基于熱電技術(shù)的發(fā)動機排氣余熱回收

李加強，何超?，汪勇，潘彧坤

（1.西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.云南云通司法鑒定中心，云南 昆明 650224）

基于熱電技術(shù)的發(fā)動機排氣余熱回收

李加強1，何超?1，汪勇2，潘彧坤2

（1.西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.云南云通司法鑒定中心，云南 昆明 650224）

本文介紹了熱電技術(shù)的基本原理，并以寶馬汽車公司的熱電發(fā)電機為例論述了熱電技術(shù)在發(fā)動機排氣余熱回收過程中的應用，包括熱電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設計、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)建模、實用效果及發(fā)展?jié)撃堋?/p>

熱電技術(shù)；發(fā)動機；排氣余熱；燃油消耗

CLC NO.:U464.4Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-17-03

引言

聯(lián)合國氣候變化大會于2009年12月7日～18日在丹麥首都哥本哈根召開，各國的碳排放標準問題成為爭論的焦點。隨著汽車保有量的不斷增加，汽車的CO2排放備受關(guān)注。歐盟已經(jīng)制定了汽車CO2排放標準，要求汽車制造商在2012年將CO2排放量降低到130g/km，進而到2020年實現(xiàn)95g/km的目標。美國、韓國、日本也分別制定了相應的燃油消耗率標準。為了降低汽車的CO2排放，必須提高發(fā)動機熱效率，降低燃油消耗。發(fā)動機燃油產(chǎn)生的能量大約只有25%用于汽車行駛及附件，30%的能量以散熱的方式被消耗，5%的能量在摩擦和傳動中被消耗，剩下40%的能量都隨尾氣排出。回收排氣能量進行循環(huán)利用作為一種最直接的節(jié)能方式越來越受重視[1]。利用熱電材料熱電技術(shù)可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，同時也可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能進行加熱或者制冷，是一種全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式，具有性能穩(wěn)定、無噪聲、無磨損、體積小、質(zhì)量輕、移動方便、使用壽命長等優(yōu)點。本文介紹了熱電技術(shù)的基本原理，并以寶馬汽車公司（BMW）的熱電發(fā)電機（thermoelectric generator，TEG）為例詳述了熱電技術(shù)在發(fā)動機排氣余熱回收過程中的應用，包括TEG結(jié)構(gòu)設計、TEG系統(tǒng)集成、TEG系統(tǒng)建模、TEG實用效果及發(fā)展?jié)撃艿取?/p>

1、熱電發(fā)電機的基本原理

熱電發(fā)電機的設計是基于1821年由德國科學家Thomas Seebeck發(fā)現(xiàn)的賽貝克效應。該效應指在兩種不同材料（導體或半導體）a、b構(gòu)成的回路中，當兩個接點溫度TH（高溫）、TL（低溫）不同時，則在兩個接點間產(chǎn)生電壓Utherm且在回路中有電流通過，如圖1所示[2]。賽貝克效應可由賽貝克系數(shù)α來描述:

各種熱電材料進行熱電轉(zhuǎn)換的效率是不同的，而且每種熱電材料都有其適宜的工作溫度范圍，通常用ZT這一無量綱值來描述材料的熱電性能，其中T為材料的平均溫度，Z為材料的優(yōu)值系數(shù)（figure of merit）。

式中:α為賽貝克系數(shù)，σ為電導率，κ為熱導率。

在給定熱電材料的ZT值和過程溫度條件下，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率ηTE定義如下:

從式（3）中可以看出當ZT值無限大時，熱電轉(zhuǎn)換效率接近卡諾循環(huán)效率。為了開發(fā)高效率的熱電材料，要求該材料具有高的電導率的同時還具有低的熱導率，這樣才能得到高的ZT值。目前發(fā)現(xiàn)的較好的熱電半導體材料有Bi2Te3（應用于較低溫度）以及PbTe和SiGe（應用于較高溫度），其特性如圖2所示[3]。這些半導體材料的綜合電、熱傳導特性比相應的金屬要好。

在過去的40年中，熱電發(fā)電機主要用于執(zhí)行深空探測任務的空間探測器上。由于距離太陽較遠，不能通過光伏技術(shù)利用太陽能發(fā)電，因此只能以放射性元素為熱源利用熱電發(fā)電機發(fā)電，可使用十多年。由于使用的熱電材料的ZT值最多只有0.9，因此轉(zhuǎn)換效率較低，這限制了該技術(shù)的商業(yè)推廣使用。近年來，納米技術(shù)的應用促進了新型熱電材料的研究，其性能也得到了明顯的提高，如圖3所示。例如，基于PbTe的熱電材料的ZT值已經(jīng)達到1.7。目前研發(fā)的熱電材料不僅具有較高的轉(zhuǎn)換效率，而且可以承受高溫廢氣產(chǎn)生的熱負荷[4]。

2、熱電發(fā)電機的研發(fā)實例

為了將熱電發(fā)電機集成于汽車的排氣系統(tǒng)，需要估算回收的電能功率并對系統(tǒng)進行精確的匹配，比如根據(jù)最大排氣背壓和最高排氣溫度選擇合適的熱電材料，設計用于評價整個系統(tǒng)的目標框架等。以BMW公司開發(fā)的熱電發(fā)電機TEG為例闡述其在發(fā)動機排氣余熱回收中的應用[5]。

2.1 TEG結(jié)構(gòu)設計

BMW公司研發(fā)的TEG呈層狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，包括3個排氣熱交換器、24個Bi2Te3熱電模塊以及4個冷卻液熱交換器。TEG通過夾具固定，其層狀結(jié)構(gòu)可承受2MPa的壓力，而且確保熱量能在高溫層、熱電模塊以及低溫層之間傳遞。

2.2 TEG系統(tǒng)集成

應用TEG的原型車為裝有自動變速器的BMW 535i。根據(jù)熱電材料性質(zhì)，TEG可持久承受的溫度不能超過250℃。為了防止高負荷下熱電模塊過熱以及避免排氣熱交換器引起的過高的排氣背壓，設計了一個與裝有TEG排氣通道并行的旁通道，在兩個排氣通道上分別裝有排氣閥，通過控制排氣閥的開關(guān)可使排氣在兩個通道中分別流過，如圖5所示。在試驗車上專門為TEG設計了獨立的冷卻回路，便于研究TEG對汽車性能的影響。

2.3 TEG系統(tǒng)建模

在汽車上安裝TEG模塊需要對原型車的多個系統(tǒng)進行改裝，必將對原有系統(tǒng)帶來影響。為了有效的評估排氣熱能回收效率和優(yōu)化各個系統(tǒng)參數(shù)，必須建立整個TEG系統(tǒng)的仿真模型，圖6給出了TEG系統(tǒng)模塊示意圖。排氣熱交換器會引起排氣背壓的增加，對發(fā)動機經(jīng)濟性產(chǎn)生負面影響，因此需綜合分析發(fā)動機的換氣過程。在汽車的實際行駛過程中，排氣溫度和冷卻水溫均隨著車速的變化而變化，因此TEG產(chǎn)生的電壓也是瞬態(tài)變化的。為了將TEG產(chǎn)生的電能與汽車現(xiàn)有的12V電路相結(jié)合，需要使用二極管或者DC/DC轉(zhuǎn)換器作為直流耦合元件，主要問題是采取合適的控制策略以使二者在最大功率點結(jié)合。

將基于有限體積法的TEG仿真模型與BMW公司的汽車仿真模型相結(jié)合可對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。通過汽車模型可求出發(fā)動機排氣溫度及流量、冷卻液溫度及流量等參數(shù)，為TEG模型提供熱邊界條件。通過對各種熱流的計算，可求出TEG有限體積模型中各個單元的溫度矩陣，如圖7所示。基于求出的溫度矩陣，可以算出熱電模塊的轉(zhuǎn)換效率以及回收的電能，再將其反饋給汽車模型以進行循環(huán)計算。

2.4 TEG的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)性能

由于排氣管各段溫度并不相同，因此TEG在排氣管上的布置位置會對其轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響。TEG被安裝在試驗車的兩個不同位置:“位置一”位于三元催化器后部20cm處；“位置二”位于排氣管下游，第一消聲器之前，如圖8所示。在“位置一”處，還對比了排氣管隔熱對TEG性能的影響。圖9給出了不同TEG設計方案及各種運行工況下汽車燃油消耗率的變化。

從圖9可以看出在帶冷啟動的歐洲測試循環(huán)NEDC（New Europe Driving Cycle）中，發(fā)動機負荷較低，因此燃油消耗僅降低1～2%。在美國聯(lián)合工況（US combined）下，發(fā)動機負荷提高，排氣溫度升高，因此燃油消耗可降低2～2.5%。而在穩(wěn)態(tài)高速工況下，ZT值在0.85～2之間變化，可降低燃油消耗5%以上，TEG產(chǎn)生大約600W電能。可見在鄉(xiāng)村公路或者高速公路上，TEG對燃油消耗降低會有較大的貢獻。

3、結(jié)論

熱電技術(shù)是汽車工業(yè)中一項關(guān)鍵的節(jié)能減排技術(shù)，許多發(fā)達國家的汽車企業(yè)和科研機構(gòu)都投入了大量的人力、財力進行研究，并取得了一系列的實質(zhì)性進展。除了用于回收發(fā)動機排氣余熱外，熱電技術(shù)還可用于發(fā)動機排氣后處理器的綜合熱管理以降低汽車排放，或者用于制冷以研發(fā)新一代汽車空調(diào)[6]。隨著新型熱電材料研究的發(fā)展，其ZT值不斷提高，熱電發(fā)電機的效率將進一步提高，必將在汽車上得到更廣泛的應用。

[1] 楊凱，張紅光，宋松松，姚寶峰. 變工況下車用柴油機排氣余熱有機朗肯循環(huán)回收系統(tǒng). 化工學報，2015，66（3）:1097-1103.

[2] Nolas G S, Sharp J, Goldsmid J. Thermoelectrics - Basic Principles and New Material Development. Heidelberg: Springer Press, 2001.

[3] Sommerlatte J, Nielsch K, Boettner H. Thermoelektrische Multialente. Physik Journal, 2007 (5): 24-30.

[4] Ayres S, et al. Development of a 500 Watt High Temperature Thermo -electric Generator. Diesel Engine - Efficiency and Emissions Research Conference (DEER), Detroit, 2009.

[5] Liebl J, et al. Der thermoelektrische Generator von BMW macht Abwaerme nutzbar. MTZ, 2009 (04): 272-281.

[6] 靳鵬，彭輝，郭孔輝. 熱電技術(shù)在汽車上的應用綜述. 汽車技術(shù)，2010（5）:1-5.

The recycle of exhaust heat of engine based on thermoelectric technology

Li Jiaqiang1, He Chao?1, Wang Yong2, Pan Yukun2
( 1. School of Machinery and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224; 2. Yunnan Yuntong Judicial Expertise Center, Yunnan Kunming 650224 )

The principle of thermoelectric technology is introduced in this paper. Taking BMW 535i as an example, the application of thermoelectric generator (TEG) on the recycle of exhaust heat of engine is discussed, including the structure design of TEG, TEG integration, simulation modeling and practical performance.

Thermoelectric technology; Engine; Exhaust heat; Fuel consumption

U464.4

A

1671-7988(2015)07-17-03

李加強，就職于西南林業(yè)大學機械與交通學院，研究方向為汽車節(jié)能減排技術(shù)。

云南省應用基礎研究面上項目（2013FB052），云南省教育廳科研基金項目（2013Z081），西南林業(yè)大學科研啟動基金項目。