基于超導(dǎo)熱管和溫差發(fā)電技術(shù)協(xié)同作用下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱能回收研究

沈海青 林龍

摘 要：為了回收利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的高溫余熱，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效能，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了超導(dǎo)熱管和溫差發(fā)電裝置，并布置于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中，研究了利用超導(dǎo)熱管傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱量，溫差發(fā)電的輸出功率情況。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電 超導(dǎo)熱管 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣 熱能

節(jié)能減排是現(xiàn)階段工業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容，工業(yè)余熱的回收利用不僅能夠提高能源利用率，還能減少向大氣環(huán)境中的熱量排放，降低溫室效應(yīng)。所以回收利用這些工業(yè)廢熱很有必要。汽車工業(yè)對(duì)國家影響重大，截至2019年底，全國汽車保有量達(dá)2.6億輛，與2018年底相比，增加2122萬輛（扣除報(bào)廢注銷量），增長8.83%。汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)連續(xù) 11 年穩(wěn)居世界首位，2019年我國汽車產(chǎn)銷分別完成2572.1萬輛和2576.9萬輛，產(chǎn)銷量繼續(xù)蟬聯(lián)全球第一。但從同比情況來看，去年的產(chǎn)銷量分別下降7.5%和8.2%。2019年中國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成124.2萬輛和120.6萬輛，同比分別下降2.3%和4.0%。其中純電動(dòng)汽車生產(chǎn)完成102萬輛，同比增長3.4%;銷售完成97.2萬輛，同比下降1.2%;插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)銷分別完成22.0萬輛和23.2萬輛，同比分別下降22.5%和14.5%;燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成2833輛和2737輛，同比分別增長85.5%和79.2%[1]。

從2019年數(shù)據(jù)來看，相比于新興的新能源汽車，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車占比仍超過95%。而內(nèi)燃機(jī)在工作過程中燃料燃燒的熱量僅有25%轉(zhuǎn)化為有用功，排氣帶走的能量占比達(dá)到40%，內(nèi)燃機(jī)能量流向各部分占比如圖1所示。

充分利用廢氣部分帶走的能量具有顯著提升內(nèi)燃機(jī)效率的潛力。由于汽車尾氣中攜帶的能量包含動(dòng)能和熱能兩部分，目前利用汽車尾氣的眾多系統(tǒng)因此也可為分兩類，動(dòng)能利用式和熱能利用式。動(dòng)能利用式包含渦輪增壓、渦輪發(fā)電;熱能利用有朗肯循環(huán)發(fā)電、余熱制冷、溫差發(fā)電;此外，還有利用廢氣成分的EGR。

而溫差發(fā)電模塊組布置在廢氣通道和冷卻通道之間，利用溫差發(fā)電模塊兩端溫度差發(fā)電，是靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換，無傳動(dòng)系，結(jié)構(gòu)簡單，布置方式靈活，還能夠回收利用冷卻介質(zhì)中的熱量，并能降低燃燒之后的排放污染物。這種方式只需在原有發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上做少許改動(dòng)即可實(shí)施，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效能提升具有很大潛力。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 溫差發(fā)電國外研究情況

溫差發(fā)電（TEG）技術(shù)作為一種清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，廣泛應(yīng)用于廢熱回收和太陽能發(fā)電，其原理圖如圖2所示。在過去15年里，關(guān)于溫差發(fā)電的研究有著爆發(fā)式的增長，有關(guān)文獻(xiàn)中與此相關(guān)的年度出版物從500上升到2000之多[2]。TEG的能源轉(zhuǎn)換效率由卡諾效率和無量綱優(yōu)值ZT決定。ZT定義為，

然而，TEG的實(shí)際應(yīng)用中還有待改善?？査刽敹虼髮W(xué)在1988年第一個(gè)將FeSi2TEG應(yīng)用到汽車上[2]。隨后，應(yīng)用到汽車上的其他類型的TEG被開發(fā)并用于工業(yè)和學(xué)術(shù)測試[2]。然而，所報(bào)道的最大功率輸出不超過100W，并沒有能將其應(yīng)用到實(shí)際的商業(yè)汽車上。2008年，IAV公司為大眾Golf汽車開發(fā)了一款TEG裝置，在高速公路速度下能夠得到600W的功率輸出。最近，Gentherm領(lǐng)導(dǎo)的包含寶馬和福特公司的一個(gè)聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)推出一款TEG設(shè)備，并應(yīng)用到寶馬X6和林肯MKT兩款車上，這個(gè)TEG設(shè)備得到了700W 的理論功率和超過600W的實(shí)際功率[3]。盡管生成的電量提供了汽車運(yùn)行時(shí)所需電量的30%，但仍低于5%燃油經(jīng)濟(jì)性提高的目標(biāo)。其他汽車制造商，包括本田、日產(chǎn)、豐田和通用，也進(jìn)行了利用汽車廢熱能量回收的項(xiàng)目，但是現(xiàn)在并沒有可用的TEG設(shè)施出現(xiàn)在商業(yè)汽車上。將這項(xiàng)技術(shù)帶向市場的兩大挑戰(zhàn)是：熱電材料的機(jī)械性能不佳及熱穩(wěn)定性不好[2];熱電裝置引腳和電極之間的不可靠連接。

1.2 汽車尾氣溫差發(fā)電技術(shù)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)利用汽車尾氣溫差發(fā)電的研究很多，主要有清華大學(xué)[5]、武漢理工大學(xué)[6，7]、吉林大學(xué)[8]、天津大學(xué)[9]、北京交通大學(xué)[9]等。清華大學(xué)徐立珍等人[5]比較了風(fēng)溫差發(fā)電器中冷端分別采用風(fēng)冷和水冷效能的區(qū)別，表示水冷效果較好，但風(fēng)冷模式在實(shí)際應(yīng)用中更方便。武漢理工大學(xué)袁曉紅博士[6]對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱發(fā)電裝置進(jìn)行了熱端和冷端作用對(duì)發(fā)電性能的影響分析、余熱溫差發(fā)電裝置的熱應(yīng)力分析以及模態(tài)分析;在利用計(jì)算流體力學(xué)軟件分析時(shí)表明，提高尾氣溫度比提高尾氣流速在強(qiáng)化換熱更有效;結(jié)合試驗(yàn)建立的仿真模型表明，在其試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的溫差發(fā)電裝置使得發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率下降6%，標(biāo)定況點(diǎn)燃油消耗率增加3.6%;進(jìn)一步提高溫差發(fā)電裝置冷熱端溫差，進(jìn)行了采用獨(dú)立冷卻回路降低冷端低溫的研究，以40km/h車速為例，在整車百公里油耗升高0.4%的情況下獨(dú)立冷卻式溫差發(fā)電裝置輸出功率升高了208%;在模態(tài)分析中，增加熱端氣箱壁厚能有效地提高其低階約束固有頻率，剛度增大;增加冷端水箱固定端，約束狀態(tài)下的1階固有頻率值由177.70Hz提高到了311.47Hz，較好的避開了發(fā)動(dòng)機(jī)的共振頻率范圍，且共振變形量減小，動(dòng)態(tài)特性較好;主要研究還是側(cè)重于模擬計(jì)算分析。鄧亞東等人[2，7]將溫差發(fā)電技術(shù)與汽車尾氣消聲器相結(jié)合，利用仿真軟件仿真結(jié)果表明，兩者結(jié)合能夠滿足溫差發(fā)電器的熱端要求以及消聲性能要求。吉林大學(xué)胡智超碩士[8]將相變蓄熱材料和溫差發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，相變蓄熱材料的使用能夠穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)在工況變動(dòng)時(shí)排氣溫度波動(dòng)，從而提高余熱回收率。天津大學(xué)汪育超碩士[9]對(duì)汽車尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的理論分析，并建立溫差發(fā)電模型對(duì)各影響因素作了評(píng)價(jià)。風(fēng)冷情況下，增加尾氣流量能夠提高發(fā)電器效率;增加冷端換熱系數(shù)能夠提高發(fā)電器輸出功率;也提出相變材料的結(jié)合使用可以提高溫差發(fā)電器輸出功率和效率。

2 超導(dǎo)熱管和溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要研究的是超導(dǎo)熱管和TEG協(xié)同作用下回收利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的低品質(zhì)熱能，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的研究。溫差發(fā)電系統(tǒng)主要采用平板式溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、消聲器、超導(dǎo)熱管、溫差發(fā)電裝置、冷卻裝置、數(shù)據(jù)采集電路組成。其中發(fā)動(dòng)機(jī)的消聲器的熱量通過超導(dǎo)熱管傳遞到溫差發(fā)電裝置集熱裝置;冷卻裝置主要是風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)外界的自然風(fēng)，冷卻貼在溫差發(fā)電片的散熱片。溫差發(fā)電裝置安裝在集熱鋁板上。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃料燃燒后形成的高溫尾氣進(jìn)入排氣管將熱量傳遞給超導(dǎo)熱管，形成熱端，把熱量傳遞給溫差發(fā)電模塊。同時(shí)，冷卻風(fēng)扇開始工作，將發(fā)電片的另一端的熱量傳導(dǎo)給散熱片的熱量帶走，使冷端維持在較低溫度。溫差發(fā)電模塊兩端形成一定溫差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，在閉合的電路中會(huì)產(chǎn)生電壓和電流，可供整車的負(fù)載的使用。

2.1 超導(dǎo)熱管傳熱裝置設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)裝置的超導(dǎo)熱管采用市售直徑10mm，長度500mm規(guī)格的（如圖4），適用溫度為60～1000℃，具有良好的等溫性，其熱、冷兩端溫差不大于3℃。為獲得消聲器內(nèi)熱管，在消聲器筒體上開了四個(gè)圓孔，在圓孔上安裝中空螺栓套件，超導(dǎo)熱管可以通過中空螺栓固定，同時(shí)也可以調(diào)節(jié)插入消聲器內(nèi)腔的深度，而熱管的另一端與溫差發(fā)電裝置的集熱板相連。

2.2 溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)不少廠商生產(chǎn)出很多不同尺寸和材料的溫差發(fā)電片。通過對(duì)多個(gè)溫差發(fā)電模塊的比較發(fā)現(xiàn)， 大多數(shù)溫差發(fā)電模塊最高耐熱溫度基本都在150℃～350℃之間，通過對(duì)比各廠商的性能參數(shù)和成本，選取了某公司生產(chǎn)的TEP1-142T300（如圖5），單個(gè)溫差發(fā)電模塊尺寸規(guī)格為40mm×40mm×3.4mm，工作溫度為-40℃～300℃，長時(shí)間工作最高溫度為250℃，其外形如圖3所示。

在金屬材料中，銀的導(dǎo)熱系數(shù)最高，但成本高;純銅其次，但加工不容易;因此本設(shè)計(jì)的集熱裝置采用在風(fēng)冷散熱器中一般用的6063T5 鋁合金，這是因?yàn)殇X合金的加工性好（純鋁由于硬度不足，很難進(jìn)行切削加工）、表面處理容易、成本低廉。集熱裝置選擇采用平板式結(jié)構(gòu)，在鋁板表面安裝四個(gè)溫差發(fā)電片，溫差發(fā)電片的熱端緊貼鋁板表面，溫差發(fā)電片的熱端表面安裝散熱風(fēng)扇，使發(fā)電片的冷熱端保持較大的溫差才能獲得更多的發(fā)電量。

2.3 測量電路設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本項(xiàng)目溫差發(fā)電片最終的輸出的發(fā)電量，將四個(gè)溫差發(fā)電片的串聯(lián)連接，在電路中串聯(lián)一個(gè)10歐姆的電阻，再電阻兩端并聯(lián)一個(gè)萬用表，可以讀出溫差發(fā)電裝置的輸出電壓，那么發(fā)電功率就可以得到：

3 溫差發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)

在現(xiàn)有大眾帕薩特EA113發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上經(jīng)過改造，把超導(dǎo)熱管與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的消聲器連接，溫差發(fā)電裝置的集熱鋁板與超導(dǎo)熱管對(duì)接，再將測量電路接到溫差發(fā)電片上，整個(gè)的試驗(yàn)裝置完成了，下一步就可以進(jìn)行發(fā)電的試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置通過安裝熱電偶測量消聲器處的排氣溫度，集熱鋁板的處溫差發(fā)電片熱端溫度，發(fā)電片冷端溫度。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作后，控制節(jié)氣門開度，以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行，使消聲器的溫度達(dá)到最高，在測試過程中采用熱電偶采集溫差發(fā)電裝置冷端和熱端的溫度，同時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，發(fā)電裝置不同時(shí)刻產(chǎn)生的電壓大小，然后將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。

試驗(yàn)進(jìn)行了多次，取其平均值后，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，消聲器的排氣溫度與集熱板溫度的關(guān)系，如圖6;在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，溫差發(fā)電系統(tǒng)在不同溫差條件下產(chǎn)生的電壓和電流關(guān)系，如圖7所示。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目基于超導(dǎo)熱管和溫差發(fā)電片的協(xié)同效應(yīng)下，設(shè)計(jì)了平板式溫差發(fā)電系統(tǒng)。研究了利用超導(dǎo)熱管傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱量，溫差發(fā)電的輸出功率情況。由于受到了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置結(jié)構(gòu)的限制，超導(dǎo)熱管的熱量傳遞和溫差發(fā)電的效果還沒有達(dá)到最佳狀態(tài)，本項(xiàng)目的溫差發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在發(fā)動(dòng)機(jī)效能提升具有很大潛力，為今后開展發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱能溫差發(fā)電的研究打下良好的基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：臺(tái)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（1702gy10）。

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