鄧亞東，范 韜，郭 珣，凌 凱，代宏偉，蘇楚奇

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

研究表明，目前汽車發(fā)動機(jī)的熱效率不到30%［1］，大部分能量損失于發(fā)動機(jī)的冷卻水和車輛排放的高溫尾氣中。若將發(fā)動機(jī)的尾氣廢熱進(jìn)行再利用，可以進(jìn)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(fā)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(dǎo)體材料制成的熱電模塊布置在連接發(fā)動機(jī)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(chǎn)生熱源和冷源，通過兩端的溫度差產(chǎn)生電能［4-6］。溫差發(fā)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(guān)。

1 熱電模塊性能研究

1.1 半導(dǎo)體材料的選擇

汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電效率與熱電模塊的性能有直接關(guān)系，尋找高優(yōu)值的熱電材料，一直是熱電研究的重要內(nèi)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(fā)電的熱電材料大多是半導(dǎo)體，在不同的溫度范圍內(nèi)熱電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率及其能承受的溫度范圍［8］。不同廠家生產(chǎn)的熱電模塊轉(zhuǎn)換性能與耐高溫能力不盡相同，熱電模塊的生產(chǎn)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(zhuǎn)換效率，該溫差下單體模塊最大功率可達(dá)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(nèi)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?zé)犭娔K兩端電壓隨溫差變化的實驗結(jié)果，隨著兩端溫差的增大，模塊的發(fā)電能力增強(qiáng)，在溫差160℃(高溫端 220℃，低溫端60℃)時，開路電壓達(dá)到1.56 V。

2 發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)排氣沿管道走向的溫度分布，并結(jié)合熱電模塊高溫端的額定溫度，找出理想?yún)^(qū)域布置廢熱溫差發(fā)電裝置，筆者進(jìn)行了發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)排量為1.6 L乘用車，利用精密紅外溫度計，測出發(fā)動機(jī)在不同負(fù)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(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速改變發(fā)動機(jī)排氣熱負(fù)荷，在發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)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(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高排氣管外壁溫度越高。由于在城市路況行駛，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一般不超過3000 r/min，因此，在進(jìn)一步實驗中，只分析發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)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(yīng)的溫度分布曲線圖。

2.3 試驗結(jié)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(fā)動機(jī)工作狀態(tài)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(qū)間，主要為消聲器內(nèi)徑較排氣管內(nèi)徑尺寸突然變大所致。廢氣通過消聲器后，流進(jìn)相對較細(xì)的排氣管，外壁溫度又驟然回升，但總體相對流進(jìn)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(qū)域外壁溫度相對會有一定的升高。

3 廢熱溫差發(fā)電裝置箱體安裝位置選擇

廢熱溫差發(fā)電裝置箱體主要用于布置熱電模塊，其結(jié)構(gòu)取決于熱源和冷源的種類、熱電模塊的性能及系統(tǒng)的散熱方式，通常有平板式、圓桶式等［10］。平板式溫差發(fā)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(shù)量上占有優(yōu)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(yōu)。

圖4 溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

平板式溫差發(fā)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(jù)熱電材料的性能及發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(fā)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(fā)電臺架進(jìn)行實驗論證。根據(jù)發(fā)動機(jī)排氣管的溫度分布，將不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體安裝至廢熱溫差發(fā)電臺架，比較各種結(jié)構(gòu)的紅外線熱像圖可知，圖5(a)中所示為無內(nèi)部結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體外表面熱像圖，其溫度場分布不均，僅在進(jìn)氣口附近區(qū)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(qū)域比例最大，熱能轉(zhuǎn)換效率最高，故應(yīng)選用該結(jié)構(gòu)。

圖5 不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)后，通過比較分析，同一組熱電模塊在相近的溫度區(qū)域串聯(lián)發(fā)電效率較高。將熱電模塊串聯(lián)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(lián)所形成的電流增大額度。串聯(lián)數(shù)目到達(dá)一定值后，功率的提高轉(zhuǎn)而被電流制約。因此需要適當(dāng)并聯(lián)，以使得大功率所需的大電流能夠被多個模塊分擔(dān)。經(jīng)試驗研究并結(jié)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(lián)，然后列與列之間并聯(lián)的組合連接方式，使系統(tǒng)獲取較大功率。

圖6 熱電模塊布置示意圖

5 結(jié)論

根據(jù)汽車排氣管溫度分布確定了尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置的安裝位置，根據(jù)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(jìn)一步研究。

［1］GRANDEUR D，CRANE S，HUNG B，et al.Automobive waste heat conversion to electric power using skutterudite，TAGS，PbTe and BiTe［J］.Thermoelectrics，2006(25):343-348.

［2］ALEJKSANDR S K，JOHN C，BASS S，et al.Thermoelectric development at Hi-z technology［R］.［S.l.］:Hi-z Technology Inc，2001.

［3］LON E B.Cooling，heating，generating power and recovering waste heat with thermoelectric systems［J］.Science，2008(10):413-418.

［4］NUWAYHID R Y，ROWE D M，MIN G.Low cost stove top thermoeleetric generator for regions with unreliable eletricity supply［J］.Renewalbe Energy，2003(28):205-220.

［5］ROWE D M.Thermoelectrics:an environmentally-friendly source of electrical power［J］.Renewable Energy，1999(16):1251-1256.

［6］CRANE T，GRANDEUR J M，HARRIS L E B.Preformance results of a high power density thermoelectric generator:beyond the couple［J］.BSST LLC，2005(24):170-174.

［7］張征，曾美琴，司廣樹.溫差發(fā)電技術(shù)及其在汽車發(fā)動機(jī)排氣余熱利用中的應(yīng)用［J］.能源技術(shù)，2004(3):120-123.

［8］YANG J.Potential applications of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry［J］.Thermoelectrics，2005(24):170-174.

［9］張騰，張征.溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用［J］.能源技術(shù)，2009(1):35-39.

［10］SAQR K M，MANSOUR M K，MUSA M N.Thermal design of automobile exhuast based thermoelectric generators:objectives and challenges［J］.International Journal of Automotive Technology，2008(1):30-34.