汽车尾气温差发电装置在排气管中的布置

郝剑虹 李子路 王亚飞

（中国汽车技术研究中心）

汽车发动机尾气污染严重且热效率低，随着社会环保意识的逐渐增强，尾气废热温差发电技术正被广泛研究[1-2]。该技术采用半导体热电模块利用尾气废热进行发电回收能量再利用，且具有固定性、无噪声和无污染等优点。尾气温差发电的效率主要与模块的性能、两端温差以及热交换器的布置形式等有关[3]，文章主要对排气管外壁温度、温差发电装置在排气管中的布置选择以及布置后热交换器表面温度分布等问题进行研究试验，为温差发电装置在排气管中的合理布置提供试验依据。

1 汽车尾气废热温差发电装置结构原理

温差发电装置的结构，如图1 所示。根据赛贝克（Seeback）效应原理，温差发电装置的工作原理是将热电模块布置在热交换器（热端）和冷却水箱体（冷端）之间，热电模块通过冷热端之间的温差进行发电[4-5]。影响发电装置发电效率的主要因素包括模块的性能与温差等[6]。

现尾气废热温差发电处于试验阶段，一直采用某型号高性能低温模块（热端温度不高于300 ℃），应考虑在不损坏模块的前提下如何建立模块的高温差来提高发电效率，因此研究温差发电装置在排气管中的布置以充分利用尾气中的废热能量。

2 发动机排气管温度场分布试验

为对温差发电装置热交换器提供比较理想的温度区间，对某一型号2.0 L 发动机在不同工况下的排气管温度场分布进行了试验。在排气管外壁上每隔30 mm绘制测量点，利用热电耦对测量点进行温度测试，排气管上测量点示意图，如图2 所示。

汽车在城市路况行驶时发动机转速一般低于3 000 r/min，对该发动机进行2 000，2 500，3 000 r/min 3 种工况下的测试试验，分析排气管外壁在3 种工况下温度分布情况。通过调节发动机的转速和测功机扭矩，实现发动机在不同工况下的运转，利用热电耦测得3 种工况下的排气管外壁温度分布，如图3 所示。

从图3 中可以看到，从排气歧管到排气管出口区，排气管外壁温度逐渐降低，尤其是主副消声器区间温度降低明显，但尾气从主副消声器排出后排气细管壁的温度相对消声器外壁温度突然上升。根据流体力学的相关资料[7]，发动机尾气在排气管中流动为亚声速流动，即亚声速气流在收缩管内沿流动方向逐渐加速，在扩张管内沿流动方向逐渐减速。忽略排气管与尾气摩擦效应和热交换2 个因素，温度随管道截面积变化而变化的规律与速度随截面积变化而变化的规律相反，但实际排气过程中热交换和传递损失的能量较多，尤其在消声器处较前后段细排气管内部热传递面积增大，因此出现消声器处温度比其前后细排气管处温度低的现象。

3 温差发电装置在排气管中的布置位置

从图2 中可以看到，发动机排气管主要包括主副消声器和三元催化转换器3 部分。在不影响消声器和三元催化转换器正常工作的前提下，温差发电装置的布置主要考虑与消声器之间的关系。

从获得能量的角度来看，将发电装置布置在靠近排气歧管或三元催化转换器附近可以得到高温能量，有利于提高模块的发电效率。但发电装置布置应考虑到3 方面因素：1）现阶段采用的是某型号的低温模块，模块热端温度不高于300 ℃，因此排气歧管附近温度过高会损害甚至烧毁模块；2）发动机排气系统的结构直接影响汽车的动力性与舒适性等，而且对发动机的寿命影响很大，因此在考虑温差发电装置布置时，应充分考虑排气系统各组成部件间的影响因素，不能影响排气系统各部件，尤其是催化转化器和消声器的工作；3）将发电装置布置在排气管的出口处，则温度较低难以使模块获得足够的能量。综上，温差发电装置应当布置于主副消声器之间。

从图3 中可以看到：主副消声器之间的排气细管部分温度分布均匀，在发动机转速为3 000 r/min 时，温度分布稳定在350～370 ℃，为获得更多的尾气废热，温差发电装置应尽量靠近尾气热源，即布置得尽量靠近副消声器，温差发电装置布置示意图，如图4 所示。

4 热交换器表面温度分布试验

根据温差发电装置在排气管中的布置，对其热交换器表面进行温度分布试验。类似于排气管外壁温度分布测试试验，排气通道箱体表面温度分布试验时的发动机转速一般不高于3 000 r/min，因此对发动机在2 000，2 500，3 000 r/min 3 种工况下的热交换器表面温度分布进行试验，分析其表面温度分布。在发动机转速为3 000 r/min，功率为7 kW 工况下，对热交换器表面温度分布进行分析，热交换器表面热场分布及不同测点（L1～L7）的温度曲线，如图5 和图6 所示。

从图5a 和图6a 中看到，进气口至热交换器表面结构突变处之间温度波动较大，其主要原因是结构突变引起气流能量损失，而表面结构突变至箱体出气口之间温度平稳，热交换器表面部分中间温度和边缘温度变化很小，分布均匀。

从图5b 和图6b 中看到，热交换器表面的7 个测点（L1～L7）温度呈等差递减趋势，同一横线上温度平稳，变化较小。热交换器表面温度从进气口至出气口温度分布呈递减状态，横向分布均匀，温度分布在200～280 ℃，能够满足低温热电模块热端所需的温度和能量。

5 结论

通过对汽车尾气废热温差发电装置结构原理进行分析，拟定了发动机排气管外壁温度分布试验；确定了尾气温差发电装置在排气管中的合理布置位置，并通过对确定位置的热交换器表面进行温度分布试验，验证了热交换器能够满足低温热电模块热端所需的温度和能量，并为下一阶段热电模块在热交换器上的布置提供了试验依据。在本研究中，由于存在废气通道箱体表面积较大的特性，因此，高温端的温度控制和废气通道箱体温度分布的均匀性仍需进一步深入研究。