郝劍虹 李子路 王亞飛

（中國汽車技術(shù)研究中心）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣污染嚴(yán)重且熱效率低，隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，尾氣廢熱溫差發(fā)電技術(shù)正被廣泛研究[1-2]。該技術(shù)采用半導(dǎo)體熱電模塊利用尾氣廢熱進(jìn)行發(fā)電回收能量再利用，且具有固定性、無噪聲和無污染等優(yōu)點(diǎn)。尾氣溫差發(fā)電的效率主要與模塊的性能、兩端溫差以及熱交換器的布置形式等有關(guān)[3]，文章主要對(duì)排氣管外壁溫度、溫差發(fā)電裝置在排氣管中的布置選擇以及布置后熱交換器表面溫度分布等問題進(jìn)行研究試驗(yàn)，為溫差發(fā)電裝置在排氣管中的合理布置提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)原理

溫差發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。根據(jù)賽貝克（Seeback）效應(yīng)原理，溫差發(fā)電裝置的工作原理是將熱電模塊布置在熱交換器（熱端）和冷卻水箱體（冷端）之間，熱電模塊通過冷熱端之間的溫差進(jìn)行發(fā)電[4-5]。影響發(fā)電裝置發(fā)電效率的主要因素包括模塊的性能與溫差等[6]。

現(xiàn)尾氣廢熱溫差發(fā)電處于試驗(yàn)階段，一直采用某型號(hào)高性能低溫模塊（熱端溫度不高于300 ℃），應(yīng)考慮在不損壞模塊的前提下如何建立模塊的高溫差來提高發(fā)電效率，因此研究溫差發(fā)電裝置在排氣管中的布置以充分利用尾氣中的廢熱能量。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管溫度場(chǎng)分布試驗(yàn)

為對(duì)溫差發(fā)電裝置熱交換器提供比較理想的溫度區(qū)間，對(duì)某一型號(hào)2.0 L 發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的排氣管溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了試驗(yàn)。在排氣管外壁上每隔30 mm繪制測(cè)量點(diǎn)，利用熱電耦對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)試，排氣管上測(cè)量點(diǎn)示意圖，如圖2 所示。

汽車在城市路況行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般低于3 000 r/min，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行2 000，2 500，3 000 r/min 3 種工況下的測(cè)試試驗(yàn)，分析排氣管外壁在3 種工況下溫度分布情況。通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和測(cè)功機(jī)扭矩，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)，利用熱電耦測(cè)得3 種工況下的排氣管外壁溫度分布，如圖3 所示。

從圖3 中可以看到，從排氣歧管到排氣管出口區(qū)，排氣管外壁溫度逐漸降低，尤其是主副消聲器區(qū)間溫度降低明顯，但尾氣從主副消聲器排出后排氣細(xì)管壁的溫度相對(duì)消聲器外壁溫度突然上升。根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)資料[7]，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣在排氣管中流動(dòng)為亞聲速流動(dòng)，即亞聲速氣流在收縮管內(nèi)沿流動(dòng)方向逐漸加速，在擴(kuò)張管內(nèi)沿流動(dòng)方向逐漸減速。忽略排氣管與尾氣摩擦效應(yīng)和熱交換2 個(gè)因素，溫度隨管道截面積變化而變化的規(guī)律與速度隨截面積變化而變化的規(guī)律相反，但實(shí)際排氣過程中熱交換和傳遞損失的能量較多，尤其在消聲器處較前后段細(xì)排氣管內(nèi)部熱傳遞面積增大，因此出現(xiàn)消聲器處溫度比其前后細(xì)排氣管處溫度低的現(xiàn)象。

3 溫差發(fā)電裝置在排氣管中的布置位置

從圖2 中可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管主要包括主副消聲器和三元催化轉(zhuǎn)換器3 部分。在不影響消聲器和三元催化轉(zhuǎn)換器正常工作的前提下，溫差發(fā)電裝置的布置主要考慮與消聲器之間的關(guān)系。

從獲得能量的角度來看，將發(fā)電裝置布置在靠近排氣歧管或三元催化轉(zhuǎn)換器附近可以得到高溫能量，有利于提高模塊的發(fā)電效率。但發(fā)電裝置布置應(yīng)考慮到3 方面因素：1）現(xiàn)階段采用的是某型號(hào)的低溫模塊，模塊熱端溫度不高于300 ℃，因此排氣歧管附近溫度過高會(huì)損害甚至燒毀模塊；2）發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)直接影響汽車的動(dòng)力性與舒適性等，而且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命影響很大，因此在考慮溫差發(fā)電裝置布置時(shí)，應(yīng)充分考慮排氣系統(tǒng)各組成部件間的影響因素，不能影響排氣系統(tǒng)各部件，尤其是催化轉(zhuǎn)化器和消聲器的工作；3）將發(fā)電裝置布置在排氣管的出口處，則溫度較低難以使模塊獲得足夠的能量。綜上，溫差發(fā)電裝置應(yīng)當(dāng)布置于主副消聲器之間。

從圖3 中可以看到：主副消聲器之間的排氣細(xì)管部分溫度分布均勻，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)，溫度分布穩(wěn)定在350～370 ℃，為獲得更多的尾氣廢熱，溫差發(fā)電裝置應(yīng)盡量靠近尾氣熱源，即布置得盡量靠近副消聲器，溫差發(fā)電裝置布置示意圖，如圖4 所示。

4 熱交換器表面溫度分布試驗(yàn)

根據(jù)溫差發(fā)電裝置在排氣管中的布置，對(duì)其熱交換器表面進(jìn)行溫度分布試驗(yàn)。類似于排氣管外壁溫度分布測(cè)試試驗(yàn)，排氣通道箱體表面溫度分布試驗(yàn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般不高于3 000 r/min，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000，2 500，3 000 r/min 3 種工況下的熱交換器表面溫度分布進(jìn)行試驗(yàn)，分析其表面溫度分布。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，功率為7 kW 工況下，對(duì)熱交換器表面溫度分布進(jìn)行分析，熱交換器表面熱場(chǎng)分布及不同測(cè)點(diǎn)（L1～L7）的溫度曲線，如圖5 和圖6 所示。

從圖5a 和圖6a 中看到，進(jìn)氣口至熱交換器表面結(jié)構(gòu)突變處之間溫度波動(dòng)較大，其主要原因是結(jié)構(gòu)突變引起氣流能量損失，而表面結(jié)構(gòu)突變至箱體出氣口之間溫度平穩(wěn)，熱交換器表面部分中間溫度和邊緣溫度變化很小，分布均勻。

從圖5b 和圖6b 中看到，熱交換器表面的7 個(gè)測(cè)點(diǎn)（L1～L7）溫度呈等差遞減趨勢(shì)，同一橫線上溫度平穩(wěn)，變化較小。熱交換器表面溫度從進(jìn)氣口至出氣口溫度分布呈遞減狀態(tài)，橫向分布均勻，溫度分布在200～280 ℃，能夠滿足低溫?zé)犭娔K熱端所需的溫度和能量。

5 結(jié)論

通過對(duì)汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，擬定了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管外壁溫度分布試驗(yàn)；確定了尾氣溫差發(fā)電裝置在排氣管中的合理布置位置，并通過對(duì)確定位置的熱交換器表面進(jìn)行溫度分布試驗(yàn)，驗(yàn)證了熱交換器能夠滿足低溫?zé)犭娔K熱端所需的溫度和能量，并為下一階段熱電模塊在熱交換器上的布置提供了試驗(yàn)依據(jù)。在本研究中，由于存在廢氣通道箱體表面積較大的特性，因此，高溫端的溫度控制和廢氣通道箱體溫度分布的均勻性仍需進(jìn)一步深入研究。