汽車尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究

1、汽車尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究第32卷第2期武漢理工大學(xué)?信息與管理工程版2010年4月JOURNALOFWUTfINFORMATION&MANAGEMENTENGINEERING)文章編號:1007144X(2010)02026503文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A汽車尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究鄧亞東,范韜,郭殉,凌凱,代宏偉,蘇楚奇(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北武漢430070)摘要:針對汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀,就如何在汽車排氣管合適位置安裝發(fā)電裝置及布置熱電模塊進(jìn)行了試驗研究.根據(jù)現(xiàn)有熱電模塊性能參數(shù),通過測定發(fā)動機(jī)排氣通道外壁溫度的梯度分布和不同結(jié)構(gòu)廢熱

2、箱體外表面的溫度場分布,提出了汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置在汽車排氣通道上的位置要求和半導(dǎo)體熱電模塊在廢熱箱體上的連接方法,為汽車發(fā)動機(jī)廢熱溫差發(fā)電裝置在汽車上的安置提供了依據(jù).關(guān)鍵詞:溫度場分布;熱電模塊;布置方式;汽車尾氣中圖分類號:TK411;TK115研究表明,目前汽車發(fā)動機(jī)的熱效率不到30%,大部分能量損失于發(fā)動機(jī)的冷卻水和車行再利用,可以進(jìn)一步提高汽車的能源利用率,從而提升整車綜合性能J.汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置主要包括熱電模導(dǎo)體材料制成的熱電模塊布置在連接發(fā)動機(jī)排氣管的廢氣通道箱體和冷卻水箱體之間,在模塊的兩端產(chǎn)生熱源和冷源,通過兩端的溫度差產(chǎn)生電能.溫差發(fā)電的效率與熱電模塊的性能,

3、兩端的溫差及其在廢氣通道箱體上的布置形式有關(guān).1熱電模塊性能研究汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電效率與熱電模塊的性能有直接關(guān)系,尋找高優(yōu)值的熱電材料,一直是熱電研究的重要內(nèi)容.在熱電材料的研究方面,稀土硫化物,硒化物,富硼固體和方鈷礦型化合物發(fā)電的熱電材料大多是半導(dǎo)體,在不同的溫度范圍內(nèi)熱電轉(zhuǎn)換效率較高的材料主要有以下幾種,如表1所示.熱電模塊的性能主要包括熱電轉(zhuǎn)換效率及其表1在不同溫度范圍可選擇的熱電材料塊轉(zhuǎn)換性能與耐高溫能力不盡相同,熱電模塊的生產(chǎn)廠家主要有HiZ,Furukawa,Komatsu等J.例如Komatsu公司的Bi2Te3熱電模塊,在高溫端280,低溫端30時,具有7.2%的熱電轉(zhuǎn)換效

4、率,該溫差下單體模塊最大功率可達(dá)24w,能量密度為1W/cm.目前國內(nèi)也正在積極研究各種熱電材料,如圖1所示是某型號尺寸為29mm×29mm×4mm的Bi2Te3低溫?zé)犭娔K兩端電壓隨溫差變化的實驗結(jié)果,隨著兩端溫差的增大,模塊的發(fā)電能力增強(qiáng),在溫差160(高溫端220oC,低溫端60)時,開路電壓達(dá)到1.56V.2發(fā)動機(jī)排氣管溫度場分布為了解發(fā)動機(jī)排氣沿管道走向的溫度分布,并結(jié)合熱電模塊高溫端的額定溫度,找出理想?yún)^(qū)域布置廢熱溫差發(fā)電裝置,筆者進(jìn)行了發(fā)動機(jī)排氣管溫度場分布試驗.收稿日期:20090913.作者簡介:鄧亞東(1958一),男,湖北黃梅人,武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)

5、院教授基金項目:國家"973"科技計劃基金資助項目(2007cb607506).266武漢理工大學(xué)?信息與管理工程版2010年4月畝圖1某型號熱電模塊溫差一電壓曲線實驗采用某型發(fā)動機(jī)排量為1.6L乘用車,利用精密紅外溫度計,測出發(fā)動機(jī)在不同負(fù)荷下,排氣管外壁沿縱向等間距15cm各個測量點的溫度,起點為排氣支管,終點為排氣管末端.調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速改變發(fā)動機(jī)排氣熱負(fù)荷,在發(fā)動機(jī)1000r/min,2000r/min和3000r/rain工況下測定各點溫度并記錄,獲得的各轉(zhuǎn)速下各測量點溫度如圖2所示.贈坷咖I排氣管測量點(a)不同轉(zhuǎn)速各測量點的溫度(b)排氣管各測量點示意圖圖2排氣

6、管溫度分布由上述實驗知,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高排氣管外壁溫度越高.由于在城市路況行駛,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一般不超過3000r/min,因此,在進(jìn)一步實驗中,只分析發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在3000r/rain排氣管的溫度分布,即可與熱電模塊高溫端的額定溫度相比較.圖3所示為發(fā)動機(jī)在3000r/min時,采用紅外熱像儀采集得到的紅外圖像及相對應(yīng)的溫度分布曲線圖.綜合圖2和圖3分析,由于熱量散失及廢氣流動的延程損失,在發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下,排氣管外壁溫度總體上是從排氣支管到排氣管出口下降.在第一消聲器和第二消聲器有兩個明顯的溫度急(a)排氣管的紅外熱像圖排氣管測囂位置(b)與圖(a)對應(yīng)位置的溫度曲線圖3排氣管紅外圖像及溫度分布曲

7、線劇下降的區(qū)間,主要為消聲器內(nèi)徑較排氣管內(nèi)徑尺寸突然變大所致.廢氣通過消聲器后,流進(jìn)相對較細(xì)的排氣管,外壁溫度又驟然回升,但總體相對流進(jìn)消聲器前溫度有所下降.同時,在排氣管彎曲的位置因廢氣碰撞,此區(qū)域外壁溫度相對會有一定的升高.3廢熱溫差發(fā)電裝置箱體安裝位置選擇廢熱溫差發(fā)電裝置箱體主要用于布置熱電模塊,其結(jié)構(gòu)取決于熱源和冷源的種類,熱電模塊的性能及系統(tǒng)的散熱方式,通常有平板式,圓桶式等¨.平板式溫差發(fā)電裝置可將熱電模塊平鋪在矩形廢氣通道箱體的上下表面,在布置模塊的數(shù)量上占有優(yōu)勢,同時便于冷卻水箱體的布置,故采用如圖4所示廢氣通道箱體較優(yōu).廢冷卻水箱體熱電模塊口圖4溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)不意

8、圖平板式溫差發(fā)電裝置的熱源是廢氣通道箱體發(fā)動機(jī)排氣管的溫度場分布,選用不同類型熱電模塊時需在排氣管不同位置安裝廢氣通道箱體.在選用高溫材料模塊時將廢氣通道箱體布置于發(fā)動機(jī)排氣支管附近,在選用中溫材料模塊時將廢氣通道箱體布置于排氣支管和第一消聲器之間,在選用低溫材料模塊時將廢氣通道箱體布置于第一消聲器處.第32卷第2期鄧亞東,等:汽車尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究2674熱電模塊在廢氣通道箱體上的布置方式5結(jié)論目前,汽車尾氣廢熱溫差發(fā)電仍處于試驗研究階段,實際裝車前,需要先利用廢熱溫差發(fā)電臺布,將不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體安裝至廢熱溫差發(fā)電臺架,比較各種結(jié)構(gòu)的紅外線熱像圖可知,圖5(a)中

9、所示為無內(nèi)部結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體外表面熱像圖,其溫度場分布不均,僅在進(jìn)氣口附近區(qū)域獲得較高溫度;由圖5(b)中所示的廢氣通道箱體熱像圖知,其溫度分布均勻,高溫區(qū)域比例最大,熱能轉(zhuǎn)換效率最高,故應(yīng)選用該結(jié)構(gòu).一進(jìn)氣口氣口(b)某型結(jié)構(gòu)圖5不同結(jié)構(gòu)的廢氣通道箱體溫度場分布確定廢氣通道箱體結(jié)構(gòu)后,通過比較分析,同一組熱電模塊在相近的溫度區(qū)域串聯(lián)發(fā)電效率較高.將熱電模塊串聯(lián)可以顯著增大電壓,但單體模塊具有一定的額定電流,這將限制由串聯(lián)所形成的電流增大額度.串聯(lián)數(shù)目到達(dá)一定值后,功率的提高轉(zhuǎn)而被電流制約.因此需要適當(dāng)并聯(lián),以使得大功率所需的大電流能夠被多個模塊分擔(dān).經(jīng)試驗研究并結(jié)合圖5(b)熱像圖所反映出

10、來的廢氣通道箱體外壁溫度特性,采取圖6所示的布置方式,即模塊A,B,c,D串聯(lián),然后列與列之間并聯(lián)的組合連接方式,使系統(tǒng)獲取較大功率.第?列第二列第三列圖6熱電模塊布置示意圖根據(jù)汽車排氣管溫度分布確定了尾氣廢熱溫差發(fā)電裝置的安裝位置,根據(jù)廢氣通道箱體溫度場通道箱體表面積較大,高溫端的溫度控制和廢氣通道箱體溫度分布的均勻性還需進(jìn)一步研究.參考文獻(xiàn):wasteheatconversiontoelectricpowerusingskutteru?dite,TAGS,PbTeandBiTeJ.Thermoelectrics,2006(25):343348.lectricdevelopmentatHiZ

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