基于温差发电技术的发动机能量回收研究

马宗正，王新莉

（河南工程学院机械学院，河南 郑州 451191）

内燃机的发展已经超过100年的历史，虽然热效率与最初的发动机相比有了显著提高，但是大部分的能量还是以废气和冷却的方式浪费掉，占燃油能量的60%左右[1]。如果能够对这部分能量进行回收利用，则会明显提高内燃机的燃油经济性，有研究表明，如果能够将废气能量进行回收利用，内燃机的燃油经济性能够提高20%[2]。

温差发电技术是利用热电材料的塞贝克效应（Seebeck effect）直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，具有无需增加发动机负载、无噪声、体积小等优点，是一种较为理想的能量回收技术[3]。

1 温差发电技术原理

塞贝克效应是指半导体材料将温差直接转换为电能的一种性能。基于塞贝克效应可以开发温差发电系统（thermoelectric generation，TEG）。图1为温差发电系统的示意图，利用两种半导体温差发电材料连接形成PN 结，当PN 结一端处于高温、另一端处于低温时，P 型材料高温端空穴浓度高于低温端，而N 型材料高温端电子浓度大于低温端，浓度梯度的存在使得空穴与电子从高温端向低温端运动，从而形成电动势，实现了将温差转换为电能[4]。

图1 温差发电示意图

2 基于温差发电发动机能量回收技术研究

温差发电技术已经历了近200年的发展，但是其转换效率较低，因此主要应用于对价格不敏感的领域[5]。在汽车上使用温差发电技术可追溯到1963年美国Clarkson 大学Bauer 的研究论文，他提出车用发动机能够提高600 K 的稳定热源，在车用发动机上使用温差发电技术值得深入研究[6]。1964年Clarkson大学的Tomarchio 开发了一款采用强制通风冷却的温差发电器，研究表明，利用温差发电技术对发动机尾气能量进行回收，当车辆车速超过80 km/h 时理论上完全可以为整车的电力系统提供电源[7]。1984年Bass 等人利用温差发电技术设计的温差发电器最高功率可达1.5 kW[8]，随后Bass 等人在柴油卡车上利用72 片温差发电片在保持热端温度230 ℃、冷端温度30 ℃的情况下，将温差发电的热转换效率提高到4.5%[9]。1990年以后，美国能源部与Hi-Z 公司共同启动了一项利用热电发电机回收汽车尾气废热并发电的课题[10]。与此同时，俄罗斯和日本也开始了相关的研究[11]。

1999年吉林大学董桂田指出发动机在最低转速时，利用温差发电机产生的电量足够满足汽车电力负载需求[12]。2009年，中国科学院上海硅酸盐研究所与上海汽车集团股份有限公司技术研究中心获得国家“973”项目资助，共同开展热电技术在发动机尾气回收技术上的研究[13]。

3 基于温差发电发动机能量回收技术的发展现状

虽然一般温差发电片发出的功率在mW～μW，转换效率在5%～10%，但是采用温差发电机技术仍然能够改善燃油经济性，对汽车能量进行回收是可行的。近年来基于温差发电技术的发动机能量回收研究日益引起人们的关注。

3.1 基于温差发电技术的尾气能量回收

目前，利用温差发电技术进行尾气能量回收，其回收装置的基本结构有两种，一种是截面为圆形[14]，另一种结构形式为方形[15]。如图2所示，其基本结构包括换热器、散热器、温差发电组和骨架等几部分。基于温差发电技术对发动机尾气能量进行回收，研究内容大体可分为基础研究和应用研究。

图2 温差发电片基本形式

3.1.1 基于温差发电模块的基础研究

（1）台架实验

C.A.Gould 等人基于市售温差发电模块，对不同形式的冷却方式进行了研究，结果表明，与采用自然冷却方式相比，采用风冷和水冷两种方式可以保证两端的温差，消耗较少的能量就能够产生更多的电能[16]。褚泽等人建立了温差发电系统实验台，通过冷却方式的对比分析表明，采用强制风冷方式可以满足冷端散热的要求，并且温差发电器内阻随冷热端平均温度的升高而降低[17]。周泽广等人通过实验研究表明，采用空气强制对流和水冷散热方式能够改善热器翅片与环境之间的传热，若热源提供的热流量较大时则会提高温差发电效率，但是当热源提供的热流量一定时，强化冷端传热会使热端的温度降低，从而降低温差，不利于提高热电效率[18]。全睿等人建立了汽车尾气余热热电转换实验台，对汽车发动机不同转速下分流器对出口尾气温度的影响规律进行了研究，研究结果表明，可通过延长尾气在集热器内部的流动时间来提高集热器表面温度，从而有效提高温差发电热利用效率，并且采用蛇形流道结构的集热器表面温度分布更加均匀[19]。邓亚东等人利用红外热像仪测量了发动机排气管的温度，依据温度分布提出了如何在汽车排气管合适位置安装发电装置及布置热电模块[20]。

（2）采用数值计算的方法来研究

采用实验台的方法进行研究，其优点是实验准确；采用数值计算的优点是实验成本低、边界条件便于调整。

T.Seetawana 等人利用ansys 对温差发电器进行了研究，结果表明当温差发电器高度变化时会对开路电压产生影响，从0～6 mm 变化时开路电压和高度几乎成线性关系，从6～40 mm 变化时开路电压随高度增加而增加，但是增加的幅度变缓[21]。Hsiao 等人的分析结果表明，温差发电器的输出功率随发动机转速或者冷却液温度的升高而增加，温差发电器安装在排气管上比安装在散热器上效果更好[22]。Min Chen 等人开发了研究温差发电模块的三维模型，该模型基于FLUENT 软件利用UDF（user defined function）加入新的计算公式实现了流固耦合，并且包括非线性流-热-电多态耦合[23]。鱼剑琳等人用数值计算的方法对采用平行板热交换器的温差发电模块进行了研究，发现热端入口温度越高，流速越快，温差发电模块开路电压越高，但是随着流速增加这种趋势减缓[24]。Simon Bélanger 等人对横流热交换模式的温差发电器建立了一维分析模型，通过将6 个公式联立求解而获得温差发电模块高温端温度、低温端温度、高温介质温度、低温介质温度、高温端热流量和低温端热量6 个参数，并且对该模型进行了改进[25]。

3.1.2 基于温差发电模块的应用研究

K.Ikoma 等人采用Si-Ge 热电材料制造温差发电器用于发动机排气能力的回收，在相当于3.0 L 排量发动机在60 km/h 爬坡工况下，最大发电功率为35.6 W，转换效率约为11%[26]。Thacher 等人将16 块HZ-20 安装到轻型卡车上，实验结果表明，温差发电片的输出功率随转速的增加而增加，整个系统能够产生大约330 W 的能量[27]。Matsubara 利用两种材料YbFe3CoSb12和YbFe3.6Ni0.4Sb12制造了一种新型的温差发电片，利用此种发电片在一台2.0 L 排量的汽油机上保持温差为475℃时，最大可产生266 W 的功率[28]。

目前对于发动机尾气能量回收的利用研究较多，但是增加温差发电器后不可避免会对发动机排气系统产生影响，利用温差发电技术回收发动机尾气能量的研究方向是在不增加排气压力的情况下热交换器的设计及优化问题，通过增加热交换器的换热效率来提高温差发电的效率。

3.2 基于温差发电技术的冷却能量回收

基于温差发电技术冷却系统能量回收装置与尾气能量回收装置有所不同，由于不考虑排气阻力的影响，换热器的形状比较自由，但是一般都采用界面为方形的平板式结构，如图3所示。其基本结构与方形截面尾气温差发电器类似，也是包括换热器、散热器、温差发电组和骨架等几部分。

图3 冷却系统能量回收温差发电器示意图

冷却系统能量回收与尾气能量回收的另一个不同点是冷却系统能量回收时热端温度较低，这主要是因为冷却系统能量来源是冷却液，其温度一般不超过110 ℃，采用市售温差发电模块即能满足要求，无需采用特殊制作的温差发电模块。

牛星等人采用平行散热结构的温差发电器对冷却系统温差发电进行了研究，结果表明，随温度升高温差发电器的热阻值增加，即温度对温差发电片的特性有一定的影响；负载不同，发电功率也不同，当与温差发电器内阻值相等时效率最高；最大功率随温差的扩大而增加，增加热端温度或者减小冷端温度效果相同[29]。Nyambayar Baatar 等人将温差发电器替换散热器用于回收冷却系统能量，研究结果表明，采用其设计的温差发电器结构可以替代原有散热器，在实验室模拟车速为80 km/h 时温差发电器的能量回收效率为3.2%，在怠速时能量回收效率可达10%[30]。

4 结论

由于发动机排气温度较高比较适合于温差发电，对其的研究特别是基础研究较多，但是对排气能量进行回收时用到的温差发电模块价格较高，同时还会对排气系统产生一定的影响，从而制约了实际应用。对于冷却系统能量回收的研究较少，主要是因为热端温度较低，不利于温差发电技术的应用，但是此种技术的优点是利用市售温差发电模块即可实现，成本较低。就下一步的研究方向提出以下建议：

（1）发动机排气能量回收需要在提高换热器效率和降低热阻方面进行研究；

（2）发动机冷却系统能量回收可以结合实际车辆在如何提高温差发电模块两端温差方面进行研究；

（3）温差发电系统可靠性分析关系到温差发电技术能否实际应用，需要进一步研究；

（4）建立基于温差发电技术生命周期评价体系，目前温差发电模块价格较高，制约了温差发电技术的发展，从生命周期的角度来分析温差发电技术对于温差发电技术的实际应用有着重要的意义。

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