基于汽車尾氣余熱均衡散熱與聚合氣流螺旋遇冷溫差發電裝置設計

陸小波　張旭賢　李磊　宋榮榮　王利君　羅勇

【摘 要】為了探究一種高效風冷式汽車尾氣余熱溫差發電裝置，設計一種汽車尾氣余熱均衡散熱與聚合氣流螺旋遇冷溫差發電裝置。本文通過建立模型試驗，測試江淮皮卡汽車發動機在不同負荷下，排氣管道散熱量，并對最高負荷下，排氣管道高溫散熱進行處理，將整個排氣管道溫度恒定140°C ～300°C。調試汽車發動機最大轉速4000r/min，對排氣管內管道散熱處理后，通過測試風冷式管道裝置在不同空氣流速梯度下，管徑收縮及氣流流態對溫差發電器件遇冷測試，并建立小型數據庫，對比數據，分析裝置風冷式效果實驗參數。結果顯示，風冷式排氣管道溫差發電裝置，有效提高溫差發電器件溫差，達到高效率發電目的。

【關鍵詞】溫差發電 聚合氣流 螺旋風管 流線型 “V”型聚風面板

目前市場汽車供電設備大多依賴于發電機，發電機消耗發動機動能，從而間接增加汽車油耗。針對汽車尾氣余熱溫差發電，水冷需要接入循環水冷系統[1]，其裝置結構復雜，維護成本較高，水冷循環運作穩定性較差。風冷式溫差發電裝置研發正在起步階段，本設計方案立足于風冷式裝置結構設計及優化，可高效利用汽車尾氣余熱，將其轉換為可穩定回收，再利用的電能，可以替換部分汽車發電機，可間接減少油耗。最終研制了一套結構合理、性能優異、余熱溫差發電效果較明顯的裝置。

1研究背景

由汽車燃油總能量分配得知，汽車發動機動力輸出占燃油燃燒總熱量的25%～42%，其余以廢熱形式從冷卻水和尾氣等中排出。車外的能量占燃燒總能量的58%～75%，這不僅是一種能量浪費，同時也會造成一定程度的大氣熱污染[2]。汽車尾氣余熱具有溫度高、壓強大、流速快的特點，汽車能量損耗以尾氣熱量為主。

目前汽車尾氣余熱溫差發電存在溫差發電模塊本身發電率低，溫差發電裝置整體效率低，裝置在汽車行駛中穩定性較差，冷端散熱效果較低等問題。

2聚合氣流風冷技術原理

改變排氣管內壁熱量條件，致使尾氣余熱均勻散熱，使溫度恒定160～290°C，滿足溫差發電器件最大容許高溫條件。排氣管道內高溫氣流溫度梯度大（60～500°C），溫差發電器件的容許高溫側溫度300°C，適宜安裝溫差發電器件管道長度有限，因此，通過設計組裝三種金屬管材（內管），包裹不定層數隔熱材料，改變排氣管內壁熱量條件，至均勻散熱，促使溫度恒定160～290°C。依據不同類型汽車的用電需求，可適度改變汽車排氣管道內徑，或適宜加長管道長度，改變排氣管道結構，可安裝較多的溫差發電器件。

通過設計流線型螺旋風管管道外殼，套裝內管道，聚合螺旋氣流，加快雙管間空氣流速與溫差發電器件一側溫度交換，提高風冷效果。汽車行駛時，當空氣流速恒定，氣流進入聚風管流量一定，當氣流進入雙層管道間，聚風管管口截面積是雙層管道的2倍以上，雙層管道間氣流急劇加快，氣流沿流線型外管壁流動，加快螺旋氣流分子與溫差發電器件遇冷側面的碰撞，提高遇冷效果，增大溫差發電器件兩側產生溫差，提高溫差發電器件發電功率。

通過汽車排氣管與螺旋風管間氣流交換裝置結構設計，可分部定段安裝多個冷熱氣流換氣裝置。該裝置可排出前段較熱空氣流，聚合外界冷空氣，沖進后段雙管道間，達到較長雙管道間冷熱氣流交換的目的，提高風冷效果。

3結構設計

3.1雙層排氣管道裝置整體結構設計

該裝置排氣內管分為三段，與發動機處三分之一段采用隔熱材料包裹，或雙層真空管道；中間三分之一段采用保溫較好的管材；末尾三分之一段采用散熱性較好的鋁合金管材。通過不同材質管道連接，使排氣管內管道散熱溫度恒定在160-290°C間。雙層排氣管道裝置整體結構如圖1所示。

3.2雙層排氣管道裝置局部分解

裝置熱電系統采用熱電器件串聯（4-6個）模塊，將各個串聯模塊并聯，與回收系統連接，將大電流儲存于蓄電裝置中。排氣管口徑較小，采用規格為20*40*3.2mm溫差發電器件，其規格：最大耐溫：300°C；最大發電電壓3.18V （溫差為120°C）；最大短路電流：525mA （溫差為120℃）；芯片內阻：1.8Ω。

3.2.1雙排氣管道裝置設計截面圖示分析

方案一：目前市場現有溫差發電器為塊狀，粘貼于排氣管曲面，對熱量的傳遞，安裝運作的穩定性影響較大，因此，研制一定規格圓弧形溫差發電器件。依據設計要求，溫差發電器件要求廠家制作成曲面形狀，曲面長度40mm，弧度長度依據廠家可制作性，設計制作目標：2～5段均勻的等弧長，拼接成一個完整的圓狀（設計排氣管內徑），包裹內管道。環形溫差發電器件安裝結構如圖2所示。

方案二：由于市場現有溫差發電器件均為塊狀，設計排氣管截面形狀，且不改變汽車原排氣管管徑、長度、結構。內管壁中設計真空層，使高溫隔熱降低至290°C以下，前段減少尾氣熱量流失，提高后段管道溫度。

排氣內管1橫截面呈外切的邊數大于6的等邊內圓管；排氣內管1外壁上依次設置著至少一層陶瓷纖維紙2、均勻涂布的導熱硅膠層3以及均布粘接著的溫差發電元器件5；在排氣內管1外部設置著呈流線型聚風裝置4、6、10。原排氣管道內高溫氣流溫度梯度大，銜接不同的管材，降低進氣管道散熱，提高尾管道溫度，使前段高溫測熱量不易過早散發，而流通到中后段管道 ，即可輕度改變尾氣余熱散熱溫度均衡，適度均衡散熱。如雙層排氣管道裝置各部位斷面結構如圖3所示。

圖B-B：裝置與發動機連接段斷面，設計安裝“V”型聚風面板；

圖A-A：裝置中間管道斷面，設計安裝螺旋風管及冷熱氣流換氣裝置；

圖C-C：裝置尾段斷面，設計安裝半“V”型聚風面板。

3.2.2雙排氣管道外聚風裝置局部設計

汽車行駛時，采用聚合氣流加速旋轉空氣式理念，提高溫差發電器件一側遇冷效果，增大溫差，高效發電。聚風裝置結構如圖4所示。

螺旋風管由高纖維塑料或不銹鋼金屬材料制成，螺旋風管上的螺紋間距為等梯度增加。各個外殼管道曲面光滑，顯流線型。管質選材為高纖維塑料或不銹鋼金屬材料。

圖5螺旋風管：前口內徑與后口內徑比為1：1.5～1：3；冷熱氣流換氣裝置：中圓臺形換氣風管8、9，前口的內徑與后口內徑比為1：2～1：4。中圓臺形換氣風管8、9前口為缺口環狀，8、9部位斜截面銜接處為封閉斷面，達到前半段雙層管道間遇冷氣流從9部位出，后半段冷空氣從8部位進。

通過汽車排氣管與螺旋風管間氣流交換裝置結構設計，可分部定段安裝多個冷熱氣流換氣裝置。

冷熱氣流換氣裝置目的：為達到較長排氣管道溫差發電器件較好的遇冷效果，分布定點安裝冷熱氣流換氣裝置。聚風管與疏風管道可排出前段較熱空氣流，聚合外界冷空氣，沖進后段雙管道間，達到較長雙管道間冷熱氣流交換的目的，提高風冷效果，增大溫差，提高溫差發電效率。如冷熱氣流換氣裝置結構如圖6所示。

4仿真模擬實驗

4.1排氣管內管道散熱分析計算

查閱《傳熱學》，得知排氣管內管壁熱傳導的傳熱熱阻r：

排氣管外形由支管道、彎管、消聲器等一些裝置構成，發動機排出尾氣流過排氣管內管道拐彎處，氣流沿管壁發生改變。通過查閱《傳熱學手冊》，得知廢氣與管道內壁之間的對流換熱系數：

排氣管內管取單位長度 氣體微元，溫度 ，該處管道外壁的溫度為 ，氣流流速V，管壁傳遞熱量，該微元段移動下一位置時，溫度下降為 。

4.2排氣管內管道均衡散熱方案測試

實驗采用江淮汽車（JAC），進行數據采集及模擬實驗。汽車發動機四缸汽油機型號：GW491Q；最大凈功率74kW（3200r/min）；排量為2237ml。采用紅外熱像儀測試發動機在不同負荷下，排氣管外壁各個測量點（沿縱向等間距13cm）溫度，起點為排氣支管，終點為排氣管末端。

依據排氣管形狀結構，對排氣管分段，通過對排氣管管道結構、尺寸測量，按照一定比例值繪制圖紙如圖7所示。調試發動機轉速為：750r/min、2000r/min、3000r/min、4000r/min工況下測定各管道分段點溫度，各轉速對應測量點溫度如表1所示。

通過紅外熱像儀排氣管溫度場分布測試試驗由上述實驗看出，汽車發動機轉速在750～4000r/min間，排氣管道溫度曲線波動較大，高低溫落差較大，溫度差值219.5～267.1°C。汽車在正常行駛過程中，發動機轉速不超過3500r/min，為防止汽車排氣熱負荷過高，超出溫差發電器件最大溫度極限值，因此，對排氣管散熱處理進一步實驗中，只分析發動機轉速在4000r/min時，排氣管管材設計及隔熱材料包裹層數。調試發動機轉速為4000r/min，采用對排氣管道均衡散熱處理方案，溫度分布曲線緩慢、平穩下降，最高溫度293°C，最低溫度154.7°C溫度差值138.3°C。對比實驗分析得知，內管道散熱處理方案有效降低排氣管高低溫落差，中后段內管道溫度明顯增大，達到高溫熱氣流在整個管道均衡散熱的目的，提高溫差發電器件安裝數量。

4.3模擬風冷裝置各實驗項數據采集及分析

本次實驗測試車速與風速之間的關系，為后續模擬實驗提供參數依據。如表2所示。

通過測試排氣管道高溫測溫度為260°C時，進風口與雙層管道截面面積變化對空氣流速影響。排氣管道內管直徑為4.82mm，按照設計要求，前風口直徑12cm，面積37.68平方厘米，收縮后直徑10 cm，面積31.4平方厘米，雙層管道間截面積9.42平方厘米。前進風口截面積是雙層管道間截面積的2倍、4倍。本實驗以內管道散熱溫度260°C計算，3D打印一段仿真裝置進行模擬實驗，試驗數據如表3所示。

當風流量一定時，風速與風管截面積成反比，即是風速越高，則風管截面積越小，在模擬實驗中，聚風管口截面積為雙層管道間截面積的2-4倍，如表3中兩條折線，管道間與進風口風速比值減小，由于高氣流受到管道結構阻礙產生壓力，氣流改向四周擴散，對風速有影響。此實驗驗證聚合氣流加速空氣流動，提高溫差發電器件能量交換速率。

制作仿真模擬實驗裝置，將6片規格為20*40*3.2mm溫差發電器件（最大耐溫300°C），按照設計要求安裝內管道，并套裝螺旋風管，內管用氧焊通入熱氣流，并控制溫度為：高溫側290°C、230°C、170°C、140°C，用600W鼓風機管口對準聚風管口，空氣流速大小通過調試兩管口間距，將風速儀溫度感應器放置兩管口間，調控空氣流速。雙層管道間，等梯度調控空氣流速，用紅外熱像儀測試風冷溫度大小，試驗數據如表4所示。

表4 風速等梯度變化對不同高溫側溫差發電器件風冷效果影響試驗

如表4所示，排氣管雙層管道間空氣流速等梯度增大，溫差發電器件遇冷側溫度緩慢降低，高低空氣流速差值溫度變化差值：109～238.1°C，溫差增長值：6.3～200.4°C。由上述數據分析得出，排氣管溫度較高部位產生溫差值相對較大；當高溫側溫度恒定，空氣流動速度越快，風冷效果越好，溫差越大。

同等風速條件下，平行空氣流與螺旋空氣流流態，對內管道散熱溫度200°C，溫差發電器件遇冷溫度測試如表5所示。

由上述數據得出：同等風速條件下，高速螺旋氣流比平行氣流遇冷效果更好，溫度差值約9°C，一定程度上提高溫差發電器件發電效率。由于風速受雙層管道壁形狀影響，風速越大，高速螺旋氣流遇冷效率下降，因此，最適合風速0～30km/h，即車速：0～90 km/h。

4.4單個溫差發電器件溫差與發電量對應參數（如表6）

測試條件：空氣溫度22.7°C，汽車排氣管總長度4.26m，采用汽車轉速為3000r/min，車速80km/h時，管道間空氣流速約40m/s，測試單個溫差發電器件（規格為20*40*3.2mm）在不同管道部位，冷熱溫度值，及輸出功率測試如表7所示。

5經濟性分析

實驗采用江淮汽車（JAC），進行數據采集及模擬實驗。測試條件：空氣溫度：22.7°C，汽車排氣管總長度4.26m，采用汽車轉速為3000r/min，車速80km/h時，管道間空氣流速約40m/s，熱面溫度范圍：145.9～285.7°C，冷面溫度范圍：29～64.7°C，平均溫差178.13°C，平均溫差發電功率1.72 w，裝置可安裝溫差發電器件數，總發電功率1.69 kw。

假定汽車平均每天連續行駛6 h，平均車速80km/h，每天發電量為：

在模擬實驗中，雙排氣管道間空氣流速明顯高于車速，風冷遇冷效果明顯。汽車在秋冬季工作，空氣溫度低于模擬實驗22.7°C，汽車尾氣余熱均衡散熱與聚合氣流螺旋遇冷產生溫差更大，發電效率更高。

6結語

本套設計裝置優化螺旋風管流線型外殼結構，抗風阻力小，螺旋氣流風速較高，產生溫差較大，提高發電效率。優化設計內管道結構后，可安裝較多溫差發電器件，進一步提高發電總功率。

本套設計裝置質量較輕、抗震穩定性強、熱電模塊轉化效率高，既能達到節能、環保、安全的目的，又具有壽命期長、投資少，見效快的特點。本套裝置適應汽車行駛環境的需要，可代替部分型號汽車發電機，滿足汽車用電需求。全國交通工具種類多，數量多，依據車型，據局部改進設計裝置，可以安裝到各類不同型號的車輛，具有較好的市場推廣價值。

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