汽車尾氣溫差發電裝置在排氣管中的布置

郝劍虹 李子路 王亞飛

（中國汽車技術研究中心）

汽車發動機尾氣污染嚴重且熱效率低，隨著社會環保意識的逐漸增強，尾氣廢熱溫差發電技術正被廣泛研究[1-2]。該技術采用半導體熱電模塊利用尾氣廢熱進行發電回收能量再利用，且具有固定性、無噪聲和無污染等優點。尾氣溫差發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[3]，文章主要對排氣管外壁溫度、溫差發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行研究試驗，為溫差發電裝置在排氣管中的合理布置提供試驗依據。

1 汽車尾氣廢熱溫差發電裝置結構原理

溫差發電裝置的結構，如圖1 所示。根據賽貝克（Seeback）效應原理，溫差發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行發電[4-5]。影響發電裝置發電效率的主要因素包括模塊的性能與溫差等[6]。

現尾氣廢熱溫差發電處于試驗階段，一直采用某型號高性能低溫模塊（熱端溫度不高于300 ℃），應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電效率，因此研究溫差發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 發動機排氣管溫度場分布試驗

為對溫差發電裝置熱交換器提供比較理想的溫度區間，對某一型號2.0 L 發動機在不同工況下的排氣管溫度場分布進行了試驗。在排氣管外壁上每隔30 mm繪制測量點，利用熱電耦對測量點進行溫度測試，排氣管上測量點示意圖，如圖2 所示。

汽車在城市路況行駛時發動機轉速一般低于3 000 r/min，對該發動機進行2 000，2 500，3 000 r/min 3 種工況下的測試試驗，分析排氣管外壁在3 種工況下溫度分布情況。通過調節發動機的轉速和測功機扭矩，實現發動機在不同工況下的運轉，利用熱電耦測得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，排氣管外壁溫度逐漸降低，尤其是主副消聲器區間溫度降低明顯，但尾氣從主副消聲器排出后排氣細管壁的溫度相對消聲器外壁溫度突然上升。根據流體力學的相關資料[7]，發動機尾氣在排氣管中流動為亞聲速流動，即亞聲速氣流在收縮管內沿流動方向逐漸加速，在擴張管內沿流動方向逐漸減速。忽略排氣管與尾氣摩擦效應和熱交換2 個因素，溫度隨管道截面積變化而變化的規律與速度隨截面積變化而變化的規律相反，但實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排氣管內部熱傳遞面積增大，因此出現消聲器處溫度比其前后細排氣管處溫度低的現象。

3 溫差發電裝置在排氣管中的布置位置

從圖2 中可以看到，發動機排氣管主要包括主副消聲器和三元催化轉換器3 部分。在不影響消聲器和三元催化轉換器正常工作的前提下，溫差發電裝置的布置主要考慮與消聲器之間的關系。

從獲得能量的角度來看，將發電裝置布置在靠近排氣歧管或三元催化轉換器附近可以得到高溫能量，有利于提高模塊的發電效率。但發電裝置布置應考慮到3 方面因素：1）現階段采用的是某型號的低溫模塊，模塊熱端溫度不高于300 ℃，因此排氣歧管附近溫度過高會損害甚至燒毀模塊；2）發動機排氣系統的結構直接影響汽車的動力性與舒適性等，而且對發動機的壽命影響很大，因此在考慮溫差發電裝置布置時，應充分考慮排氣系統各組成部件間的影響因素，不能影響排氣系統各部件，尤其是催化轉化器和消聲器的工作；3）將發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，溫差發電裝置應當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管部分溫度分布均勻，在發動機轉速為3 000 r/min 時，溫度分布穩定在350～370 ℃，為獲得更多的尾氣廢熱，溫差發電裝置應盡量靠近尾氣熱源，即布置得盡量靠近副消聲器，溫差發電裝置布置示意圖，如圖4 所示。

4 熱交換器表面溫度分布試驗

根據溫差發電裝置在排氣管中的布置，對其熱交換器表面進行溫度分布試驗。類似于排氣管外壁溫度分布測試試驗，排氣通道箱體表面溫度分布試驗時的發動機轉速一般不高于3 000 r/min，因此對發動機在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行試驗，分析其表面溫度分布。在發動機轉速為3 000 r/min，功率為7 kW 工況下，對熱交換器表面溫度分布進行分析，熱交換器表面熱場分布及不同測點（L1～L7）的溫度曲線，如圖5 和圖6 所示。

從圖5a 和圖6a 中看到，進氣口至熱交換器表面結構突變處之間溫度波動較大，其主要原因是結構突變引起氣流能量損失，而表面結構突變至箱體出氣口之間溫度平穩，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 個測點（L1～L7）溫度呈等差遞減趨勢，同一橫線上溫度平穩，變化較小。熱交換器表面溫度從進氣口至出氣口溫度分布呈遞減狀態，橫向分布均勻，溫度分布在200～280 ℃，能夠滿足低溫熱電模塊熱端所需的溫度和能量。

5 結論

通過對汽車尾氣廢熱溫差發電裝置結構原理進行分析，擬定了發動機排氣管外壁溫度分布試驗；確定了尾氣溫差發電裝置在排氣管中的合理布置位置，并通過對確定位置的熱交換器表面進行溫度分布試驗，驗證了熱交換器能夠滿足低溫熱電模塊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依據。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一步深入研究。