汽车尾气温差发电装置及热电模块的布置研究

邓亚东，范 韬，郭 珣，凌 凯，代宏伟，苏楚奇

(武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070)

研究表明，目前汽车发动机的热效率不到30%［1］，大部分能量损失于发动机的冷却水和车辆排放的高温尾气中。若将发动机的尾气废热进行再利用，可以进一步提高汽车的能源利用率，从而提升整车综合性能［2-3］。

汽车尾气废热温差发电装置主要包括热电模块、废气通道箱体和冷却水箱体等。其原理是将半导体材料制成的热电模块布置在连接发动机排气管的废气通道箱体和冷却水箱体之间，在模块的两端产生热源和冷源，通过两端的温度差产生电能［4-6］。温差发电的效率与热电模块的性能、两端的温差及其在废气通道箱体上的布置形式有关。

1 热电模块性能研究

1.1 半导体材料的选择

汽车尾气废热温差发电效率与热电模块的性能有直接关系，寻找高优值的热电材料，一直是热电研究的重要内容。在热电材料的研究方面，稀土硫化物、硒化物、富硼固体和方钴矿型化合物等，都较适于做热电模块的材料。目前用于温差发电的热电材料大多是半导体，在不同的温度范围内热电转换效率较高的材料主要有以下几种，如表 1［7］所示。

1.2 热电模块的性能

热电模块的性能主要包括热电转换效率及其能承受的温度范围［8］。不同厂家生产的热电模块转换性能与耐高温能力不尽相同，热电模块的生产厂家主要有 Hi-Z、Furukawa、Komatsu 等［9］。例如Komatsu公司的Bi2Te3热电模块，在高温端280℃、低温端30℃时，具有7.2%的热电转换效率，该温差下单体模块最大功率可达24 W，能量密度为1 W/cm2。

表1 在不同温度范围可选择的热电材料

目前国内也正在积极研究各种热电材料，如图1所示是某型号尺寸为29 mm×29 mm×4 mm的Bi2Te3低温热电模块两端电压随温差变化的实验结果，随着两端温差的增大，模块的发电能力增强，在温差160℃(高温端 220℃，低温端60℃)时，开路电压达到1.56 V。

2 发动机排气管温度场分布

2.1 红外温度计排气管温度场分布测试试验

为了解发动机排气沿管道走向的温度分布，并结合热电模块高温端的额定温度，找出理想区域布置废热温差发电装置，笔者进行了发动机排气管温度场分布试验。

图1 某型号热电模块温差-电压曲线

实验采用某型发动机排量为1.6 L乘用车，利用精密红外温度计，测出发动机在不同负荷下，排气管外壁沿纵向等间距15 cm各个测量点的温度，起点为排气支管，终点为排气管末端。

调整发动机转速改变发动机排气热负荷，在发动机1000 r/min、2000 r/min和3000 r/min工况下测定各点温度并记录，获得的各转速下各测量点温度如图2所示。

图2 排气管温度分布

2.2 红外热像仪排气管温度场分布测试试验

由上述实验知，发动机转速越高排气管外壁温度越高。由于在城市路况行驶，发动机转速一般不超过3000 r/min，因此，在进一步实验中，只分析发动机转速在3000 r/min排气管的温度分布，即可与热电模块高温端的额定温度相比较。

图3所示为发动机在3000 r/min时，采用红外热像仪采集得到的红外图像及相对应的温度分布曲线图。

2.3 试验结果分析

图3 排气管红外图像及温度分布曲线

综合图2和图3分析，由于热量散失及废气流动的延程损失，在发动机工作状态下，排气管外壁温度总体上是从排气支管到排气管出口下降。在第一消声器和第二消声器有两个明显的温度急剧下降的区间，主要为消声器内径较排气管内径尺寸突然变大所致。废气通过消声器后，流进相对较细的排气管，外壁温度又骤然回升，但总体相对流进消声器前温度有所下降。同时，在排气管弯曲的位置因废气碰撞，此区域外壁温度相对会有一定的升高。

3 废热温差发电装置箱体安装位置选择

废热温差发电装置箱体主要用于布置热电模块，其结构取决于热源和冷源的种类、热电模块的性能及系统的散热方式，通常有平板式、圆桶式等［10］。平板式温差发电装置可将热电模块平铺在矩形废气通道箱体的上下表面，在布置模块的数量上占有优势，同时便于冷却水箱体的布置，故采用如图4所示废气通道箱体较优。

图4 温差发电装置结构示意图

平板式温差发电装置的热源是废气通道箱体外壁，冷源为冷却水箱体。根据热电材料的性能及发动机排气管的温度场分布，选用不同类型热电模块时需在排气管不同位置安装废气通道箱体。

在选用高温材料模块时将废气通道箱体布置于发动机排气支管附近，在选用中温材料模块时将废气通道箱体布置于排气支管和第一消声器之间，在选用低温材料模块时将废气通道箱体布置于第一消声器处。

4 热电模块在废气通道箱体上的布置方式

4.1 废气通道箱体温度场分布试验

目前，汽车尾气废热温差发电仍处于试验研究阶段，实际装车前，需要先利用废热温差发电台架进行实验论证。根据发动机排气管的温度分布，将不同内部结构的废气通道箱体安装至废热温差发电台架，比较各种结构的红外线热像图可知，图5(a)中所示为无内部结构的废气通道箱体外表面热像图，其温度场分布不均，仅在进气口附近区域获得较高温度;由图5(b)中所示的废气通道箱体热像图知，其温度分布均匀，高温区域比例最大，热能转换效率最高，故应选用该结构。

图5 不同结构的废气通道箱体温度场分布

4.2 热电模块的布置形式

确定废气通道箱体结构后，通过比较分析，同一组热电模块在相近的温度区域串联发电效率较高。将热电模块串联可以显著增大电压，但单体模块具有一定的额定电流，这将限制由串联所形成的电流增大额度。串联数目到达一定值后，功率的提高转而被电流制约。因此需要适当并联，以使得大功率所需的大电流能够被多个模块分担。经试验研究并结合图5(b)热像图所反映出来的废气通道箱体外壁温度特性，采取图6所示的布置方式，即模块A、B、C、D串联，然后列与列之间并联的组合连接方式，使系统获取较大功率。

图6 热电模块布置示意图

5 结论

根据汽车排气管温度分布确定了尾气废热温差发电装置的安装位置，根据废气通道箱体温度场的分布，决定热电模块的连接方法。但是由于废气通道箱体表面积较大，高温端的温度控制和废气通道箱体温度分布的均匀性还需进一步研究。

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