参考文献：

[1]中国汽车工业协会.2019年汽车产销全年数据！全面整理！[EB/OL].https：//www.sohu.com/a/366666541_560178，2020-01-13.

[2]Liu W，Jie Q，Kim H S，et al. Current progress and future challenges in thermoelectric power generation：From materials to devices[J]. Acta Materialia. 2015，87：357-376.

[3] Crane D，Lagrandeur J，Jovovic V，et al. TEG On-Vehicle Performance and Model Validation and What It Means for Further TEG Development[J]. Journal of Electronic Materials. 2013，42（7）：1582-1591.

[4] Bartholomé K，Balke B，Zuckermann D，et al. Thermoelectric Modules Based on Half-Heusler Materials Produced in Large Quantities[J]. Journal of Electronic Materials. 2014，43（6）：1775-1781.

[5]徐立珍，李彦，杨知，等.汽车尾气温差发电的实验研究[J].清华大学学报（自然科学版）.2010（02）：287-289.

[6]袁晓红.汽车发动机尾气余热温差发电装置热电转换技术研究[D].武汉理工大学， 2012.

[7]邓亚东，谢蛟龙，叶冰清，等. 汽车尾气温差发电装置热端与消声器集成研究[J]. 武汉大学学报（工学版）. 2015， 48（2）： 239-242， 268.

[8]胡智超.基于汽车尾气的恒温差发电系统分析研究[D].吉林大学，2015.

[9]汪育超.以汽车尾气余热为热源的半导体温差发电器的理论研究[D]. 天津大学， 2013.