基于汽车尾气余热均衡散热与聚合气流螺旋遇冷温差发电装置设计

陆小波　张旭贤　李磊　宋荣荣　王利君　罗勇

【摘 要】为了探究一种高效风冷式汽车尾气余热温差发电装置，设计一种汽车尾气余热均衡散热与聚合气流螺旋遇冷温差发电装置。本文通过建立模型试验，测试江淮皮卡汽车发动机在不同负荷下，排气管道散热量，并对最高负荷下，排气管道高温散热进行处理，将整个排气管道温度恒定140°C ～300°C。调试汽车发动机最大转速4000r/min，对排气管内管道散热处理后，通过测试风冷式管道装置在不同空气流速梯度下，管径收缩及气流流态对温差发电器件遇冷测试，并建立小型数据库，对比数据，分析装置风冷式效果实验参数。结果显示，风冷式排气管道温差发电装置，有效提高温差发电器件温差，达到高效率发电目的。

【关键词】温差发电 聚合气流 螺旋风管 流线型 “V”型聚风面板

目前市场汽车供电设备大多依赖于发电机，发电机消耗发动机动能，从而间接增加汽车油耗。针对汽车尾气余热温差发电，水冷需要接入循环水冷系统[1]，其装置结构复杂，维护成本较高，水冷循环运作稳定性较差。风冷式温差发电装置研发正在起步阶段，本设计方案立足于风冷式装置结构设计及优化，可高效利用汽车尾气余热，将其转换为可稳定回收，再利用的电能，可以替换部分汽车发电机，可间接减少油耗。最终研制了一套结构合理、性能优异、余热温差发电效果较明显的装置。

1研究背景

由汽车燃油总能量分配得知，汽车发动机动力输出占燃油燃烧总热量的25%～42%，其余以废热形式从冷却水和尾气等中排出。车外的能量占燃烧总能量的58%～75%，这不仅是一种能量浪费，同时也会造成一定程度的大气热污染[2]。汽车尾气余热具有温度高、压强大、流速快的特点，汽车能量损耗以尾气热量为主。

目前汽车尾气余热温差发电存在温差发电模块本身发电率低，温差发电装置整体效率低，装置在汽车行驶中稳定性较差，冷端散热效果较低等问题。

2聚合气流风冷技术原理

改变排气管内壁热量条件，致使尾气余热均匀散热，使温度恒定160～290°C，满足温差发电器件最大容许高温条件。排气管道内高温气流温度梯度大（60～500°C），温差发电器件的容许高温侧温度300°C，适宜安装温差发电器件管道长度有限，因此，通过设计组装三种金属管材（内管），包裹不定层数隔热材料，改变排气管内壁热量条件，至均匀散热，促使温度恒定160～290°C。依据不同类型汽车的用电需求，可适度改变汽车排气管道内径，或适宜加长管道长度，改变排气管道结构，可安装较多的温差发电器件。

通过设计流线型螺旋风管管道外壳，套装内管道，聚合螺旋气流，加快双管间空气流速与温差发电器件一侧温度交换，提高风冷效果。汽车行驶时，当空气流速恒定，气流进入聚风管流量一定，当气流进入双层管道间，聚风管管口截面积是双层管道的2倍以上，双层管道间气流急剧加快，气流沿流线型外管壁流动，加快螺旋气流分子与温差发电器件遇冷侧面的碰撞，提高遇冷效果，增大温差发电器件两侧产生温差，提高温差发电器件发电功率。

通过汽车排气管与螺旋风管间气流交换装置结构设计，可分部定段安装多个冷热气流换气装置。该装置可排出前段较热空气流，聚合外界冷空气，冲进后段双管道间，达到较长双管道间冷热气流交换的目的，提高风冷效果。

3结构设计

3.1双层排气管道装置整体结构设计

该装置排气内管分为三段，与发动机处三分之一段采用隔热材料包裹，或双层真空管道；中间三分之一段采用保温较好的管材；末尾三分之一段采用散热性较好的铝合金管材。通过不同材质管道连接，使排气管内管道散热温度恒定在160-290°C间。双层排气管道装置整体结构如图1所示。

3.2双层排气管道装置局部分解

装置热电系统采用热电器件串联（4-6个）模块，将各个串联模块并联，与回收系统连接，将大电流储存于蓄电装置中。排气管口径较小，采用规格为20*40*3.2mm温差发电器件，其规格：最大耐温：300°C；最大发电电压3.18V （温差为120°C）；最大短路电流：525mA （温差为120℃）；芯片内阻：1.8Ω。

3.2.1双排气管道装置设计截面图示分析

方案一：目前市场现有温差发电器为块状，粘贴于排气管曲面，对热量的传递，安装运作的稳定性影响较大，因此，研制一定规格圆弧形温差发电器件。依据设计要求，温差发电器件要求厂家制作成曲面形状，曲面长度40mm，弧度长度依据厂家可制作性，设计制作目标：2～5段均匀的等弧长，拼接成一个完整的圆状（设计排气管内径），包裹内管道。环形温差发电器件安装结构如图2所示。

方案二：由于市场现有温差发电器件均为块状，设计排气管截面形状，且不改变汽车原排气管管径、长度、结构。内管壁中设计真空层，使高温隔热降低至290°C以下，前段减少尾气热量流失，提高后段管道温度。

排气内管1横截面呈外切的边数大于6的等边内圆管；排气内管1外壁上依次设置着至少一层陶瓷纤维纸2、均匀涂布的导热硅胶层3以及均布粘接着的温差发电元器件5；在排气内管1外部设置着呈流线型聚风装置4、6、10。原排气管道内高温气流温度梯度大，衔接不同的管材，降低进气管道散热，提高尾管道温度，使前段高温测热量不易过早散发，而流通到中后段管道 ，即可轻度改变尾气余热散热温度均衡，适度均衡散热。如双层排气管道装置各部位断面结构如图3所示。

图B-B：装置与发动机连接段断面，设计安装“V”型聚风面板；

图A-A：装置中间管道断面，设计安装螺旋风管及冷热气流换气装置；

图C-C：装置尾段断面，设计安装半“V”型聚风面板。

3.2.2双排气管道外聚风装置局部设计

汽车行驶时，采用聚合气流加速旋转空气式理念，提高温差发电器件一侧遇冷效果，增大温差，高效发电。聚风装置结构如图4所示。

螺旋风管由高纤维塑料或不锈钢金属材料制成，螺旋风管上的螺纹间距为等梯度增加。各个外壳管道曲面光滑，显流线型。管质选材为高纤维塑料或不锈钢金属材料。

图5螺旋风管：前口内径与后口内径比为1：1.5～1：3；冷热气流换气装置：中圆台形换气风管8、9，前口的内径与后口内径比为1：2～1：4。中圆台形换气风管8、9前口为缺口环状，8、9部位斜截面衔接处为封闭断面，达到前半段双层管道间遇冷气流从9部位出，后半段冷空气从8部位进。

通过汽车排气管与螺旋风管间气流交换装置结构设计，可分部定段安装多个冷热气流换气装置。

冷热气流换气装置目的：为达到较长排气管道温差发电器件较好的遇冷效果，分布定点安装冷热气流换气装置。聚风管与疏风管道可排出前段较热空气流，聚合外界冷空气，冲进后段双管道间，达到较长双管道间冷热气流交换的目的，提高风冷效果，增大温差，提高温差发电效率。如冷热气流换气装置结构如图6所示。

4仿真模拟实验

4.1排气管内管道散热分析计算

查阅《传热学》，得知排气管内管壁热传导的传热热阻r：

排气管外形由支管道、弯管、消声器等一些装置构成，发动机排出尾气流过排气管内管道拐弯处，气流沿管壁发生改变。通过查阅《传热学手册》，得知废气与管道内壁之间的对流换热系数：

排气管内管取单位长度 气体微元，温度 ，该处管道外壁的温度为 ，气流流速V，管壁传递热量，该微元段移动下一位置时，温度下降为 。

4.2排气管内管道均衡散热方案测试

实验采用江淮汽车（JAC），进行数据采集及模拟实验。汽车发动机四缸汽油机型号：GW491Q；最大净功率74kW（3200r/min）；排量为2237ml。采用红外热像仪测试发动机在不同负荷下，排气管外壁各个测量点（沿纵向等间距13cm）温度，起点为排气支管，终点为排气管末端。

依据排气管形状结构，对排气管分段，通过对排气管管道结构、尺寸测量，按照一定比例值绘制图纸如图7所示。调试发动机转速为：750r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min工况下测定各管道分段点温度，各转速对应测量点温度如表1所示。

通过红外热像仪排气管温度场分布测试试验由上述实验看出，汽车发动机转速在750～4000r/min间，排气管道温度曲线波动较大，高低温落差较大，温度差值219.5～267.1°C。汽车在正常行驶过程中，发动机转速不超过3500r/min，为防止汽车排气热负荷过高，超出温差发电器件最大温度极限值，因此，对排气管散热处理进一步实验中，只分析发动机转速在4000r/min时，排气管管材设计及隔热材料包裹层数。调试发动机转速为4000r/min，采用对排气管道均衡散热处理方案，温度分布曲线缓慢、平稳下降，最高温度293°C，最低温度154.7°C温度差值138.3°C。对比实验分析得知，内管道散热处理方案有效降低排气管高低温落差，中后段内管道温度明显增大，达到高温热气流在整个管道均衡散热的目的，提高温差发电器件安装数量。

4.3模拟风冷装置各实验项数据采集及分析

本次实验测试车速与风速之间的关系，为后续模拟实验提供参数依据。如表2所示。

通过测试排气管道高温测温度为260°C时，进风口与双层管道截面面积变化对空气流速影响。排气管道内管直径为4.82mm，按照设计要求，前风口直径12cm，面积37.68平方厘米，收缩后直径10 cm，面积31.4平方厘米，双层管道间截面积9.42平方厘米。前进风口截面积是双层管道间截面积的2倍、4倍。本实验以内管道散热温度260°C计算，3D打印一段仿真装置进行模拟实验，试验数据如表3所示。

当风流量一定时，风速与风管截面积成反比，即是风速越高，则风管截面积越小，在模拟实验中，聚风管口截面积为双层管道间截面积的2-4倍，如表3中两条折线，管道间与进风口风速比值减小，由于高气流受到管道结构阻碍产生压力，气流改向四周扩散，对风速有影响。此实验验证聚合气流加速空气流动，提高温差发电器件能量交换速率。

制作仿真模拟实验装置，将6片规格为20*40*3.2mm温差发电器件（最大耐温300°C），按照设计要求安装内管道，并套装螺旋风管，内管用氧焊通入热气流，并控制温度为：高温侧290°C、230°C、170°C、140°C，用600W鼓风机管口对准聚风管口，空气流速大小通过调试两管口间距，将风速仪温度感应器放置两管口间，调控空气流速。双层管道间，等梯度调控空气流速，用红外热像仪测试风冷温度大小，试验数据如表4所示。

表4 风速等梯度变化对不同高温侧温差发电器件风冷效果影响试验

如表4所示，排气管双层管道间空气流速等梯度增大，温差发电器件遇冷侧温度缓慢降低，高低空气流速差值温度变化差值：109～238.1°C，温差增长值：6.3～200.4°C。由上述数据分析得出，排气管温度较高部位产生温差值相对较大；当高温侧温度恒定，空气流动速度越快，风冷效果越好，温差越大。

同等风速条件下，平行空气流与螺旋空气流流态，对内管道散热温度200°C，温差发电器件遇冷温度测试如表5所示。

由上述数据得出：同等风速条件下，高速螺旋气流比平行气流遇冷效果更好，温度差值约9°C，一定程度上提高温差发电器件发电效率。由于风速受双层管道壁形状影响，风速越大，高速螺旋气流遇冷效率下降，因此，最适合风速0～30km/h，即车速：0～90 km/h。

4.4单个温差发电器件温差与发电量对应参数（如表6）

测试条件：空气温度22.7°C，汽车排气管总长度4.26m，采用汽车转速为3000r/min，车速80km/h时，管道间空气流速约40m/s，测试单个温差发电器件（规格为20*40*3.2mm）在不同管道部位，冷热温度值，及输出功率测试如表7所示。

5经济性分析

实验采用江淮汽车（JAC），进行数据采集及模拟实验。测试条件：空气温度：22.7°C，汽车排气管总长度4.26m，采用汽车转速为3000r/min，车速80km/h时，管道间空气流速约40m/s，热面温度范围：145.9～285.7°C，冷面温度范围：29～64.7°C，平均温差178.13°C，平均温差发电功率1.72 w，装置可安装温差发电器件数，总发电功率1.69 kw。

假定汽车平均每天连续行驶6 h，平均车速80km/h，每天发电量为：

在模拟实验中，双排气管道间空气流速明显高于车速，风冷遇冷效果明显。汽车在秋冬季工作，空气温度低于模拟实验22.7°C，汽车尾气余热均衡散热与聚合气流螺旋遇冷产生温差更大，发电效率更高。

6结语

本套设计装置优化螺旋风管流线型外壳结构，抗风阻力小，螺旋气流风速较高，产生温差较大，提高发电效率。优化设计内管道结构后，可安装较多温差发电器件，进一步提高发电总功率。

本套设计装置质量较轻、抗震稳定性强、热电模块转化效率高，既能达到节能、环保、安全的目的，又具有寿命期长、投资少，见效快的特点。本套装置适应汽车行驶环境的需要，可代替部分型号汽车发电机，满足汽车用电需求。全国交通工具种类多，数量多，依据车型，据局部改进设计装置，可以安装到各类不同型号的车辆，具有较好的市场推广价值。

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