汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用技術(shù)可行性分析

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱運(yùn)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(lái)，能源問(wèn)題受到世界各國(guó)普遍重視，各經(jīng)濟(jì)大國(guó)都致力搶占能源市場(chǎng)同步，對(duì)節(jié)能技術(shù)的重視程度也大大加強(qiáng)。伴隨人們生活水平的提高，汽車保有量越來(lái)越大，汽車能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來(lái)越高，汽車節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越受到各國(guó)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。汽車消耗的能源重要是石油燃料，而我國(guó)是一種石油存儲(chǔ)量相對(duì)欠缺的國(guó)家，目前己成為世界第二大石油進(jìn)口國(guó)。伴隨我國(guó)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，提高汽車燃料有效運(yùn)用率和減少環(huán)境污染在我國(guó)具有更重要的戰(zhàn)略意義。調(diào)查研究表明，汽車燃料燃燒所釋放的能量只有三分之一左右被有效運(yùn)用，其他能量都被散失或排放到大氣中，導(dǎo)致了能源極大揮霍，也帶來(lái)了不良環(huán)境影響。因此將這些汽車廢熱有效運(yùn)用是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能，減少汽車能源消耗的一種有效途徑。二、汽車余熱運(yùn)用技術(shù)從目前汽車所用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡來(lái)看，用于動(dòng)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))，重要包括循環(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(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)帶走的熱量有較大運(yùn)用空間，怎樣將其有效運(yùn)用自然受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，不少人致力于此方面研究。由于車用發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的使用場(chǎng)所，汽車余熱運(yùn)用品有鮮明的特點(diǎn)和特殊的規(guī)定，可將這些特點(diǎn)簡(jiǎn)樸歸結(jié)如下：一是汽車余熱的品位較低，能量回收較困難；二是余熱運(yùn)用裝置要構(gòu)造簡(jiǎn)樸，體積小，重量輕，效率高；三是廢熱運(yùn)用裝置要抗震動(dòng)、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(dòng)機(jī)工作特性，防止減少發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。由于汽車余熱運(yùn)用品有上述特點(diǎn)，使得研究的成果雖多，但投入商業(yè)化生產(chǎn)的不多，有待深入的研究開發(fā)。國(guó)內(nèi)外汽車余熱運(yùn)用的技術(shù)，從熱源來(lái)看，有運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱和運(yùn)用排氣余熱兩種，從用途上來(lái)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8~12%的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，增長(zhǎng)油耗，加大排放；另首先易引起水箱過(guò)熱，影響轎車動(dòng)力性；同步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。為處理舒適性與制冷功耗之間的矛盾，回收和運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，實(shí)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)重要有吸取式和吸附式兩種。吸取式制冷空調(diào)。其原理是以熱能為動(dòng)力來(lái)完畢制冷循環(huán)的，在有關(guān)文獻(xiàn)中，研究最多的是運(yùn)用循環(huán)冷卻水余熱來(lái)實(shí)現(xiàn)吸取式制冷，當(dāng)然也可以運(yùn)用排氣余熱來(lái)實(shí)現(xiàn)吸取式循環(huán)。吸取式制冷系統(tǒng)有較大的性能系數(shù)COP（相對(duì)于吸附式而言），但構(gòu)造復(fù)雜、體積大、造價(jià)高，并且四器（發(fā)生器、冷凝器、吸取器、蒸發(fā)器）需要自由水平面，不太合用于常常處在顛簸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的汽車。吸附式制冷空調(diào)。其原理是運(yùn)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(lái)的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。吸附式系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)樸、造價(jià)低，在提高吸附床傳熱傳質(zhì)能力的狀況下，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(zhǎng)預(yù)備時(shí)間，單位質(zhì)量的吸附劑產(chǎn)生的制冷功率較小，系統(tǒng)粗笨，廢熱運(yùn)用率不高，而汽車空調(diào)規(guī)定體積小、制冷量大、性能可靠、操作以便，這限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。要到達(dá)以上規(guī)定，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)運(yùn)用廢氣能量發(fā)電常用措施有四種，分別為運(yùn)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)原剪發(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(guò)試驗(yàn)證明用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱溫差發(fā)電可以取代老式的汽車發(fā)電機(jī)，且溫差發(fā)電吸熱降溫對(duì)汽車整體性能大有稗益。運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的氟龍透平發(fā)電。是運(yùn)用一種在比較低的溫度下能成為高壓氣體的低沸點(diǎn)物質(zhì)(一般為氟利昂)作為工質(zhì)，使其在吸取發(fā)動(dòng)機(jī)余熱后由液態(tài)變?yōu)楦邏赫羝麖亩七M(jìn)透平機(jī)發(fā)電。廢氣渦輪發(fā)電。青島大學(xué)的張鐵柱提出了運(yùn)用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)想，并設(shè)計(jì)了一種新裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，獲得專利一項(xiàng)。日本的吉田佑也曾作過(guò)此方面的試驗(yàn)，證明了運(yùn)用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪所發(fā)出的電能足以提供汽車運(yùn)行所需電能，但未做深入研究。此種裝置構(gòu)造簡(jiǎn)樸，但有也許對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能產(chǎn)生影響。運(yùn)用斯特林循環(huán)原剪發(fā)電。工質(zhì)從高溫?zé)嵩?汽車廢氣)吸取熱量，膨脹做功，向低溫?zé)嵩捶艧岵⑹湛s，再次從熱源吸取熱量，循環(huán)上述過(guò)程。在每次循環(huán)過(guò)程中，工質(zhì)吸取的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而工質(zhì)做功過(guò)程中通過(guò)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)深入將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。3、余熱采暖余熱式暖氣裝置運(yùn)用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作剩余熱量供暖，運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的熱量，稱為水暖式，運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的熱量，稱為氣暖式。①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，重要用于非寒冷地區(qū)取暖容量較小的貨車和轎車。在環(huán)境溫度較低時(shí)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)處在過(guò)冷狀態(tài)，增長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)不必要的機(jī)械磨損，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。②氣暖式暖風(fēng)裝置的發(fā)熱量大，采暖效果很好，受環(huán)境溫度影響小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作影響小，但要注意不要增長(zhǎng)排氣背壓，否則將影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。4、改良燃料運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱加熱燃料，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。例如甲醇，改性后的含量可增大20%，可有效減輕污染和積炭。這種措施的缺陷在于只運(yùn)用了發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的一部分，其目的重在改良燃料而非充足運(yùn)用廢氣能量。以上所述汽車余熱運(yùn)用熱源來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和尾氣排放兩個(gè)方面，但形式上都是現(xiàn)采現(xiàn)用，輕易出現(xiàn)熱能供應(yīng)與需求失配的矛盾，因此人們考慮怎樣將汽車剩余熱量臨時(shí)貯存起來(lái)，供需時(shí)使用，從而引出蓄能問(wèn)題。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)余熱運(yùn)用而言，從熱源來(lái)看，余熱量與發(fā)動(dòng)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，并且氣候原因、汽車啟停間隔等原因?qū)ζ囉酂崃坑绊懸埠苊黠@。要處理供需矛盾，把這種不穩(wěn)定能源為人們所用，就要把發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷卻液攜帶的熱能臨時(shí)貯存起來(lái)，以供再次啟動(dòng)時(shí)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(lái)看，熱存貯在汽車余熱運(yùn)用系統(tǒng)中所起的作用比一般的熱運(yùn)用系統(tǒng)都大得多。因此，汽車余熱蓄熱再運(yùn)用關(guān)鍵在于處理能量存貯問(wèn)題，蓄能問(wèn)題也是汽車余熱應(yīng)用研究中的微弱環(huán)節(jié)。三、余熱運(yùn)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(duì)環(huán)境無(wú)污染、可直接運(yùn)用一次能源以及無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等長(zhǎng)處，越來(lái)越受到人們的重視。吸附式系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件少，可靠性高；其COP與吸取式系統(tǒng)相近。由于使用固體吸附材料，因此可用于振動(dòng)場(chǎng)所。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，并且在較高溫度的條件下不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，尤其是對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(guó)JPL/NASA的JackA。Jones對(duì)活性炭-氨的吸附性能進(jìn)行了初步的研究和分析。吸附式制冷熱力學(xué)原理圖圖中過(guò)程a-b-c-d-a為基本循環(huán)中吸附器的基本熱力過(guò)程，左側(cè)a-b-m-n-a為制冷劑熱力過(guò)程。吸附器分別在a-b-c過(guò)程被加熱解吸和在c-d-a過(guò)程降溫吸附，中間需要切換加熱和冷卻，是一種間歇過(guò)程，適合于太陽(yáng)能等不持續(xù)熱源場(chǎng)所。它的循環(huán)周期長(zhǎng)，性能系統(tǒng)較低。在此基礎(chǔ)上人們?cè)O(shè)計(jì)了雙吸附器的持續(xù)循環(huán)，可以進(jìn)行持續(xù)制冷，但性能與基本循環(huán)沒有區(qū)別，只相稱于兩個(gè)并聯(lián)工作的基本循環(huán)。如圖所示，假如有兩個(gè)吸附器反相工作，兩個(gè)吸附器準(zhǔn)備切換時(shí)，一種處在高溫高壓狀態(tài)c，另一種處在低溫低壓狀態(tài)a，回?zé)峋褪沁\(yùn)用此時(shí)兩吸附器的溫差來(lái)對(duì)低溫吸附器進(jìn)行初步加熱并對(duì)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)外部輸入的加熱過(guò)程的熱量可以節(jié)省非常多，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(gè)吸附器反相工作，兩個(gè)吸附器準(zhǔn)備切換時(shí)，一種處在高溫高壓狀態(tài)c，另一種處在低溫低壓狀態(tài)a，回質(zhì)就是運(yùn)用此時(shí)兩吸附器的壓力差來(lái)對(duì)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(guò)程所需要的時(shí)間，并增長(zhǎng)工質(zhì)的流量，可以使制冷量和COP得到較大的改善。COP可以提高到達(dá)50%以上。我們懂得，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，用于動(dòng)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%，重要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱量；排氣余熱的特點(diǎn)是溫度高，排氣閥門處的溫度大概為400~500℃；尾氣帶走的熱量占燃燒總熱量的25%~45%。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為170kW(228馬力)的大型客車來(lái)說(shuō)，其能量分布為:所有燃燒熱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(dòng)機(jī)排氣回收的熱量。假如使用從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水中回收的熱量，則由于水與吸附器的換熱狀況要好于氣體與吸附器的換熱狀況，因此回收熱量過(guò)程中的傳熱狀況相對(duì)很好，有助于熱量回收。不過(guò)熱源溫度相對(duì)較低(低于100℃)，并且一般在冷卻時(shí)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?。恍〉臏夭顚?duì)吸附式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)會(huì)使循環(huán)的吸附解吸量較低，對(duì)工作是不利的。假如使用從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中回收的熱量，則氣體的傳熱狀況較差導(dǎo)致回收熱量困難；但從此外的角度來(lái)看，發(fā)動(dòng)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)，有也許改善熱回收狀況；并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，從而導(dǎo)致較大的吸附解吸量。2、余熱發(fā)電技術(shù)分析由于汽車的構(gòu)造緊湊、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量小，車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的運(yùn)用相對(duì)于大型工業(yè)設(shè)備余熱回收來(lái)說(shuō)難度更大。20世紀(jì)70年代以來(lái)，某些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的學(xué)者提出了采用溫差發(fā)電器(ThermoelectricGenerator，TEG)來(lái)處理上述問(wèn)題。TEG根據(jù)熱電直接轉(zhuǎn)換原理，具有構(gòu)造簡(jiǎn)樸、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲等特點(diǎn)，在低品位熱能運(yùn)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，可以將內(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(gè)方面，是熱電學(xué)的一種重要領(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(jì)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(lái)，用于溫差發(fā)電的熱電材料都是半導(dǎo)體材料，如用于低溫(300℃如下)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、MnTe、SiRe2、CeS等。衡量熱電材料優(yōu)劣的指標(biāo)為“優(yōu)值”Z=α2σ/λ(式中α為塞貝克系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，λ為熱導(dǎo)率，Z的量綱為K-1)。研究中也常使用ZT值(稱為無(wú)量綱優(yōu)值，T為絕對(duì)溫度)?？梢杂糜跍夭畎l(fā)電的材料既要有較高的α、σ值又要有較低的λ值，這是一種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)值的熱電材料，一直是熱電學(xué)研究的重要內(nèi)容，這些研究重要包括:(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(guò)控制最佳載流子濃度或通過(guò)固溶摻雜來(lái)處理良電導(dǎo)和熱絕緣的矛盾是有效的。(2)熱電材料新構(gòu)造的研究，包括梯度材料、復(fù)合材料和量子阱構(gòu)造的熱電材料等。熱電材料的梯度構(gòu)造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。合理的梯度化構(gòu)造可以使材料適應(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，常用的措施有熔體生長(zhǎng)法和粉末冶金法，以及微型半導(dǎo)體熱電器件采用的氣相生長(zhǎng)法。制備措施與工藝的完善與否，對(duì)材料的性能影響很大。粉末冶金法合用于大規(guī)模生產(chǎn)，并且原材料揮霍少，獲得的材料機(jī)械性能好，是一種有前途的適合實(shí)用普及的工藝措施。單個(gè)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的原則化、系列化。美國(guó)Hi-Z企業(yè)為車輛余熱轉(zhuǎn)換研制的一種熱電模塊，由71對(duì)碲化鉍熱電偶聯(lián)接起來(lái)，固定在一種被稱為“蛋架”的框架上；模塊在溫差200℃時(shí)輸出2。38V/19W電流。該企業(yè)已研制了4種不一樣規(guī)格的產(chǎn)品，形成了一種系列，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(dòng)機(jī)排氣和冷卻水帶走的余熱，前者的溫度可達(dá)800℃左右，后者一般在100℃如下。溫差發(fā)電器冷源的形式有空氣自然對(duì)流散熱、強(qiáng)迫通風(fēng)散熱、水冷散熱和環(huán)流散熱4種。目前設(shè)計(jì)的熱電偶臂長(zhǎng)僅為3~10mm，冷熱端間距很小，因此，合適的冷源形式是獲得較大溫差的關(guān)鍵原因之一。近年來(lái)，車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)發(fā)展快，國(guó)內(nèi)外許多高校、科研機(jī)構(gòu)、軍隊(duì)、有關(guān)企業(yè)、車企業(yè)均有研究成果的報(bào)道。某些試驗(yàn)裝置經(jīng)進(jìn)行了試驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)、道路試驗(yàn)以及耐久性驗(yàn)，轉(zhuǎn)換規(guī)模在數(shù)百瓦至1500W之間。日本Nissan汽車企業(yè)研究中心研制溫差發(fā)電器，它的外形尺寸為440mm×180mm170mm，接在3000cc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(duì)構(gòu)成一種塊，每個(gè)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。在道路試驗(yàn)中，當(dāng)汽車60km/h的速度爬坡時(shí)，發(fā)電器可轉(zhuǎn)換排氣中11%的熱量。美國(guó)Hi-Z技術(shù)企業(yè)Bass等人1984年刊登了有關(guān)1。5kW溫差發(fā)電器設(shè)計(jì)的論文，1990年后來(lái)，在美國(guó)能源部的持續(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，在康明斯250kW(335Hp)柴油機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架和道路試驗(yàn)。試驗(yàn)在排氣管上用72塊HZ-14模塊按圓周排列布置，冷端用水冷卻，形成了250℃~270℃溫差。輸出功率重要依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化，而受轉(zhuǎn)速變化的影響較小。試驗(yàn)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(shí)間。這一裝置的性能處在領(lǐng)先，不過(guò)獲得的總功率不算高，到目前還沒有深入實(shí)用的匯報(bào)國(guó)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(jì)算表明，當(dāng)使用960個(gè)碲化鉛熱電偶，高溫?zé)嵩礊?00℃，低溫?zé)嵩礊?00℃時(shí)，只要有16610J/s的排氣余熱就能轉(zhuǎn)換得到與發(fā)電機(jī)的輸出相等的電量。而臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得該車發(fā)動(dòng)機(jī)在最低轉(zhuǎn)速時(shí)排氣的溫度和流量已經(jīng)能滿足這些規(guī)定，闡明了排氣余熱的溫差發(fā)電具有實(shí)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(dòng)機(jī)的直接發(fā)電和取暖的研究。試驗(yàn)對(duì)象為154kW(210hp)的俄制發(fā)動(dòng)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，尚有余熱供應(yīng)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)換器構(gòu)造。由于近50年來(lái)，熱電材料的研究沒有獲得期望的進(jìn)展，因此，在既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(jì)措施和多學(xué)科的基礎(chǔ)理論，如:(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(zhǎng)度有關(guān)，不一樣電阻率和導(dǎo)熱率的電極應(yīng)有不一樣的幾何尺寸，只有符合最優(yōu)尺寸才能獲得最佳的器件優(yōu)值。同步，設(shè)計(jì)中還要對(duì)溫差發(fā)電器的負(fù)載等性能以及構(gòu)造進(jìn)行綜合考慮，采用優(yōu)化、仿真和CAD等現(xiàn)代設(shè)計(jì)措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是此后研究的重要課題之一。(2)可靠性研究?？煽啃暂^高一直是半導(dǎo)體熱電器件的最重要的長(zhǎng)處之一，但受設(shè)計(jì)、制造和使用環(huán)境等原因的影響，器件的穩(wěn)定性和使用壽命有明顯的差異。有關(guān)失效機(jī)理的分析和試驗(yàn)表明，半導(dǎo)體熱電器件失效的重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^(guò)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)原子析出等變化了材料特性等。這些問(wèn)題尚有待處理。(3)傳熱學(xué)的研究。溫差發(fā)電器在設(shè)計(jì)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)化措施等問(wèn)題。這方面的研究已經(jīng)成為溫差發(fā)電器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一。(4)多場(chǎng)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)電器構(gòu)造。研究采用內(nèi)置的軸向網(wǎng)狀熱電轉(zhuǎn)換模塊和多級(jí)轉(zhuǎn)換構(gòu)造，冷源為分離式循環(huán)水冷，直接接入發(fā)動(dòng)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，并減少對(duì)熱電材料λ值的規(guī)定，強(qiáng)化了速度場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電場(chǎng)的耦合，充足運(yùn)用了余熱流的能量。該研究已經(jīng)完畢理論研究和驗(yàn)證性的試驗(yàn)。溫差發(fā)電器用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱運(yùn)用品有廣泛的應(yīng)用前景。從研究成果來(lái)看，目前設(shè)計(jì)構(gòu)造的溫差不高，熱電偶總數(shù)在1000個(gè)如下，存在著效率低、成本高、構(gòu)造不夠緊湊等問(wèn)題。在熱電材料研究獲得突破之前，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(shì)。3、余熱采暖技術(shù)分析1）我們可以把汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管改導(dǎo)致熱水互換器，運(yùn)用熱水互換器將廢氣余熱傳遞給水，水溫升高，沸騰，產(chǎn)生大量蒸氣，再運(yùn)用蒸氣加熱開水、蒸飯、取暖。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中蘊(yùn)藏著大量的熱能，根據(jù)熱傳遞及熱互換原理，運(yùn)用方式如圖所示。左上是一種水箱，右下是一種熱互換器，兩者用管路連接。排放熱氣從上向下流動(dòng)，熱量通過(guò)管壁傳遞給水，水溫逐漸升高，水熱互換器中上端溫度高，下端溫度低，產(chǎn)生從下向上逆熱氣流動(dòng)方向的循環(huán)流動(dòng)。多次往復(fù)循環(huán)，就會(huì)將水“燒”開，產(chǎn)生蒸氣。因此，汽車廢氣余熱再運(yùn)用的基本思緒是:在排氣管外圍沿著排氣管方向焊裝一種水套，水套與一種水箱相連。裝置注意事項(xiàng)：及時(shí)補(bǔ)水。蒸氣箱內(nèi)之水，伴隨蒸氣的蒸發(fā)會(huì)逐漸減少，應(yīng)定期打開備用補(bǔ)水箱閥門，向蒸氣箱內(nèi)補(bǔ)水；及時(shí)放水。廢氣余熱運(yùn)用系統(tǒng)不使用時(shí)，應(yīng)將尾氣加熱器內(nèi)的水所有放凈。尤其是冬季，發(fā)動(dòng)機(jī)不起動(dòng)時(shí)，若不將水放凈，會(huì)把加熱器凍裂；閥門開關(guān)問(wèn)題。尾氣加熱器進(jìn)水、出水管上均有閥門開關(guān)。在使用加熱器時(shí)，應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，將進(jìn)、出水閥門打開，水加熱后，使水可以自由循環(huán)。否則，氣壓升高，無(wú)法循環(huán)，將會(huì)產(chǎn)生高壓爆炸危險(xiǎn)。我國(guó)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(duì)野營(yíng)拉練等，飲水、吃飯、取暖極不以便。因此，若將汽車、工程車等發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放系統(tǒng)加以改造，運(yùn)用廢氣余熱“燒”開水、煮飯、取暖等，將給工作人員的生活、生產(chǎn)帶來(lái)極大的便利，并給國(guó)家節(jié)省大量的能源。2）車內(nèi)采暖重要應(yīng)用于大客車上客車的采暖系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)方式分為獨(dú)立燃燒式和余熱式兩種。余熱式采暖系統(tǒng)是運(yùn)用發(fā)動(dòng)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(jiǎn)樸、使用以便。但停車時(shí)不能供暖，用于大型車輛和寒冷地區(qū)時(shí)，對(duì)余熱回收元件的性能規(guī)定很高。因此，雖然余熱式采暖系統(tǒng)的出現(xiàn)早于獨(dú)立式，不過(guò)目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)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構(gòu)成，燃料（一般為輕柴油）在專門設(shè)計(jì)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)可在車輛的多種運(yùn)行狀態(tài)下工作，提高了舒適性。此外，運(yùn)用微機(jī)控制還可按照設(shè)定的時(shí)間開始工作；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱、處理冷起動(dòng)問(wèn)題；還可對(duì)車廂進(jìn)行預(yù)熱；同步處理發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油和蓄電池的保溫問(wèn)題。在我國(guó)客車行業(yè)中，由于沒有高性能的非獨(dú)立式采暖設(shè)備而大多選用獨(dú)立式采暖裝置。但在實(shí)際使用（尤其是都市公交）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，以減少運(yùn)行成本，從而導(dǎo)致新風(fēng)供應(yīng)局限性，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。前者運(yùn)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)合式熱互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，布置一種冷卻液-采暖水熱互換器。復(fù)合式熱互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步充足減少尾氣的阻力。眾所周知，都市公交車輛的行駛速度變化范圍很大，最高可達(dá)80km/h，最低則靠近于怠速。單純使用熱管雖可保證發(fā)動(dòng)機(jī)低工況下的換熱性能，但在高工況下也許會(huì)超過(guò)熱管的最高容許溫度，使之報(bào)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、減少尾氣側(cè)的阻力，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常出力。在車輛起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度較低，電磁閥V3啟動(dòng)，此時(shí)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(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間、提高其使用壽命。在車輛正常行駛過(guò)程中，電磁閥V1關(guān)閉、V2啟動(dòng)、V3關(guān)閉。在車廂內(nèi)散熱、溫度減少后的水首先與冷卻液換熱，溫度升高后再在復(fù)合式熱互換器中深入吸熱。4、余熱制氫技術(shù)至今氫燃料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用還沒有得到廣泛推廣，這重要是由于大多數(shù)汽車所采用的氫燃料的添加及儲(chǔ)存措施不完善。近年國(guó)內(nèi)某些高校和科研單位針對(duì)氫燃料難以直接隨車儲(chǔ)存的特點(diǎn)，以甲醇替代氫氣隨車攜帶，并運(yùn)用發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)燃料，很好地處理了氫燃料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的儲(chǔ)存、攜帶，使氫燃料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的推廣應(yīng)用成為也許。汽油箱中的汽油通過(guò)化油器向發(fā)動(dòng)機(jī)提供，在不使用氫燃料時(shí)與老式燃料系相似。附加的氫燃料供應(yīng)系由甲醇容器、氫發(fā)生器、儲(chǔ)氫箱、閥、泵等構(gòu)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(chǔ)存在儲(chǔ)氫箱里。在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸真空度作用下，儲(chǔ)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(guò)化油器各個(gè)閥控制。余熱制氫發(fā)動(dòng)機(jī)不用隨車攜帶氫氣，以隨車攜帶甲醇箱中的少許甲醇就可按需產(chǎn)生氫氣燃料，處理了難于將氫燃料直接在汽車上儲(chǔ)存和安全性問(wèn)題；甲醇的添加和儲(chǔ)存與老式燃料近似，便于在用車的改裝和供應(yīng)站的設(shè)置；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(guó)內(nèi)氫發(fā)生器所用的催化劑一般具有鎳、鉑、鈀、鉀、鋁和銅等元素，發(fā)動(dòng)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，還能協(xié)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(dòng)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重要為二氧化碳和水。余熱制氫發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱將甲醇裂解為氫燃料使用，使燃料成本減少，處理了使用氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車隨車儲(chǔ)氫、添加等方面的問(wèn)題。余熱制氫發(fā)動(dòng)機(jī)使用氫(或氫與汽油混合)為燃料，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中有害成分大幅減少，并能減少發(fā)動(dòng)機(jī)排氣對(duì)環(huán)境的放熱。甲醇作為可再生能源，能從