汽车尾气余热发电技术在汽车上的应用研究

李星 王政军 陈萌

摘 要：随着世界经济的发展和人民生活水平的提高，能源短缺的问题日益突出。如何节约石油、天然气等不可再生资源已经成为各国群众关注的焦点。本文从利用汽车余热节能的目的出发，详细地阐述了半导体温差发电技术的原理。设计研究了两种应用在汽车上的发电器的结构，说明并对比了各自的结构特点和优缺点；并论证了温差发电器在汽车进气系统中应用的可能性，从而达到进气加热的目的，使空气和燃油更充分的混合，提高了发动机的热效率，减少了燃油的消耗量。最终认为汽车尾气余热发电技术在未来能够从一定程度上解决能源紧张的世界难题。

关键词：汽车尾汽余热发电 温差发电 节能

中图分类号：P461.1文献标识码：A

1.引言

目前汽车已经成为很多家庭出行的必备工具。2014年末全国的汽车保有量已经到了15447万辆，比上年末高出了12.4%。随着汽车工业的发展和能源的日益紧张，如何利用新技术使汽车节能早已成为公众注意的焦点。如今，汽车的动力利用率大约只有40%，有60%左右的燃油能量没有得到充分利用，其中因发动机排气流失的a热量大约是燃料总热量的30%-45%，造成了严重的能源浪费。半导体温差发电技术是新型的发电方式，具有许多优点如：结构紧凑、免维护、无噪音、无污染等。汽车的余热如果能进行温差发电的话，将会节约许多能源，进而从一定程度上解决如今的能源问题。

2.温差发电原理

所谓温差发电就是指当半导体两端的温度不同时，热电材料的两端将会出现电动势。温差发电实际上就是热能和电能之间的相互转换，这一现象的原理基于塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应。

（1）塞贝克效应

塞贝克效应又称温差发电第一效应，是指当两种金属在两处连接并且构成闭合回路时，如果两个结点保持不同的温度，那么就会有连续的电流流过回路。

（2）帕尔贴效应

帕尔贴效应又称温差发电第二效应，具体是指如果有电流经过不同的导体并且构成回路时，在回路中不仅会产生焦耳热，而且在不同导体的接头处会分别产生吸热、放热现象，其吸热还是放热取决于电流的方向。如果电流的方向是从自由电子数较低的B端流向自由电子数高的A端，那么A端的温度将会升高；反之，A端的温度就会降低。

（3）汤姆逊效应

1856年，汤姆逊利用热力学原理综合的分析并讨论了塞贝克效应和帕尔帖效应，进而发现了第三热电效应，即为汤姆逊效应。即如果一根导线的两端温度不相同，当加上电流时，这段导线中将产生放热或吸热的现象。导线中的热流方向与电流方向不相同时产生吸热效应，反之产生放热效应。

3.温差发电技术在汽车上的应用

3.1 温差发电器的在排气系统中的应用

（1）平板型温差发电器

目前，美国的通用汽车公司研发中心研发了一种平板式温差发电器具有双层结构并且成功安装在了轻型卡车上。

温差发电器的核心部件发电片在空间上是长方体，但由于汽车尾气管成圆管状，导致发电片直接安装在尾气管上具有一定的困难。因为目前国内外还没有成形的技术来改变发电片的外形，只有把发电器的废气通道设计为方状的平板形状。在通常情况下，将温差发电器装在三元催化转化器的前方，排气消音器的后方。平板式温差发电器可以直接将冷端和空气进行对流换热来降低冷端的温度，也可以通过水冷散热器通过发动机水循环接入冷却水套来降低冷端的温度。

（2）圆桶式温差发电器

圆桶式温差发电器在汽车上的安装位置与平板式相同，但其利用了尾气管的外部结构，将温差发电器的整体外观设计为正多边体，使其在形状上逼近尾气管的圆形结构，将发电片平铺在正多边体的每个面上。通过发电器壳体内壁与高温尾气流的对流换热，将热量传递给发电器内壁，再通过热传导传递给发电片的热端，从而形成热端温度。冷源采用发动机冷却水循环系统，通过冷却水与散热块的对流换热，较快的带走冷端的热量，从而使冷端温度保持稳定。

3.2 温差发电器与进气预热装置相结合的综合应用

在寒冷的地区，发动机进气的温度较低，需要极浓的可燃混合气启动，通常需要将发动机的进气进行预热，特别是柴油机，从而使空气与燃料的混合更加充分，提高发动机的效率。目前常用的进气预热装置有电热式、火焰式和热敏陶瓷式即PTC预热器。其中传统的电热式预热器的发热体由电阻丝与铁镍铝合金构成，电阻丝绝缘后通过具有螺纹的外壳使其与发动机的进气管相配合。电阻丝的一端通过开关后与作为电源的蓄电池连接，另一端与外壳搭铁。但是在温度较低的情况下，蓄电池的电容量本就不足，所以其仅排量小的发动机适用并且其发动机最低启动温度只能到-25℃。经过实验研究，本文认为可以用温差发电器作为电热式预热器的电源从而降低其最低启动温度，并且使其应用更加广泛。

4.结束语

汽车尾气温差发电器可以直接把热能转化为电能并且能够在一定程度上解决如今能源短缺的问题。它已经成为了国内外学者研究的热点，是热电研究领域中一个十分前沿的新兴课题。未来的主要发展方向包括解决冷端的散热问题，使冷端的温度保持稳定、提高发电效率、提高温差发电器在发动机各种工况下的可靠性和完善各种发电器效率检测仪器提高检测的精度。

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