汽車發(fā)動機(jī)余熱利用技術(shù)可行性分析報告報告材料

1、汽車發(fā)動機(jī)余熱利用技術(shù)可行性分析一、背景自 20 世紀(jì) 70 年代世界性的能源危機(jī)發(fā)生以來，能源問題受到世界各國普遍重視，各 經(jīng)濟(jì)大國都致力搶占能源市場同時， 對節(jié)能技術(shù)的重視程度也大大加強(qiáng)。 隨著人們生活水平 的提高， 汽車保有量越來越大， 汽車能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來越高， 汽車節(jié) 能問題越來越受到各國關(guān)注。 節(jié)能已經(jīng)成為當(dāng)今世界汽車工業(yè)發(fā)展的主題之一。 汽車消耗的 能源主要是石油燃料， 而我國是一個石油存儲量相對欠缺的國家， 目前己成為世界第二大石 油進(jìn)口國。 隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展， 提高汽車燃料有效利用率和減少環(huán)境污染在我國 具有更重要的戰(zhàn)略意義。 調(diào)查研究表明， 汽

2、車燃料燃燒所釋放的能量只有三分之一左右被有 效利用， 其余能量都被散失或排放到大氣中， 造成了能源極大浪費(fèi)， 也帶來了不良環(huán)境影響。 因此將這些汽車廢熱有效利用是實現(xiàn)汽車節(jié)能，降低汽車能源消耗的一個有效途徑。二、汽車余熱利用技術(shù) 從目前汽車所用發(fā)動機(jī)的熱平衡來看， 用于動力輸出的功率一般只占燃油燃燒總熱量的 30%-45%（ 柴油機(jī) ）或 20%-30%（ 汽油機(jī) ） 。以余熱形式排出車外的能量占燃燒總能量的 55%-70%（ 柴油機(jī) ）或 80%-70%（ 汽油機(jī) ） ，主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱 量。表為內(nèi)燃機(jī)的熱平衡表從表中可以看出汽車發(fā)動機(jī)冷卻介質(zhì)帶走的熱量有較大利用空

3、間， 如何將其有效利用自然 受到人們越來越多的關(guān)注，不少人致力于此方面研究。由于車用發(fā)動機(jī)特殊的使用場合， 汽車余熱利用具有鮮明的特點(diǎn)和特殊的要求， 可將這 些特點(diǎn)簡單歸結(jié)如下： 一是汽車余熱的品位較低， 能量回收較困難； 二是余熱利用裝置要結(jié) 構(gòu)簡單，體積小，重量輕，效率高；三是廢熱利用裝置要抗震動、抗沖擊，適應(yīng)汽車運(yùn)行環(huán) 境；四是要保證汽車使用中的安全； 五是要不影響發(fā)動機(jī)工作特性， 避免降低發(fā)動機(jī)動力性 和經(jīng)濟(jì)性。 由于汽車余熱利用具有上述特點(diǎn)， 使得研究的成果雖多， 但投入商業(yè)化生產(chǎn)的不 多，有待進(jìn)一步的研究開發(fā)。國內(nèi)外汽車余熱利用的技術(shù)， 從熱源來看， 有利用發(fā)動機(jī)冷卻水余熱和利用排

4、氣余熱兩 種，從用途上來看，有制冷空調(diào)、發(fā)電、采暖、改良燃料、渦輪增壓、室內(nèi)濕度控制和空氣 凈化等方式。1、余熱制冷技術(shù) 目前，在轎車空調(diào)中，占統(tǒng)治地位的是蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)，轎車空調(diào)一般要消耗812% 的發(fā)動機(jī)動力，增加油耗，加大排放；另一方面易引起水箱過熱，影響轎車動力性； 同時由于蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)采用的制冷工質(zhì)為氟利昂類化合物， 導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇。 為解 決舒適性與制冷功耗之間的矛盾， 回收和利用發(fā)動機(jī)排氣余熱來驅(qū)動制冷系統(tǒng)， 實現(xiàn)轎車空 調(diào)，是理想的節(jié)能方案。 目前提出的這方面技術(shù)主要有吸收式和吸附式兩種。 吸收式制冷空 調(diào)。其原理是以熱能為動力來完成制冷循環(huán)的， 在相關(guān)文獻(xiàn)中， 研

5、究最多的是利用循環(huán)冷卻 水余熱來實現(xiàn)吸收式制冷， 當(dāng)然也可以利用排氣余熱來實現(xiàn)吸收式循環(huán)。 吸收式制冷系統(tǒng)有 較大的性能系數(shù) COP （相對于吸附式而言） ，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、造價高，而且四器（發(fā) 生器、冷凝器、吸收器、蒸發(fā)器）需要自由水平面，不太適用于經(jīng)常處于顛簸、運(yùn)動狀態(tài)的 汽車。 吸附式制冷空調(diào)。 其原理是利用某些固體物質(zhì)在一定溫度、 壓力下能吸附某種氣體或 水蒸汽， 在另一種溫度、 壓力下又能把它釋放出來的特性來實現(xiàn)制冷。 吸附式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、 造價低， 在提高吸附床傳熱傳質(zhì)能力的情況下， 可大大提高系統(tǒng)的性能， 是較為理想的系統(tǒng)。 但吸附式制冷的 COP 不高，需要較長預(yù)備時間，單

6、位質(zhì)量的吸附劑產(chǎn)生的制冷功率較小， 系統(tǒng)笨重，廢熱利用率不高，而汽車空調(diào)要求體積小、制冷量大、性能可靠、操作方便，這 限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。要達(dá)到以上要求，必須提高系統(tǒng) COP 值及單位質(zhì)量吸附劑制冷功 率。2、余熱發(fā)電技術(shù)利用廢氣能量發(fā)電常用方法有四種， 分別為利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電、 氟龍透平發(fā)電、 廢氣 渦輪發(fā)電和斯特林循環(huán)原理發(fā)電。 半導(dǎo)體溫差發(fā)電。 熱電轉(zhuǎn)化效率可達(dá) 3。3% ，甚至是 7% ， 吉林大學(xué)的董桂田通過試驗證明用汽車發(fā)動機(jī)排氣廢熱溫差發(fā)電能夠取代傳統(tǒng)的汽車發(fā)電 機(jī)，且溫差發(fā)電吸熱降溫對汽車整體性能大有稗益。 利用發(fā)動機(jī)廢熱的氟龍透平發(fā)電。 是利 用一種在比較低的溫度下能成為

7、高壓氣體的低沸點(diǎn)物質(zhì)（通常為氟利昂 ）作為工質(zhì)， 使其在吸收發(fā)動機(jī)余熱后由液態(tài)變?yōu)楦邏赫羝麖亩苿油钙綑C(jī)發(fā)電。 廢氣渦輪發(fā)電。 青島大學(xué)的張鐵 柱提出了利用廢氣能量驅(qū)動渦輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)想， 并設(shè)計了一種新裝置來實現(xiàn)， 獲得 專利一項。 日本的吉田佑也曾作過此方面的實驗， 證明了利用廢氣能量驅(qū)動渦輪所發(fā)出的電 能足以提供汽車運(yùn)行所需電能， 但未做進(jìn)一步研究。 此種裝置結(jié)構(gòu)簡單， 但有可能對發(fā)動機(jī) 工作性能產(chǎn)生影響。利用斯特林循環(huán)原理發(fā)電。工質(zhì)從高溫?zé)嵩矗ㄆ噺U氣 ）吸收熱量，膨脹做功，向低溫?zé)嵩捶艧岵⑹湛s，再次從熱源吸收熱量，循環(huán)上述過程。在每次循環(huán)過程中， 工質(zhì)吸收的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，

8、而工質(zhì)做功過程中通過活塞的往復(fù)運(yùn)動帶動直線發(fā)電機(jī)進(jìn)一 步將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。3、余熱采暖余熱式暖氣裝置利用汽車發(fā)動機(jī)工作剩余熱量供暖， 利用發(fā)動機(jī)冷卻水的熱量， 稱為水 暖式， 利用發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的熱量， 稱為氣暖式。 水暖式暖風(fēng)裝置廣泛應(yīng)用于汽車采暖系 統(tǒng)中， 但其發(fā)熱量較小， 主要用于非嚴(yán)寒地區(qū)取暖容量較小的貨車和轎車。 在環(huán)境溫度較低 時，會使發(fā)動機(jī)處于過冷狀態(tài)， 增加了發(fā)動機(jī)不必要的機(jī)械磨損， 降低了發(fā)動機(jī)的功率。 氣暖式暖風(fēng)裝置的發(fā)熱量大，采暖效果較好， 受環(huán)境溫度影響小， 對發(fā)動機(jī)工作影響小，但 要注意不要增加排氣背壓，否則將影響到發(fā)動機(jī)的工作性能。4、改良燃料利用發(fā)動機(jī)排氣余熱加

9、熱燃料， 使其在催化劑作用下能分解出氫、 一氧化碳等可燃?xì)怏w， 可提高燃料的燃燒熱值，減輕排放污染和積炭。比如甲醇，改性后的含量可增大 20% ，可 有效減輕污染和積炭。 這種方法的缺陷在于只利用了發(fā)動機(jī)余熱的一部分， 其目的重在改良 燃料而非充分利用廢氣能量。以上所述汽車余熱利用熱源來自發(fā)動機(jī)和尾氣排放兩個方面， 但形式上都是現(xiàn)采現(xiàn)用， 容易出現(xiàn)熱能供給與需求失配的矛盾， 因此人們考慮如何將汽車剩 余熱量暫時貯存起來，供需時使用， 從而引出蓄能問題。 對發(fā)動機(jī)余熱利用而言， 從熱源來 看，余熱量與發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況有關(guān)， 是一種具有分散性和間歇性特點(diǎn)的能源， 而且氣候因素、 汽車啟停間隔等因素對

10、汽車余熱量影響也很明顯。 要解決供需矛盾， 把這種不穩(wěn)定能源為人 們所用， 就要把發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時冷卻液攜帶的熱能暫時貯存起來， 以供再次啟動時加熱室內(nèi)空 間或儀表盤，寒冷冬天車窗玻璃的除霧除霜、 控制室內(nèi)濕度； 從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)角度來看， 熱存 貯在汽車余熱利用系統(tǒng)中所起的作用比一般的熱利用系統(tǒng)都大得多。所以， 汽車余熱蓄熱再利用關(guān)鍵在于解決能量存貯問題，蓄能問題也是汽車余熱應(yīng)用研究中的薄弱環(huán)節(jié)。三、余熱利用各技術(shù)可行性分析1、余熱制冷技術(shù)分析吸附式制冷系統(tǒng)使用的工質(zhì)有沸石 -水、活性炭 - 甲醇，活性炭 -氨等，對環(huán)境無污染、 可直接利用一次能源以及無運(yùn)動部件等優(yōu)點(diǎn)， 越來越受到人們的重視。 吸附

11、式系統(tǒng)運(yùn)動部件 少，可靠性高； 其 COP 與吸收式系統(tǒng)相近。 由于使用固體吸附材料， 因此可用于振動場合。 氨工質(zhì)的制冷量大， 在常規(guī)溫度范圍內(nèi)， 蒸發(fā)和冷凝壓力都是正壓， 而且在較高溫度的條件 下不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 特別是對臭氧層保護(hù)和減少溫室效應(yīng)又意義很大， 因此在制冰及空調(diào) 應(yīng)用中日益受到重視。目前國內(nèi)外對其在吸附式制冷循環(huán)中的性能研究較少， Warwick 大 學(xué)的 R。E。Critoph 的研究組美國 JPL/NASA 的 JackA 。Jones 對活性炭 - 氨的吸附性能進(jìn)圖中過程 a-b-c-d-a 為基本循環(huán)中吸附器的基本熱力過程，左側(cè) a-b-m-n-a 為制冷劑 熱力過

12、程。吸附器分別在 a-b-c 過程被加熱解吸和在 c-d-a 過程降溫吸附，中間需要切換 加熱和冷卻，是一個間歇過程， 適合于太陽能等不連續(xù)熱源場合。 它的循環(huán)周期長，性能系 統(tǒng)較低。 在此基礎(chǔ)上人們設(shè)計了雙吸附器的連續(xù)循環(huán)， 可以進(jìn)行連續(xù)制冷， 但性能與基本循 環(huán)沒有區(qū)別，只相當(dāng)于兩個并聯(lián)工作的基本循環(huán)。如圖所示， 如果有兩個吸附器反相工作， 兩個吸附器準(zhǔn)備切換時， 一個處于高溫高壓狀 態(tài) c，另一個處于低溫低壓狀態(tài) a ，回?zé)峋褪抢么藭r兩吸附器的溫差來對低溫吸附器進(jìn)行 初步加熱并對高溫吸附器初步冷卻， 在理想狀態(tài)下可以回?zé)岬絻晌狡鳒囟认嗟鹊臓顟B(tài)， 即 e和e。由圖中可以發(fā)現(xiàn)外部輸入的加

13、熱過程的熱量可以節(jié)約非常多，因此可以使 COP 得 到較大的改善。 COP 可以提高 30% 以上。當(dāng)兩個吸附器反相工作，兩個吸附器準(zhǔn)備切換時，一個處于高溫高壓狀態(tài)c ，另一個處于低溫低壓狀態(tài) a，回質(zhì)就是利用此時兩吸附器的壓力差來對低壓吸附器進(jìn)行升壓，并使高 壓吸附器降壓，從而縮短 a-b 和 c-d 過程所需要的時間，并增加工質(zhì)的流量，可以使制冷 量和 COP 得到較大的改善。 COP 可以提高達(dá)到 50% 以上。我們知道，發(fā)動機(jī)工作時，用于動力輸出的功一般只占燃油燃燒總熱量的 30%40% ， 以廢熱形式排除車外的能量占燃燒總能量的 58%70% ，主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量 和尾氣帶

14、走的熱量；排氣余熱的特點(diǎn)是溫度高，排氣閥門處的溫度大約為 400500 ；尾 氣帶走的熱量占燃燒總熱量的 25%45% 。對于發(fā)動機(jī)輸出功率為 170kW（228 馬力 ）的大 型客車來說， 其能量分布為 :全部燃燒熱 600kW ；軸功輸出 170kW ；輻射、冷卻換熱 230kW ； 廢氣余熱 200kW 。在余熱回收中可以考慮兩種方式。 一種是使用散熱器冷卻水中回收的熱量， 另一種是使 用發(fā)動機(jī)排氣回收的熱量。 如果使用從發(fā)動機(jī)冷卻水中回收的熱量， 則因為水與吸附器的換 熱情況要好于氣體與吸附器的換熱情況， 所以回收熱量過程中的傳熱情況相對較好， 有利于 熱量回收。但是熱源溫度相對較低

15、（低于 100 ），而且一般在冷卻時用于冷卻吸附器和冷凝 器的空氣溫度較高， 這樣循環(huán)的溫差比較?。?小的溫差對吸附式系統(tǒng)來說會使循環(huán)的吸附解 吸量較低， 對工作是不利的。 如果使用從發(fā)動機(jī)排氣中回收的熱量， 則氣體的傳熱情況較差 造成回收熱量困難；但從另外的角度來看，發(fā)動機(jī)排氣的溫度較高（汽油機(jī) 500-600 遠(yuǎn)高于冷卻水的溫度 ） ，有可能改善熱回收情況；而且此溫度與冷卻空氣的溫度相差較大，可以 使系統(tǒng)循環(huán)溫差較大，從而造成較大的吸附解吸量。2、余熱發(fā)電技術(shù)分析由于汽車的結(jié)構(gòu)緊湊、 發(fā)動機(jī)排氣量小， 車用發(fā)動機(jī)余熱的利用相對于大型工業(yè)設(shè)備余 熱回收來說難度更大。 20 世紀(jì) 70 年代以

16、來，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的學(xué)者提出了采用溫差發(fā) 電器 （ThermoelectricGenerator，TEG） 來解決上述問題。 TEG 依據(jù)熱電直接轉(zhuǎn)換原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、無噪聲等特點(diǎn)，在低品位熱能利用方面具有獨(dú)特的效果；把它安 裝在內(nèi)燃機(jī)的排氣管上， 能夠?qū)?nèi)燃機(jī)運(yùn)行余熱直接轉(zhuǎn)換為電能。 溫差發(fā)電的研究包括了熱 電器件和發(fā)電器兩個方面，是熱電學(xué)的一個重要領(lǐng)域熱電轉(zhuǎn)換器件是溫差發(fā)電器的基本元件， 它的功能是將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能， 效率取決 于熱電極材料的性能和器件的設(shè)計制造水平。自從 20 世紀(jì) 50 年代前蘇聯(lián)科學(xué)院的 Ioffe 院士提出了半導(dǎo)體熱電理論以來，用于溫差發(fā)電的熱電

17、材料都是半導(dǎo)體材料，如用于低溫 (300 以下 )熱電材料 Bi2Te3 及其固溶體合金、中溫 (300 600 )熱電材料 PbTe-SnTe 、 高溫 (600 1000 )熱電材料 SiGe 、 MnT e 、 SiRe2 、 CeS 等。衡量熱電材料優(yōu)劣的指標(biāo) 為“優(yōu)值” Z= 2 / (式中為塞貝克系數(shù)，為電導(dǎo)率，為熱導(dǎo)率， Z 的量綱為 K-1) 。研 究中也常使用 ZT 值 (稱為無量綱優(yōu)值， T 為絕對溫度 )。能夠用于溫差發(fā)電的材料既要有較 高的、值又要有較低的值，這是一個十分苛刻且矛盾的條件，以至于室溫下熱電材料 ZT 的最高值約為 1 的狀況至今未能突破。因而，尋找高優(yōu)值

18、的熱電材料，一直是熱電學(xué)研 究的重要內(nèi)容，這些研究主要包括 :(1) 熱電新材料的研究，如稀土硫化物、硒化物、富硼固 體、方鈷礦型化合物的研究。 這些研究表明， 通過控制最佳載流子濃度或通過固溶摻雜來解 決良電導(dǎo)和熱絕緣的矛盾是有效的。 (2) 熱電材料新結(jié)構(gòu)的研究，包括梯度材料、復(fù)合材料 和量子阱結(jié)構(gòu)的熱電材料等。 熱電材料的梯度結(jié)構(gòu)包括材料載流子濃度的梯度化和層疊熱電 材料結(jié)合面的梯度化。 合理的梯度化結(jié)構(gòu)可以使材料適應(yīng)內(nèi)部溫度梯度的變化， 使得最佳的 材料能運(yùn)用在最合理的溫度區(qū)域，提高總的轉(zhuǎn)換效率。(3) 熱電材料制備新工藝的研究，常用的方法有熔體生長法和粉末冶金法， 以及微型半導(dǎo)體熱電

19、器件采用的氣相生長法。 制備方 法與工藝的完善與否， 對材料的性能影響很大。 粉末冶金法適用于大規(guī)模生產(chǎn)， 而且原材料 浪費(fèi)少，獲得的材料機(jī)械性能好，是一種有前途的適合實用普及的工藝方法。單個熱電轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換功率很小，需要經(jīng)串 / 并聯(lián)組合制成轉(zhuǎn)換模塊，并實現(xiàn)產(chǎn)品的 標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。美國 Hi-Z 公司為車輛余熱轉(zhuǎn)換研制的一種熱電模塊，由 71 對碲化鉍熱電偶聯(lián)接起來， 固定在一個被稱為 “蛋架”的框架上；模塊在溫差 200 時輸出 2。38V/19W 電流。該公司已研制了 4 種不同規(guī)格的產(chǎn)品，形成了一個系列，輸出電功率從2。 5W 至19W 。車用溫差發(fā)電器的熱源是發(fā)動機(jī)排氣和冷卻水帶走

20、的余熱，前者的溫度可達(dá) 800 左 右，后者一般在 100 以下。溫差發(fā)電器冷源的形式有空氣自然對流散熱、強(qiáng)迫通風(fēng)散熱、 水冷散熱和環(huán)流散熱 4 種?，F(xiàn)在設(shè)計的熱電偶臂長僅為 310mm ，冷熱端間距很小， 所以， 適當(dāng)?shù)睦湓葱问绞谦@得較大溫差的關(guān)鍵因素之一。近年來，車用發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展快，國內(nèi)外許多高校、科研機(jī)構(gòu)、軍隊、有關(guān)企業(yè)、 車公司都有研究成果的報道。 一些試驗裝置經(jīng)進(jìn)行了實驗室臺架試驗、 道路試驗以 及耐久性驗，轉(zhuǎn)換規(guī)模在數(shù)百瓦至 1500W 之間。日本 Nissan 汽車公司研究中心研制溫差 發(fā)電器，它的外形尺寸為 440mm 180mm170mm ，接在 3000cc

21、汽油機(jī)的排氣管中部； 所用熱電偶直徑 20mm 、高度 9。 2mm ，每 8 對組成一個塊，每個模塊輸出 1。2W 電能， 總共 72 塊模塊敷在內(nèi)通道的矩形外壁上。 溫差發(fā)電器的外部采用冷卻， 最大溫差為 563K 。 在道路實驗中，當(dāng)汽車 60km/h 的速度爬坡時，發(fā)電器可轉(zhuǎn)換排氣中 11% 的熱量。美國 Hi-Z 技術(shù)公司 Bass 等人 1984 年發(fā)表了關(guān)于 1。 5kW 溫差發(fā)電器設(shè)計的論文，1990 年以后，在美國能源部的連續(xù)資助下進(jìn)行了載重車柴油機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電的研究，2001 年在康明斯 250kW(335Hp) 柴油機(jī)上進(jìn)行了臺架和道路實驗。試驗在排氣管上用 72 塊

22、 HZ-14 模塊按圓周排列布置， 冷端用水冷卻， 形成了 250 270 溫差。 輸出功率主要 依賴于發(fā)動機(jī)負(fù)載的變化， 而受轉(zhuǎn)速變化的影響較小。 試驗裝置共產(chǎn)生 30V/1kW 的直流電， 成本約為 1000 美元，回收需要一年半左右的時間。這一裝置的性能處于領(lǐng)先，但是獲得的 總功率不算高，到現(xiàn)在還沒有進(jìn)一步實用的報告國產(chǎn)解放 141 汽車排氣余熱的溫差發(fā)電做了研究 :原車發(fā)電機(jī)輸出功率為 350W ，額定 電壓 14V ，額定電流 25A 。計算表明，當(dāng)使用 960 個碲化鉛熱電偶，高溫?zé)嵩礊?500 ， 低溫?zé)嵩礊?100 時， 只要有 16610J/s 的排氣余熱就能轉(zhuǎn)換得到與發(fā)電機(jī)

23、的輸出相等的電 量。而臺架實驗測得該車發(fā)動機(jī)在最低轉(zhuǎn)速時排氣的溫度和流量已經(jīng)能滿足這些要求， 說明 了排氣余熱的溫差發(fā)電具有實用性。俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)中心物理與能源工程研究所 (SSCRF-IPPE) ，進(jìn)行了高寒區(qū)載重車發(fā)動 機(jī)的直接發(fā)電和取暖的研究。實驗對象為 154kW(210hp) 的俄制發(fā)動機(jī)，輔助的溫差發(fā)電 器有平板式和圓柱式熱電模塊兩種形式，產(chǎn)生 600W 電能，可以滿足全車用電，尚有余熱 供給駕駛室取暖。研究表明， 溫差發(fā)電系統(tǒng)的溫差越大、熱源溫度越高、材料優(yōu)值越高， 發(fā)電器的效率就 越高。 因此，提高溫差發(fā)電器性能的方向是開發(fā)高優(yōu)值的熱電材料和高效的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。 由 于近 50

24、年來，熱電材料的研究沒有取得期望的進(jìn)展，因此，在現(xiàn)有材料的條件下開發(fā)高效 溫差發(fā)電器就成為了主攻的方向。 在這方面融合了先進(jìn)設(shè)計方法和多學(xué)科的基礎(chǔ)理論，如:(1)優(yōu)化設(shè)計研究。 熱電偶的優(yōu)值除與電極材料有關(guān)， 也與電極的截面和長度有關(guān)， 不同電阻率 和導(dǎo)熱率的電極應(yīng)有不同的幾何尺寸，只有符合最優(yōu)尺寸才能獲得最佳的器件優(yōu)值。同時， 設(shè)計中還要對溫差發(fā)電器的負(fù)載等性能以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮，采用優(yōu)化、仿真和 CAD 等 現(xiàn)代設(shè)計方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，是今后研究的重要課題之一。 (2) 可靠性研究。可靠性較高一 直是半導(dǎo)體熱電器件的最主要的優(yōu)點(diǎn)之一， 但受設(shè)計、 制造和使用環(huán)境等因素的影響， 器件 的穩(wěn)定

25、性和使用壽命有明顯的差別。 有關(guān)失效機(jī)理的分析和實驗表明， 半導(dǎo)體熱電器件失效 的主要原因是熱電偶接頭處發(fā)生的物質(zhì)遷移， 接頭處焊料或?qū)Я髌脑油ㄟ^固體擴(kuò)散的形 式進(jìn)入到電極材料中， 成為額外的摻雜原子， 以及材料中摻入的雜質(zhì)原子析出等改變了材料 特性等。這些問題尚有待解決。 (3) 傳熱學(xué)的研究。溫差發(fā)電器在設(shè)計中，需要根據(jù)熱、冷 源的形式，研究它的傳熱方式、接觸熱阻、散熱形式，幾何形狀及強(qiáng)化方法等問題。這方面的研究已經(jīng)成為溫差發(fā)電器設(shè)計的基礎(chǔ)之一。(4) 多場協(xié)同轉(zhuǎn)換器的研究。華南理工大學(xué)課題組根據(jù)排氣管內(nèi)熱流的換熱形式和熱電偶回路的基本定律， 提出了一種全新的溫差發(fā)電器 結(jié)構(gòu)。 研究采

26、用內(nèi)置的軸向網(wǎng)狀熱電轉(zhuǎn)換模塊和多級轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)， 冷源為分離式循環(huán)水冷， 直 接接入發(fā)動機(jī)的水冷系統(tǒng)。 這樣做可以獲得較大的溫差、 較高的熱電偶集成度， 并降低對熱 電材料值的要求，強(qiáng)化了速度場、流場、溫度場、電場的耦合，充分利用了余熱流的能量。 該研究已經(jīng)完成理論研究和驗證性的實驗。溫差發(fā)電器用于車用發(fā)動機(jī)的余熱利用具有廣泛的應(yīng)用前景。 從研究結(jié)果來看， 目前設(shè) 計結(jié)構(gòu)的溫差不高，熱電偶總數(shù)在 1000 個以下，存在著效率低、成本高、結(jié)構(gòu)不夠緊湊等 問題。在熱電材料研究取得突破之前，采用強(qiáng)化熱電直接轉(zhuǎn)換技術(shù)，開發(fā)出大功率 /高性能 / 高經(jīng)濟(jì)性的轉(zhuǎn)換器件和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將是發(fā)展趨勢。3、余熱采暖技術(shù)

27、分析1)我們可以把汽車發(fā)動機(jī)排氣管改造成熱水交換器，利用熱水交換器將廢氣余熱傳遞 給水，水溫升高，沸騰，產(chǎn)生大量蒸氣，再利用蒸氣加熱開水、蒸飯、取暖。汽車發(fā)動機(jī)尾 氣中蘊(yùn)藏著大量的熱能，根據(jù)熱傳遞及熱交換原理，利用方式如圖所示。左上是一個水箱， 右下是一個熱交換器，兩者用管路連接。排放熱氣從上向下流動，熱量通過管壁傳遞給水， 水溫逐漸升高， 水熱交換器中上端溫度高， 下端溫度低， 產(chǎn)生從下向上逆熱氣流動方向的循 環(huán)流動。多次往復(fù)循環(huán)，就會將水“燒”開，產(chǎn)生蒸氣。因此，汽車廢氣余熱再利用的基本 思路是 :在排氣管外圍沿著排氣管方向焊裝一個水套，水套與一個水箱相連。裝置注意事項： 及時補(bǔ)水。蒸氣箱

28、內(nèi)之水，隨著蒸氣的蒸發(fā)會逐漸減少，應(yīng)定時打開備 用補(bǔ)水箱閥門， 向蒸氣箱內(nèi)補(bǔ)水；及時放水。 廢氣余熱利用系統(tǒng)不使用時， 應(yīng)將尾氣加熱器 內(nèi)的水全部放凈。特別是冬季，發(fā)動機(jī)不起動時，若不將水放凈，會把加熱器凍裂；閥門開 關(guān)問題。尾氣加熱器進(jìn)水、出水管上都有閥門開關(guān)。在使用加熱器時，應(yīng)在發(fā)動機(jī)起動前， 將進(jìn)、出水閥門打開，水加熱后，使水能夠自由循環(huán)。否則，氣壓升高，無法循環(huán)，將會產(chǎn) 生高壓爆炸危險。我國北方地區(qū)，冬季天氣寒冷，尤其是野外作業(yè)人員如鉆探、施工、部隊 野營拉練等，飲水、吃飯、取暖極不方便。因此，若將汽車、工程車等發(fā)動機(jī)的尾氣排放系 統(tǒng)加以改造，利用廢氣余熱“燒”開水、煮飯、取暖等，將給

29、工作人員的生活、生產(chǎn)帶來極 大的便利，并給國家節(jié)約大量的能源。2）車內(nèi)采暖主要應(yīng)用于大客車上 客車的采暖系統(tǒng)按驅(qū)動方式分為獨(dú)立燃燒式和余熱式兩種。 余熱式采暖系統(tǒng)是利用發(fā)動 機(jī)的余熱（冷卻水或尾氣）采暖，運(yùn)行成本低、經(jīng)濟(jì)性好、加工簡單、使用方便。但停車時 不能供暖， 用于大型車輛和寒冷地區(qū)時， 對余熱回收元件的性能要求很高。 因此， 雖然余熱 式采暖系統(tǒng)的出現(xiàn)早于獨(dú)立式，但是目前在國內(nèi)尚無成功而廣泛的應(yīng)用。獨(dú)立式采暖系統(tǒng)由燃燒器和加熱器兩部分組成， 燃料（一般為輕柴油） 在專門設(shè)計的燃 燒器中燃燒， 水或空氣被加熱后送到需采暖的空間。 獨(dú)立式系統(tǒng)可在車輛的各種運(yùn)行狀態(tài)下 工作， 提高了舒適性。

30、此外，利用微機(jī)控制還可按照設(shè)定的時間開始工作； 對發(fā)動機(jī)進(jìn)行預(yù) 熱、解決冷起動問題；還可對車廂進(jìn)行預(yù)熱；同時解決發(fā)動機(jī)機(jī)油和蓄電池的保溫問題。在我國客車行業(yè)中，因為沒有高性能的非獨(dú)立式采暖設(shè)備而大多選用獨(dú)立式采暖裝置。 但在實際使用（特別是城市公交）中，由于運(yùn)行費(fèi)用太高而常采用系統(tǒng)間歇工作的方式，以 降低運(yùn)行成本，從而造成新風(fēng)供應(yīng)不足，乘客感覺胸悶、缺氧。在車廂內(nèi)布置采暖加熱盤管和新風(fēng)加熱盤管。 前者利用所回收的熱量加熱車廂內(nèi)的循環(huán) 空氣； 后者將外部的新鮮空氣加熱、 補(bǔ)充通風(fēng)換氣，改善車廂內(nèi)的空氣品質(zhì)。復(fù)合式熱交換 器與尾氣消聲器并聯(lián)，回收尾氣的熱量；為有效回收冷卻液熱量，布置一個冷卻液-

31、采暖水熱交換器。 復(fù)合式熱交換器中使用了套管和熱管兩種換熱技術(shù)， 在保證換熱效率的同時充分 降低尾氣的阻力。眾所周知，城市公交車輛的行駛速度變化范圍很大，最高可達(dá) 80km/h ， 最低則接近于怠速。 單純使用熱管雖可保證發(fā)動機(jī)低工況下的換熱性能， 但在高工況下可能 會超過熱管的最高允許溫度，使之報廢。兩種換熱方式的結(jié)合，既保證高 / 低工況下的換熱 效能、也可減小體積、降低尾氣側(cè)的阻力，從而保證發(fā)動機(jī)的正常出力。在車輛起動時，發(fā) 動機(jī)整體溫度較低，電磁閥 V3 開啟，此時車廂內(nèi)沒有采暖。采暖系統(tǒng)中的水將尾氣的熱量 回收后、加熱冷卻液；這樣可以縮短發(fā)動機(jī)預(yù)熱時間、提高其使用壽命。在車輛正常行駛

32、過 程中，電磁閥 V1 關(guān)閉、 V2 開啟、 V3 關(guān)閉。在車廂內(nèi)散熱、溫度降低后的水首先與冷卻液 換熱，溫度升高后再在復(fù)合式熱交換器中進(jìn)一步吸熱。4、余熱制氫技術(shù)至今氫燃料在汽車發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用還沒有得到廣泛推廣， 這主要是因為大多數(shù)汽車所采 用的氫燃料的添加及儲存方法不完善。 近年國內(nèi)一些高校和科研單位針對氫燃料難以直接隨 車儲存的特點(diǎn)， 以甲醇代替氫氣隨車攜帶， 并利用發(fā)動機(jī)排氣余熱將甲醇裂解為氫。 將裂解的氫與汽油混合作為發(fā)動機(jī)燃料， 較好地解決了氫燃料在汽車發(fā)動機(jī)上的儲存、攜帶， 使氫燃料在汽車發(fā)動機(jī)上的推廣應(yīng)用成為可能。汽油箱中的汽油通過化油器向發(fā)動機(jī)提供， 在不使用氫燃料時與傳統(tǒng)燃

33、料系相同。 附加的氫燃料供給系由甲醇容器、 氫發(fā)生器、 儲氫箱、 閥、泵等組成， 氫發(fā)生器串接在排氣管上。甲醇容器中的甲醇泵入氫發(fā)生器之后，在廢氣余熱和催化劑作用下裂解生成氫并被儲存在儲氫箱里。 在發(fā)動機(jī)氣缸真空度作用下，儲氫箱里的氫被吸入化油器與霧化的汽油混合，混合燃料的濃度可通過化油器各個閥控制。余熱制氫發(fā)動機(jī)不用隨車攜帶氫氣， 以隨車攜帶甲醇箱中的少量甲醇就可按需產(chǎn)生氫氣燃料，解決了難于將氫燃料直接在汽車上儲存和安全性問題；甲醇的添加和儲存與傳統(tǒng)燃料近似，便于在用車的改裝和供給站的設(shè)立； 在合適的催化劑條件下，氫發(fā)生器的產(chǎn)氫率高，使燃料成本低廉。國內(nèi)氫發(fā)生器所用的催化劑一般含有鎳、鉑、鈀、鉀、鋁和銅等元素，發(fā)動機(jī)排氣管中 的廢氣余熱為 300 780 。上述反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣除代燃之外， 還能幫助混合燃料中的汽油燃燒得更徹底， 節(jié)省燃 料并改善了發(fā)動機(jī)廢氣排放。 反應(yīng)中產(chǎn)生的一氧化碳在汽缸中燃燒， 生成二氧化碳。 因此氫 氣燃燒后最終廢氣成分主要為二氧化碳和水。 余熱制氫發(fā)動機(jī)利用發(fā)動機(jī)排氣余熱將甲醇裂 解為氫燃料使用， 使燃料成本降低， 解決了使用氫燃料發(fā)動機(jī)的汽車隨車儲氫、 添加等方面 的問題。余熱制氫發(fā)動機(jī)使用氫 （或氫與汽油混合 ）為燃料，使發(fā)動機(jī)排氣中有害成分大幅減 少，并能減少發(fā)動機(jī)排氣對環(huán)境的放熱。 甲醇