發動機冷卻系統溫差發電模擬試驗臺設計與開發

馬宗正, 徐 平, 張乾助, 李文良, 寧少川, 董少華, 王紅毅, 王新莉

(1. 河南工程學院 機械工程學院, 河南 鄭州 451191;2. 河南工程學院 土木工程學院, 河南 鄭州 451191)

發動機冷卻系統溫差發電模擬試驗臺設計與開發

馬宗正1, 徐 平2, 張乾助1, 李文良1, 寧少川1, 董少華1, 王紅毅1, 王新莉1

(1. 河南工程學院 機械工程學院, 河南 鄭州 451191;2. 河南工程學院 土木工程學院, 河南 鄭州 451191)

開發了用于模擬發動機冷卻系統溫差發電的試驗臺,實現了冷熱端溫度和輸出電壓的顯示。利用該試驗臺進行了初步試驗,研究結果顯示:由于集熱器存在一定的熱阻使得熱端溫度低于冷卻水溫度,而散熱器沒有外部冷卻導致散熱效果較差使得冷端溫度高于環境溫度；而當采用風機冷卻時,溫差會變大,溫差發電片輸出電壓明顯升高；但當風速升高時,由于冷端和熱端溫度同時下降,變化效果不明顯。

發動機; 冷卻系統; 溫差發電; 模擬試驗臺

從發動機熱平衡角度分析,燃料能量的60%左右會被發動機冷卻系統和尾氣帶走[1],這部分能量如果能夠進行回收利用將相當可觀[2]。溫差發電技術是一種基于塞貝克效應的技術,由于溫差發電技術的無噪聲和無振動等特點,使得其在發動機能量回收中有了大量的應用,特別是在發動機尾氣能量回收方面[3-6]。

針對發動機冷卻系統能量,已有研究表明基于溫差發電的溫差發電器完全可以取代發動機的散熱器,并且在怠速工況下能量回收效率可達到10%[7]。但是由于其工作效率受到負載、內阻、熱端溫度和冷端溫度的影響[8],還需要進一步的研究。

如果進行實際的臺架試驗,需要耗費大量的人力物力[9-10],且參數也不易控制。為此，開發了一套發動機冷卻能量回收的溫差發電模擬試驗臺,以便對溫差發電技術的能量回收技術進一步研究。

1 模擬試驗臺的總體結構

實際發動機的冷卻系統和能量回收系統(溫差發電器)見圖1，溫差發電器是串入冷卻系統中的,即溫差發電器與原有散熱器為串聯關系。采用此種結構,一是能夠充分利用發動機冷卻液的余熱進行發電,二是保留原有散熱器使發動機的散熱能力不下降。

圖1 冷卻系統和溫差發電器安裝位置示意圖

因此模擬試驗臺的設計,主要是發動機冷卻系統,同時增加溫差發電系統,由于該系統需要能夠實現參數的調整和數據的測量,因此和實際的發動機冷卻系統還要有一定的區別。試驗臺整體結構如圖2所示,整體分成3部分,即測量顯示部分、溫差發電器部分和冷卻系統模擬部分。其中,測量顯示部分主要包括冷端溫度、熱端溫度，以及溫差發電片的輸出電壓和電流的測量值和顯示；溫差發電器用于實現冷卻系統能量的回收,其主要包括集熱器、散熱器、溫差發電模塊,具體結構見圖3；冷卻系統模擬部分主要包括保溫箱、水泵、溫控儀和風機,保溫箱和溫控儀共同實現水溫的控制,水泵用于實現冷卻水的循環,風機模擬冷卻風扇。

圖2 試驗臺整體結構

圖3 溫差發電器結構示意圖

2 模擬試驗臺的設計

2.1 測量顯示部分

電壓和電流的測量采用萬用表測量即可,此處主要的設計是關于冷端溫度和熱端溫度的測量與顯示。

安裝時,溫差發電片和散熱器以及集熱器之間需要緊密接觸,如圖4所示,因為當溫差發電片和散熱器以及集熱器之間存在縫隙的時候,會影響熱量的傳遞。因此在溫差發電片與冷端和熱端接觸面布置臺灣泰仕生產的扁平K型熱電偶,該熱電偶測溫部分寬3.7 mm,厚0.28 mm,精度±1.5 ℃,反應時間2.50 s,能夠滿足測量的要求；同時為使溫差發電片與冷端和熱端接觸良好,在溫差發電片與散熱器及冷卻水容器接觸面填涂硅膠,增加導熱性能。

圖4 溫差發電片和散熱器及集熱器的接觸示意圖

還需要說明的是,為了能夠演示溫差發電過程,在顯示部分還增加了一只12 V白熾燈泡,通過其亮度的變化來展示溫差發電輸出功率的變化情況,如圖5所示。

圖5 用于展示溫差發電變化情況的白熾燈

2.2 溫差發電器

由于目前沒有成熟的針對該結構的溫差發電設計方法,并且主要考慮相關影響因素對溫差發電的影響,因此在設計時采用了類似三明治結構的能量回收裝置,其中集熱器與發動機冷卻系統相連接,用于實現發動機冷卻水能量的回收,組成溫差發電器的熱源部分；散熱片為溫差發電器的散熱部分,作為溫差發電器的冷源；中間部分為溫差發電片，其他為連接結構。

集熱器尺寸為(長×寬×高)350 mm×350 mm×30 mm,溫差發電片尺寸為40 mm×40 mm×3.8mm,單面集熱器可以布置25片溫差發電片。溫差發電器實物圖見圖6。

圖6 溫差發電器實物圖

對于發動機能量回收裝置內部結構來說,主要目的是盡量使能量回收裝置的表面溫度保持均勻,這樣溫差發電片的輸出電壓基本一致,有利于能量的整體輸出。為此結合現有散熱器的基本結構,在考慮冷卻系統阻力的基礎上,在能量回收裝置內部增加隔板,即利用隔板把能量回收裝置內部空間分成幾部分。采用數值計算的方法對比分析了如圖7所示的幾種結構[11],其中(a)為平行擋板模式,平行分布3個擋板,擋板之間為水平關系；(b)為中間對稱分布著6個擋板,兩兩擋板按一定的角度分布,分別與中軸線呈60°、45°和30°；(c)內部呈2個V字形分布,出口位置擋板之間的距離和出口直徑一樣。

圖7 能量回收管內部結構示意圖

圖8為幾種不同內部結構的能量回收管表面溫度的對比圖,由圖可知,第一種裝置溫度有變化,最高溫度為85 ℃,最低溫度83 ℃,可見變化范圍較小；其他兩種內部結構的分析結果基本一致,總體說第二種更均勻一些。為此采用第二種結構方式。

圖8 能量回收管內部溫度分布圖

根據前期的研究結果表明,由于溫差發電片較薄,集熱器和散熱器之間熱量傳遞較為明顯,使得兩端的溫差較低[12],為此在布置溫差發電片以外的區域全部貼隔熱材料,從而降低冷端和熱端的熱量傳遞。

2.3 冷卻系統模擬部分

保溫箱和溫控儀共同實現水溫的控制。在發動機實際工作過程中,一般冷卻液的溫度不超過110 ℃,在本試驗臺中采用的冷卻液是純水,為此采用杭州時域電子生產的恒溫控制器(見圖9),將溫度控制在85～100 ℃,其中加熱棒和溫度傳感器置于保溫桶中,控制儀安裝于測量顯示區域。

圖9 恒溫控制器實物圖

一般車用發動機的水泵都是采用離心式水泵,流量一般在0～600 L/min的范圍內可調,而溫差發電系統主要考慮的是溫度和溫差,為此在本試驗臺設計過程中采用了電動定量泵,流量為200 L/min。

冷卻系統另外一個重要的部件就是冷卻風扇,在實際發動機中用于散熱,但是在本試驗中溫度控制由恒溫控制器實現,因此冷卻風扇的作用已經不存在,此處采用風機的作用是模擬車輛行進過程中的空氣流動。為此采用了三檔潔霸鼓風機,該機有3個不同的檔位,可以模擬風速的變化。

另外,為了避免管路中存在空氣,在集熱器的上表面增加了一個放氣孔。最終的實物圖見圖10。

圖10 實物圖

3 試驗結果

在完成試驗臺的組裝后進行了相關的試驗,主要考察了系統加熱過程中溫度變化以及強制風冷條件下風速對于溫差發電效率的影響。

3.1 加熱過程的變化

圖11為冷卻水加熱過程中水溫、冷端與熱端溫度的變化趨勢圖,由圖可知,當環境溫度為17 ℃時,加熱過程中冷卻水的溫升過程，與熱端、冷端的溫升過程基本保持一致；不同點是在冷卻水溫度達到97 ℃后熱端溫度保持在92 ℃,而冷端溫度大約維持在83 ℃。

圖11 加熱過程中冷端與熱端溫度的變化曲線

冷卻水和熱端溫度有溫差的原因在于冷卻水與熱端之間為集熱器壁面,該壁面材料為不銹鋼,常溫條件下不銹鋼的導熱系數只有16 W/(m·K),相當于冷卻水與熱端之間有一固定熱阻,從而產生一定的溫度差,因而導致冷卻水的溫度和熱端溫度不一致。

對于溫差發電片的冷端來說,雖然其冷端和熱端都為陶瓷材料，核心材料是半導體材料,其熱傳導性能較差,但是由于加熱過程中持續時間較長,熱量還是會通過溫差發電片從熱端傳遞到冷端,從而使得冷端溫度跟隨熱端一起升高；但是由于冷端與一定面積的散熱片相連,會有一部分熱量通過熱量交換傳遞到周圍的空氣當中,當溫度升高到一定程度,冷端獲取的熱量與傳遞給散熱片的熱量相等時,溫度不再上升。

同時可以發現,由于散熱器散熱效果有限,不能夠把熱量及時地傳遞出去,造成冷端與環境溫度相差較大。

3.2 強制風冷對溫差發電裝置的影響

車輛實際運行過程中也存在風速的變化,為此對不同風速條件下溫差發電裝置的變化進行了分析。試驗過程中風速由風速儀測量。

表1為不同風速條件下各溫度的對比,由表1可知,當采用強制風冷時,熱端溫度從92 ℃下降至80 ℃以下,冷端溫度從83 ℃下降至43 ℃左右,兩端溫差從10 ℃增大到40 ℃左右。

雖然采用強制風冷時,會同時降低兩端溫度,但是冷端的溫度下降更為明顯,使得溫差發電片兩端的溫差增大,有利于提高輸出功率,因此在實際應用過程中風冷是提高溫差發電片效率必須要考慮的因素。

同時還可以發現,當風速從9.5 m/s升高到15.5 m/s時,熱端溫度從79.1 ℃下降至77.5 ℃,冷端溫度從43.1 ℃下降至41.8 ℃,但是兩端溫差基本保持在36 ℃左右,變化不大,從而使得實際發電效率變化不大。主要原因是由于集熱器采用不銹鋼材料,散熱片采用的鋁合金材料,強制風冷時會同時提高其散熱能力,從而會出現冷端和熱端溫度同時降低的現象,進而導致溫差變化不大。

表1 不同風速下測量結果

4 結語

本文介紹了發動機冷卻系統溫差發電試驗臺,分別從模擬試驗臺的總體結構、模擬試驗臺的測量顯示部分、溫差發電器、冷卻模擬部分等方面對設計過程進行了介紹,并且利用該模擬試驗臺進行了相關的試驗。該系統能夠在不需要發動機實際工作的情況下進行溫差發電過程的模擬,對于研究發動機冷卻系統溫差發電技術有一定的幫助。

References)

[1] 王建昕. 汽車發動機原理[M].北京:清華大學出版社,2012.

[2] 馬宗正,徐平,邵鳳翔,等. 溫差發電在發動機冷卻系統能量回收中的應用[J]. 昆明理工大學學報(自然科學版),2016(4):63-68,87.

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[6] 馬宗正,王新莉. 基于溫差發電技術的發動機能量回收研究[J]. 電源技術,2014,138(10):1975-1978.

[7] Nyambayar B, Shiho K. A Thermoelectric Generator Replacing Radiator for Internal Combustion Engine Vehicles[J]. Indonesian Journal of Electrical Engineering, 2011,9(3):523-530.

[8] Niu X, Yu J L, Wang S Z. Experimental study on low-temperature waste heat thermoelectric generator[J]. Journal of Power Sources, 2009,188(2):621-626.

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[11] 許京荊.ANSYS WORKBENCH 工程實例詳解[M].北京:人民郵電出版社,2015.

[12] Ma Z Z, Wang X L. Influence of Temperature on Characters of Thermoelectric Generators Based on Test Bed[J]. Journal of Nanomaterial,2014(3):1-6.

Design and development of simulation test platform for thermoelectric generation of engine cooling system

Ma Zongzheng1, Xu Ping2, Zhang Qianzhu1, Li Wenliang1, Ning Shaochuan1, Dong Shaohua1, Wang Hongyi1, Wang Xinli1

(1. Department of Mechanical Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, China; 2. Department of Civil Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

The test platform for simulating thermoelectric generation of the engine cooling system is developed, and the temperature and the output voltage of the hot and cold terminals are realized. Based on this test platform, the preliminary tests are carried out. The research results show that as the collector has a certain thermal resistance, the thermal end temperature is lower than the cooling water temperature, and the radiator without the external cooling leads to the poor heat dissipation, which makes the cold end temperature higher than the ambient temperature. When the fan is used for cooling, the temperature difference becomes larger, and the output voltage of the thermoelectric generator is increased obviously. But when the wind speed rises, the changing effect is not obvious because the temperatures of the cold end and the hot end decrease at the same time.

engine; cooling system; thermoelectric generation; simulation test platform

TM913；U464

: A

: 1002-4956(2017)09-0090-05

2017-03-14修改日期:2017-05-04

河南省高等學校青年骨干教師資助計劃項目(2014GGJS—120);河南省產學研合作試點項目(201513);2015年河南省教育技術裝備和實踐教育研究立項課題(GZS018)

馬宗正(1981—),男,山東濟南,博士,副教授,研究方向為車輛的節能減排技術以及零部件優化設計.

E-mail:zongzhengma@haue.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.023