汽車尾氣余熱發電技術在汽車上的應用研究

李星 王政軍 陳萌

摘 要：隨著世界經濟的發展和人民生活水平的提高，能源短缺的問題日益突出。如何節約石油、天然氣等不可再生資源已經成為各國群眾關注的焦點。本文從利用汽車余熱節能的目的出發，詳細地闡述了半導體溫差發電技術的原理。設計研究了兩種應用在汽車上的發電器的結構，說明并對比了各自的結構特點和優缺點；并論證了溫差發電器在汽車進氣系統中應用的可能性，從而達到進氣加熱的目的，使空氣和燃油更充分的混合，提高了發動機的熱效率，減少了燃油的消耗量。最終認為汽車尾氣余熱發電技術在未來能夠從一定程度上解決能源緊張的世界難題。

關鍵詞：汽車尾汽余熱發電 溫差發電 節能

中圖分類號：P461.1文獻標識碼：A

1.引言

目前汽車已經成為很多家庭出行的必備工具。2014年末全國的汽車保有量已經到了15447萬輛，比上年末高出了12.4%。隨著汽車工業的發展和能源的日益緊張，如何利用新技術使汽車節能早已成為公眾注意的焦點。如今，汽車的動力利用率大約只有40%，有60%左右的燃油能量沒有得到充分利用，其中因發動機排氣流失的a熱量大約是燃料總熱量的30%-45%，造成了嚴重的能源浪費。半導體溫差發電技術是新型的發電方式，具有許多優點如：結構緊湊、免維護、無噪音、無污染等。汽車的余熱如果能進行溫差發電的話，將會節約許多能源，進而從一定程度上解決如今的能源問題。

2.溫差發電原理

所謂溫差發電就是指當半導體兩端的溫度不同時，熱電材料的兩端將會出現電動勢。溫差發電實際上就是熱能和電能之間的相互轉換，這一現象的原理基于塞貝克效應、帕爾帖效應、湯姆遜效應。

（1）塞貝克效應

塞貝克效應又稱溫差發電第一效應，是指當兩種金屬在兩處連接并且構成閉合回路時，如果兩個結點保持不同的溫度，那么就會有連續的電流流過回路。

（2）帕爾貼效應

帕爾貼效應又稱溫差發電第二效應，具體是指如果有電流經過不同的導體并且構成回路時，在回路中不僅會產生焦耳熱，而且在不同導體的接頭處會分別產生吸熱、放熱現象，其吸熱還是放熱取決于電流的方向。如果電流的方向是從自由電子數較低的B端流向自由電子數高的A端，那么A端的溫度將會升高；反之，A端的溫度就會降低。

（3）湯姆遜效應

1856年，湯姆遜利用熱力學原理綜合的分析并討論了塞貝克效應和帕爾帖效應，進而發現了第三熱電效應，即為湯姆遜效應。即如果一根導線的兩端溫度不相同，當加上電流時，這段導線中將產生放熱或吸熱的現象。導線中的熱流方向與電流方向不相同時產生吸熱效應，反之產生放熱效應。

3.溫差發電技術在汽車上的應用

3.1 溫差發電器的在排氣系統中的應用

（1）平板型溫差發電器

目前，美國的通用汽車公司研發中心研發了一種平板式溫差發電器具有雙層結構并且成功安裝在了輕型卡車上。

溫差發電器的核心部件發電片在空間上是長方體，但由于汽車尾氣管成圓管狀，導致發電片直接安裝在尾氣管上具有一定的困難。因為目前國內外還沒有成形的技術來改變發電片的外形，只有把發電器的廢氣通道設計為方狀的平板形狀。在通常情況下，將溫差發電器裝在三元催化轉化器的前方，排氣消音器的后方。平板式溫差發電器可以直接將冷端和空氣進行對流換熱來降低冷端的溫度，也可以通過水冷散熱器通過發動機水循環接入冷卻水套來降低冷端的溫度。

（2）圓桶式溫差發電器

圓桶式溫差發電器在汽車上的安裝位置與平板式相同，但其利用了尾氣管的外部結構，將溫差發電器的整體外觀設計為正多邊體，使其在形狀上逼近尾氣管的圓形結構，將發電片平鋪在正多邊體的每個面上。通過發電器殼體內壁與高溫尾氣流的對流換熱，將熱量傳遞給發電器內壁，再通過熱傳導傳遞給發電片的熱端，從而形成熱端溫度。冷源采用發動機冷卻水循環系統，通過冷卻水與散熱塊的對流換熱，較快的帶走冷端的熱量，從而使冷端溫度保持穩定。

3.2 溫差發電器與進氣預熱裝置相結合的綜合應用

在寒冷的地區，發動機進氣的溫度較低，需要極濃的可燃混合氣啟動，通常需要將發動機的進氣進行預熱，特別是柴油機，從而使空氣與燃料的混合更加充分，提高發動機的效率。目前常用的進氣預熱裝置有電熱式、火焰式和熱敏陶瓷式即PTC預熱器。其中傳統的電熱式預熱器的發熱體由電阻絲與鐵鎳鋁合金構成，電阻絲絕緣后通過具有螺紋的外殼使其與發動機的進氣管相配合。電阻絲的一端通過開關后與作為電源的蓄電池連接，另一端與外殼搭鐵。但是在溫度較低的情況下，蓄電池的電容量本就不足，所以其僅排量小的發動機適用并且其發動機最低啟動溫度只能到-25℃。經過實驗研究，本文認為可以用溫差發電器作為電熱式預熱器的電源從而降低其最低啟動溫度，并且使其應用更加廣泛。

4.結束語

汽車尾氣溫差發電器可以直接把熱能轉化為電能并且能夠在一定程度上解決如今能源短缺的問題。它已經成為了國內外學者研究的熱點，是熱電研究領域中一個十分前沿的新興課題。未來的主要發展方向包括解決冷端的散熱問題，使冷端的溫度保持穩定、提高發電效率、提高溫差發電器在發動機各種工況下的可靠性和完善各種發電器效率檢測儀器提高檢測的精度。

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